计算最优控制辛数值方法

针对最优控制问题（OCP）的辛数值方法研究及应用进行综述。主要涉及内容包括,动力学系统为常微分方程描述的一般无约束、含不等式约束和状态时滞的最优控制问题,微分代数方程描述的一般无约束、含不等式约束和含切换系统的最优控制问题,以及闭环最优控制问题。从间接法和直接法两个求解框架出发,重点介绍本课题组在保辛算法方面的研究工作。在间接法框架下,首先基于生成函数和变分原理,将OCP保辛离散为非线性方程组,再数值求解方程组。在直接法框架下,将OCP保辛离散为有限维的非线性规划问题（NLP）,再数值求解。针对闭环最优控制问题,提出了保辛模型预测控制、滚动时域估计和瞬时最优控制算法。研究表明,保辛算法具有高精度和高效率的特点,在航空航天和机器人等领域有着广泛应用前景和价值。     

多体系统动力学约束Hamilton方程多步块方法

针对多体系统动力学Hamilton体系正则微分-代数方程,基于等距节点、Chebyshev节点、Legendre节点等非等距节点,在时间区间上建立r-级多步块求解格式,得到单步区间各节点的非线性代数方程,求解过程利用Newton迭代.以双连杆机械臂系统为例,使用r-级多步块格式进行数值仿真,通过改变步长、仿真时间以及节...     

多体系统Euler-Lagrange方程组的一类新数值分析方法

针对受完整约束的多体系统,首先指出其动力学Euler-Lagrange方程组是高指标(index>2)的微分代数方程组;不同于传统的直接增广法和直接消去法,文中提出了一类将微分代数方程直接视为非线性代数方程组求解的新的数值分析方法;最后,以典型的单摆模型为例给出了新算法与其他方法的比较,结果表明新算法优于BDF方法及违约修正方法。     

多体系统动力学方程违约修正的数值计算方法

多体系统动力学方程为微分代数方程,一般将其转化成常微分方程组进行数值计算,在数值积分的过程中约束方程的违约会逐渐增大.本文对具有完整、定常约束的多体系统,在修改的带乘子Lagrange正则形式的方程的基础上,根据Baumgarte提出的违约修正的方法,给出了一种多体系统微分代数方程违约修正法和系统的动力学方程的矩阵表达式.通过对曲柄-滑块机构的数值仿真,计算结果表明本文给出的方法在计算精度和计算效率上好于Baumgarte提出的两种违约修正的方法.     

微分几何与向后差分相结合的多柔体系统动力学数值方法

将处理微分－代数混合方程的微分几何方法与向后差分相结合，建立了一种新的求解多柔体系统的力学方程的数值方法，通过典型算例验证了方法的正确性和有效性。     

多体系统动力学设计灵敏度分析直接微分法

针对受完整约束的多体系统动力学微分／代数方程数学模型动态最优化设计问题，建立了通用的目标函数和约束方程，并以此为基础，用直接微分方法系统地推导出了计算设计灵敏度的通用公式，最后通过平面机械臂模型对理论结果和相应算法进行了验证．     

多体系统动力学方程的无违约数值计算方法

多体系统动力学方程为3阶微分代数方程,已有的约束违约稳定法存在位移违约问题,数值仿真准确性和稳定性不足。本文将求解高阶微分代数方程的降阶理论、ε嵌入处理方式与隐式龙格库塔法相结合,提出了直接满足位移约束条件的多体系统动力学方程的无违约算法,避免了约束违约问题。该方法先将多体动力学方程转化为2阶微分代数方程,并与位移约束方程联立;再应用ε嵌入隐式龙格库塔法进行数值求解。应用两种方法分别对单摆机构进行数值仿真,结果表明本文的方法不仅能适应较大步长,且准确性和稳定性均优于约束违约稳定法。     

