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

32874. МИФОЛОГИЯ КАК МИРОВОЗЗРЕНИЕ. ПЕРВОБЫТНАЯ МИФОЛОГИЯ. РЕЛИГИЯ КАК МИРОВОЗЗРЕНИЕ 57.06 KB
  Как правило мифы пытаются дать ответ на следующие основные вопросы: происхождение Вселенной Земли и человека; объяснение природных явлений; жизнь судьба смерть человека; деятельность человека и его достижения; вопросы чести долга этики и нравственности. Религия форма мировоззрения основанная на вере в наличие фантастических сверхъестественных сил которые влияют на жизнь человека и окружающий мир. При религиозном мировоззрении для человека характерна чувственная образноэмоциональная а не рациональная форма восприятия...
32875. АНТИЧНАЯ ФИЛОСОФИЯ. ПИФАГОР, СОКРАТ, ПЛАТОН, АРИСТОТЕЛЬ, ДЕМОКРИТ, ЭПИКУР 64.08 KB
  Подобно тому как математик ставит вопрос что такое единица и дает довольнотаки сложное определение этого казалось бы простейшего понятия так и философ с глубокой древности задается проблемой: что такое бытие что значит быть Эта специфика философии проливает известный свет и на вопрос о том почему и когда философия возникает. Философ ставит все это под сомнение но делает это для того чтобы докопаться до подлинных корней из которых растет сама данная традиция; в этом и состоит смысл его вопроса: что значит быть что такое бытие А...
32876. СРЕДНЕВЕКОВАЯ ФИЛОСОФИЯ. ОТЦЫ ЦЕРКВИ. ВАСИЛИЙ ВЕЛИКИЙ, ГРИГОРИЙ БОГОСЛОВ, ИОАНН ЗЛАТОУСТ, ФОМА АКВИНСКИЙ, ГРИГОРИЙ ПАЛАМА. РЕАЛИЗМ И НОМИНАЛИЗМ 45.65 KB
  которое признавало Бога в качестве высшего существующего начала а весь окружающий мир Его творения. 50 Можно выделить следующие основные черты средневековой теологической философии: теоцентризм главной причиной всего сущего высшей реальностью основным предметом философских исследований являлся Бог; изучению самого по себе космоса природы явлений окружающего мира уделялось мало внимания так как они считались творением Бога; господствовали догматы истины не нуждающиеся в доказательствах о творении всего Богом и откровении...
32877. Географическая среда в развитие общества. Географическое направление в обществоведении 41.93 KB
  Географическая среда в развитие общества. В более узком смысле – это часть материи за исключением общества т. Географическая среда имеет историческую обусловленность и расширяется с развитием общества. Географическая среда является важным фактором развития общества: Она влияет на разделение труда на размещение отраслей производства что изучается экономической географией; Она влияет на темпы развития общества может быть боле или менее благоприятной; Она опосредованно влияет на характер политических систем что изучается...
32878. Материальное производство. Труд. Производительные силы. Технологический способ труда. Технократическое направление в обществоведении 41.14 KB
  Технологический способ труда. Лишь для земледельческого труда делалось некоторое исключение. Средневековую цивилизацию многие историки культуры трактуют как цивилизацию труда. ознаменовался новым сдвигом в социальном статусе и образе труда.
32879. Производственные отношения. Социальная закономерность. Фатализм и волюнтаризм 30.27 KB
  Производственные отношения. Производственные отношения совокупность материальных и экономических отношений между людьми в процессе общественного производства и движения общественного продукта от производства до потребления. Производственные отношения являются необходимой стороной общественного производства. В процессе труда складываются отношения обусловленные потребностями технологии и организации производства например отношения между рабочими различных специальностей между организаторами и исполнителями связанные с...
32880. Общественно-экономическая формация и цивилизация 38.11 KB
  Общественноэкономическая формация в марксизме стадия общественной эволюции характеризующаяся определённой ступенью развития производительных сил общества и соответствующим этой ступени историческим типом экономических производственных отношений которые зависят от неё и определяются ею. Не существует формационных ступеней развития производительных сил которым не соответствовали бы обусловленные ими типы производственных отношений. Как ступени исторического развития человечества следующие за варварством. Как уровень ступень...
32881. Социальная структура. Классы и классовая борьба. Интеллигенция 42.81 KB
  Устойчивые связи между любыми элементами общества устойчивые взаимозависимости корреляции; 2. В широком смысле под социальной структурой понимается строение общества в целом совокупность устойчивых связей между его основными функциональными сферами экономикой политикой культурой и др. В узком смысле под социальной структурой общества понимается деление общества на различные социальные группы системы устойчивых связей между ними а также внутренняя структура различных социальных общностей. В европейской философии XVIIXVIII...
32882. Государство. Монархия и республика. Право 45.02 KB
  Государство. Государство ядром полит. Государство – это соц. Теории происхождения государство: 1.