基于控制响应的时变系统模态参数辨识的改进子空间方法

提出了一种基于系统控制信号激发的响应数据来辨识时变系统模态参数的改进子空间方法。该方法以系统控制响应信号建立系统的状态空间输出方程并构造了一个广义Hankel矩阵,通过对该矩阵做奇异值分解(SVD),用广义能观阵的估计代替输出矩阵,然后利用奇异值矩阵的正交性,有效地降低了噪声敏感性和计算量,从而容易地辨识出等效状态下的系统矩阵,最后采用转换矩阵辨识出时变系统的模态参数。通过理论分析、仿真和实验,讨论了不同信噪比对辨识结果的影响,验证了该方法的有效性。     

关于《再论约束最小二乘法》的注记

约束最小二乘法在计算力学和工程问题的理论研究和实际应用中都起到重要的作用。本文借助矩阵广义奇异值分解的方法，研究了一般矩阵的约束最小二乘问题，给出了一般矩阵约束最小二乘问题的算法，推广了文献[1]的结果。     

改进的移动最小二乘法

近年来发展的无网格方法大多采用移动员小二乘法来构造试函数，而应用移动最小二乘法形成的方程组有时会是病态的甚至奇异的，从而限制了它的发展和应用。本文采用带权正交函数作为基函数对移动最小二乘法做了改进，避免出现病态方程组，且在计算过程中不需要进行短阵求逆运算，提高了计算速度。之后，借鉴牛顿法、平衡法和摄动法对由移动最小二乘法得到的非线性代数方程组提出了新的求解方法。     

一种有限元模型动力缩聚移频迭代法

提出了一种基于矩阵广义逆的有限元模型动力缩聚移频迭代方法,该方法首先直接从原系统特征方程出发,导出反映系统主,副自由度之间位移关系的动力缩聚矩阵的控制方程,然后给出了相应的迭代求解方法和收敛准则。为了减少求矩阵广义逆的计算工作量,本文给出了一种替代方法,把对一个高阶满阵求逆转化为对一个同阶高度稀疏矩阵求逆。与已有的动力缩聚迭代法相比,本文提出的方法具有两个显著的优点：其一是迭代收敛速度高,其二是通     

加权最小二乘无网格法

在最小二乘法和移动最小二乘近似的基础上提出了加权最小二乘无网格法．该方法除节点外又引入了一些辅助点，控制方程在所有节点和辅助点处的残差用最小二乘法予以消除，边界条件用罚函数法引入．另外对移动最小二乘近似进行了改进，并给出了最小二乘法中泛函的简化格式，因而提高了计算效率．与配点法相比，新方法精度高，稳定性好，并且系数矩阵是对称正定矩阵．与Galerkin法相比，该方法不需要进行高斯积分，因而计算量小．算例表明该方法具有效率高、精度高和稳定性好等优点，并且易于实现．     

量测噪声有限记忆在线估计简化算法

量测噪声有限记忆在线估计方法通过对新息序列的实时统计计算,更新系统量测噪声阵 R,增强了滤波器的自适应能力。但量测噪声有限记忆在线估计方法需要在每个滤波周期内对量测噪声阵 R 进行估计并更新统计周期内的量测新息,存在着信息统计与数据更新计算量大的不足。针对此问题,提出了一种基于协方差匹配技术的自适应滤波算法,将协方差匹配技术与量测噪声有限记忆在线估计方法相结合,根据协方差匹配结果,选择性统计量测噪声阵 R。仿真结果表明,简化算法可以在保证滤波精度相当的前提下,减小计算量,提高实时性。     

