32229

Каноническое представление уравнения Эйлера

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Например требуется определить закон изменения якорного тока и скорости вращения двигателя постоянного тока который поворачивает платформу экскаватора. Динамика двигателя описывается уравнением равновесия моментов – момент развиваемый двигателем уравновешивается динамическим моментом и моментом сопротивления: п.1 где Мдв=Смi – момент развиваемый двигателем См – постоянная двигателя i – якорный ток J – момент инерции приведенный к валу двигателя скорость вращения...

Русский

2013-09-04

137.5 KB

6 чел.

Лекция №5

Каноническое представление уравнения Эйлера

Каноническое представление уравнения Эйлера  является дальнейшим развитием вариационного исчисления. Оно в определенной степени  улучшает методику решения задач по определению экстремалей.

Как уже было сказано выше, для экстремали х(t) функционала (3.1):

.                          (5.1)

Справедливо уравнение Эйлера (3.2):

.                             (5.2)

Для представления уравнения (5.2) или (3.2) вводятся новые переменные Н и q, которые определяются следующим образом:

,                            (5.3)

Второе уравнение в (5.3) еще можно записать как:

.                                 (5.4)

Используя выражение (5.4) найдем частную производную функции Н по переменной q:

.                          (5.5)

Из (5.4) также следует, что:

                             

С учетом этого уравнения Эйлера (5.2)  можно представить в следующем виде:

.                               (5.6)

Уравнение (5.6) и уравнение (5.5) дает систему:

                  Или     .                                 (5.7)

Эта система эквивалентна одному уравнению Эйлера.

Функция Н = Н(x,q,t) называется функцией Гамильтона. Она обладает тем свойством, что достигает экстремума по х при тех же условиях, что и функционал (9.1). Чтобы доказать это, найдем производную  от Н по х. Учитывая соотношение (5.7), получим

,        (5.8)

т.к. .

Выражение (5.8) свидетельствует, что Н экстремальна по х, при этом  удовлетворяется уравнение Эйлера, а значит при этом  х  будет иметь экстремальное значение и функционал J.

Для функционала, зависящего от многих переменных:

,                          (5.9)

где  X={x1,x2,…,xn}, U={u1,u2,…ur}.

Функция Н будет иметь вид:

,                      (5.10)

где .

Система уравнений, эквивалентная уравнению Эйлера (3.3) будет по аналогии с (5.7) иметь вид:

.                                (5.11)

При наличии связей в виде дифференциальных уравнений, описывающих динамику объекта управления

,

решается общая задача Лагранжа на условный экстремум.

Функция F заменяется  на функцию  (см.4.4)

.                           (5.12)

Функция Н  в этом случае имеет вид:

.                      (5.13)

где , а система (5.11) остается справедливой и для этого случая.

В задачах синтеза оптимального управления часто встречается функционал вида:

,    (5.14)

где х12,…хm – переменные (координаты) объекта управления n-ого порядка (поэтому m<n), а u1,u2,…,ur – управляющие воздействия.

Уравнение динамики объекта:

, i=1,2,…n   (5.15)

является дифференциальными связями.

Вспомогательный функционал в этом случае будет иметь вид:

,   (5.16)

где .

Для экстремали в многомерном пространстве состояния объекта должна удовлетворяться система уравнений:

,                                       (5.17)

где                                             (5.18)

Если ввести коэффициент Лагранжа , то после преобразования получим, что

,                                  (5.19)

.                                          (5.20)

Выведем канонические переменные:

                        (5.21)

где q = {q0,q1,…,qn} – (n+1) мерный вектор.

Уравнение динамики объекта (5.15) и уравнения Эйлера (5.17) можно записать в Гамильтоновой форме:

.                                               (5.22)

Эти уравнения совместно с уравнениями (5.20)

                     ,  k=1,2,…,r

составляют замкнутую систему и дают возможность полностью определить экстремаль.

Рассмотрим задачу по определению  оптимального управления, обеспечивающего минимум расхода энергии. Эта задача имеет широкое практическое применение. Например,  требуется определить закон изменения якорного тока и скорости вращения двигателя постоянного тока, который поворачивает платформу экскаватора. Сформулируем данную задачу как общую задачу Лагранжа.

Динамика двигателя описывается уравнением  равновесия моментов – момент,  развиваемый двигателем уравновешивается динамическим моментом и моментом сопротивления:

,                               (п.5.1)

где Мдв=См*i – момент, развиваемый двигателем,

См – постоянная двигателя,

i – якорный ток,

J – момент инерции, приведенный к валу двигателя,

- скорость вращения вала двигателя,

Мс – статический момент (момент сопротивления).

