分数阶动力学的分析力学方法及其应用

综述我们在分数阶动力学分析力学方法的研究进展,包括：分数阶动力学系统的分析力学表示,构造分数阶动力学模型的分析力学方法,构造分数阶动力学模型团簇的分析力学方法,三类分数阶Lie群无限小变换方法,分数阶动力学系统的对称性、对称性摄动和共形不变性的分析力学方法,分数阶动力学系统的代数结构与Poisson积分的分析力学方法,构造分数阶动力学系统积分不变量的分析力学方法,分数阶动力学系统梯度表示的分析力学方法,分数阶动力学系统稳定性的分析力学方法,分数阶微分方程的分析力学方法等,介绍了对于物理学、力学、生物学、非线性科学等领域的10多种分数阶动力学模型的应用,并指出了若干进一步研究的问题.     

分数阶奇异系统的Lie对称性与守恒量

对称性与守恒量可以简化动力学问题从而进一步求出力学系统的精确解,这样更加有利于研究动力学行为.分数阶模型相比于整数阶模型,能够描述复杂系统的动力学过程,因此在分数阶模型下研究对称性与守恒量是不可或缺的.首先介绍两个分数阶奇异系统,一个系统包含混合整数和Caputo分数阶导数,另一个系统仅含Caputo分数阶导数.由两个分数阶奇异系统分别给出两个分数阶固有约束,并给出对应的分数阶约束Hamilton方程.然后,基于微分方程在无限小变换下的不变性,给出了分数阶约束Hamilton方程Lie对称性的定义,导出了相应的确定方程,限制方程和附加限制方程.第三,建立并证明了两个分数阶约束Hamilton系统的Lie对称性定理,得到了相应的分数阶约束Hamilton系统的Lie守恒量.在特定条件下,本文所得结果可以退化为整数阶约束Hamilton系统的Lie守恒量.最后通过两个算例来说明此结果的应用.     

Chetaev型非完整系统Nielsen方程Lie对称性导致的一种守恒量

研究Chetaev型非完整系统Nielsen方程Lie对称性导致的一种守恒量,给出无限小群变换下Chetaev型非完整系统Nielsen方程Lie对称性的确定方程,得到Chetaev型非完整系统Nielsen方程Lie对称性直接导致的一种守恒量及其存在条件,并举例说明结果应用.     

多体系统动力学Lie 群微分⁃代数方程约束稳定方法

针对多体系统动力学微分-代数方程求解问题,研究基于Lie群表达的约束稳定方法.首先引入新的Lagrange乘子,结合位移约束、速度级约束和加速度级约束方程,构造了新的Lie群微分-代数方程.然后使用向后差商隐式方法和CG(Crouch-Grossman)方法,对微分–代数方程进行离散求解,得到精确度较高的动力学仿真结果.该方法在精确保持各级约束方程的同时,保持旋转矩阵的正交性,并且使系统总能量误差较小.     

Nielsen方程的三重组合梯度表示及其稳定性分析

研究Nielsen方程的三重组合梯度表示以及方程零解稳定性.首先给出4类三重组合梯度系统及其性质.其次,给出完整系统和非完整系统的Nielsen方程转化成三重组合梯度系统的条件;将完整和非完整两类Nielsen方程分别化为三重组合梯度系统并研究方程的零解稳定性.最后,举例验证结果的应用.     

关于分析力学的基础与展望

本文从分析约束力学系统的“欠定”问题开始,介绍分析力学的基本变分原理和三类运动微分方程,并分析了分析力学具有普适性之缘由.对非完整约束力学系统,着重分析其动力学建模问题、几何结构和重点发展方向,同时又简要介绍了Birkhoff系统所具有的一般辛结构特征和研究意义,以及需要重点解决的问题.文中对力学系统的Noether对称性和运动微分方程的对称性作了较为详细的论述,并列举了相应实例说明两种对称性与守恒量之间的关系.在几何力学部分,重点介绍了分析力学的辛几何结构和对称性约化理论,包括辛流形的Darboux Moser Weinstein局部正则结构、整体拓扑结构及其对量子力学的影响、Lie群与Lie代数的伴随表示和余伴随表示、动量映射、Cartan辛约化、Marsden Weinstein约化等.文中最后论述了完整与非完整力学系统可积性问题的研究方法和成果,指出了非完整力学系统现有可积性方法的局限性.     

