具有边界扰动柔性机械臂的鲁棒自适应边界控制

针对边界未知扰动和系统结构参数均具有不确定性的柔性机械臂系统,为了抑制其振动和提高振动控制效果,通过对柔性臂的结构参数估计,采用自适应和边界控制技术,设计了带有边界扰动观测器的鲁棒自适应边界控制对柔性臂振动进行控制。所设计控制算法能补偿结构参数不确定性和避免了控制溢出,边界扰动观测器能抑制和跟踪边界未知扰动的影响。随后利用Lyapunov综合法对控制系统的稳定性和一致有界性进行了证明。仿真结果进一步验证了该控制算法对抑制柔性臂振动的有效性。

GRAPES区域集合预报两种侧边界扰动方法对比试验

中国气象局数值预报中心自2014年建立了区域集合预报业务系统,其使用的侧边界扰动由全球集合预报系统动力降尺度得到。为深入了解侧边界扰动对区域集合预报的影响,基于15 km水平分辨率的区域集合预报模式,使用动力降尺度方法和尺度化滞后平均法(scaled lagged average forecasting,SLAF)设计构造了两种侧边界扰动方案,并开展了2015年7月共6天的集合预报试验,利用集合均方根误差、集合离散度、连续分级概率评分、离群值、Brier Score及相对作用特征曲线面积等概率预报检验方法进行了多方面检验,分析了两种侧边界扰动方案对区域集合预报质量的影响。结果表明:动力降尺度侧边界扰动方案(DOWN)的扰动总能量在各垂直层次均大于SLAF方案,使得边界上前者的离散度大于后者,集合扰动增长更为合理;对于等压面要素和地面要素,DOWN方案的离散度、Outlier、CRPS等评分优于SLAF方案,反映了DOWN方案构造的侧边界扰动更加合理;在降水概率预报技巧方面,SLAF方案在评分上具有一定优势,但评分的提高没有通过显著性水平检验,因此认为两种方案对降水预报的改进基本相当。

边界扰动对四辊冷轧机工作辊水平振动的影响研究

由于轧机的水平振动对板带质量影响很大,为了减小水平振动、提高板带质量,文中在考虑边界扰动的情况下,通过对四辊冷轧机机构合理简化,建立了工作辊边界扰动动力学模型,并对其进行数值分析,得到了边界扰动频率和边界扰动幅值的变化对系统的影响。该研究对轧机振动的控制具有一定的指导意义。

一次华北暴风雪过程中边界层中尺度扰动涡旋和水汽输送特征的分析

利用多部风廓线雷达和多普勒雷达、地面自动气象观测站、探空和卫星等多种监测资料,结合ERA5 0.25°×0.25°逐小时再分析资料,针对2020年2月14日华北暴风雪过程中边界层中尺度扰动涡旋(PMDV)开展分析,包括空间结构、形成维持机制及其对降雪的影响,同时关注多股气流在不同高度层的水汽输送和净流入等特征。结果表明:PMDV是在500 hPa冷涡前部、 850 hPa暖性倒槽内和近地层东北风“冷垫”之上的悬空涡旋,其厚度约为1.2 km,水平尺度为100~300 km,生命史达17 h。它最先在边界层内出现,而后向上伸展(顶部达2 km),最终在边界层内消失。PMDV的成因:一是强劲持久的偏东气流西进,遇太行山脉阻挡,发生逆时针转向;二是在涡旋初生地存在持久的锋生作用,且4 h后在850 hPa上出现完整的气旋性环流。PMDV的发展维持原因是暖平流输送造成减压、凝结潜热释放和弱锋生三者的共同作用。PMDV促进了研究区内的东南风急流、正涡度、垂直上升速度和水汽通量散度等物理量的增大或加强,从而影响了降雪的持续时间和强度。研究区内的水汽绝大部分源于850 hPa以下的三股气流,西南支气流携带的水汽虽最为深厚,但在700 hPa以上的净流入极少;东南支气流对水汽的贡献最大,占净流入总量的86.4%;东北支气流携带的水汽多集中于850 hPa层。

