分数微积分的两种系统建模方法

介绍了Riemann-Liouville和Caputo分数微积分的定义及其部分性质。给出了分数阶线性定常微分方程的一般定义形式,并指出它是整数阶线性定常微分方程的推广。给出分数阶线性定常系统的传递函数和状态方程描述,并与整数阶线性定常系统的传递函数和状态方程作一比较,指出它们的异同点。运用拉普拉斯变换推导出其两种求解方法:直接求解法和状态空间法。最后给出一个实例说明这两种方法的有效性。     

成比例分数阶系统的仿真研究

成比例分数阶系统是一种特殊的分数阶系统.这里提出将成比例分数阶系统的基本阶次项看作一个整体,成比例分数阶系统就转化成一个常规的整数阶系统.通过对成比例分数阶系统的基本阶次项进行近似化研究,减少了系统的复杂性.并用仿真实例进一步演示了该方法的简洁性,可以有效分析成比例分数阶系统问题.     

基于分数阶微积分的机械臂滑模控制的研究

针对机械臂这类非线性与不确定性的系统,将分数阶微积分理论与滑模控制策略的优点相互结合,提出一种有效的分数阶滑模控制方法。在控制器的设计过程中,分别以分数阶趋近律与分数阶滑模控制律两种手段将分数阶微积分引入到滑模控制中,并运用Lyapunov理论进行证明,从而确保系统的稳定性。将提出的控制方法应用于二关节机械臂上,使用MATLAB仿真软件进行仿真验证。结果表明,所提控制策略可有效提高关节的跟踪速度与跟踪精度,控制器具有良好的有效性和鲁棒性。     

分数阶控制器与整数阶控制器仿真研究

分数阶PID控制器多了两个可调参数,可以取得更好的控制效果.针对位置伺服系统测试问题,设计了分数阶PID控制器,并与整数阶PID控制器相比较,仿真结果演示了分数阶PID制器的控制效果明显优于最好的整数阶PID控制器.无论是在输入发生变化,还是系统负载或参数变化,给出的分数阶PID控制器的控制效果都是比较稳定的.     

解Riemann-Liouville分数阶导数微分方程两点边值问题

研究了两类含Riemann-Liouville分数阶导数的分数阶微分方程两点边值问题。理论上,通过引入分数阶Green函数将含有Riemann-Liouville分数阶导数的两点边值问题等价转换成一个积分方程;并用Lipschitz条件和压缩映射原理给出了含有Riemann-Liouville分数阶导数的两点边值问题的解存在唯一的充分条件;数值上,设计了单打靶法,把含Riemann-Liouville分数阶导数的两点边值问题转化为含Riemann-Liouville分数阶导数的初值问题进行求解,并给出了较为精确的数值解。仿真结果表明:单打靶法是数值求解此类分数阶微分方程两点边值问题的有效工具。     

基于时间-空间分数阶偏微分方程的图像去噪模型

为了在去噪的同时更多地保留图像的细节信息,将分数阶微积分理论和梯度下降流有效结合,提出了分数阶梯度下降流的概念,并证明了能量泛函的分数阶梯度下降流在一定微分阶次范围内是收敛的。在此基础上,将时间因素引入到改进的基于空间分数阶偏微分方程的去噪模型中,从而构建了基于时间-空间分数阶偏微分方程的去噪模型,该模型实现了在时间方向上和空间平面内的同时去噪。实验结果表明,提出的基于时间-空间分数阶偏微分方程的图像去噪模型较基于空间分数阶偏微分方程的图像去噪模型不仅可以提高信噪比,而且可以大幅减少图像获得最大信噪比所需要的迭代次数。     

改进的基于PSE和Tustin变换的分数阶系统求解递推算法

以分数阶算子近似方法的分析研究为基础,基于Tustin变换理论及其用于分数阶算子的离散生成函数公式特点,利用二项式幂函数的Maclaurin展开能够保证收敛的特性,考虑常用算法的局限性,提出了一种改进的基于幂级数展开和Tustin变换的分数阶运算方法,并应用于线性分数阶系统的求解,给出了递推算法的详细推导。算例仿真及其分析表明,该算法有效且具有良好的运算速度和精度。     

基于Haar小波运算矩阵的分数阶系统辨识方法

分数阶微积分因为其阶数可以是任意数，因此能够更加准确的描述动态系统。虽然分数阶系统受到了越来越多的重视，可是，如何建立分数阶系统目前仍处于积极探究阶段。考虑到分数阶微分的非局部性，利用小波运算矩阵为工具，给出了一种分数阶系统的辨识方法。其好处在于能够利用小波的多分辨特性对激励信号和响应信号进行数据压缩，从而降低运算矩阵的维数，可解决因矩阵维数过大导致内存溢出的问题。     

分数阶线性系统的能观性研究

在对一类由分数阶线性微分方程描述的系统的能观性问题研究中,通过分数阶线性定常系统求解,给出了分数阶线性定常和时变系统一般解的统一表达式。在给出分数阶系统能观性定义的基础上,提出并证明了分数阶线性系统时变和定常系统能观性的充分和必要条件,以及分数阶线性定常系统的能观性判据,所得结论对分数阶控制系统的分析与综合是有益的。     

