原子力显微镜Tapping模式探针动力学与操作方法研究

自从1986年G. Binnig 等发明原子力显微镜(AFM)以来，纳米科技研究得到了快速发展，纳米科技研究的最终目标是从纳米甚至分子与原子尺度上制造功能器件或系统，而实现此目标的手段之一是研制能够在纳米尺度上进行精确可控操作的装置、方法与技术。对此，学者们对基于 AFM 的纳米操作进行了大量研究。基于AFM-Tapping模式的纳米观测与操作具有成本低、易实现性等特点，因而近年来成为纳米技术研究的热点。但基于AFM探针的纳米观测和操作的基本理论仍然很不完善，许多情况下缺乏基于探针观测与操作的纳观作用力的合理解释与描述，因此限制了基于探针的纳米技术发展。为了解决这一问题，本论文在国家自然科学基金项目“基于机器人化的纳米操作方法研究(60575060)”的支持下，广泛收集和查阅国内外相关资料，重点开展了AFM-Tapping模式下探针动力学解释方法与建模研究，并进行了基于AFM-Tapping的纳米操作方法研究。主要研究工作如下： 1)针对探针动力学建模问题，开展了基于Hamilton原理和变分原理的有边界条件的探针一维悬臂梁建模方法研究。利用模态叠加法和模态函数正交性对探针各阶模态进行了解耦分析，得到了解耦的探针动力学方程。 2)开展了纳观尺度下探针-样品作用力研究。分析与阐述了毛细力、接触力和摩擦力等纳观尺度作用力；开展了基于Lennard-Jones势模型的不同形状探针与样品间的相互作用势描述方法研究；并根据势能-力之间的关系，研究了可描述半球形探针与样品间相互作用力的数学表达式。 3)开展了基于弹簧振子模型的纳观非线性力作用下探针振动问题分析研究。首次提出了基于探针弹性力与非线性纳观力平衡关系的探针振动状态区域划分方法。在探针振动能量平衡分析的基础上，研究了AFM-Tapping模式中的双稳态现象，进而得到了描述双稳态现象的解析表达式。最后采用Lyapunov指数分析的方法，证明了探针在非线性振动中确实存在着混沌现象。 4)研究了基于AFM-Tapping模式的纳米操作方法。通过研究探针振幅调节控制和预编程作业轨迹规划策略，提出了一种具有增强探针概念的纳米作业方法。该方法可以在参数设定和预编程条件下自动完成纳米尺度的平移和旋转操作，从而可以大大提高纳米操作的效率和精度。实验结果验证了该方法的有效性。本文的工作为纳米操作方法的研究提供了可以借鉴的理论与实验经验，有助于推动基于AFM的纳米操作与制造技术的发展。

