Unified expressions of all integral variational principles

In terms of the quantitative causal principle, this paper obtains a general variational principle, gives unified expressions of the general, Hamilton, Voss, Holder, Maupertuis-Lagrange variational principles of integral style, the invariant quantities of the general, Voss, Holder, Maupertuis-Lagrange variational principles are given, finally the Noether conservation charges of the general, Voss, Holder, Maupertuis-Lagrange variational principles axe deduced, and the intrinsic relations among the invariant quantities and the Noether conservation charges of all the integral variational principles axe achieved.

分离扇回旋加速器的接受度及效率；Acceptance and efficiency of sector-separated cyclotron

以9.7MeV/u的238U36+,5.62MeV/u的70Zn10+为典型离子,分析并模拟了分离扇回旋加速器(SSC)的注入、加速和引出,得到了SSC在理论等时场下横向和纵向的接受度。为了研究SSC在实际情况下的接受度,在实测场的基础上采用Kr-Kb方法以及Lagrange插值方法建立了与实际比较符合的等时场,计算了该等时场下SSC横向和纵向的接受度,发现了导致SSC实际接受度和传输效率低的主要原因在于注入系统中的MSI3元件和引出系统中的MSE3元件设计存在缺陷。模拟结果显示,通过改变MSI3和MSE3的曲率或者垫铁改变元件内部的场分布可以改善SSC的实际接受度和传输效率。

Calculating the equation of state parameters and predicting the spinodal curve of isotactic polypropylene/poly(ethylene-co-octene) blend by molecular dynamics simulations combined with Sanchez-Lacombe lattice fluid theory

Molecular dynamics simulations are adopted to calculate the equation of state characteristic parameters P*, rho*, and T* of isotactic polypropylene (iPP) and poly(ethylene-co-octene) (PEOC), which can be further used in the Sanchez-Lacombe lattice fluid theory (SLLFT) to describe the respective physical properties. The calculated T* is a function of the temperature, which was also found in the literature. To solve this problem, we propose a Boltzmann fitting of the data and obtain T* at the high-temperature limit. With these characteristic parameters, the pressure-volume-temperature (PVT) data of iPP and PEOC are predicted by the SLLFT equation of state. To justify the correctness of our results, we also obtain the PVT data for iPP and PEOC by experiments. Good agreement is found between the two sets of data. By integrating the Euler-Lagrange equation and the Cahn-Hilliard relation, we predict the density profiles and the surface tensions for iPP and PEOC, respectively. Furthermore, a recursive method is proposed to obtain the characteristic interaction energy parameter between iPP and PEOC. This method, which does not require fitting to the experimental phase equilibrium data, suggests an alternative way to predict the phase diagrams that are not easily obtained in experiments.

最优变分伴随方法及在近岸水位资料同化中的应用

利用二维正压Princeton（POM）海洋模式模拟美国东海岸由表面风场产生的低频非潮汐水位变化特征。模式采用曲线正交网格，表面风场使用每3小时时间间隔、空间分辩率为48公里的EDAS（ETA Data Assimilation System）分析风场。沿岸潮汐观测资料（美国国家水位观测网）用来检验模式模拟结果以评估模拟结果的精度，这些观测资料也被用于动力同化模式中。在美国东海岸，表面风场是产生和引起低频水位及其变化的最重要的动力机制。观测资料的分析结果表明，非潮汐水位的最大振幅可达1以上，其对表面风场的响应大约滞后6～12小时左右。与观测资料相比，模式计算值的均方误差大约为8～12厘米，与观测资料之间的相关系统为0.54～0.91。为了获得更精确的模拟水位，提高实时水位预报系统的精度，本论文用伴随最优方法将尚岸水位观测资料同化到海洋动力模式中。建立一套实时水位预报同化系统。在该同化系统中，二维线性POM模式用作海洋基本模式（向前积分模式）。其伴随模式是通过拉格朗日（Lagrange）方法由离散的基本模式方程获得。观测水位与模拟水位之间的差被定义为价格函数。由于表面风场对美国东海岸低频水位的产生及其变化起着最重要的作用，表面风场的误差及风应力系统的误差都将引起模拟水位的误差。因此，在最优同化系统中，将表面风应力系统定义为控制变量。通过调整风应力系数改变风应力场，使模式计算的水位最好地接近观测值。有限记忆的准牛顿方法用于求解所形成的最优化问题。一致性“孪生”试验（假设的“观测数据”由模式本身产生，因此，控制变量的真实解是已知的）用来检验同化系统的正确性、有效性及收敛性。“孪生”试验结果表明该同化系统所求得的控制变量的解精确地收敛于真实解。在实测水位资料的同化试验中，设计了三种不同情况的试验，其对应的控制变量的个数分别为1，8，16。同化后模式结果表明，即使仅用一个控制变量，模式计算的水位比没有用同化技术的模式结果好，用16个控制变量的同化模式获得最好的结果，对这种情况，观测水位与同化模式的计算结果之间的相关系数在所有观测站均大于0.93，其计算结果的均方误差均小于5.3厘米。因此说同化模式的结果得到了很大的改进。实时水位预报结果表明，对于没有应用同化技术的预报系统，其预报水位均方误差在8.8～12厘米。同化技术对低频非潮汐水位预报结果的改进主要发生在前6小时。使预报的非潮汐水位的预报均方误差减少3厘米。