柔性多体系统动力学的若干热点问题

全面综述了柔性多体系统动力学近年来的研究成果．对建模方法、模态选取及模态综合、动力刚化及柔性多体系统动力学中微分－代数方程的数值方法等研究热点进行了详细的阐述,并简要展望了柔性多体系统动力学今后的发展趋势      

基于θ1方法的多体动力学数值算法研究

将结构动力学领域的\theta_1方法拓展到数值求解多体系统运动方程------微分--代数方 程(DAEs), 分别求解指标-3 DAEs形式的运动方程和指标-2超定DAEs (ODAEs)形式的运动方程. 通过数值算例验证了方法的有效性, 并得到\theta _1 方法中参数\theta _1的选取与数值耗散量之间的关系. 数值算例还说明对于同 一个多体系统, 采用指标-3的DAEs 描述时存在速度违约, 用指标-2的ODAEs描述时, 从计算机精度上讲, 位置和速度约束方程 同时满足, 并且\theta_1方法在求解非保守系统DAEs和ODAEs形式的运动方程时 都具有2阶精度. 最后\theta_1 方法与其他直接积分法求解DAEs和ODAEs形式运 动方程的CPU时间进行了比较.     

约束多体系统动力学分析的改进的离散零空间算法

通过对已有离散零空间矩阵计算方法的改进,构造了改进的离散零空间等效变换公式,该公式可不依赖于特定的积分方法,能简洁、方便的与多种数值积分方法相结合。基于改进公式,提出了改进的离散零空间算法框架,并将该框架与一般变分积分法结合,构造了约束多体系统动力学分析的改进的离散零空间算法。通过曲柄滑块机构的数值实验,验证了改进的离散零空间等效变换公式的正确性,示例了其与数值积分算法的良好结合性,说明了改进算法的可行性和有效性。     

基于多体系统传递矩阵法的多管火箭定向器振动控制

应用多体系统传递矩阵法,建立了全新的多管火箭发射动力学控制模型,以二次型性能指标为成本函数, 设计了脉冲推力器为控制执行机构的振动主动控制律,并设计了多管火箭发射系统在燃气流冲击下定向器的振动主动控制系统,获得了最优脉冲控制力幅值和脉冲推力器工作次数. 应用设计的控制律数值仿真了某多管火箭定向器无控和受控状态下的振动响应,仿真结果表明该法可有效地降低定向器的振动.该方法易于工程实现,对控制多管火箭发射系统的振动、提高多管火箭射击的精度具有重要意义.      

多体动系统动力学方程在流形上的辛算法

多体系统动力学方程的数值方法一直是数学与力学家们的热门研 究课题.特别是多体系统动力学微分/代数方程组形式的数学模型，是所 谓的指标-3问题，它的求解是一个难题.目前流行的关于它的数值方法都 有不尽人意的地方，主要是对出现的所谓的违约问题和刚性问题未很好地 解决.多体系统动力学方程在流形上的辛算法是近几年出现的新的数值方 法，它将闭环型多体系统动力学的方程的约束部分和常微分方程部分利 用所谓的辛方法同时进行处理，其中的一些方法已证明是有效的，所以， 用它求解多体系统动力学方程前景看好.本文介绍了这些新的理论，并提 出了一些有待解决的问题.     

多体系统传递矩阵法研究进展

作为一种多体系统动力学新方法, 多体系统传递矩阵法由于其无需系统总体动力学方程和快速计算的特点, 已被广泛用于各种多管火箭、自行火炮、舰炮等复杂大型机械系统动力学分析与设计. 本文介绍了该方法的研究进展, 包括: 线性多体系统传递矩阵法、多体系统离散时间传递矩阵法、二维系统传递矩阵法、受控多体系统传递矩阵法、多体系统传递矩阵法和通常动力学方法的混合方法等, 给出了该方法解决自行火炮、多管火箭武器多体系统动力学的重大工程应用实例.      

