细长柔性空间结构几种动力学模型的比较

对于自由-自由边界的大型柔性梁式空间结构在轨搬运过程中,其大范围刚体运动和柔性振动会相互耦合,是一类典型的刚柔耦合动力学问题.建立相对准确的动力学模型是设计良好控制系统的前提,但现有文献在研究该问题时却采用了忽略刚柔耦合作用的动力学模型并依此设计控制器,因此有必要建立耦合模型,并探讨其与非耦合模型之间的区别和适用性.首先针对结构自身运动特点选择以瞬时质心为原点的浮动坐标系作为辅助坐标系,将结构两类不同的运动形式进行分解,并利用其产生的附加约束条件简化虚功表达式;其次选择Euler-Bernoulli梁变形形式描述结构变形并采用假设模态法对变形进行变量分离;基于虚功原理推导得到结构大范围运动的刚柔耦合动力学模型;通过仿真算例1对非耦合模型、零次近似模型和一次近似模型进行了对比,验证了非耦合模型的不合理性及零次近似简化模型的准确性和有效性;通过仿真算例2对零次近似简化模型和一次近似模型的对比,说明了二者的使用范围;仿真对比为后续的运动控制系统设计和振动抑制研究提供了依据.     

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.     

大范围运动矩形板动力刚化分析

针对大范围运动下弹性矩形板，采用有限元技术和Lagrange方程建立了系统刚柔耦合一次近似动力学方程组．不同于传统动力学建模方法，本文采用两个弧长变量和一个笛卡尔坐标变量来描述板的变形，利用有限元方法离散，在动力学方程中得到了动力刚度项．数值仿真表明，在大范围运动下，传统的动力学模型不能正确的预示系统动力学行为；而本文动力学模型能够较好的预测系统的动力学行为，且比采用假设模态离散板变形的方法更为精确．     

水下柔性臂动力学建模方法研究

将柔性臂应用到水下环境,探索一种新型的水下作业工具。在空间柔性臂动力学建模方法的基础上,考虑水动力做功以及水动力对柔性臂变形的影响,首先基于Hamilton原理建立中心刚体-水下柔性臂组成的刚柔耦合系统的动力学模型,然后采用假设模态法对动力学模型进行离散化,导出了考虑刚柔耦合作用的水下柔性臂有限维离散化动力学方程。最后给出仿真算例,验证了动力学模型对于研究水下柔性臂末端变形的有效性,能够准确反映水下柔性臂动力学特性,可用于水下柔性臂的主动控制研究。     

梁摆系统耦合振动分析

分析了梁摆系统的耦合振动,梁和摆均考虑为线性.研究发现该系统含有非线性动力行为,在某些条件下会发生叉形分叉.用结构动力学理论建立了梁摆系统的耦合振动方程,用摄动法求出了系统的近似解,分析了该系统的动力响应及分叉.最后用MATHMATIC软件对分叉点前后动力响应进行分析.     

远程多管火箭动力学研究

对某远程多管火箭发射与控制动力学进行了深入的理论、计算和试验研究,建立了某远程多管火箭刚弹耦合的多体系统发射动力学模型和发射与控制动力学方程．应用多体系统传递矩阵法,实现了对刚柔耦合远程多管火箭振动特性的计算;构造了远程多管火箭增广特征矢量及其正交性条件,实现了对该远程多管火箭动力响应的精确分析．对某远程多管火箭武器振动特性和动力响应的仿真结果得到了试验验证．为提高远程多管火箭密集度和减少试验用弹量奠定了基础。     

基于一阶剪切板理论的FGM板刚柔耦合动力学建模与仿真

对作大范围运动功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)厚板的刚柔耦合动力学问题进行了研究,基于一阶剪切变形理论,从连续介质理论出发,计及了变形位移场中的二次耦合变形量,利用Lagrange方法推导了FGM厚板的刚柔耦合动力学方程,该方程适用于普通均质板和FGM板的动力学分析.采用20自由度矩形单元对变形场进行离散,对不同转速下的悬臂板进行动力学仿真,比较了本文建立的基于一阶剪切理论的模型和基于经典薄板理论的模型,验证了本文模型的正确性以及经典薄板理论的一些不足.研究了不同功能梯度指数下,FGM厚板的横向变形、速度响应频率和固有频率.结果表明,随着转速增大,剪切项对结构动力学行为影响变大;考虑横向剪切项的情况下,计算结果更偏柔性.     

带柔性天线卫星机动过程动力学分析

基于刚柔耦合动力学模型仿真分析卫星机动过程的动力学特性.模型将天线上的柔性金属网近似成阻尼弹簧模型,将径向肋刚化并等效其柔性为径向肋根部的扭簧转角;利用该简化模型研究了卫星机动过程中径向肋和金属网的柔性对卫星姿态的影响.通过仿真分析天线卫星系统在不同结构参数情况以及不同驱动力作用下的卫星机动过程动力学特性,对比分析得出：提高径向肋的固有频率,增加金属网以及增大径向肋扭簧的阻尼能有效降低刚柔耦合问题对卫星本体姿态的影响.     