Величина потерь, равная мощности Q,  затрачиваемая на нагрев двигателя за  один цикл движения t=T, определяется как:

                          

Т.к. Q необходимо минимизировать, то критерий оптимальности уравнения очевиден:

.                       (п.5.2)

Система уравнений, описывающая динамику объекта на основании (п.5.1), будет следующей:

.                         (п.5.3)

где  - угол поворота вала двигателя.

                             .

На основании этих выражений сформулируем функцию Гамильтона вида (5.21)

.      (п.5.4)

Для нахождения экстремума Н по i на основании (п.5.4) запишем условие:

                           .

Следовательно

.                                    (п.5.5)

Для нахождения q1  и q3 запишем уравнения Гамильтона (5.22):

.                    (п.5.6)

Решая уравнения системы (п.5.6), находим:

q1 = c1; q2 = c2; q3 = -q2t+c3 = -c2t+c3.

Подставляя эти значения в (п.5.5) получим:

                                 i(t) = c4 + c5t,

где ,

т.е. ток якоря двигателя должен меняться по линейному закону.

Найдем оптимальную диаграмму изменения скорости вращения двигателя :

.     (п.5.7)

Постоянные интегрирования находим  из граничных условий:

.

Следовательно: с6=0, из условия  и  из условия

Следовательно

.                     (п.5.8)

Взяв определенный интеграл от (п.5.8), получим:

Откуда получаем:

.

Окончательно выражения для графиков оптимального  изменения тока i(t) и скорости вращения  двигателя будут следующими:

Диаграммы этих зависимостей представлены на рис.п.5.1

Рис. 5.1. Графики оптимального изменения i  и ω по критерию минимального расхода энергии на нагрев двигателя.

Расчеты показывают, что при  прямоугольной диаграмме изменения тока потери увеличиваются на 33% .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37323. ФИЛОСОФИЯ ОНТОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ ПОЗНАНИЯ 284 KB
  Одна из задач философии – научить человека самостоятельно и творчески мыслить. Учебный курс философии предполагает как теоретический так и практический уровни. На практическом уровне студент должен научиться: использовать полученные теоретические знания для определения закономерностей развития и социальной значимости явлений и процессов действительного мира; анализировать имеющиеся точки зрения на вопрос; аргументировать собственную позицию; оценить личный вклад философа учёного деятеля культуры в развитие науки и культуры; использовать...
37324. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 235.5 KB
  Заказная спецификация на приборы и средства автоматизации электроаппаратуру Приложение 7. Чертеж функциональной схемы автоматизации Приложение 10. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Выполнение курсового проекта по дисциплине “Проектирование автоматизированных систем†является подготовкой студентов к самостоятельной разработке проектов автоматизации в пищевой и химической промышленности. В процессе выполнения проекта студент должен показать глубину освоения теоретических и практических...
37325. Создать трехмерную модель сварного соединения и провести анализ ее напряженно-деформированного состояния под воздействием внешней статической нагрузки 471.5 KB
  Исходные данные Рисунок 1 – Изображение узла Сварное нахлесточное соединение. Рисунок 2 – Указание пути к файлу Рисунок 3 – Задание необходимых параметров вставки 3 Разбиение на конечные элементы Выберем пункт меню Mesh= Geometry= Solids Сетка= Геометрия= Тело. Рисунок 4 – Разбиение на конечные элементы На запрос о задании материала введем характеристики для Ст. Рисунок 5 – Задание характеристик для материала Далее появится панель utomesh Solids Авторазбиение твердых тел – рис.
37326. Учет резервов и кассовых операций предприятий 141.43 KB
  В повседневной деятельности организаций может возникать необходимость создания резерва для покрытия предстоящих расходов и платежей. Он создается за счет внутренних ресурсов путем включения в затраты производства или в расходы на продажу в отчетном году.
37327. Якорно-швартовное устройство 4.35 MB
  Якорные цепи от якоря через бортовой клюз, стопор и кулачковый барабан якорной лебёдки проходят в палубный клюз и цепной ящик, где укладывается излишек цепи. Общую длину и калибр якорной цепи определяют также по характеристике якорного снабжения Nc
37328. Технологический процесс изготовления детали “Форсунка” 133.5 KB
  Применяемый на ОАО «КАДВИ» технологический процесс изготовления детали «Форсунка» является вполне современным. Весь технологический процесс механической обработки разработан исходя из получения заготовки методом литья, что определяет выбор технологических баз как для первой...
37329. Таможенная служба Российской Федерации 90 KB
  Большинство законодательных и нормативных актов регулирующих таможенное дело были унифицированы на практике применяются основы таможенных законодательств государств участников СНГ. Созданы представительства таможенной службы России при таможенных службах Белоруссии и Казахстана и Киргизской республикой. Отменены таможенные ограничения во взаимной торговле нет больше необходимости содержать таможенную инфраструктуру ненужными стали почти девять тысяч километров внутренних границ 16 таможен 50 таможенных постов 64 автомобильных и 28...