基于改进OPTICS算法的磁罗盘椭圆拟合误差补偿方法

为了避免磁罗盘原始数据中的奇异误差点对椭圆拟合精度造成不利影响,在常规最小二乘椭圆拟合算法中引入了基于密度聚类的OPTICS算法,并对OPTICS算法进行了改进,以降低复杂度,减小计算耗时。在椭圆拟合之前,使用改进的OPTICS算法对原始传感器数据进行分类,识别并剔除数据中的奇异误差点,防止其污染原始数据集,提高椭圆拟合算法的拟合精度,从而提高航向角的解算精度。实验结果表明,与常规椭圆拟合算法相比,所提出的算法在东、南、西、北四个方向上合计航向角误差的均方根降低了27.5%,且改进后OPTICS算法的计算耗时比改进前降低了43.6%。     

改进广义移动最小二乘近似的无网格法

无网格法是求解微分方程定解问题的一种新数值方法.移动最小二乘近似只要求近似函数在各节点处的误差的平方和最小,对近似函数导数的误差没有任何约束.而广义移动最小二乘近似要求近似函数及其导数在所有节点处的误差的平方和最小.为了降低计算工作量,本文构造了要求近似函数在全部节点处和任意阶导数在部分节点处误差的平方和最小的改进广义移动最小二乘近似.数值计算显示本文提供的方法关于函数值和各阶导数值都具有很高的精度.     

二维弹性新型快速多极虚边界元的最小二乘法

在虚边界元最小二乘法的方程求解中采用新型的快速多极展开和广义极小残值法,提出了一种二维弹性新型快速多极虚边界元最小二乘法的求解思想。基于二维弹性问题原有的快速多极虚边界元最小二乘法的展开格式,通过引入对角化的概念,以更新展开传递格式;相对于原有快速多极算法,该方法可进一步提高计算效率且仍能保证具有较高的计算精度。数值算例说明了该方法的可行性、计算效率、计算精度均较高。     

一种求解三维声腔声压分布问题的无网格法

利用传统有限元法求解声压分布问题常常受到污染误差和色散误差的困扰。加权最小二乘无网格法（MWLS）是一种基于移动最小二乘（MLS）近似的无网格方法,求解声腔声压分布问题具有低色散、高精度的特点。然而传统的MLS近似有时容易产生病态矩阵,利用加权正交基函数构建改进的移动最小二乘（IMLS）近似,得到的系统方程为非病态的。本文基于改进的加权最小二乘无网格法（IMWLS）求解三维声腔内部声压分布。计算得到的声压分布和声压频响曲线都与参考值十分吻合,峰值误差和污染误差都比FEM的小,计算成本相比无单元伽辽金法显著降低。计算结果表明IMWLS相比传统的FEM,能在更高的频段内达到高精度,并且相比EFGM能大幅提高计算效率。     

Set-values filtering for discrete time-delay genetic regulatory networks with time-varying parameters

We propose a new discrete-time model for genetic regulatory networks (GRNs) in this paper. The new model includes time-varying degradation rates, translation rates of mRNA, and protein as well as time-delay and bounded external noise, which better approximates the practical GRNs. The aim is to estimate the concentrations of mRNA and protein in the proposed model. Due to the unknown external noise and time-varying parameters in this model, the set-values filtering is adopted. The so-called set-values filtering problem is to find an upper bound for the quadratic estimation error of the filtering dynamics and minimize this bound at each time step provided that the external noise is bounded. A recursive linear matrix inequality (RLMI) based optimization approach is developed to compute the filter gains. The effectiveness of the design method is illustrated via two numerical examples.     