非线性机电系统的鲁棒及预测控制

近年来，机器人、数控机床等机电系统在国民生产及生活中得到了越来越广泛的应用，与之相对应的，机电系统的控制无形中也逐渐成为机电一体化和自动控制的研究热点。另一方面，非线性特性是任何实际系统普遍存在的现象，在机电系统中尤其如此。本文从控制器设计的角度研究非线性机电系统的两个典型问题：系统闭环优化性能的改善；控制器鲁棒性的增强。这也是当前自动控制研究领域的两个重点及热点问题。 最优性是闭环系统性能最实用的评价指标之一。最优控制及预测控制是试图实现控制性能优化的两种典型方法。但前者因本身不构成闭环而严重缺乏鲁棒性，在实践中很少能得到应用；后者作为前者理念的推广，在实践中已经得到了较为广泛地应用，并取得了不错的效果，但在实现某种程度的鲁棒性时依然面临困难。除最优性外，闭环控制的鲁棒性也是非线性系统控制中亟待解决的问题之一，这是由于实际的系统几乎不可能避免模型不确定性。 现有的非线性预测控制及鲁棒控制方法无论在方法的广泛适用性还是在可行性方面都还远非完备。据此，本论文沿鲁棒性和最优性两条主线，以典型的机电系统（无人直升机模型）为研究对象，分别进行了深入的理论和实验研究，并最终形成一种同时兼顾最优性和鲁棒性的控制器设计框架，以期在一定程度上解决现有方法中存在的问题，并为以后更深入的研究工作奠定基础。 鉴于此，本论文分别针对鲁棒控制和预测控制展开讨论，其中前者主要解决基于加速度反馈实现鲁棒控制的方法，内容为第二章和第三章；后者则旨在解决基于控制Lyapunov函数方法实现实时稳定预测控制，主要内容为第四章和第五章。本论文的具体内容安排如下： 论文的第一章综述了控制理论在鲁棒性与最优性两个方向的发展概况（主要针对非线性系统），包括其发展历史，现存方法的局限性等。从而引出本论文的研究内容及研究意义。 第二章，研究了基于加速度反馈的控制器鲁棒增强方法。在深入分析常规加速度反馈控制方法的基础上，指出其存在的三方面主要问题：代数环问题；高增益实现问题和不能用于欠驱动非线性系统等。并针对两种典型的非线性系统（以无人直升机模型为代表）将新的加速度反馈控制方法与H∞控制相结合，得到了一种能够保证输入输出稳定的扰动抑制方法。大量的仿真结果验证了方法的可行性及有效性。 随后，在第三章研究了加速度的估计问题。基于加速度反馈的鲁棒控制器增强技术得以实现的前提是加速度信号的获取，本章在分析了现有加速度估计方法存在严重的滞后问题的同时，提出了将Kalman滤波方法同牛顿预测方法相结合以改善相位滞后问题的方法。实验及仿真结果验证了方法的有效性。 第四章提出了基于控制Lyapunov函数的稳定闭环控制器设计框架。本章利用集值分析理论研究了控制Lyapunov函数具有的一些性质及其在控制器设计中的应用。随后，介绍了两种典型的根据控制Lyapunov函数设计控制器的方法。接着，将引导函数的概念引入到Freeman的逐点最小范数控制方法中，形成了一种新的利用控制Lyapunov函数设计非线性控制器的方法—广义逐点最小范数控制器。最后指出，在这种框架下，鲁棒控制器设计也可以实现，并针对三种不同的不确定性系统给出了鲁棒广义逐点最小范数控制器设计方法。 最后，在第五章，将前面提出的广义逐点最小范数控制引入到非线性预测控制中去，以期利用控制Lyapunov函数保证闭环稳定性，同时利用控制器中的参数化变量作为优化对象以减轻预测控制算法的计算负担，从而达到实时稳定预测控制的目的。另外，在这一章我们还在第二章和第四章的基础上，结合加速度反馈思想和鲁棒控制Lyapunov函数的概念，提出了一种用于扰动抑制的鲁棒实时预测控制算法。同样，仿真实验验证了方法的有效性和可行性。