结构边界受扰动下翼柱与环槽型固体火箭发动机燃烧室压力振荡特性研究

为研究固体火箭发动机结构振动和燃烧室压力振荡耦合作用下的不稳定燃烧现象,通过考虑结构振动对推进剂燃速的影响,将结构振动和压力振荡进行耦合。使用数值方法研究了两种典型装药(翼柱和环槽型装药)的固体火箭发动机在结构边界受扰动作用下的燃烧室内的压力振荡特性。计算结果表明,在结构脉冲加速度载荷的激励下,燃烧室中产生的压强振荡以一阶声频为主,发动机结构振动也表现出相似的特性。发动机结构的呼吸模态频率同燃烧室声模态频率的相接近会导致自激振荡现象的发生,从而大幅增强压力和结构振动的幅度。因而避免燃烧室声频同结构呼吸模态频率相接近,可以抑制不稳定燃烧现象的发生。此外,燃烧室的特殊几何结构可以对压力振荡起到明显的阻尼作用。使用环向开槽结构替代翼柱结构可以明显提高燃烧室的稳定性。

不同边界扰动形式对充气天线反射面形面精度的影响

充气天线的性能主要取决于其形面几何精度。该文以几何非线性有限元法为基础,对不同焦径比和口径的天线反射面进行分析,探讨了三种具有代表性的边界扰动分布形式(均匀扰动、局部扰动及波形扰动)对天线反射面几何形状及应力的影响特性及原因,并分别获得了形面精度对这三种扰动的敏感度。研究从影响区域、影响值大小、影响敏感度及褶皱分布等几个方面对三种扰动形式进行了定性和定量的比较,得到如下主要结论:均匀扰动及波形扰动对整个曲面形状均有影响,在边界影响区曲面会同时产生平移和曲率变化,中间区域则主要发生曲面平移。局部扰动则只对局部区域有影响;三种扰动形式中,在扰动值相同的情况下,均匀扰动引起的误差值最大,但形面误差值对局部扰动和波形扰动更敏感;除施加向外均匀扰动时无褶皱以外,其他扰动形式均会导致在影响区域内出现褶皱。此外,研究还探讨了天线焦径比和口径的影响。最后,在上述研究成果的基础上给出了反射面形面精度被动控制和主动控制的合理建议。

基于边界加扰动的Helmhotz方程柯西问题的正则化

Helmhotz方程的柯西问题是一类典型的反问题而且是不适定的,也就是说其解不连续依赖于柯西数据,即小的扰动都会导致解的爆破。文章给出了边界加扰动的正则化方法,恢复了解对数据的连续依赖性,并给出了收敛性估计。最后用数值例子说明我们的方法是有效可行的。

风暴尺度集合预报最优侧边界条件扰动方法设计:个例分析

考虑到全球预报模式与风暴尺度预报模式在分辨率上的显著差异,在构造风暴尺度集合预报系统的时候需要用一个中间分辨率的中尺度区域模式为风暴尺度模式提供侧边界条件扰动,但如何构造侧边界扰动才能更为有效地提高风暴尺度集合预报系统的预报能力目前仍然未知。本文基于WRF模式,通过一次个例试验设计了风暴尺度集合预报中的3种不同侧边界扰动方案,结果表明:直接通过0.5°水平分辨率全球集合预报扰动插值所得到的侧边界扰动(LBC_DOWN)在预报中可以获得较高的大尺度扰动能量,而在中尺度区域模式(本文中为模式外层)中通过ETKF循环所构造的侧边界条件扰动(LBC_CYCLE)包含较高的中小尺度能量,而将LBC_CYCLE中的中尺度扰动信息与LBC_DOWN中的大尺度扰动信息相混合所得到的混合侧边界扰动(LBC_BLEND)在大尺度能量上更接近于LBC_DOWN,在中小尺度能量上更接近于LBC_CYCLE;LBC_BLEND较前两种方案有着更好的离散度技巧表现;在降水概率预报技巧方面LBC_BLEND与LBC_CYCLE较为接近,且均优于LBC_DOWN。