伴随法在潮汐和海温数值计算中的应用研究

变分数据同化中的伴随法可实现数值模型与观测数据的拟合。随着物理海洋数值计算和数值预报业务的不断发展，其具有广阔的应用前景。本文主要研究关于伴随数据同化的有关理论及其在物理海洋数值模型中的应用。本文介绍了变分伴随数据同化的基本原理，从模型方程的连续和离散形式出发讨论采用两种不同的方法推导伴随方程，一是拉格朗日乘子（Lagrange multiplier）法；二是基于泛函的Gateaux微分概念的方法，这里简称Gateaux微分法。文中讨论了导出离散伴随模型方程和目标函数梯度的两种不同途径，其中一种途径是由连续的正模型得到连续的伴随模型及连续的目标函数梯度表达式，然后再对伴随模型和目标函数梯度进行差分离散（简称“伴随的差分”）；另外一种途径是由离散的正模型直接导出离散的伴随模型及梯度表达式（简称“差分的伴随”）。目前尽管人们比较一致的看法是应该采用后一种途径，即建立伴随模型系统应该采用“差分的伴随”，但对由这两种途径建立的伴随系统的相互关系，人们探讨的并不多。本文利用了简单的模型对该问题进行了研究。另外，对有关初始猜测和伴随优化系统的多解性问题进行了探讨。本文着重研究并实现了利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件。其中采用的二维非线性浅水模型既考虑非线性底磨擦和侧向粘性涡动混合，又包括非线性平流项；离散伴随模型的建立是基于ADI格式（不受CFL条件限制），改善了变分伴随数据同化过程中计算量和计算存储问题，使之减小若干倍（约5～7倍），从而使得模式适于业务化的需求，具有实用价值；同化过程中使用的观测数据既包括常规验潮站水位观测资料，又包括TOPEX/POSEIDON卫星测高数据。实测数据同化数值试验表明，开边界条件的最优控制对数值计算结果有一定程度的改进。本文还探讨了将伴随法应用于海表面温度（SST）的数值预报中。其中采用的SST数值预报模型是基于国家“七五”期间科技攻关项目《中国近海海表面温度短期数值预报模式》。文中利用船舶报SST观测数据进行伴随数据同化试验，以优化初始场，其结果是比较满意的，表明变分数据同化对改进SST数值预报的效果是比较明显的，将伴随法引入中国海域SST数值预报业务化中是可行的。本文最后讨论了伴随数据同化中尚待深入研究的问题，着重指出了在物理海洋学领域开展二阶伴随模式应用研究的内容和必要性。

输电线巡检机器人越障机理与试验

分析超高压输电线路架空地线上的障碍物类型以及跨越这些障碍的过程。可以发现,巡检机器人采用双臂交替跨越障碍,越障过程简单。但是由于受巡检机器人自身重力偏矩的影响和手臂长度尺寸的限制,当单臂悬架在架空地线上时,导致巡检机器人本体倾斜,另一手臂完成脱线和上线任务变得十分困难,有时甚至造成越障失败。为了解决上述问题,提出质量调节的控制方法。该方法通过调节巡检机器人的质心,使巡检机器人的本体保持水平状态。为了验证质量调节控制方法的正确性,采用Lagrange方法建立巡检机器人动力学模型,通过仿真试验、实验室模拟实际架空地线试验以及超高压实际现场试验说明了提出方法的可行性。