非完整系统鲁棒控制方法及在水面移动机器人中的应用

近年来，随着机器人技术的发展，各种各样的移动机器人系统正在开始应用于工业、国防安全、公共安全、灾难救援、科学探测等领域；但是，遥控作业仍然是制约移动机器人广泛应用的一个核心问题。如何使机器人系统摆脱遥控的束缚而具有全自主行为能力，是目前机器人学领域重点研究的关键问题之一。自主环境适应能力是移动机器人最基本的自主能力之一。机器人系统需要面对不可预知的、动态的、存在时变扰动和噪声的工作环境，这通常会导致机器人动力学参数的变化，从而使传统的机器人控制技术很难得到满意的控制效果并达到自主环境适应的目的。同时，目前的移动机器人系统大都受非完整约束的影响，由于其约束的不可积性，使其控制与规划变得异常困难，因此研究移动机器人在存在不确定情况下的鲁棒控制问题，以及存在非完整约束条件下的镇定问题和规划问题具有非常重要的理论意义和实际应用价值。本文以沈阳自动化所与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人（UTV）这个典型的受不确定以及非完整约束影响的系统为背景，研究其在存在大量不确定因素及外界环境干扰条件下的鲁棒控制问题和其在受制于非完整约束情况下的镇定和运动规划问题，其中前者主要针对系统在受风、流、浪等外界干扰下的鲁棒控制问题；后者旨在解决满足非完整约束条件下的非线性系统规划与控制问题。本论文的具体内容安排如下：第1章，简单介绍了非完整系统的概念，归纳出非完整系统在控制上的两方面核心问题，即：不确定性及扰动的抑制问题和运动规划与控制问题。对解决这两类问题的现有方法进行了深入分析和综述，包括动态模型的在线估计共性方法、非完整约束系统运动控制方法、以及优化与预测控制方法，同时，介绍了本文作为仿真与实验对象的三体船型水面平台的发展概况。针对现有方法存在的问题有针对性地提出了本论文的研究内容。第2章，首先简要介绍了机器人学国家重点实验室与大连理工大学联合研制的三体船型水面移动机器人试验平台，作为本论文后续仿真与实验研究的对象，介绍了该平台的动力系统与控制系统。从运动控制的角度出发，综合考虑推力、水动力等对整个系统的动力学进行了分析，建立了完整的6自由度动力学模型以及水平面运动的简化模型。在此基础上，分析了三体船型水面移动机器人的非完整约束特性和能控性，为后续方法研究奠定了基础。第3章，提出了一种基于主动建模的鲁棒控制设计方法。对于包含难以准确建模动力学以及外来扰动等不确定性的系统，可以将其动力学模型合理简化，而将所有不确定因素以模型差的形式引入到系统中；将引入的模型差与系统原有状态组合成增广状态，构造出联合估计模型；再利用在线估计方法实时估计这个模型差；同时，将估计出的模型差利用某种控制策略反馈到控制量中，达到增强系统鲁棒性的目的。针对三体船型水面移动机器人，在理论上分析了上述方法的稳定性，并在实际三体船型水面机器人上开展了实验比较研究。实验结果表明此方法对系统中存在的各种不确定因素具有很好的抑制作用。第4章，重点研究非线性系统在线估计以及将在线与控制相结合的问题。在简要介绍可以用于非线性估计的UKF方法的基础上，针对其性能严重依赖噪声先验知识的问题，提出了一种基于主从结构的自适应滤波器设计方法。同时针对三体船型水面机器人非线性系统模型中存在的不确定性因素，提出了一种基于自适应UKF的指数跟踪控制器设计方法。仿真结果验证了自适应UKF算法的性能提高，同时验证了基于在线估计的指数跟踪控制器对时变参数与扰动的抑制作用。第5章，研究了非完整约束系统的镇定控制问题。提出了一种高维流形嵌入法；通过把二阶非完整约束系统嵌入到高维流形中，将在原空间中镇定到一个点的问题转化成在扩展的状态空间中镇定到一个子流形的问题；从而，可以将原空间不可连续反馈镇定的控制问题转化为高维流形中可连续反馈镇定控制问题，理论上证明了该方法的正确性和完备性。针对三体船型水面移动机器人的仿真结果验证了该方法的正确性。第6章，针对非完整约束对移动机器人可执行轨迹的制约问题，提出了跟踪控制Lyapunov函数的概念，并将其引入到非完整系统地运动规划中，用跟踪控制Lyapunov函数来保证规划算法的收敛性和可执行性。该方法将非线性预测控制与基于跟踪控制Lyapunov函数的广义逐点最小范数控制相结合，得到了一种在保证闭环稳定性前提下的运动规划算法；理论上证明了该方法的正确性，并针对三体船型水面移动机器人动力学进行仿真验证。

水下机器人的神经网络自适应控制

研究了水下机器人神经网络直接自适应控制方法,采用Lyapunov稳定性理论,证明了存在有界外界干扰和有界神经网络逼近误差条件下,水下机器人控制系统的跟踪误差一致稳定有界.为了进一步验证该水控制方法的正确性和稳定性,利用水下机器人实验平台进行了动力定位实验、单自由度跟踪实验和水平面跟踪实验等验证实验.