基于特征正交分解的一类瞬态非线性热传导问题的新型快速分析方法

提出了一种基于特征正交分解(POD)和有限元法的瞬态非线性热传导问题的模型降阶快速分析方法, 建立了导热系数随温度变化的一类瞬态非线性热传导问题有限元格式的POD降阶模型. 在隐式时间推进方法的基础上有效结合单元预转换方法和多级线性化方法发展了一种加速求解瞬态非线性热传导降阶模型的新型计算方法,并通过二维和三维算例验证了该方法的准确性和高效性. 研究结果表明: (1)降阶模型解的均方根误差在经过初始时段轻微的脉动后稳定于0.01%以下, 而其计算效率比有限元全阶模型提高2$\sim $3个数量级, 并且自由度数量(DOFs)愈大提高的幅度也愈加显著; (2)新型算法解决了常规算法在计算非线性降阶模型时加速性能差的问题, 即使是在DOFs比较小的时候也能够明显提高计算效率; (3)常数边界条件下得到的POD模态可以用来建立相同求解域在各种复杂时变边界条件下的瞬态非线性热传导降阶模型, 并对其传热过程和温度场进行快速准确的分析与预测, 具有很好的工程应用价值.      

基于分区加速和总体共轭梯度法的耦合界面数据传递问题研究

对于耦合动力学问题的分析过程,在界面上需频繁进行数据交换。为此,基于紧支径向基函数和多项式基函数推导了界面数据传递的插值算法,给出了传递矩阵的具体形式。通过分析时间复杂度,找出该算法在大节点量时效率不高的原因在于径向基矩阵的构造和传递矩阵的计算。为加快径向基矩阵的构造速度,提出分区加速处理以提高相关节点的搜索效率;为避免传递矩阵求解过程中的求逆运算,将其转化为多右端项的大型稀疏对称线性方程组问题,引入多右端项的总体共轭梯度迭代方法求解,并讨论了初始估计矩阵的选取方法。数值算例结果表明,结合使用分区加速原理和总体共轭梯度迭代方法,可在不损失插值精度的前提下显著提高求解效率。     

基于人工弹簧模型的周期结构带隙计算方法研究

能量法具有将求解微分方程边值问题转化为泛函极值问题的优点,故而在结构动力学分析中被广泛使用, 近年来也被引入到周期结构带隙计算中. 然而,由于周期结构边界条件相对复杂,采用传统能量法(如Rayleigh-Ritz法)分析时位移函数构造难度大;且由于位移函数中包含波数项,扫描波数计算带隙的过程中质量、刚度矩阵需不断重算, 导致计算量较大. 鉴于此,本文对传统能量法进行改进,通过引入人工弹簧来模拟包含周期边界在内的各类边界条件,可将边界约束转化为人工弹簧的弹性势能,故而各能量分部中仅有周期边界弹性势能包含波数项,扫描波数时仅需重新计算与其对应的刚度矩阵,其余的质量、刚度矩阵只需要计算一次, 继而显著降低了计算量. 研究结果表明,本文方法准确、可靠, 且相较于传统能量法, 本文方法的计算效率更高,随着结构质量、刚度矩阵的维度增大, 或者扫描波数点数的增多,本文方法计算效率优势更加明显. 此外, 人工弹簧模型使用灵活、便捷,可进一步地拓展到更为复杂的周期性组合结构带隙分析中.      

基于复模态的控制力矩陀螺配置优化

由于陀螺耦合效应,系统动力学方程的特征值和特征向量皆为复数形式,不便于进行控制力矩陀螺的配置优化和控制律设计。本文基于复模态理论,构造出一种实数域上的伪模态矩阵,从而实现方程解耦。综合考虑结构模态、控制输入能量和传感器接收能量的复合优化准则,获得了控制力矩陀螺的最优配置。结果表明,采用线性二次型最优控制,能够快速将结构的响应振幅降至5%以内,验证了使用伪模态矩阵进行方程解耦的可行性及控制的有效性。     

Synchronization in complex dynamical networks with interval time-varying coupling delays

This paper deals with the synchronization problem of complex dynamical networks with interval time-varying coupling delays. A simple local linear feedback controller is introduced to guarantee the synchronizability of the networks. Some delay-dependent synchronization conditions for the controlled complex dynamical networks are presented by using the Lyapunov–Krasovskii functional method and the reciprocally convex combination approach. Theoretical analysis and numerical examples show that the obtained conditions have less computational complexity and less conservatism than some recently reported ones.     