Elliptic Object Detection Based on Shape Preserving and Active Contour

本文通过形状约束方程(组)与一般主动轮廓模型结合,将目标形状与主动轮廓模型融合到统一能量泛函模型中,提出了一种形状保持主动轮廓模型即曲线在演化过程中保持为某一类特定形状。模型通过参数化水平集函数的零水平集控制演化曲线形状,不仅达到了分割即目标的目的,而且能够给出特定目标的定量描述。根据形状保持主动轮廓模型,建立了一个用于椭圆状目标检测的统一能量泛函模型,导出了相应的Euler-Lagrange常微分方程并用水平集方法实现了椭圆状目标检测。此模型可以应用于眼底乳头分割,虹膜检测及相机标定。实验结果表明,此模型不仅能够准确的检测出给定图像中的椭圆状目标,而且有很强的抗噪、抗变形及遮挡性能。

基于形状保持主动轮廓模型长直条的检测

通过形状约束方程(组)与一般主动轮廓模型结合,将目标形状与主动轮廓模型融合到统一能量泛函模型中,提出一种形状保持主动轮廓模型。模型通过参数化水平集函数的零水平集表示某一类特定形状,不仅达到了分割即目标的目的,而且能够给出特定目标的定量描述。根据形状保持主动轮廓模型,建立一个用于长直条状目标检测的统一能量泛函模型,导出相应的Euler-Lagrange常微分方程并用水平集方法实现了长直条状区域的检测。此形状保持模型的一种特殊情况可以用于直线状地平(海天)线提取。实验结果表明,该模型不仅能够准确地检测出给定图像中的长直条状区域而且有很强的抗噪、抗变形及遮挡性能。

新型蛇形机器人蜿蜒运动的动力学分析

为提高蛇形机器人执行各种运动的能力,研制了新型蛇形机器人系统.重点研究了该蛇形机器人的动力学.建立了机器人的运动学模型,并根据运动学模型提出了控制蛇形机器人蜿蜒运动的复合运动控制方法.用拉格朗日方法建立动力学模型,对不同参数下蛇形机器人的关节力矩特性和摩擦力特性进行了分析比较,为蛇形机器人的有效运动提供了理论依据.

控制受限的一类非完整动力学系统的镇定问题

考虑了控制受限的一类非完整动力学系统的镇定问题，在一定条件下经典非完整约束下的Lagrange方程可化为扩展的链式系统，利用滑动模态的思想和多步控制策略，设计了不连续反馈镇定律，该镇定律一方面满足控制受限条件，另一方面使得闭环系统的状态收敛到预先给定的原点的任意小的ε领域中，最后对移动机器人进行了仿真，验证了该方法的有效性。

空间对接机构差动式缓冲系统动力学建模与仿真

对接技术是空间交会对接的关键技术，是建立大型空间站，进行复杂空间作业的前‘提，是我国载人航天工程实施需要迫切解决的问题。对接机构缓冲系统是对接机构的核心部分，决定着对接过程的动力学特性，对实现两航大器安全可靠的对接起着至关重要的作用。对接机构缓冲系统结构和工作原理复杂，是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数祸合的动力学系统，对其进行研究是对接机构研制的核心工作，具有重要的理论和实践意义。本文针对我国载人航天工程正在研制的周边式对接机构差动式缓冲系统进行了以’一厂研究：建立了对接机构缓冲系统的运动学模型，利用Lagrange方程建．立了差动式缓冲系统动力学模型，该模型综合体现了缓冲系统参数对缓冲特性的影响。同时，为缓冲系统实时动力学仿真模型的建立奠定了理论基础。首次建立了对接机构缓冲系统全真可视化实时动力学仿真模型，将约束的真实传动特性反映到仿真模型中，解决了多体动力学建模时山一于对杆自差织，合中两根丝杠佩的适动特性进行近似相等假设所造成的缓冲系统动态特J性失真问题，实现了非线性强棍合系统的实时动态仿真。 利用快速极坐标搜索法，进行了对接环工作空间的确定，基于模态测试方法提出了缓冲系统等效特性的虚拟试验方案，得到了系统的动静态力学性能参数，实现了对对接机构缓冲系统设计的验证。总结出对接机构的最大行程和缓冲阻尼特性的变化规律，建立了机构最大工作行程与机构传动链参数和缓冲元件结构参数的关系模型、系统等效缓冲阻尼特性与缓冲元件性能参数的关系模型，对缓冲系统的深入研究有很大的理论价值，对对接机构缓冲系统的工程设计具有重要的指导意义。建立了缓冲系统的缓冲力与对接环相应姿态的高阶关系模型，有效地提高了对接过程动力学仿真的精度。对接机构缓冲系统的动力学建模与仿真，对空间对接技术的研究，载．人航天一L程的顺利实施具有重要意义。对对接机构的研制具有很人的指导意义，为对接过程动力学研究和对接机构的深入设计奠定了坚实的基础。本文的研究结果，己在上海航天局八0五所对接机构的研制中得到了应用。