基于模糊神经网络水下机器人直接自适应控制

提出了基于广义动态模糊神经网络的水下机器人直接自适戍控制方法,该控制方法既不需要预先知道模糊神经结构,也不需要预先的训练阶段,完全通过在线自适应学习算法构建水下机器人的逆动力学模型.首先,本文提出了基于这种网络结构的水下机器人直接自适应控制器,然后,利用Lyapunov稳定理论,证明了基于该控制器的水下机器人控制系统闭环稳定性,最后,采用某水下机器人模型仿真验证了该控制方法的有效性。

7000米载人潜水器动力定位系统研究

深海载人潜水器可以运载科学家和工程技术人员，以及各种仪器设备进入深海现场，进行各种海洋资源调查、科学考察和海底调查等作业任务。近十五年来，深海载人潜水器为促进海洋资源调查、海洋生物基因、海洋地质勘探等与海洋相关研究领域的发展作出了显著贡献。未来，深海载人潜水器还将在与海洋相关研究领域，以及海洋资源开发与争夺过程中发挥更加重要的作用。随着海洋高技术的发展，人类对海洋的研究更加深入和精细，在众多作业任务中，将逐渐要求深海载人潜水器具有动力定位能力。精确的动力定位能力，可以有效提高载人潜水器的作业能力和效率，降低操作人员的作业强度。影响深海载人潜水器动力定位系统性能的因素有很多，主要包括状态感知系统的测量精度、作业系统作业过程中产生的扰动、复杂海洋环境产生的复杂外力干扰、以及推进子系统的控制分配和故障容错能力等。 本文以“十五”期间国家863计划重大专项“7000米载人潜水器”为研究背景，结合7000米载人潜水器动力定位能力的实际应用需求，深入研究了7000米载人潜水器动力定位系统，实现高精度、高稳定性的动力定位。重点研究能有效提高7000米载人潜水器水平位置和线速度测量精度的导航方法；研究适合存在复杂外界干扰和自身不确定性条件下，多输入多输出的载人潜水器智能控制方法；研究具有推进器故障容错能力的动态控制分配策略。本文研究内容主要包括： （1） 根据7000米载人潜水器的传感器配置情况，研究基于多普勒速度计程仪和光纤罗经的载人潜水器导航问题。提出基于“当前”加速度统计模型和潜水器运动方程的Kalman Filter导航方法，这种导航方法可以在线准确地估计出多普勒速度计程仪的速度测量偏差比例因子，以及多普勒速度计程仪和光纤罗经间的航向角安装偏差。通过仿真实验和湖上试验数据验证实验，验证了该导航方法的正确性和有效性。 （2） 基于潜水器6自由度空间动力学模型，设计了基于径向基神经网络直接自适应控制策略的7000米载人潜水器动力定位控制器。基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在有界外界干扰和有界神经网络逼近误差条件下，7000米载人潜水器控制系统的闭环稳定性。通过7000米载人潜水器动力学模型的仿真实验和水下机器人实验平台的水池实验，进一步验证了该控制系统的正确性、有效性和稳定性。 （3） 提出了采用动态模糊神经网络在线学习算法，解决基于径向基神经网络载人潜水器直接自适应控制方法的网络结构设计困难问题。改进了用于机械手运动控制的动态模糊神经网络在线学习算法的结构学习部分，使其更适用于载人潜水器的控制。基于Lyapunov稳定性理论，证明了基于动态模糊神经网络直接自适应控制策略的载人潜水器控制系统的闭环稳定性，并进行了仿真实验。 （4） 基于推进器配置情况，建立了7000米载人潜水器的动态控制分配模型，设计了推进器故障容错处理策略。针对完全固定推进器配置的潜水器系统，提出了基于伪逆矩阵分配和定点分配策略相结合的混合动态控制分配算法。针对存在可动态配置的回转推进器，提出基于SQP算法的动态非线性优化控制分配策略，设计了优化算法的代价函数。通过仿真实验和7000米载人潜水器半物理仿真平台实验，验证了本文研究的潜水器动态控制分配算法的正确性和有效性。