直拉硅单晶非均匀相变温度场最优控制

针对直拉硅单晶固液界面相变温度场的非均匀性导致晶体直径不均匀问题,提出一种基于偏微分方程(PDE)模型的温度场最优控制策略.考虑生长速率波动的影响,建立了一种改进的提拉动力学模型,确定了域边界演化动力学关系.研究基于抛物型PDE的时变空间域对流扩散过程的温度模型,描述了域运动在对流扩散系统上的单向耦合.针对无限维分布参数系统建模控制难问题,采用谱方法进行系统近似,选取整个空间域的全局和正交的空间基函数,通过Galerkin方法对无限维系统进行降维,获得了该系统的近似模型.采用线性二次型方法控制晶体生长温度,通过仿真实验对相变温度场模型进行验证.结果表明,优化后的模型能够获得较为平稳的晶体生长速率,减小了生长直径的波动,使得固液界面径向温度分布更加均匀,验证了该方法的有效性.     

轴向基础窄带随机激励悬臂梁的稳定性

基于Kane方程,建立了含耦合三次几何及惯性非线性项轴向基础激励悬臂梁动力学方程．采用多尺度法,对所得方程进行一次近似展开,着重计算了窄带随机主参激共振时系统平凡响应的最大LyaPunov指数及随机稳定性问题,并通过直接数值积分验证了所得稳定区域的有效性．     

The Trajectory Tracking Problem of Quadrotor UAV: Global Stability Analysis and Control Design Based on the Cascade Theory

This paper deals with the trajectory tracking problem of a six‐degree of freedom (6‐DOF) quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV). The problem of simplified kinematics based on Euler angles is analyzed and the modified Rodrigues parameters (MRPs) technique is introduced to model the rotational dynamics of the rigid body. A nonlinear system error model is established based on the trajectory tracking problem, and, due to the coupling property between the translational and rotational dynamics, we divide the complete closed‐loop system into two reduced‐order subsystems and a coupling term. The Rodrigues theorem is applied to analyze the internal connections between the coupling term and MRPs. Therefore, the global stability conclusions, by which the trajectory tracking controller of the quadrotor UAV could be designed based on the subsystem directly in future works, are proved based on several assumptions of the subsystems. Thereafter, the controllers, using the backstepping approach and nonlinear disturbance observer/sliding mode control approach, which stabilize the quadrotor UAV globally ‐exponentially and globally uniformly bounded, are proposed based on the stability theorem proofs mentioned above. Numerical simulations are provided to show that the theoretical conclusions and the controller proposed are effective.     

A flexible approach to model coupling through probabilistic pooling

Model coupling is an important approach to studying the dynamics of complex systems, but by introducing new feedback loops, the dynamics of coupled models can be artificially distorted. This paper describes a new method of model coupling which addresses this problem through a dynamic form of regularization. The method allows the time series evolution of model variables to be mutually informed by multiple models, and models to influence each other in proportion to their degree of certainty. Uncoupled forms of the coupled models can act as dynamic priors on the trajectory of coupled variables, strengthening model stability and offering additional calibration of the coupling process. Finally, models that describe different spatial scales can be coupled into multi-scale models, so that, for example, spatially-distributed models can be coupled with aggregate models, and influence one another. We apply this technique to a coupled socio-ecological system of population growth and ecosystem harvesting.     

多模型控制策略在化石燃料发电机组上的应用(英文)

火力发电厂中广泛使用的化石燃料发电机组(FFPU)具有非线性、强耦合、参数随工况变化等复杂特性,依据单个工作点处的线性模型设计的多变量控制策略常常导致控制效果不佳,甚至系统不能稳定运行。针对该问题,本文提出了一种有效的多模型控制策略,以改善FFPU大工况范围运行时的控制性能。首先,通过定义归一化特征值作为系统非线性测度,将FFPU工作运行区间划分成多个局部模型区域,在每个区域用线性模型表征系统特性;随后,根据每个局部区域的线性模型,实施一种基于FFPU特性而设计的包含静态前馈、PD前馈和模糊解耦的混合解耦补偿,进而采用模糊PID结构设计分散控制器;最后,依照电力负载跟随调度策略,模糊加权局部控制器得到全局控制器输出,使得系统在大工况范围运行时平滑切换。为实现该控制策略,采用了双层控制结构:上层为监督控制层,作用是根据负载要求进行设定点调度以及进行局部控制器的模糊切换;下层为直接控制层,实施混合解耦补偿和各回路的模糊PID控制。仿真表明,所提出的控制策略性能良好且实用有效。     

大型复杂系统控制器设计的功能组合途径

大型复杂系统包括许多基本控制环节,某些环节本身也是一个复杂系统。它们有着较大的时滞,时滞可能是时变的,而且它们之间存在着强耦合,所以对复杂大系统的单元控制方法的研究,就必须从整个系统来考虑。在整个系统统筹优化的观点下,来考虑单元控制器的设计问题。针对这一问题进行了一些分析和讨论,提出了控制设计的一种新途径,即功能组合设计途径。     