一种新的机器人自适应控制方式

本文提出了一种新的、有效的机器人自适应控制方式,克服了其他方法由于模型不准或计算量大等所带来的一系列问题。本文首先将 Lagrange 运动方程转化为 ARMA 模型,并用虚拟噪声补偿模型误差(即由于线性化、解耦、观测不准和干扰等误差).然后利用改进的 Kalman 自适应滤波算法在线进行参数辨识和状态估计,将获得的参数用于机器人控制系统自适应控制器的设计.最后给出了该算法的仿真结果并对此进行了讨论。

Optimisation of Smart Grid performance using centralised and distributed control techniques

A massive change is currently taking place in the manner in which power networks are operated. Traditionally, power networks consisted of large power stations which were controlled from centralised locations. The trend in modern power networks is for generated power to be produced by a diverse array of energy sources which are spread over a large geographical area. As a result, controlling these systems from a centralised controller is impractical. Thus, future power networks will be controlled by a large number of intelligent distributed controllers which must work together to coordinate their actions. The term Smart Grid is the umbrella term used to denote this combination of power systems, artificial intelligence, and communications engineering. This thesis focuses on the application of optimal control techniques to Smart Grids with a focus in particular on iterative distributed MPC. A novel convergence and stability proof for iterative distributed MPC based on the Alternating Direction Method of Multipliers is derived. Distributed and centralised MPC, and an optimised PID controllers' performance are then compared when applied to a highly interconnected, nonlinear, MIMO testbed based on a part of the Nordic power grid. Finally, a novel tuning algorithm is proposed for iterative distributed MPC which simultaneously optimises both the closed loop performance and the communication overhead associated with the desired control.

Compilation and analysis of integrated regional input-output tables for NUTS 2 regions in Ireland

In 1966, Roy Geary, Director of the ESRI, noted “the absence of any kind of import and export statistics for regions is a grave lacuna” and further noted that if regional analyses were to be developed then regional Input-Output Tables must be put on the “regular statistical assembly line”. Forty-five years later, the lacuna lamented by Geary still exists and remains the most significant challenge to the construction of regional Input-Output Tables in Ireland. The continued paucity of sufficient regional data to compile effective regional Supply and Use and Input-Output Tables has retarded the capacity to construct sound regional economic models and provide a robust evidence base with which to formulate and assess regional policy. This study makes a first step towards addressing this gap by presenting the first set of fully integrated, symmetric, Supply and Use and domestic Input-Output Tables compiled for the NUTS 2 regions in Ireland: The Border, Midland and Western region and the Southern & Eastern region. These tables are general purpose in nature and are consistent fully with the official national Supply & Use and Input-Output Tables, and the regional accounts. The tables are constructed using a survey-based or bottom-up approach rather than employing modelling techniques, yielding more robust and credible tables. These tables are used to present a descriptive statistical analysis of the two administrative NUTS 2 regions in Ireland, drawing particular attention to the underlying structural differences of regional trade balances and composition of Gross Value Added in those regions. By deriving regional employment multipliers, Domestic Demand Employment matrices are constructed to quantify and illustrate the supply chain impact on employment. In the final part of the study, the predictive capability of the Input-Output framework is tested over two time periods. For both periods, the static Leontief production function assumptions are relaxed to allow for labour productivity. Comparative results from this experiment are presented.