自治水下机器人-机械手系统运动规划与协调控制研究

过去的五十年，自治水下机器人技术得到迅速发展，在海洋资源调查、海洋科学考察和海洋地质勘探等领域有着广泛的应用，为促进相关领域的发展做出了显著贡献。随着海洋开发和利用的活动增多和水下机器人总体技术水平的提高，利用自治水下机器人进行海洋作业逐渐受到人们的重视。作业型自治水下机器人是为了满足当前海洋领域的需求而提出的一种大深度、大范围潜航并能够自主完成水下科学考察和作业的水下机器人系统，是目前水下机器人的一个发展趋势。自治水下机器人与作业机械手构成浮游基座的多连接体系统，具有运动学冗余、动力学高度耦合等特点，高效安全的运动规划与高精度的协调控制技术是保证其自主作业的一个核心技术。 本文结合 “十五”期间国家863计划“深海作业型自治水下机器人总体方案设计”和中国科学院沈阳自动化研究所知识创新项目“新型ARV关键技术研究”的研究内容，围绕水下机器人自主作业技术，深入研究了自治水下机器人-机械手系统的运动规划与协调控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与轨迹跟踪，为深海资源开发的特定需求发展具有自主作业能力的水下机器人技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与运动实现问题；研究基于系统响应特性的机械手控制与载体控制问题；研究基于扰动模型以及不基于扰动模型的载体抗扰动控制问题；在系统运动规划与控制研究的基础上，研究能实现机械手末端精确轨迹跟踪的控制策略问题。本论文研究内容如下： (1)根据自治水下机器人载体特点，研究了适合于载体搭载的水下电动机械手设计与控制问题。设计了谐波传动的紧凑型三功能水下电动机械手系统，包括结构设计、控制系统搭建和控制器设计，根据机械手摆动关节的幅频响应特性，设计了关节角速率PI校正控制器和双环位置控制器，并针对常参数位置控制的电压和角速率突变，研究了基于界估计的机械手位置自适应控制应用问题；实验证明了系统的可靠性和控制算法的有效性，为水下电动机械手的设计开发提供了理论支持，为论文后续研究工作奠定了基础。 (2)研究了自治水下机器人-机械手系统的运动规划问题。建立了系统运动学方程和系统仿真模型；针对系统运动学冗余、载体流线外形、自身携带能源等特点，结合梯度投影法和加权伪逆矩阵法，以机械手末端位置控制及轨迹跟踪为前提，对系统运动分配、关节限位、有无海流下的系统能耗优化等运动规划进行了研究，仿真证明了运动规划算法的有效性。 (3)研究了一自治水下机器人-机械手系统的基本控制问题。利用沈阳自动化研究所的ARV载体，结合本文设计的三功能水下电动机械手，搭建了水下机器人-机械手实验系统；对载体分系统自身的响应特性以及对机械手扰动的响应特性进行了测试和分析；设计了基于输入补偿和机械手扰动补偿的复合校正控制算法，在有限的传感器条件下，通过测量变换获得了两种补偿控制算法中的近似补偿项，水池实验证明了算法的有效性。 (4)针对机械手扰动和载体推进器推力模型的复杂性和不精确性，在基于载体输入补偿控制的基础上，设计了神经网络自适应控制算法，通过自学习的方式用神经网络直接逼近载体控制电压与机械手扰动状态量之间的非线性关系，在机械手不停扰动下逐渐提高载体的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和神经网络逼近误差条件下水下机器人-机械手系统载体控制器的闭环稳定性；通过水池实验验证了控制系统的有效性，为水下机器人-机械手系统载体分系统的控制提供了一种新思路。 (5)结合系统控制，通过水池实验分析了离线规划与在线规划下的机械手末端轨迹跟踪特点，针对几种典型情况，提出了自治水下机器人-机械手系统自主作业的几种控制规划策略，通过机械手末端跟踪典型轨迹的水池实验，证明了所提策略的有效性，实现了系统规划、控制共同作用下的机械手末端轨迹跟踪，在配置环境感知传感器的情况下，能够实现一定程度的自主作业。