A Coupling of Local Discontinuous Galerkin and Natural Boundary Element Method for Exterior Problems

In this paper, we apply the coupling of local discontinuous Galerkin (LDG) and natural boundary element method(NBEM) to solve a two-dimensional exterior problem. As a consequence, the main features of LDG and NBEM are maintained and hence the coupled approach benefits from the advantages of both methods. Referring to Gatica et al. (Math. Comput. 79(271):1369?C1394, 2010), we employ LDG subspaces whose functions are continuous on the coupling boundary. In this way, the primitive variables become the only boundary unknown, and hence the total number of unknown functions is reduced. We prove the stability of the new discrete scheme and derive an a priori error estimate in the energy norm. Some numerical examples conforming the theoretical results are provided.     

Simulation of the “Power–Society–Economics” System with Elements of Corruption Based on Cellular Automata

This paper presents a modification of the stochastic cellular automaton-based version of the “power–society–economics” model that describes the dynamics of power distribution in a hierarchy taking into account social and economic processes and corruption in the system of power. This approach allows the model to incorporate a number of new factors, including transport communications among municipalities and regions. The basic principles of the model are presented, a simulation system is constructed, and a number of numeric experiments unimplementable with a continuous deterministic model are conducted. Some new results are obtained, including the relationship between the power dynamics and corruption level, as well as the influence of the transport network on the dynamics of the system.     

半张量积理论在网络遥操作系统中的应用

研究了网络遥操作系统的半张量积建模问题.网络遥操作系统中存在人机交互以及大时延事件,这使得系统中既有离散事件动态又有连续动态,当系统的离散事件动态与底层连续动态相互作用耦合强烈时,系统的性能、行为分析变得更为复杂.本文通过引入半张量积给出了一种新的半张量积混杂建模方法,它把一类特定事件系统建模为布尔系统,通过半张量积方法得到类似于离散动态系统的方程.它将系统中离散事件和连续动态相互耦合的地方表达为半张量积的形式,最后经过扩张简化得到完整统一的系统数学模型,它将有利于进一步分析、计算.本文给出的半张量积建模方法和步骤具有一定的通用性和一般性.此外本文还对基于半张量积的混杂网络遥操作系统模型进行了基于事件控制和时间控制的仿真.仿真结果表明,半张量积建模方法完全可信、可行,基于事件控制的方法在网络遥操作控制中明显优于基于时间控制的方法.     

车辆-轨道耦合系统中基于变参数的三维图形仿真研究

建立一个随参数改变而改变的三维可视模型。是机车车辆-轨道耦合系统动力学可视化的一个急待解决的重要问题，文中将可视化，三维建模技术引入机车车辆-轨道耦合动力学仿真中，系统地研究了机车车辆轨道耦合系统的基于变参数的三维图形仿真的方法，综合建立了车辆模型的动态装配三维图形系统，直、曲线轨道的三维离散结构等，为机车车辆-轨道耦合动力学仿真建立了一个有效的可视化综合仿真平台。     

复杂网络上的群体决策

现状和最新进展.首先介绍了观点动力学研究中的几种基本模型,即Ising模型、投票者模型、多数决定模型和有界自信模型等.其次以这些模型为基础,讨论了小世界、无标度等复杂网络上观点动力学的研究结果,然后指出了观点动力学与语言游戏、一致性和耦合振子同步问题的联系,接着给出了笔者在观点动力学方面所做的一些相关工作,最后指出了复杂网络上群体决策的未来发展方向和一些可能的应用前景.     

A new stochastic approach for a reliable p-hub covering location problem

A hub location problem (HLP) is a fertile research field, in the aspect of interdisciplinary studies, such as transportation, operation research, network design, telecommunication and economics. The location of hub facilities and allocation of non-hub nodes to hubs configure the backbone of HLPs. This study presents a new mathematical model for a reliable HLP by a new stochastic approach to minimize the total transportation cost and obtain maximum flows that the network can carry, when its link capacities are subject to stochastic degradations, as in a form of daily traffic, earthquake, flood, etc. We consider the road capacity reliability as a probability that ensures the maximum network capacity is greater than or equal to the total incoming flow to the network by considering the road capacity as random variable. As a result, this paper assumes that link capacities satisfy in a Truncated Erlang $(\mathit{TErl})$ distribution function. Due to complexity of the HLP, a meta-heuristic algorithm, namely differential evolution (DE) algorithm, is applied on the problem in order to achieve near-optimal solutions. Furthermore, the performance of the proposed algorithm (i.e., DE) is evaluated by the performance of the genetic algorithm (GA) applied on the given problem. Some computational experiments are presented to illustrate the effectiveness of the presented model and proposed algorithm. Finally the conclusion is provided.