高阶非完整系统的共形不变性与Noether守恒量

研究了高阶非完整系统的共形不变性与Noether守恒量,给出了与高阶非完整系统相应的完整系统的共形不变性的定义及其确定方程,通过系统共形不变性与Lie对称性的关系,推导出了系统运动方程具有共形不变性并且是Lie对称性的共形因子,利用限制方程和附加限制方程,给出了高阶非完整系统的弱Lie对称性和强Lie对称性的共形不变性,得到了共形不变性导致的Noether守恒量,举例说明了结果的应用.     

作大范围运动FGM矩形薄板的动力学特性研究

对作大范围运动功能梯度材料矩形薄板的刚柔耦合动力学问题进行了研究.以连续介质力学为基础,在柔性薄板面内变形中考虑了传统建模方法忽略的二次耦合变形量,采用假设模态法对薄板变形位移进行离散,运用拉格朗日方程推导了大范围运动功能梯度材料板的刚柔耦合动力学方程.对旋转运动下取不同功能梯度指数的悬臂功能梯度板的动力学行为进行仿真,比较了本文建立的一次近似耦合模型和传统不计耦合变形项的零次近似模型.结果表明,随着转速的提高,传统零次模型发散,而本文模型收敛,能够较好地描述系统动力学行为.利用本文建立的一次近似模型,研究了功能梯度指数对转动功能梯度板变形的影响,研究表明,随着功能梯度指数的增大,板的横向变形也增大.通过求解旋转FGM板在恒定转速下的固有频率,进一步分析了功能梯度板材料组分变化对板振动特性的影响.     

精细积分在时滞车辆悬架最优控制中的应用

针对车辆悬架系统中状态和输入存在时滞的最优控制问题,结合科茨求积分和线性插值的精细积分法,将系统的状态方程引入到Hamilton体系下进行研究.依据最优滤波问题和带有时滞的观测器的双重准则,将时滞问题转换成非时滞问题,从而在全状态下对其方程进行精细积分求解.对带有时滞的114车辆悬架模型进行数值仿真,并与经典的数值算法进行比较分析.仿真结果表明,该方法具有很高的计算精确度和稳定性,并为车辆悬架系统的动力学分析提供了新的方法和手段.     

含各向异性尺度形变数据集匹配问题的Lie群方法

通过分析含各向异性尺度形变的数据集匹配问题, 将尺度约束引入模型, 再结合迭代最近点(Iterative closest point, ICP)方法的一般过程, 将含各向异性尺度形变的数据集匹配问题描述为Lie群约束优化问题. 通过Lie群的局部参数化和局部线性化方法, 将带尺度上下界约束的Lie群约束优化问题转化为一系列的二次规划问题, 最终形成了一个完整的匹配迭代算. 该方法不仅具有传统ICP方法的快速准确的特点, 而且还能够处理存在大尺度形变的数据集匹配问题. 由于对尺度参数进行约束, 因此比传统方法有更好的鲁棒性. 最后, 为确保匹配的全局性, 给出了一套初始变换的选择方案.     

动载荷反演分析技术研究综述

介绍了动载荷反演分析技术工程应用背景,综述了动载荷反演分析理论研究的最新进展.从动载荷反演分析理论、工程应用等方面回顾了动载荷反演分析技术的发展历程,探讨了动载荷反演分析研究中存在的关键科学问题,对动载荷反演分析技术应用于实际工程,后续需要进一步开展的研究方向进行了展望.     

非线性动力学方程的李级数解法及其应用

分别从推广的微分方程幂级数解的理论和线性算子半群理论等不同的角度研究了非线性动力学方程的求解问题,得到了所谓的李级数解法．并进一步讨论了算法的具体实施过程,它可以用于构造非线性动力学方程任意高阶的显式积分格式．最后,把李级数解法应用于求解广义Hamilton系统,它能保持广义Hamilton系统真解的典则性．数值算例显示该方法是有效的。     

Kinematics and dynamics of a rigid body in nonholonomic coordinates

In this paper we consider dynamic equations of nonholomic systes in terms of pseudo-coordinates which appear in the general theory of rigid body. Especially, the rotator kinematics and dynamics in nonholonomic coordinates is presented. Besides, using the appropriate methods of the differential geometry and theory of Lie groups and Lie algebras a simplification of motion equations in the tangent space is obtained.     