基于ROV援潜救生自主作业方法研究

利用ROV代替潜水员进行潜艇供排气管对接作业是援潜救生的发展趋势，其中供排气管对接技术是为失事艇员提供生命保障的关键技术。由于水下作业环境比较复杂以及水下作业难度大等特点，人工遥控ROV进行援潜对接供排空气管作业过程中，还停留在只是能够打开潜艇供排气系统花甲板盖的工作上，还没有实现对类似接通供排空气管精确作业的工作。受到海流、风浪、失事潜艇周围较大涡流、供排气管的拖曳阻力、水下可视条件以及高精度定位等因素的限制，作业任务越复杂，要求ROV系统上机械手精确定位精度越高，操纵的难度也越大，由人工操作很难实现。在现有ROV人工操作的基础上，使ROV系统具有自主作业功能，更能发挥其在对接空气管作业中的能力，提高作业效率，缩短救援时间，因此本文在现有ROV基础上扩展预编程自主控制驾驶功能模块即ROV-A系统，借助预编程技术ROV-A系统在对接空气管作业中的一些特殊任务时能够实现自主作业功能。 本文结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人中心未来援潜救生关键技术研究内容，针对为失事潜艇接通空气管作业中的一些关键技术，开展基于具有自主作业能力的ROV-A系统自主作业方法研究，深入研究了具有自主作业能力ROV-A系统的运动规划与协调控制技术以及水下作业力控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与期望力跟踪；针对潜艇供排气系统的已知结构研究了水下目标定位技术，为对接空气管的特定需求发展具有自主作业能力的水下作业技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与多性能指标实现归一化问题；研究基于系统动力学模型误差的系统位姿控制问题；研究基于阻抗力控制水下作业目标定位问题；在系统运动规划与控制研究的基础上，研究能实现机械手末端精确轨迹跟踪的控制策略问题以及力控制问题。本论文研究内容如下： （1）根据ROV-A系统特点，从描述系统的空间位置和姿态着手，研究了ROV-A系统的空间运动学与基于Kane方法的动力学，得出载体基座自由运动模式的系统空间运动数学模型，为论文后续研究工作奠定了基础。 （2）针对对接空气管作业中的一些高精度和复杂的作业，研究了系统作业时的运动规划问题。针对系统运动学冗余、作业规划约束性能指标多，例如机械手可操作性，关节限制，载体的姿态，避障等等，结合梯度投影法和最小范数伪逆矩阵法以及任务优先逆运动学方法，引入模糊控制技术，将模糊控制的定性知识表达与任务优先逆运动学算法相结合，以水下作业末端位置控制及轨迹跟踪为前提，对系统运动分配、关节限位、避免奇异有无海流下的系统性能优化等运动规划进行了研究，仿真证明运动规划算法的有效性。 （3）研究了基于动力学模型的系统基本控制问题。针对系统动力学模型的复杂性和不精确性，在基于载体输出反馈控制的基础上，设计了基于输出反馈自适应控制算法，通过自适应学习的方式直接逼近系统动力学方程状态量之间的非线性关系，在外界不停扰动下逐渐提高系统的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和自适应逼近误差条件下ROV-A系统控制器的闭环稳定性；通过仿真实验验证控制系统的有效性，为系统的控制提供了一种新思路。同时在基于位置运动控制的基础上引入了力控制，通过对常规PID外环力控制器基础上的改进，在系统离线规划的前提下实现力与位置控制的解耦，通过仿真验证期望力的稳定跟踪。 （4）研究了基于ROV-A系统阻抗力控制的水下矩形围壁环境约束的位置定位方法。通过在对具有先验知识的矩形围壁环境约束的学习理解基础上，应用外部阻抗力控制环包容内部位置运动控制环的控制策略。利用力传感器的反馈信息变化确定系统末端执行器与约束环境的接触特征点，根据环境的先验知识推理出环境定位信息。通过计算机仿真实验验证了水下具有先验知识环境的定位方法和ROV-A系统的控制策略的有效性。仿真结果证明定位方法和控制策略是可行的。 （5）结合系统控制，分析了系统在为失事潜艇对接空气管作业中的恒定和时变两种期望力输入作业模式，提出了基于在线运动规划下外部力控制环包容内部位置环控制方法，利用ROV-A系统完成了为失事潜艇自主对接空气管中两个典型作业。介绍了整个控制方法的组成和执行过程，分析了综合控制策略，最后通过仿真实验分析了综合力控制方法的性能，包括恒力和时变期望力输入进行了深入研究。

