Understanding partial derivative error in Dymos

I’ve built a dynamics model in Dymos, using Jax to calculate the partial derivatives using auto-differentiation. The code looks something like the following:

import openmdao.api as om
import dymos as dm
import jax
import jax.numpy as jnp
import numpy as np
from functools import partial
# Define dynamics
class Dynamics(om.ExplicitComponent):
    def __init__(self, **kwargs):
        super().__init__(**kwargs)

        self._compute_primal_vec = jax.vmap(self._compute_primal)
        self._compute_partials_vec = jax.jit(jax.vmap(jax.jacfwd(self._compute_primal, argnums=np.arange(5))))

    def initialize(self):
        self.options.declare('num_nodes', types=int)

    def setup(self):
        nn = self.options['num_nodes']

        # States
        self.add_input('theta', shape=(nn,), desc='orientation, anticlockwise from positive x', units='rad')
        self.add_input('omega', shape=(nn,), desc='angular velocity, positive anticlockwise', units='rad/s')
        
        # Controls
        self.add_input('rho', shape=(nn,), desc='rotational control input')

        # Parameters
        self.add_input('k', shape=(nn,), desc='rotational resistance coefficient')
        self.add_input('I', shape=(nn,), desc='rotational moment of inertia', units='kg*m**2')

        # Outputs
        self.add_output('omega_dot', val=np.zeros(nn), desc='rate of change of angular velocity', units='rad/s**2')

        # Partials declared analytically
        arange = np.arange(nn)
        self.declare_partials(of='*', wrt='*', method='exact', rows=arange, cols=arange)

    # Dynamics go here
    @partial(jax.jit, static_argnums=(0,))
    def _compute_primal(self, theta, omega, rho, k, I):
        # For some reason, need to assign these otherwise they have the value 0/0J when checking the partials.
        I = 1
        k = 1

        # Calculate moments
        tau = rho - k*omega**2 # Rotational torque

        # Calculate state rates of change (dynamics)
        # Rotational
        omega_dot = tau / I

        return omega_dot
    
    def compute(self, inputs, outputs):
        omega_dot = self._compute_primal_vec(*inputs.values())

        if np.isnan(np.sum(omega_dot)):
            raise Exception("NaN values found in rates")
        
        outputs['omega_dot'] = omega_dot

    def compute_partials(self, inputs, partials):
        output_names = ['omega_dot']
        input_names = ['theta', 'omega', 'rho', 'k', 'I']

        computed_partials = self._compute_partials_vec(*inputs.values())

        # Cycle through computed partials
        for out_ind, output_name in enumerate(output_names):
            for in_ind, input_name in enumerate(input_names):
                partials[output_name, input_name] = computed_partials[out_ind][in_ind]

This code may look a bit strange because it’s been cut down from a larger dynamics model, but it effectively models the rotation of an object with moment of inertia I given a torque input tau, which is a function of a control input rho. Theta is the orientation, and omega the angular velocity.

What might be slightly strange about the way I’ve built this too is the use of Jax to try to calculate the partial derivatives automatically. I’ve seen this done in the OpenMDAO and Dymos examples, e.g. using wrap_ode (OpenMDAO example, Dymos wrap_ode example), but my approach is slightly different, so I don’t know if it plays any part in the strange behaviour I’m experiencing.

The problem is built and set up as follows (initial state, control and parameter values aren’t set as I’m only interested in checking the partial derivatives):

num_segments = 10
order = 3

# Build problem
prob = om.Problem()
traj = dm.Trajectory()
prob.model.add_subsystem('traj', traj)
phase = dm.Phase(ode_class=Dynamics, transcription=dm.GaussLobatto(num_segments=num_segments, order=order),
                 ode_init_kwargs={})
traj.add_phase('phase0', phase)

# Add states, controls, parameters and objective
# States
phase.add_state('theta', rate_source='omega', targets=['theta'], units='rad')
phase.add_state('omega', rate_source='omega_dot', targets=['omega'], units='rad/s')
# Controls
phase.add_control('rho', continuity=True, rate_continuity=True, targets=['rho'])
# Parameters
phase.add_parameter('k', targets=['k'])
phase.add_parameter('I', units='kg*m**2', targets=['I'])

# Configure and set up
prob.setup(force_alloc_complex=True)

When I run check_partials using prob.check_partials(method='cs', compact_print=True), I get some significant, and systematic-looking, errors:

Stranger still, I don’t get an error for omega_dot w.r.t theta, which has an absolute error of 9.5238e-01 and a relative error of 1.0000e+00 in the full model.

What could be causing this? Is it an issue with the model itself, or perhaps the way I’m using Jax? There are a few peculiarities:

  • The fact that the errors are for different partials in the original model and this minimum working example.
  • In _compute_primal(…), the values of k and I don’t ‘carry through’ into the function – they end up being 0 or 0J when check_partials is run (which is why I have to set them explicitly in _compute_primal, to avoid division by zero errors) – why would this be?

As an extra aside, I’m not sure what the difference is between the rhs_disc and rhs_col components of the phase?

Many thanks, I really appreciate any assistance.


Here are more details for the non-zero/non-nan partials (these were screenshotted on a different run, and it seems to have changed in-between):

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật