23030

Проблеми моделювання динаміки систем з розподіленими параметрами

Лекция

Экономическая теория и математическое моделирование

4 і модель ця адекватно описує динаміку фізикотехнічного обєкту процесу то можна ставити і розвязувати: Прямі задачі динаміки визначення векторфункції стану ys при заданих зовнішньодинамічних факторах ; Обернені задачі динаміки визначення векторфункцій які б згідно певного критерію дозволяли отримувати задану картину змін векторфункції ys або наближатися до неї.4 побудовані апробовані практикою а відповідні математичні теорії дозволяють розвязувати як прямі так і обернені задачі динаміки таких систем....

Русский

2013-08-04

1.64 MB

3 чел.

8

Курс лекцій по моделюванню динаміки систем з розподіленими параметрами

Лекція 1. Проблеми моделювання динаміки систем з

                 розподіленими параметрами

1.1. Диференціальна модель динаміки. Будемо розглядати систему (процес) стан якої (якого) в просторово-часовій області , обмеженій контуром Г, визначається вектор-функцією Для більшості фізико-технічних систем (процесів) після вивчення і формалізації їх суті вдається побудувати залежність вектор-функції y(s) від вектор-функції  зовнішньо-динамічних факторів, які в області  діють на систему. В загальному випадку залежність ця записується системою диференціальних рівнянь, яку в подальшому будемо записувати у вигляді:

, (1.1)
де — вектор частинних похідних по просторових координатах  та похідна по часу
t, а

  (1.2)
задані матричні диференціальні оператори.

Опис динаміки системи співвідношенням (1.1) буде не повним, якщо не врахувати початковий стан системи та вплив оточуючого її середовища (довкілля), який проявляється через граничний стан контуру Γ області . Вплив початково-крайових збурень на стан системи в подальшому будемо описувати наступними співвідношеннями:

                                                (1.3)

  (1.4)
де  – задані матричні оператори, а  та  – задані вектори та векторні функції, розмірність яких, як правило, узгоджується з розмірністю та порядком матричних диференціальних операторів  та
.

Якщо модель системи описана співвідношеннями (1.1) - (1.4), і модель ця адекватно описує динаміку фізико-технічного об’єкту (процесу), то можна ставити і розв’язувати:

  1.  Прямі задачі динаміки – визначення вектор-функції стану y(s) при заданих зовнішньо-динамічних факторах ,  ,  ;
  2.  Обернені задачі динаміки - визначення вектор-функцій  ,  ,  , які б згідно певного критерію дозволяли отримувати задану картину змін вектор-функції y(s) (або наближатися до неї).

Для більшості класичних систем моделі вигляду (1.1) - (1.4) побудовані, апробовані практикою, а відповідні математичні теорії дозволяють розв’язувати як прямі, так і обернені задачі динаміки таких систем.

Проблеми виникають там, де в силу складності системи (процесу), модель (1.1) - (1.4) не повна (нема узгодженості між розмірністю і порядком системи (1.1) та розмірністю і кількістю співвідношень (1.3), (1.4)), не адекватно описує динаміку розглядуваної системи (процесу), або не зовсім вивчене і формалізоване у вигляді (1.3), (1.4) середовище, в якому функціонує система (протікає процес). Розв’язок проблеми – в настройці моделі (1.1) та умов (1.3), (1.4) на реальну динамічну картину, яка спостерігається для системи (процесу). Останнє виконується двояко:

  1.  Шляхом ідентифікації параметрів співвідношень (1.1), (1.3), (1.4) на експериментальних даних, якщо система (процес) формалізовані моделлю (1.1) - (1.4);
  2.  Моделюванням зовнішньо-динамічної обстановки, якщо співвідношення (1.3), (1.4) важко формалізуються, або характеристики , , зовнішньо-динамічного оточення системи не доступні для вимірювання.