一种多移动机器人避碰规划方法

本文采用集中预规划方法 ,通过调整机器人的运动速度实现多机器人避碰 ,所提算法的基本思想为 :将机器人的运动路径分段 ,然后按避碰要求对机器人通过各段的时间进行约束 ,从而将避碰问题转化为高维线性空间的优化问题 ,并进一步将其转化为线性方程的求解 ,使问题具有明确的解析解 .由于该方法的复杂度较高 ,在实现过程中采用了多种方法降低复杂度 ,简化计算 .本文给出了该算法的基本思路 ,有关定理及证明 ,算法的化简方法 ,最后给出了实验结果及分析 .

两代竞争遗传算法及其应用研究

本文在分析简单遗传算法 (Simple Genetic Algorithm,SGA)的基础上 ,提出了一种新型结构的两代竞争遗传算法 ,并给出了算法演进的模式定理 .通过理论分析和对 TSP(TravelSalesman Problem,TSP)问题的应用研究 ,表明了该算法具有搜索效率高、鲁棒性强的特点

一类时滞不确定非线性系统的鲁棒控制器设计

针对一类具有单输入滞后不确定非线性系统 ,采用精确反馈线性化方法和 Lyapunov方法设计出一种使系统终极有界 ( UUB)的无记忆光滑状态反馈鲁棒控制器 .仿真算例表明了本文所采用方法的有效性 .

全方位六足步行机器人运动规划的相对运动算法

本文提出了步行机器人运动控制算法。该方法以相对运动学原理为基础,把机体的运动规划问题转化为腿的足端轨迹规划问题,从而使步行机器人运动控制问题得到大大简化.并应用该方法对全方位三角步态算法及稳定性进行分析求解.

地幔压力下CaSiO3 Perovskite状态方程和弹性常数的第一性原理研究

In the past decade density functional theory (DFT) has made its way from a peripheral position in quantum chemistry to center. Of course the often excellent accuracy of the DFT based methods has provided the primary driving force of this development. This dissertation is devoted to the study of physical and chemical properties of planetary materials by first-principle calculation. The concerned properties include the geometry, elastic constants and anisotropy. In the first chapter, we give a systematic introduction to theoretical background and review its progress. Development of quantum chemistry promotes the establishment of DFT. Theorem of Hohenberg-Kohn is the fundament of DFT and is developed to Kohn-Sham equation, which can be used to perform real calculations. Now, new corrections and extensions, together with developed exchange-correlation, have made DFT more accurate and suitable for larger systems. In the second chapter, we focus on the calculational methods and technical aspects of DFT. Although it is important to develop methods and program, external package are still often used. At the end of this chapter, we briefly some widely used simulation package and the application of DFT. In the third chapter, we begin to focus on properties of real materials by first principles calculation. We study a kind of minerals named Ca perovskite, investigate its possible structure and anisotropy at Earth’s mental condition. By understanding and predicting geo-physically important materials properties at extreme conditions, we can get the most accurate information to interpret seismic data in the context of likely geophysical processes.

