基于模型降阶的分数阶系统动态性能研究

由于大多数分数阶系统阶次过高,使得系统的控制器设计变得非常困难,会造成系统控制精度变差且动态性能降低等不利因素,而模型降阶技术是解决这一问题的有效工具.首先简要介绍了H2范数模型降阶的一般方法,并提出一种新的降阶模型结构,可以使降阶后的模型扩展到分数阶并且更加精确地逼近各种高阶系统.仿真结果证明,采用改进型H2范数模型降阶方法不仅保持了原有分数阶模型系统的动态性能而且还提升了原有整数阶模型系统的动态性能.     

基于平衡截断方法的高超声速飞行器模型降阶

本文提出了一种适用于高超声速飞行器数学模型的模型降阶方法.该方法采用基于奇异值分解的投影技术,对高阶的高超声速飞行器数学模型进行平衡变换,进而通过截断获得低阶的微分方程,方便控制器的设计,达到模型降阶的目的.相比于传统的只适用于稳定系统的模型降阶方法,本文提出的模型降阶方法通过右互质分解可以应用于不稳定的系统的模型降阶.为了证明该模型降阶方法的准确性,本文通过平均灰色关联系数的计算,给出基于时域分析的定量验证结果.仿真部分成功应用该方法对美国空军实验室提出的弹性纵向模型实现了降阶,证明了该方法的有效性.     

离散随机模型降阶的最小条件信息损失方法

针对随机系统的模型降阶问题,从分析离散线性随机状态方程模型中的条件信息描述机制入手,讨论了模型状态集聚过程中系统的平均条件信息损失.运用在模式识别领域中获得成功应用的最小信息损失准则得出了一种新的模型降阶信息论方法———基于状态集聚的最小条件信息损失方法,并讨论了降阶模型阶次的选择.分析表明,当原系统是渐近稳定时,由该方法得出的降阶模型也是渐近稳定的.该方法运用简单,仿真研究也表明由该方法得出的降阶模型具有良好的近似性能.     

弹性飞机模型降阶软件设计

针对弹性飞机模型降阶问题,对几种适合弹性飞机模型降阶的方法进行了研究,采用Matlab的GUI技术开发了模型降阶软件.该软件以交互式界面实现Matlab环境下的模型自动降阶,可供不同的弹性飞机模型选择适用的降阶方法,并可以根据降阶效果修改降价阶次.以一个高阶弹性飞机模型为例,进行模型降阶软件的仿真应用与分析,演示了交互式界面软件使用方便、简单易学的特点,使得对弹性飞机模型降阶的设计与仿真更加方便、直观,大大缩短了设计周期,具有一定的工程意义.     

互连线高效时域梯形差分模型降阶算法

为了进一步提高现有互连电路模型降阶方法的精度和效率,提出一种基于时域梯形法差分的互连线模型降阶方法.首先将互连电路的时域方程用梯形法差分离散后获得一种关于状态变量的递推关系,形成了一个非齐次Krylov子空间;然后利用非齐次Arnoldi算法求得非齐次Krylov子空间的正交基,再通过正交基对原始系统进行投影得到降阶系统.该算法可以保证时域差分后降阶系统和原始系统的状态变量在离散时间点的匹配,保证时域降阶精度,同时也保证了降阶过程的数值稳定性及降阶系统的无源性.与现有的时域模型降阶方法相比,文中算法可降低计算复杂度;与频域降阶方法相比,由于避免了时频域转换误差,其在时域具有更高的精度.     

几种模型降阶方法的仿真对比研究

算法比较研究,比较几种主要模型降阶方法的优缺点,为给工程应用提供方法参考.利用奇异值分解的模型降阶方法具有较好的理论性质,能够保持降阶系统结构特性,但计算成本较高故不适合大规模动态系统的降阶;采用矩匹配的模型降阶方法计算简便,适合大规模系统降阶,但无法保证降阶系统稳定性,也很难求得降阶误差界.最小二乘降阶法同时利用了系统的Gramian矩阵和Krylov子空间理论,结合了二者的优点,使得降阶过程计算简化,保持了降阶系统的结构特性,而且降阶误差进一步减小.仿真算例证明了最小二乘法较前两者具有优越性.     