Іншими словами кажучи: практика роботи з моделями (1.1) - (1.4) вимагає уміння ставити та розв’язувати наступні задачі:

;                                                 (1.5)

(1.6)
де  –спостережуваний стан системи,  вектор параметрів моделі, від яких залежать матричні оператори
, , , а  та  – фіктивні зовнішньо-динамічні фактори, якими моделюється ефект впливу на вектор-стану y(s) системи початково-крайових умов (1.3), (1.4).

Методи постановки та розв’язання задач (1.5), (1.6) для різних режимів і умов функціонування системи (1.1) - (1.4) і будуть вивчатися нижче.

1.2. Інтегральна модель динаміки. Практика роботи з системами, що функціонують в певній просторово-часовій області, показала доцільність вибору моделі динаміки у формі (1.1) - (1.4) і довела дієвість математичних методів розв’язання прямих та обернених задач динаміки таких систем. Задачі ж (1.5) та (1.6) для систем, динаміка яких описується моделлю (1.1) - (1.4), розв’язуються важко.

Зважаючи на це, для розв’язання задач (1.5), (1.6) виберемо тут іншу — інтегральну — модель, яку запишемо у вигляді:

, (1.7)
де  – відома матрична функція.

Явна аналітична залежність y(s) від u(s) спрощує роботу з моделлю, а отже і алгоритми розв’язання задач (1.5), (1.6).

Зауважимо відразу, що співвідношення (1.7) на відміну від співвідношень (1.1) - (1.4) з фізико-технічних міркувань побудувати не просто. Не просто модель (1.7) отримати і із моделі (1.1) - (1.4) – для цього до вигляду (1.7) необхідно привести аналітичний розв’язок початково-крайової задачі (1.1) - (1.4). Як показує практика, це можливо тільки для деяких нескладних моделей і для досить простих умов їх функціонування.

Розглядувані ж нижче методи дозволять в якійсь мірі розв’язати і цю проблему. Для початку будуть запропоновані методи побудови моделі (1.7) для систем, які функціонують в необмеженій просторово-часовій області.

. (1.8)
Побудована для цього випадку залежність

(1.9)
вектор-функції стану системи від зовнішньо-динамічних збурень
u(s) буде не чим іншим, як розв’язком рівняння (1.1) без врахування початково-крайових умов(1.3), (1.4). Матрична функція  в цьому розв’язку буде функцією Гріна такою, що

,                          (1.10)

де , а (s-s’) так звана –функція, або функція одиничного джерела.

Враховуючи, що

бачимо, що дійсно  формі (1.9) задовольнятиме рівнянню (1.1) в області .

Функцію стану y(s) системи (1.1) - (1.4), що функціонує в замкненій просторово-часовій області , або (як ми назвали тут) інтегральну модель динаміки системи побудуємо у вигляді

                                          (1.11)

де  та  – складові вектор-функції y(s) системи, якими визначається внесок початково-крайових умов (1.3), (1.4) в загальну картину динаміки системи. При цьому вектор-функції  та  виберемо у вигляді

                                     (1.12)

                                  (1.13)

де , а  та  – фіктивні зовнішньо-динамічні збурення, які (як видно з (1.12) - (1.13)) діють за межами часової та просторової областей відповідно і визначаються з умови, щоб з врахуванням (1.11) виконувалися співвідношення (1.3), (1.4) при заданих . Співвідношення ж (1.1) з представленням вектор-функції стану y(s) у вигляді (1.10) будуть виконуватися. Останнє легко перевіряється з врахуванням властивостей (1.10) функції, -функції  та особливостей визначення функцій  та  в (1.12) та (1.13).

1.3. Проблеми переходу від диференціальної форми моделі динаміки системи до інтегральної. Заміна класичної диференціальної форми (1.1) моделі динаміки систем з розподіленими параметрами інтегральною формою (1.9), (1.11) - (1.13), яка може бути зручнішою при розв’язанні задач (1.5), (1.6), викликає чималі труднощі. Заключаються вони в:

  1.  Побудові матричної функції Гріна  рівняння (1.1) для необмеженої просторово-часової області ;
  2.  Побудові вектор-функцій  та , якими б моделювалися початково-крайові умови (1.3), (1.4).