基于RBF神经网络的分数阶混沌系统的同步

针对分数阶混沌系统的同步问题,提出一种基于径向基函数(Radial BasisFunction,RBF)神经网络的控制器。利用RBF神经网络对同步误差系统进行补偿控制,神经网络的权值可以在线调整,使得同步误差渐近收敛到零点。基于Lya-punov稳定性理论,分析了该控制器的稳定性。分别以分数阶Chen系统的同步和分数阶Liu系统的同步为例进行了数值仿真,仿真结果验证了所设计的控制器的有效性和鲁棒性。     

Digital implementation of fractional order PID controller and its application

1.INTRODUCTION Fractionalcalculushasahistoryof300years.Itisa subjectthatinvolvesthetheoryofintegralsand derivativesofarbitraryorder.Forthreecenturiesthe theoryoffractionalcalculushasdevelopedmainlyasa puretheoreticalfieldofmathematicsusefulformathe maticians.Butinrecentyearsitsapplicationshave beenseeninmanyfieldssuchas,viscoelasticity,a coustics,rheology,polymericchemistry,fractals, control,andmanyotherfields[1～4]. Applyingfractionalcalculusinthecontrolfieldis justarecentfocusofinte…     

含Caputo型分数阶导数的灰色预测模型

针对缺乏统计规律的小样本预测系统,如何挖掘其发展规律,一直是学术界的难点.本文依据分数阶微积分理论,将整数阶导数灰色模型推广到分数阶导数灰色模型,并从是否满足新信息优先原理、初值利用情况、还原误差大小和稳定性等方面说明了新模型的优势,以期用Caputo型分数阶导数的记忆性描述小样本预测系统.实例表明含有Caputo型分数阶导数的灰色预测模型的有效性与实用性.     

THE UPWIND FINITE DIFFERENCE FRACTIONAL STEPS METHOD FOR NONLINEAR COUPLED SYSTEM OF DYNAMICS OF FLUIDS IN POROUS MEDIA

For nonlinear coupled system of multilayer dynamics of fluids in porous media,the secondorder and first order upwind finite difference fractional steps schemes applicable to parallel arithmeticare put forward,and two-dimensional and three-dimensional schemes are used to form a completeset.Some techniques,such as calculus of variations,multiplicative commutation rule of differenceoperators,decomposition of high order difference operators and prior estimates,are adopted.Optimalorder estimates in L~2 norm are derived to determine the error in the second order approximate solution.This method has already been applied to the numerical simulation of migration-accumulation of oilresources.     

基于降阶观测器的双互质分解

基于降阶（非最小阶）观测器的设计,明确给出了一种新的线性时不变系统双互质分解的状态空间表示,并相应得到了真镇定控制器参数化结果的状态空间解释．与以往的结果相比,这种双互质分解更具一般性,更适用于稳定因式法.     

非线性、变参数系统的求解、分析与综合方法

介绍求解、分析、综合非线性、变参数系统的新方法为多级线性化－高阶微分方程法，它还具有补偿效应。多级线性化－高阶微分方程法的主要特点是：对非线性、变参数系统原始方程，进行必需阶次的微分，以获得相应的高阶微分方程，它反应了系统的主要特性，包含了原始系统的更多信息，此方程的基本解组可确定非线性、变参数系统的参数，从而起到综合作用。而且多级线性化－高阶微分方程的解，特别是它的带补偿效应的解，可较精确地反映非线性、变参数原始系统的特性。     

基于扰动信息的连续区间灰数灰色预测模型

针对连续区间灰数的预测,提出了分数阶累加二次时变参数离散灰色预测模型(FQDGM (1,1)模型)。在不损失原始信息的前提下,将区间灰数转化为核序列和灰半径序列,然后分别对核序列和灰半径序列建立FQDGM (1,1)模型。新模型针对同时包含指数和二次曲线趋势的系统,通过二次时变参数的求解和阶数的调整,实现对于原始信息进行有效挖掘,避免扰动信息的干扰,提高模型的稳定性。最后,运用不同灰色预测模型,对于一个算例和一个实例进行建模,计算结果显示了所提方法的优越性,从而进一步拓展了灰色预测理论的应用范围。     

基于分数低阶统计量的水下目标定向新方法

针对传统方法对阵列信号处理所研究的噪声采用高斯分布的模型来进行描述,当噪声存在显著的尖峰时,不能得到满意结果的问题。利用稳定分布对实际中所遇到的具有较大脉冲特性的随机噪声进行建模,分析了共变在阵列信号处理中的不足,利用已有的矢量水听器模型建立一种水下目标定向系统,提出了一种基于分数阶相关的水下目标定向算法。仿真表明这种算法是一种在高斯和分数低阶α-稳定分布噪声条件下具有良好韧性的水下目标定向算法,相对共变而言,分数阶相关具有更宽的噪声特征指数范围,更适用于实际应用。