无人机侧向系统LPV 模型降阶

无人机线性参变(LPV)模型能准确描述其非线性动态特性,但初始建立的LPV模型阶数较高,控制过程计算量较大.为此,提出一种基于平衡截断的LPV模型降阶方法.首先给出LPV系统的适定性、稳定性和平衡实现的定义;然后,提出LPV模型的平衡截断降阶方法.针对无人机侧向系统LTI模型,通过多项式拟合来建立LPV模型,并实现模型降阶.仿真结果表明,降阶模型的阶跃响应满足输出响应的精度要求.     

面向产品级仿真的零部件模型降阶方法

为了提高复杂产品的产品级仿真速度,缩短产品开发周期,基于模态分析理论提出一种针对零部件结构的模型降阶方法,根据零部件几何模型网格划分结果,构建质量矩阵和刚度矩阵,计算结构的模态,根据合理的方法选取尽量少的模态构建零部件的降阶模型.最后通过对一个机翼模型进行降阶处理,对比分析降阶前后计算结果,证明了方法在保证精度的前提下,有效地降低了机翼模型的自由度,为产品级仿真提供了先决条件.     

基于非对称Lanczos 算法的线性分数阶系统模型降阶方法

采用非对称Lanczos 算法研究线性分数阶系统的模型降阶问题, 提出一种保持系统传递函数一定数量的分数阶矩的模型降阶方法. 根据Caputo 导数的运算法则给出线性分数阶系统的分数阶矩的计算方法; 利用非对称Lanczos 算法构造对应的非对称三对角矩阵; 根据非对称三对角矩阵的性质证明降阶系统与原系统具有相同的一定数量的分数阶矩; 给出降阶系统与原系统传递函数的误差估计, 为合理选择降阶系统的阶次提供理论依据. 数值实例的计算结果验证了所提出方法的有效性.

     

中心刚体-柔性梁刚柔耦合动力学模型降阶研究

有限单元法被广泛的采用来描述柔性体的弹性变形,然而有限元节点坐标数目庞大,将会给动力学方程求解带来巨大的计算负担.如何降低柔性体的自由度,是当前柔性多体系统动力学研究的一个重要命题.本文以中心刚体-柔性梁系统为例,采用Krylov方法和模态方法进行降价.然后分别采用有限元全模型、Krylov降阶模型和模态降阶模型,对中心刚体-柔性梁进行刚-柔耦合动力学仿真.仿真结果表明,与采用模态降阶方法相比,采用Krylov模型降阶方法只需要较低的自由度,就可以得到与采用有限元方法完全一致的结果.说明Krylov模型降阶方法能够有效的用于柔性多体系统的模型降价研究.     

基于Krylov-Schur重启技术的Arnoldi模型降阶方法

Krylov子空间模型降阶方法是模型降阶中的典型方法之一,Arnoldi模型降阶方法是这类方法中的一类基本方法。运用重正交化的Arnoldi算法得到[r]步Arnoldi分解;执行Krylov-Schur重启过程,导出基于Krylov-Schur重启技术的Arnoldi模型降阶方法。运用此方法对大规模线性时不变系统进行降阶,得到具有较高近似精度的稳定的降阶系统,从而改善了Krylov子空间降阶方法不能保持降阶系统稳定性的不足。数值算例验证了此方法是行之有效的。     

利用功率谱分解与系统辨识法对离散系统模型进行降阶处理

本文介绍一种离散系统模型降阶的混合方法.从能量影响的观点到系统的输出,系统中 处于主导地位的特征值会在系统输出产生优势的动态模态,从而确定降阶模型传函中分母的 参数估值,再用辨识技术求出分子参数.降阶模型与原系统相比,暂态响应与稳态响应中均有 很好的逼近.     

柔性板的模态价值降阶及其主动控制研究

对柔性板的模型降阶和主动控制进行研究,并且进行实验验证.首先采用假设模态方法给出系统的动力学方程,然后采用价值模态分析方法进行降阶研究.考虑到弱阻尼系统,文中给出了一种价值模态分析方法的近似公式.控制律采用最优控制方法进行设计.仿真和实验结果显示,价值模态分析方法能够有效地显示出系统各阶模态的重要程度,因此能够有效地对系统模型进行降阶.     

