TEACHING OF OPTIMAL CONTROL 1)

最优控制课程是控制科学与工程学科研究生学位必修课,同时也是力学(特别是动力学与控制方向)学位课,是一门具有理论深度和广泛工程应用的基础课。本文围绕如何提高课程教学质量、培养学生学习兴趣和创新能力的问题,对最优控制课程的教改核心、教学目标、教学内容、教学材料和教学方法等展开讨论。部分教改措施(如研讨式教学和BOPPPS教学结构)已应用于课程实践且取得良好效果。     

成果导向教育的教材建设初探——以《最优控制》为例

我国新工科建设和工程教育改革,突出了学生中心、成果导向和持续改进三大理念,为课程建设与课程改革指明了方向。教材建设是课程建设或改革中非常重要但容易被忽视的方面,是人才培养的重要依托。本文以工科最优控制课程为例,探讨成果导向教育（outcome-based education,OBE）理念的教材建设。在简介300年来最优控制发展历程和近60年来教材建设情况基础上,详细介绍新教材的建设思路与教材特点,为未来OBE教材建设提供参考。     

拟哈密顿系统非线性随机最优控制

主要介绍近十几年来拟哈密顿系统非线性随机最优控制理论方法及其应用的研究成果, 包括基于拟哈密顿系统随机平均法与随机动态规划原理的非线性随机最优控制基本策略, 即响应极小化控制、随机稳定化、首次穿越损坏最小化控制、以概率密度为目标的控制, 为将它们应用于工程实际而作的部分可观测系统最优控制、有界控制、时滞控制、半主动控制、极小极大控制的进一步研究, 以及综合考虑这些实际问题的非线性随机最优控制的综合策略, 非线性随机最优控制在滞迟系统、分数维系统等中的若干应用, 介绍与这些研究有关的背景, 并指出今后有待进一步研究的问题.     

柔性机翼颤振的次最优控制

柔性机翼颤振的主动控制中,控制器的阶数一般较高,并且空气动力状态是不可测的.本文采用基于部分状态反馈的次最优控制方法对柔性机翼的颤振主动控制进行了研究,并与基于全状态反馈的最优控制方法进行了对比.首先,建立了带有控制面的柔性机翼的气动伺服弹性状态方程,并设计了全状态反馈最优控制律;然后,使用控制性能指标关于反馈增益的二阶灵敏度确定系统各个状态的重要程度,选择出用于控制反馈的重要状态,并根据所选择的重要状态设计了次最优反馈控制律;最后,通过数值仿真将基于部分状态反馈的次最优控制律与基于全状态反馈的最优控制律的控制效果进行了对比.仿真结果显示,二阶灵敏度能够有效地显示出各个状态的重要程度,次最优控制律能够取得与最优控制律基本相同的控制效果.本文所设计的次最优控制律中不含空气动力状态,且控制器阶数低,更具工程意义.     

核心通识课“无处不在的力学”的教学实践

力学通识教育对培养学生科学与工程素养具有重要意义。本文基于核心通识课“无处不在的力学”的多轮教学实践,对多学时条件下的力学通识课程的组织与实施进行了探索,建立形成了“学科规划、多人授课、专人负责”的通识课程管理模式、“价值引领、知识传授、能力培养”相融合的课程理念和“讲授式教学、研讨式教学、研究型教学”相结合的多元教学模式。课程开设以来,学生选课踊跃,教学团队投入度高,促进了学生科学与工程素养的提高,扩大了力学学科在师生中的影响。     

地震作用下高层建筑结构的重叠分散控制研究

针对地震作用下高层建筑结构大系统控制问题,引入分散控制的策略,导出重叠分散最优控制(Overlapping Decentralized Optimal Control)算法。该方法将包含原理与线性二次型(Linear Quadratic Regulator)最优控制原理相结合,通过扩展分解控制系统及协调收缩获得重叠分散控制器。对某20层钢结构Benchmark结构模型进行数值计算与分析,结果表明,导出的重叠分散最优控制方法可以有效地抑制结构地震反应,控制效果不仅接近传统的集中控制方法,而且提高了高层结构大系统控制的鲁棒性和可靠性。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构地震反应的可靠控制。     