Математично перша проблема зводиться до розв’язання рівняння (1.10). Розв’язок другої визначатиметься наступною системою інтегральних рівнянь:

       (1.14)

                       (1.15)

При цьому мається на увазі, що функція зовнішньо-динамічних збурень u(s) відома.

Варіанти розв’язання цих двох проблем ми розглянемо в подальшому, однак зауважимо, що в деяких випадках функціонування системи (1.1) інтегральні співвідношення (1.14), (1.15) спрощуються. Це випадки, коли при розгляді динаміки системи (1.1) можна нехтувати початковим, або крайовим збуренням. Для цих двох випадків співвідношення (1.14), (1.15) спрощуються до наступних:

а) для динаміки системи без врахування крайових умов (в необмеженій просторовій області):

      (1.16)

б) для динаміки системи без врахування початкового стану(в необмеженій часовій області):

                         (1.17)

В подальшому ми розглянемо три варіанти обернення співвідношень (1.14) - (1.17):

- дискретизованих по s та ;

- дискретизованих по s;

- дискретизованих по .

Варіанти ці зводяться до побудови розв’язку наступних алгебраїчних та функціональних рівнянь відповідно:

                                                                          (1.18)

                                                          (1.19)

.                                                                 (1.20)

Випишемо вирази матриці С, векторів  та, а також матричних функцій та  для задачі (1.14), (1.15).

1.У рівнянні (1.18):

                             (1.21)

а

                     

       (1.22)

Тут  задані значення кількості точок дискретизації , ,  

2. У рівнянні (1.19):

                                           (1.23)

де  та  моделюючі вектор-функції, введені в (1.12), (1.13); та  визначені в (1.22), а

                  (1.24)

.

Тут  при i=1 та  при i=2.

3. У рівнянні (1.20)

                                           (1.25)
де значення вектор-функції стану для
; та визначені в (1.22), а

            (1.26)

Вирази (1.21), (1.23) та (1.25) для матриці С векторів , матричних функцій  спростяться для задач (1.16) та (1.17) і з врахуванням позначень (1.22), (1.24), (1.26) запишуться у вигляді:

1.Для задачі (1.16):

                                             (1.27)

;

2.Для задачі (1.17):

                                            (1.28)

;

Отже проблема переходу від диференціального запису моделі динаміки у формі (1.1)-(1.4) до інтегрального представлення у формі (1.9), (1.11)-(1.13) буде розв’язана, якщо:

  1.  буде побудована матрична функція Гріна  для необмеженої просторово-часової області ;
  2.  будуть методи побудови розв’язків (або наближень до них) рівнянь (1.18)-(1.20).

Ці два питання будуть детально вивчені нами в подальшому.

1.4. Проблеми ідентифікації параметрів моделі динаміки систем з розподіленими параметрами. Як відзначалося вище, не завжди вдається адекватно описати динаміку системи, особливо це стосується складних і важких для формалізації процесів. В таких випадках диференціальні оператори рівняння (1.1), а інколи і співвідношень (1.3) та (1.4), можуть залежати від невідомих параметрів. А це значить, що в загальному випадку вигляд цих операторів може бути таким:


Тут  – вектори параметрів моделі, які знаходяться з експерименту.

Враховуючи, що від  залежатиме функція Гріна , за умови, що вдалося обернути співвідношення (1.18)-(1.20) так, що

(1.29)
та позначаючи через  набір експериментальних даних, проблему ідентифікації параметрів  зведемо до розв’язання наступної задачі:

, (1.30)
де

, (1.31)
або

                                            (1.32)

Зрозуміло, що це задача непроста, тим паче, що і співвідношення (1.29) є дуже спрощеним представленням розв’язку рівнянь (1.18)-(1.20). Однак алгоритм розв’язання задачі після побудови обернень типу (1.29) ми запропонуємо.