Synchronization of complex networks with nonhomogeneous Markov jump topology

The problem of synchronization of complex networks with nonhomogeneous Markov jump topology and time-varying coupling delay is investigated in this paper. The Markov process in the underlying complex networks is finite piecewise homogeneous, which is a special case of nonhomogeneous Markov process. Based on the Lyapunov functional approach, an exponential stability condition is derived for the error system in terms of the linear matrix inequality method. Based on the condition, the design method of the desired controller is given. An example is given to show the effectiveness of the proposed technique.     

AN EFFICIENT DYNAMIC MODELING METHOD OF AN AXIALLY MOVING CANTILEVER BEAM AND FREQUENCY RESPONSE ANALYSIS

轴向移动梁动力学问题具有广泛的工程应用背景,如：机械手、机床主轴、武器身管等.计算轴向移动梁动力学响应是评估结构动力学性能以及最终指导结构设计的一个重要手段.采用Rayleigh-Ritz法、拉格朗日方程推导了轴向移动悬臂梁时变动力学方程.选取幂级数函数构造试函数对轴向移动系统动力问题进行求解.幂级数函数良好的积分与微分性能,使得推导容易以矩阵的形式快速进行,便于符号运算软件直接生成MATLAB程序.由于MATLAB基本数据单位为矩阵,符号软件生成的程序只需经过简单修改便可进行动力学计算.大大缩短了轴向移动梁从建模到动力学分析的时间,过程十分高效.通过四组算例,将本文方法计算得到的动力学响应与文献数据进行对比,对该方法准确性进行了验证,并给出了幂级数函数拟合阶数的选取原则.以此为基础,研究了轴向移动梁的频率响应特性.分为考虑重力与忽略重力两种情况,讨论了轴向振动幅度对其频率响应特性的影响.     

Improved conservative level set method

The standard level set (LS) method can capture the interface smoothly and gives accurate normal vectors but suffers from an excessive amount of mass gain/loss. The conservative LS method exhibits excellent mass conservation properties, but the result is usually contaminated by inaccurate interface normal vectors. To address this problem, the improved conservative LS method is proposed to capture the interface smoothly with excellent mass conservation properties. The improvement of the method lies in that the surface normal is computed from a signed distance function, which is also advected and reinitialized in the flow fields, instead of using the Heaviside function. The proposed method is implemented by implicit two‐step Taylor–Galerkin approximation within the finite element context. The approach is validated with the well‐known benchmark problems and is found out to be highly reliable and accurate. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

泊松白噪声激励下强非线性系统的半解析瞬态解

自然界与工程中都普遍存在着随机扰动,且大多数呈现出固有的非高斯性质,若采用高斯激励建模可能会导致巨大的误差.泊松白噪声作为一种典型且重要的非高斯激励模型,已引起了广泛的关注.目前,泊松白噪声激励下系统的动态特性分析主要集中于稳态响应的研究,而针对瞬态响应的求解难度仍较大,需进一步发展.本文引入径向基神经网络,提出了一种泊松白噪声激励下单自由度强非线性系统瞬态响应预测的高效半解析方法.首先将广义Fokker-Plank-Kolmogorov (FPK)方程的瞬态解表示为一组含时变待定权值系数的高斯径向基神经网络;然后采用有限差分法离散时间导数项,并结合随机取样技术构造含时间递推式的损失函数;最后通过拉格朗日乘子法使得损失函数最小化获得时变最优权值系数.作为算例,探究了两个经典强非线性系统,并采用蒙特卡罗模拟方法对解析结果加以验证.结果表明:本文方法所获得的瞬时概率密度函数与蒙特卡罗模拟数据吻合地较好,并且算法具备较高的计算效率.在系统响应的整个演化过程中,本文所提方法能够非常有效地捕捉到系统响应在各个时刻下的复杂非线性特征.此外,本文方法所获得的高精度半解析瞬态解,不仅可作为基准解检验其...