有源电磁扩散场克希霍夫积分偏移

As active electromagnetic method, field data of CSAMT method follow the equation of diffusion. Propagting in solid earth media, diffusion EM signal has strong attenuation and dispersion, otherwise seismic wave shows weak attenuation and dispersion, therefore the resolution power of CSAMT method is not better than seismic reflection method. However, there is consistence and similarity between EM signal and seismic wave in wave equation, we can apply Kirchhoff integral migration technique, a proven one in seismic method in time domain, to carry out seduo-seismic processing for CSAMT signal in frequency domain so that the attenuation and dispersion could be made compensated in some extent, and the resolution power and interpretation precision of active EM wave could be improved. Satisfying passive homogeneous Helmholtz quation, we proceed with Green theorem and combine the active inhomogenous Helmholtz quation, the Kirchhoff integral formula could be derived. Given practical problems, if we only consider the surface integral value, and assume that the intergral value in other interface is zero, combined with Green theorem in uniform half space, the expression could be simplified, and we can obtain frequency-domain Kirchhoff integral formula in surface, which is also called downward continuation of EM field in frequency domain. With image conditions and energy compensation considered, in order to get image conditions in time domain Fourier inverse transformation in frequency domain can be performed, so we can formulate the active Kirchhoff integral migration expression. At first, we construct relative stratified model, with different frequency series taken into account, then we change the distances between transmitter and reciever, the EM response can be obtained. Analyzing the EM properties, we can clarify near and far zone that can instruct us to carry out transmitter layout in practical application. Combined with field data surveyed in far zone, We perform Kirchhoff integral migration and compare the results with model to interpret. Secondly, with far field EM data, we apply TM mode to get EM response of given 2D model, then apply Kirchhoff integral migration on modelling data and interpret the results.

边坡工程的极限分析上限法

Theory of limit analysis include upper bound theorem and lower bound theorem. To deal with slope stability analysis by limit analysis is to approximate the real solution from upper limit and lower limit. The most used method of limit analysis is upper bound theorem, therefore it is often applied to slope engineering in many cases. Although upper bound approach of limit analysis can keep away from vague constitutive relation and complex stress analyses, it also can obtain rigorous result. Assuming the critical surface is circular slip surface, two kinematically admissible velocity fields for perpendicular slice method and radial slice method can be established according to the limit analysis of upper bound theorem. By means of virtual work rate equation and strength reduction method, the upper-bound solution of limit analysis for homogeneous soil slope can be obtained. A log-spiral rotational failure mechanism for homogeneous slope is discussed from two different conditions which represent the position of shear crack passing the toe and below the toe. In the dissertition, the author also establishes a rotational failure mechanics with combination of different logarithmic spiral arcs. Furthermore, the calculation formula of upper bound solution for inhomogeneous soil slope stability problem can be deduced based on the upper bound approach of rigid elements. Through calculating the external work rate caused by soil nail, anti-slide pile, geotechnological grid and retaining wall, the upper bound solution of safety factor of soil nail structure slope, slip resistance of anti-slide pile, critical height of reinforced soil slope and active earth pressure of retaining wall can be obtained by upper bound limit analysis method. Taking accumulated body slope as subject investigated, with study on the limit analysis method to calculate slope safety factor, the kinematically admissible velocity fields of perpendicular slice method for slope with broken slip surface is proposed. Through calculating not only the energy dissipation rate produced in the broken slip surfaces and the vertical velocity discontinuity, but also the work rate produced by self-weight and external load, the upper bound solution of slope with broken slip surface is deduced. As a case study, the slope stability of the Sanmashan landslide in the area of the Three Gorges reservoir is analyzed. Based on the theory of limit analysis, the upper bound solution for rock slope with planar failure surface is obtained. By means of virtual work-rate equation, energy dissipation caused by dislocation of thin-layer and terrane can be calculated; furthermore, the formulas of safety factor for upper bound approach of limit analysis can be deduced. In the end, a new computational model of stability analysis for anchored rock slope is presented after taking into consideration the supporting effect of rock-bolts, the action of seismic force and fissure water pressure. By using the model, not only the external woke-rate done by self-weight, seismic force, fissure water pressure and anchorage force but also the internal energy dissipation produced in the slip surface and structural planes can be totally calculated. According to the condition of virtual work rate equation in limit state, the formula of safety factor for upper bound limit analysis can be deduced.