一类不确定热方程自适应边界控制

研究了一类含有不确定控制系数和边界扰动的热方程自适应状态反馈边界控制设计问题.通过Lyapunov方法,显式地得到了仅需系统边界状态信息的自适应控制器.证明了闭环系统状态是L2[0,1]稳定的,特别是当边界扰动消逝时,该状态收敛到0.此外,通过灵活选取参数调节律的初始条件,适当放宽了相关文献中相容性条件对系统初始条件的限制.仿真算例验证了本文方法的有效性.

不同初始场及其扰动对WRF模拟暴雨的影响

使用ERA-interim和FNL再分析资料分别驱动WRF,对2013年7月12—13日的一次暴雨过程进行数值模拟,详细比较了WRF模拟结果之间的差异。结果表明:(1)两种资料在次天气尺度上存在着较大差异,并由此造成了模拟结果之间的差异,ERA-interim作为初始场对降水的模拟优于FNL资料,反映了WRF对初、边界条件的敏感性;(2)从区域总降水量来看,湿度场扰动对降水量的影响最大,其次是风场扰动和温度场扰动,最小的是侧边界扰动;(3)从降水误差来看,湿度场扰动引起的降水误差最大,在积分20 h内风场扰动的降水误差大于温度场,积分21~24 h则相反,侧边界扰动引起的降水误差在前期比较小且增长缓慢,积分一段时间之后与单个气象要素扰动引起的降水误差相当。

不同大尺度强迫条件下考虑初始场与侧边界条件不确定性的对流尺度集合预报试验

研究了不同大尺度强迫条件下的暴雨个例中,考虑不同尺度特征的初始扰动与侧边界扰动相互作用构造对流尺度集合预报的可行性,为进一步构建"自适应"于不同强对流天气的对流尺度集合预报系统提供依据。结果表明,在大尺度强迫显著的个例1中,以大尺度扰动信息为主的动力降尺度的增长趋势较集合转换卡尔曼滤波(ETKF)更为显著,且总扰动能量在预报中后期超过集合转换卡尔曼滤波,而在大尺度强迫较弱的个例2中,集合转换卡尔曼滤波扰动能量始终高于动力降尺度。此外,当大尺度强迫显著时,初始扰动与侧边界扰动相匹配会产生相互促进的作用,而不匹配时初始扰动会在预报中后期抑制侧边界扰动的发展,当大尺度强迫较弱时,即使是互相间不匹配的初始扰动与侧边界扰动也能在大部分预报时段起到相互促进的作用,说明初始扰动与侧边界扰动的相互作用机制不仅与天气形势相关,也与二者是否匹配挂钩,另外,扰动的发展特征同样依赖于天气形势;从集合离散度的角度来看,当大尺度强迫明显时,侧边界扰动的作用会在更短的时间内取代初始扰动,从而对离散度起到主导地位;两种初始扰动方法相比,集合转换卡尔曼滤波在多数情况下对总离散度的贡献均大于动力降尺度;从降水量预报及概率预报情况来看,大尺度强迫明显的个例可预报性更高,且各集合成员间的差异较小,大尺度强迫较弱的个例则相反,且当两种初始扰动方案与侧边界扰动相结合时,较仅侧边界扰动均有一定提高。

Hille-Yosida算子的无界扰动与一类抽象边值问题的适定性

设A是Banach空间E上的Hille-Yosida算子,B是E上的无界算子,本文证明了B满足一定条件时A+B仍是E上的Hille-Yosida算子,从而给出了当ψ是无界算子时抽象边值问题.f(t)=Amf(t),t≥0Lf(t)=ψf(t),t≥0f(0)=f0的适定性一种判别方法.