1.5. Проблеми моделювання зовнішньо-динамычного оточення динамыки систем з розподіленими параметрами. Часто виникає необхідність, знаючи структуру моделі, відновити значення , , зовнішньо-динамічного збурення, початкових та крайових збурюючих факторів – усіх разом, чи деяких з них. Виходячи із згаданих вище експериментальних даних  та враховуючи, що вплив початково-крайових збурень на стан системи згідно (1.12), (1.13) моделюється функціями  та , проблему цю зводимо до розв’язання наступної задачі

.                                         (1.33)

Тут y(s) – вектор-функція стану системи, яка співвідношеннями (1.11)-(1.13) пов’язана з .

З використанням методики обернення співвідношень (1.18)-(1.20) і ця задача буде розв’язана нижче.

1.6. Задача оптимального розміщення спостерігачів та керувань. В процесі переходу від систем (1.14)-(1.17) до рівнянь (1.18)-(1.20) виконувалася дискретизація початково-крайових умов і керуючої вектор-функції u(s) точками  та  відповідно. Точками  дискретизувався і експеримент.

Вибір цих точок через розв’язки (1.29) рівнянь (1.18)-(1.20) впливатиме і на величину

,
тому має смисл постановка задачі оптимізації процедури вибору точок дискретизації шляхом мінімізації величини . Зрозуміло, що задача ця буде розв’язана після побудови алгоритму розв’язання задач (1.30) та (1.33).

Це і є коло тих проблем і задач, розв’язання яких буде розглянуте нами в подальшому.

7

                                   Стоян В.А.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5359. Проектирование столовой общедоступной на 100 мест 1.17 MB
  Предприятия общественного питания - это предприятия, предназначенные для производства кулинарной продукции, мучных кондитерских и булочных изделий, их реализации и организации питания. Индустрия общественного питания находится еще в ...
5360. Принципы работы с элементами управления 238 KB
  Принципы работы с элементами управления Любое стандартное приложение Windows использует различные элементы управления, такие, как кнопки, полосы просмотра, редакторы текстов и т.д, реализованные в виде дочерних окон. Дочерние окна управления Так как...
5361. Пример решения задачи по разделу Переходные процессы 184 KB
  Пример решения задачи по разделу Переходные процессы Задача. Дана электрическая цепь, в которой происходит коммутация В цепи действует постоянная ЭДС Е. Требуется определить закон изменения во времени токов и напряжений посл...
5362. Экономическая теория. Микроэкономика. Макроэкономика. Конспект лекций 1.05 MB
  Общетеоретические вопросы экономики Предмет и метод экономической теории Предмет экономической теории. Задачи экономической теории. Экономические блага, их классификация. Граница производственных возможностей. Экономическая...
5363. Вымогательство и его криминалистическая характеристика 146 KB
  Вымогательство и его криминалистическая характеристика Одним из наиболее опасных посягательств на государственную или общественную собственность, а также на личные интересы граждан, является вымогательство (как основная статья доходов организованной...
5364. Основы синергетики 78.5 KB
  В последние годы наблюдается стремительный и бурный рост интереса к междисциплинарному направлению, получившему название синергетика. Издаются солидные монографии, учебники, выходят сотни статей, проводятся национальные и международные ко...
5365. Уровни познания. Эмпирическое и теоретическое исследование 67 KB
  Уровни естественнонаучного познания Изучение естествознания нужно не только для того, чтобы мы как культурные люди знали и разбирались в его результатах, но и для понимания самой структуры нашего мышления. Итак, мы отправляемся в безбрежное море поз...
5366. Механизм излучения. Виды спектральных анализов 34.44 KB
  Спектр - это разложение света на составные части, лучи разных цветов. Метод исследования химического состава различных веществ по их линейчатым спектрам испускания или поглощения называют спектральным анализом. Для спектрального анализ...
5367. Составление гидравлической схемы и рассчет привода волочно-пакетирущей машины 159.5 KB
  Исходные данные для проектирования Валочно-пакетирующая машина. Поворот платформы. Нагрузка на штоке гидроцилиндра - Т=130 (кН) Скорость движения штока цилиндра – V=24 (м/с) Температура окружающей среды...