模型降阶的机理探讨及几种新方法

本文从机理和实现两方面研究模型降阶问题.提出了在降阶模型中"中、低频段分别处 理"和"有限信息资源合理分配"的原则,介绍了由此导出的几种新的模型降阶方法.新方法具 有物理概念踢确,计算简单易行,所得到的降阶模型在宽广的频带内有较高的逼近精度等优 点,适合于工程应用.     

模型的快速降阶技术

为快速进行模型的降阶,结合平衡截断（Balanced Truncation,BT）方法和特征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition,POD）方法提出一种模型降阶方法.该方法采用频域POD快照矩阵低阶逼近系统的可控、可观Gram矩阵;通过奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）提取BT＋POD模态,对低能量模态截断形成降阶子空间,并将其映射到全阶系统,从而形成基于状态空间的降阶模型（Reduced Order Model,ROM）;该模型就成为全阶模型（Full Order Model,FOM）的ROM.通过对阶数n=406的LTI SISO系统和阶数n=9的2区间电力系统进行的验证表明,在保留BT方法输入输出平衡特性的基础上,该方法效率高于BT方法.     

复杂高阶对象的预测PID控制

针对复杂高阶对象提出了一种基于数值最优模型降阶方法,并基于这种降阶模型设计了预测PID控制器,将此控制器应用于原始模型能够得到很好地控制效果。数值最优模型降阶算法使高阶对象能近似为一阶加时滞对象或二阶加时滞对象,通过模型阶跃响应和Bode图对比,降阶模型曲线很好地逼近原始模型曲线。预测PID对大时滞对象有着很好地控制效果,模型降阶使得预测PID很好地控制复杂高阶对象,且其结构简单,可调参数少的特点。     

用有限元法计算特征值问题的一种新的动态凝聚方法

有限元法是常用的建模方法,由于所建模型具有较大的自由度,通常需要进行降阶处理.一般来讲,模型前几阶特征值和特征向量可以较精确地得到,利用所得到的特征值和主振型分量(在特征向量中与所给定的主自由度对应的振型分量),本文提出了一种新的动态凝聚方法,该方法是通过迭代方式,利用所得到的特征值和主振型分量对Guyan降阶法所得到的降阶模型进行修正.与同类方法相比,本文方法具有较高的计算精度和很小的计算量,且迭代收敛的稳定性很好.最后本文给出了一个计算实例.     

随机马尔可夫切换系统的H∞模型降阶

考虑一类带有时滞的不确定马尔可夫切换系统的H∞模型降阶问题.首先得到了一个矩阵不等式形式的充分条件,使该系统的H∞模型降阶问题对于满足条件的任意不确定性都是可解的;然后依据CCL(conecom plem entarity linearization)方法给出了该问题的求解算法,以及降阶模型的参数化方法.仿真算例说明该方法的有效性.     

基于希尔伯特-施密特范数和交叉格莱姆的模型降阶方法

摘要：分析了模型降阶的发展历程和研究现状,重点研究基于交叉格莱姆信息的模型降阶方法的范数意义的误差性能指标和算法.分析指出了信息类模型降阶方法的信息损失指标的局限性——不满足非负性和不是范数意义的指标.利用Hankel奇异值以及交叉格莱姆的信息属性推导出Hilbert-Schmidt范数与交叉格莱姆的关系,从而通过理论推理运算得出Hilbert-Schmidt范数意义的误差指标,并提出了相应的降阶方法.最后,给出一个数值算例,验证了Hilbert-Schmidt范数意义的误差指标的合理性以及算法的良好降阶效果     

一种基于可观测标准型的模型降阶算法

模型降阶方法在大规模集成电路的仿真中有着广泛的应用.由于对互联网络提取寄生参数后电路的规模巨大,使用传统的电路仿真方法将会消耗大量的资源,而模型降阶使得仿真计算量显著减小的同时精度并没有多少损失.文章针对互连线网络的MNA(Modified Nodal Analysis)矩阵通常可观测性较弱的特点,提出了一种基于可观测标准型的模型降阶算法:MOROC.文中推导证明了该算法能够匹配原系统的前q个矩,且具有形式简单和容易检验稳定性的特点.并给出了应用该算法对耦合互连线的降阶建模和仿真结果.