一类热方程的边界控制及不确定性分析

基于对称群理论中的微分方程对称形式,研究一类热方程的边界控制问题,以及当边界条件中包含不确定控制系数和未知边界扰动时,系统控制目标的变化问题。首先,利用微分方程对称分析了求解热方程无穷小生产元的过程,进而利用所得的无穷小生产元和不变性条件,通过设定系统初始条件、边界条件和控制目标,设计了未含不确定性时热方程的边界控制条件,实现系统状态稳定于设定常值。相应结论进行了系统仿真,仿真结果验证了设计条件的正确性。然后详细分析了加入不确定控制系数和边界扰动后,系统状态的变化情况,并给出分析结论。设定控制系数,对于不同形式的边界扰动、初始条件和控制目标,进行了系统仿真,仿真结果验证了所得的分析结论。

模糊扰动算子及其性质研究

在扰动模糊子集的基础上提出了两种模糊扰动算子 ,即边界模糊扰动算子 (B+ ,B·)和包含模糊扰动算子(I+ ,I·) ,定义了两种算子下区间值的偏格和格的概念 。

矩阵方程X+A~*X^qA=I(0

本文利用不动点理论研究了非线性矩阵方程Hermite正定解存在及唯一性条件,并给出了解的存在区间。讨论了方程唯一解的扰动边界,并说明方程是适定的。用数值例子对以上结果作了说明。

矩阵方程X+A~*X^2A=P的Hermite正定解及扰动分析

考虑非线性矩阵方程X+A*X2A=P,其中A是一个n×n阶的复矩阵,P是一个n×n阶的Hermite正定矩阵,A*表示矩阵A的共轭转置。推导出矩阵方程的Hermite解的存在及唯一性条件,同时给出唯一解的存在区间。最后对该唯一解进行扰动分析,给出不依赖于扰动解的扰动边界。

干式摩擦元件的热弹不稳定性分析

针对干式摩擦元件热弹性失稳问题,通过理论和仿真计算相结合的方法,将系统扰动因素和系统结构因素相统一,从扰动频率对临界速度影响的角度,开展制动器干式摩擦元件的热弹不稳定分析。研究发现,系统失稳与扰动频率有关,造成系统失稳的临界速度存在一个极小值点,在该点系统最容易产生失稳;摩擦副局部热应力过大是造成系统失稳的主要原因,摩擦副整体温度的高低与系统失稳之间不存在必然的联系。提出的基于热固耦合扰动边界的干式摩擦元件热弹不稳定性分析方法,其计算结果可以直接用来指导摩擦片热弹性失稳的结构设计。

气体爆炸过程的原型实验

在7.2m^2×600m的大断面地下原型坑道中进行了可燃气体的爆炸实验,通过光电火焰传感器和压阻传感器测试爆炸过程中火焰和压力信号,得到了地下原型坑道中气体爆炸过程的基本参数,揭示了爆炸过程中组分、边界扰动、紊流对爆炸发展影响的规律。

二维高超音速边界层扰动演化的数值研究及小激波的存在对流场结构的影响

采用三种不同的计算格式对Mach数为6, 8, 10的高超音速边界层中的二维扰动的扰动演化做了直接数值模拟. 在入口处引入不同幅值的第二模态T-S波, 研究了小激波开始生成时扰动幅值大小与Mach数的关系. 通过对扰动速度剖面与线性稳定性理论值的比较, 研究了小激波对流场结构的影响.

二维广义Burgers方程随机超敏感现象数值研究

在随机边界扰动情况下二维的广义Burgers方程的解在稳定状态展现出非常重要的类似于确定性的边界扰动的随机超敏感现象。为了求解含有随机项的广义Burgers方程,采用广义多项式混沌表示该方程的解,使之转化为不含随机项的方程组,进而采用Chebyshev谱配置法进行求解;又因该问题没有解析解,故采用传统的Monte Carlo数值模拟来对比验证所得结果。