结构振动瞬时最优控制的一种时滞补偿算法

应用最优控制原理,对结构动力响应实时在线控制进行了时滞补偿. 提出一种基于系统差分方程的瞬时最优控制算法,推导出闭环状态反馈控制补偿增益矩阵,并讨论了补偿前后系统的稳定性. 仿真结果表明,此算法有效地补偿了时滞带给结构动力响应的不良影响,并保证了结构的稳定性.     

NEW GENERALIZED-a METHOD FOR OVER-DETERMINED MOTION EQUATIONS IN MULTIBODY DYNAMICS

完整约束多体系统第一类Lagrange方程建模得到的运动方程是指标-3形式的微分-代数方程（differental-algebraicequations,DAEs）．如果同时考虑速度约束,将得到超定运动方程,该方程是指标-2的超定微分-代数方程（over．determineddifferential-algebraicequations,ODAEsl．基于结构动力学中常用的广义-OZ方法,将其拓展,求解包含速度约束的超定运动方程,相对于其他求解指标-2ODAEs的算法,新的算法没有增加离散得到的非线性方程组方程的数目．通过数值实验验证算法,并说明其求解ODAEs不存在精度降阶的现象,仍然具有二阶精度,同时算法的数值耗散也是可以控制的．最后新方法与其他求解多体系统0DAEs形式运动方程算法的CPU时间进行了比较分析．     

一种建立多体系统计算模型的新方法

本文根据约束的数学力学性质提出了一种新的多体系统建模方法。同传统的缩并法相比，本文所提出的方法具有更好的数值稳定性和较高的计算效率。     

多体动力学的几何积分方法研究进展

动力系统的几何积分研究是近20年来工程计算领域非常活跃的方向.多体动力学方程(微分方程, 微分代数方程)是一类典型的动力系统,将其从Lagrange体系向Hamilton系统过渡,目的在于从欧氏几何过渡到辛几何形态, 将对偶变量引入到力学研究中,然后利用辛几何的数学框架对多体系统动力学方程进行数值计算,可以预知多体动力学系统的一些定性信息,并在数值离散时能保持这些定性性质特征,尤其在表示关键的物理意义时需要强调保持这些几何性质.简要介绍多体系统(无约束多刚体系统、完整约束多刚体系统和柔性多体系统)的Hamilton正则方程的建立和几何积分方法的构造,着重介绍了在多体动力学计算中非常有应用前景的高阶辛算法(合成辛算法、分裂合成辛算法和辛精细积分法)、多辛算法,以及广义Hamilton 系统与Lie 群积分方法等计算几何力学方法, 并对Lie群积分的投影方法、流形局部坐标法等方法进行了阐述.      

电磁波导的半解析辛分析

根据电磁波导的Hamilton体系，辛几何可用于任意各向异性材料，而且便于处理不同区段的界面条件，横向的电场和磁场构成了对偶向量．基于Hamilton变分原理用半解析法进行横向离散应当保持体系的辛结构．离散后可以运用应用力学的有效算法，求解其辛本征值问题．每段波导可以引入两端Riccati矩阵，用精细积分法求解其方程组．     

NUMERICAL SOLUTIONS OF OPTIMAL CONTROL FOR THERMALLY CONVECTIVE FLOWS

We study the numerical solution of optimal control problems associated with two-dimensional viscous incompressible thermally convective flows. Although the techniques apply to more general settings, the presentation is confined to the objectives of minimizing the vorticity in the steady state case and tracking the velocity field in the non-stationary case with boundary temperature controls. In the steady state case we develop a systematic way to use the Lagrange multiplier rules to derive an optimality system of equations from which an optimal solution can be computed; finite element methods are used to find approximate solutions for the optimality system of equations. In the time-dependent case a piecewise-in-time optimal control approach is proposed and the fully discrete approximation algorithm for solving the piecewise optimal control problem is defined. Numerical results are presented for both the steady state and time-dependent optimal control problems. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.