输入饱和系统的结构MBC策略研究

对基于市场机制控制(Market-Based Control,MBC)系统中控制变量存在的饱和效应进行了研究。根据结构力学与状态空间理论的模拟关系,将塑性力学中的参变量变分原理、对偶互补关系以及相应的二次规划方法应用到控制系统中,提出了输入饱和系统的结构MBC策略。将提出的控制策略应用于一座20层钢框架结构,并与输入饱和系统的非线性最优控制进行了对比,来验证本文方法的优势。结果表明:当控制系统存在饱和状态时,采用本文提出的输入饱和系统的结构MBC策略比最优控制效果好;相比最优控制策略,MBC策略对结构的位移响应具有更好的控制效果,并且MBC策略对于结构上部加速度的控制效果要好于最优控制;MBC策略在整个时程中所消耗的时间比最优控制快,更适合应用于多维、高层结构。     

清华大学钱学森班的理论力学教学实践

扼要介绍了给清华大学钱学森班讲授8年的 理论力学课及其升级课程``动力学与控制基础'的教学实践情况,分析了新时代学生基础差异化、教学要求多样化、学生成长需求个性化对教学的挑战,对新建课程的教学内容、体系、教材、考核等安排做了说明。     

工程教育专业认证背景下地方应用型高校多元混合式一流课程建设——以“材料力学”为例

从工程教育专业认证的视角来看,课程教学已经不再以“内容为本”,教学内容、资源、手段和组织形式等需要围绕实现课程教学目标和达成学生预期学习成果而展开。将金课的“两性一度”、工程教育专业认证的“三大理念”和BOPPPS(bridge-in, objective, pre-assessment, participatory learning, post-assessment, summary)教学模型的“六个模块”相结合,探索了一种“导入有创新、目标较高阶、前测有挑战、以学生为中心的交互、以产出为导向的后测和持续改进的总结”的教学模式。以“材料力学”课程为例,探索在一流课程建设过程中,教师应该“如何教、教什么”才能让学生“乐于学、学的到”,逐步形成了以“课程目标—资源建设—组织实施—综合评价—持续改进”的集知识传授、能力培养和价值塑造为一体的课程教学闭环。     

通识课“混沌与非线性思维”建设

为探讨非线性动力学的普及化和整合科学新进展加强通识教育课程,本文总结和分析了通识教育课“混沌与非线性思维”的设计与实践。非线性动力学现在已经成为人类知识的一部分。“混沌与非线性思维”是为上海大学所有学生(包括理工、经营和人文三大类)开设的通识教育课。该课程聚焦于混沌的科学概念和文化影响,非线性不仅作为数学模型也作为思维模式。该课程帮助学生从非线性思维角度观察、分析和理解自然和社会中的不可预测和不确定现象。教学实践表明,非线性动力学可以恰当的方式普及而成为通识教育课程的实质性内容,并为各专业的本科生接受。     

最优控制群桩扩张位移的安全度

本文主要通过最优控制理论来研究群桩沉击时挤压扩张位移的最优控制方案。在对综合性隔阻系数和安全度的规划后,可以有效地制订最佳的减弱和控制群桩扩张位移对相邻结构的破坏量实施方案,从而提高相邻结构的安全度。从文中工程实例的分析可以明显反映出所提供的最优控制群桩扩张位移方程的实用性、简便性,井具有一定的经济价值。     

变分及半变分不等式确定的结构的最优控制和应用

本文研究了几类结构——以变分等式、变分不等式和半变分不等式为状态关系——的最优控制问题。最优控制在于使一个以状态关系(由控制作用扩大了的)为辅助条件的泛函(性能指数)最小。文中证明了以变分不等式为状态关系结构的静力最优控制的解的存在及渐近性的某些命题,提出了一个处理对应的动态问题和以半变分不等式为状态关系的最优控制的规则化方法、并用凸的弹塑性问题以及凸的和非凸的单侧接触问题阐明了本理论。     

输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理, 并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic, LQ)最优控制问题的求解新方程---耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程. 通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段, 在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法. 数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性, 并且该算法具有较快的收敛性, 在大步长下具有较高的计算精度.      

