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

7 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

39306. Расчет годовой производственной программы 105.3 KB
  Главная передача автомобиля предназначена для постоянного увеличения подводимого от двигателя крутящего момента и передачи его под прямым углом к ведущим колесам. Постоянное увеличение крутящего момента характеризуется передаточным числом главной передачи. На автомобилях КамАЗ в зависимости от назначения передаточное число главной передачи равно 543; 594; 653; 722. На модификациях автомобилей предназначенных для использования в качестве седельных тягачи передаточные числа главной передачи увеличены.
39307. Организация бухгалтерского учета на ООО «Мое солнце» 219 KB
  Учетная политика Объектом прохождения практики послужило предприятие ООО Мое солнце. ООО МОЕ СОЛНЦЕ создано в соответствии с Гражданским кодексом Российской Федерации Федеральным законом Об обществах с ограниченной ответственностью другими действующими законодательными актами Российской Федерации. ООО МОЕ СОЛНЦЕ является юридическим лицом имеет круглую печать и штампы со своим наименованием свой торговый знак расчетный и иные счета в банках другие реквизиты необходимые для хозяйственной и иной деятельности. ООО МОЕ СОЛНЦЕ...
39308. Анализ маркетинговой деятельности предприятия ООО «Грат-Вест» 496.5 KB
  Игрушки для детей – это миниатюрное отражение взрослого мира. Бессмысленно недовольно коситься на крохотные микроволновые печи и мобильные телефоны – дети играют в нашу с вами взрослую жизнь, таким образом ее осваивая. Наш мир сегодня необыкновенно разнообразен. Стоит ли удивляться, что мир игрушек для детей предлагает воистину огромный выбор. Данная работа представляет аналитический отчет о прохождении производственной практики на предприятии ООО «Грат-Вест», которое занимается продажей детских товаров.
39309. МЕХАНІЗМИ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРАВ ДИТИНИ В УКРАЇНІ 365 KB
  Дитину жодним чином не можна прирівнювати до дорослої людини, у тому числі й у правових аспектах. Дитина має бути забезпечена особливими правами, особливим захистом, які мають часовий вимір і спеціальне призначення. Дитина, як і кожна людська істота, від народження має права людини.
39310. Маркетинговая деятельность «Вест-Алко» 244 KB
  Маркетинговая деятельность ВестАлко. Функции выполняемые службой маркетинга ООО ВестАлко. Анализ маркетинговой деятельности ООО ВестАлко. Переход к рыночным отношениям в России явился важной предпосылкой развития маркетинга. Данная работа представляет аналитический отчет о прохождении производственной практики на предприятии ВестАлко которое является виноводочным заводом.
39311. Характеристика предприятия ООО «Политон» 54.5 KB
  Характеристика предприятия ООО Политон. Целью преддипломной практики являются следующие задачи: Закрепить теоретические знания полученные по дисциплине Бухгалтерский учет анализ аудит; Приобрести необходимые навыки самостоятельной работы по анализу и учету отчетности и основных показателей предприятия; Получить практические навыки в качестве бухгалтера и аналитика; Развить творческую инициативу с целью решения задач по дальнейшему улучшению планирования и повышения эффективности учета деятельности предприятия;...
39312. Комплексный экономический анализ хозяйственной деятельности ОАО «Междуречье» 96.22 KB
  Экономический анализ – систематизированная совокупность экономических процедур, цель которого является получение заключений, выводов и рекомендаций экономического характера для отдельного субъекта.
39314. Теоретичний і правовий аналіз сутності норми права і нормативно-правового акту 197 KB
  Суспільство яке покликане захищати основні права людини це впорядкована система відносин яка базується на дотриманні всіма субєктами цих відносин норм права які розміщені в нормативноправових актах. Значну увагу розробці вчення про норму права і нормативноправовий акт приділяли видатні представники російської юридичної науки у дореволюційній Росії Н. Предметом дослідження є нора права і нормативноправовий акт.