Discrete‐time invariant extended Kalman filter on matrix Lie groups

In this article, we derive symmetry preserving discrete‐time invariant extended Kalman filters (IEKF) on matrix Lie groups. These Kalman filters offer an advantage over classical extended Kalman filters as the error dynamics for such filters are independent of the group configuration which, in turn, provides a uniform estimate of the region of convergence. In contrast to existing techniques in the literature, the discrete‐time IEKF is derived using minimal tools from differential geometry which simplifies the derivation and the representation of IEKF. In our technique, the linearized error dynamics is defined on the Lie algebra directly using variational approaches, unlike conventional approaches where the error dynamics is translated to an Euclidean space using the logarithm map before its linearization. Moreover, the Kalman gains and its associated difference Riccati equations are derived in operator spaces by setting a discrete‐time optimal control problem and solving it with discrete‐time Pontryagin's maximum principle. The proposed discrete‐time IEKF is implemented for the attitude dynamics of the rigid body, which is a benchmark problem in control. It is observed from the numerical studies that the IEKF is computationally less intensive and provides better performance than the classical extended Kalman filter.     

Motion planning for control-affine systems satisfying low-order controllability conditions

This paper is devoted to the motion planning problem for control-affine systems by using trigonometric polynomials as control functions. The class of systems under consideration satisfies the controllability rank condition with the Lie brackets up to the second order. The approach proposed here allows to reduce a point-to-point control problem to solving a system of algebraic equations. The local solvability of that system is proved, and formulas for the parameters of control functions are presented. Our local and global control design schemes are illustrated by several examples.     

Decomposition and stability of linear systems with multiplicative noise

This paper concerns a representation of solutions and the stability of linear systems with multiplicative white noise, which is described by a vector Ito stochastic differential equation. The solution can be represented as a finite product of exponential matrices if Lie algebra generated by system matrices is solvable. If Lie algebra is not solvable, it is shown by the decomposition principle of Lie algebra that the problem of solving an equation can be reduced to the problem of solving a set of equations, whose corresponding Lie algebra is simple. Noting the structure of the sample solution, we present a technique of obtaining asymptotic stability conditions of sample solutions w.p.1, in the pth-order moment and in the pth-mean moment. The necessary and/or sufficient conditions of stability in some stochastic sense are obtained under certain conditions.     

分析结构力学与有限元

分析力学历来是在动力学范围内论述的,结构力学与最优控制模拟关系的共同基础就是分析力学．这表明在结构力学与最优控制理论的架构内也应有分析力学的整套理论．本文就结构力学讲述分析力学,称分析结构力学．保守体系可用Hamilton体系的方法描述,其特点是保辛．保辛给出保守体系结构最重要的特性．有限元法是从结构力学发展的,有限元的单元刚度阵应保持对称性,其实这就是保辛．根据区段单元变形能只与其两端位移有关,就可通过数学分析得到Lagrange括号与Poisson括号,展示了其辛对偶体系、正则方程、正则变换等的内容．     

基于李代数的变形目标跟踪

动态几何变形是图像跟踪技术面临的突出难题之一. 本文提出基于李代数的变形目标跟踪方法, 用Gabor特征表征目标, 以仿射李群建立目标几何变形, 利用李代数和李群之间的指数映射将参数的最优化求解从欧氏空间转至光滑流形, 实现了对变形目标的稳定跟踪.从物理层面分析了目标跟踪过程中的参数几何变换的实质, 从理论上对在光滑流形上进行迭代求解的优点进行了详细分析, 并对其收敛性做出了证明.图像序列跟踪测试的对比实验表明, 本文方法较现有基于欧氏空间的算法在收敛速度、跟踪稳定性和精确性方面有显著提高.