研究生信息

<正> 导师 王照林教授(清华大学工程力学系)博士生 全斌专业 一般力学研究方向 复杂系统动力学与控制学位论文 复杂腔体内液体晃动抑制动力学与非线性瞬态流动的并行数值模拟内容介绍 论文首先针对一类工程实际课题进行研究.其背景是某型具有复杂内部结构的充液航天器的液体晃动与防晃动力学问题.采用有限元-外推方法对复杂结构贮箱内液体的晃动动力学问题进行了详     

一种最优控制的胞映射算法

由Hsu提出的利用胞映射进行最优控制的方法可以发展成实用的工程控制技术.本文以研究算法为出发点,利用胞映射的特性,结合实际的计算与可能,作了一系列旨在提高计算速度和节省内存的改进;并给出了简单有效的区分同耗最优控制对的统一的方法.使用平常的微型计算机也能有效地解决实际工程问题的最优控制.     

通识课"混沌与非线性思维"建设

为探讨非线性动力学的普及化和整合科学新进展加强通识教育课程,本文总结和分析了通识教育课"混沌与非线性思维"的设计与实践。非线性动力学现在已经成为人类知识的一部分。"混沌与非线性思维"是为上海大学所有学生(包括理工、经营和人文三大类)开设的通识教育课。该课程聚焦于混沌的科学概念和文化影响,非线性不仅作为数学模型也作为思维模式。该课程帮助学生从非线性思维角度观察、分析和理解自然和社会中的不可预测和不确定现象。教学实践表明,非线性动力学可以恰当的方式普及而成为通识教育课程的实质性内容,并为各专业的本科生接受。     

基于广义密度演化方程的结构随机最优控制

基于广义密度演化方程和Pontryagin极大值原理,推导了一般随机激励作用下闭环系统随机最优控制中状态向量和控制力向量的物理解答,讨论了基于二阶统计量评价的控制律参数设计准则。以物理随机地震动模型为输入,考察了单层框架结构主动锚索系统的随机最优控制,并与经典LQG控制做了比较分析。结果表明,本文提出的随机最优控制方法具有适用性和有效性。     

《工程流体力学》考试、考察方式的改革

课程教学的考试、考察是高校教学工作的重要环节,是了解教学质量整体水平的有效途径与手段.论文概述了目前课程考试中存在的负面问题;结合《工程流体力学》课程特点提出了体现考核学生能力为中心、以学生发展为根本的多元化、过程性考试、考察方式改革详细内容,并介绍与之配套教材、教学方法同步改革思路,营造科学、可行的教学考试、考察机制,提高工程流体力学课程教学质量,培养全面发展的合格大学生具有至关重要的意义.     

浅谈专科结构力学课程的教学改革

浅谈专科结构力学课程的教学改革孙俊（重庆建筑工程学院昆明分院，昆明６５００００）１课程特点、现状及问题结构力学是高校土建类专业一门重要的专业基础课。它既是专业课的基础，又直接服务于工程实际。作为专业基础课，它具有和其它基础课相同的特点：理论严密、系统...     

三维电动力绳系子卫星轨道转移的最优控制

考虑复杂状态和控制约束的作用,研究了倾斜轨道上三维电动力绳系子卫星轨道转移的最优控制问题.借助Gauss伪谱算法,将绳系子卫星轨道转移的连续时间最优控制问题离散为大规模动态规划问题,并利用非线性规划方法进行求解.通过数值仿真计算了最优控制时间、子星最优转移轨道及最优控制张力和电流,同时讨论了轨道倾角对最优控制量的影响....