• Nem Talált Eredményt

Lineáris mozgásegyenletek

In document Mechatronikai Modellezés (Pldal 190-0)

mátrixokkal, összhangban (11.31)-el, a nemlineáris mozgásegyenletrendszer az alábbi alakra vezet:

A reakcióerőket elimináltuk a szorzások folyamán és ezért már akkor elhagyhatjuk, amikor a Newton-Euler egyenleteket felírjuk.

Az itt bemutatott módszer szintén alkalmas a mozgásegyenletek számítógépes megoldására.

A módszert úgy is hatékonyan alkalmazhatjuk, ha a Jacobi mátrixokat explicite nem állítjuk elő és a reakcióerőket nem elimináljuk algebrai transzformációval. Ebben az estben azonban az összes reakcióerőt be kell venni az egyenletrendszerbe.

11.6 Lineáris mozgásegyenletek

Az általános nemlineáris egyenleteken túl a linearizált mozgásegyenletek is fontos szerepet játszanak a gyakorlatban és különösen az irányítástechnikában.

A mechanikai rendszerek linearizálását célszerűen, egy egyensúlyi helyzet körül, vagy még általánosabban, a referencia-, vagy célmegoldás körül végezzük. A referencia- vagy célmegoldás önmagára a rendszerre épül, vagy pedig kívülről a visszacsatolási szabályozás szolgáltatja. A rendszert jellemző referencia (cél) megoldások a nemlineáris mozgásegyenletek partikuláris megoldásai:

( ,t s) s + ( ,t s, s)= ( ,t s, s) ⇒ s( )t

M y y k y yq y yy . (11.55)

A referencia (cél) megoldások közelében a rendszer csak kis zavarást szenved:

( ) ahol ( ) t t s( ) t h h < < y .

Ezért

( )t = s+h( )t

y y . (11.56)

Egy megfelelő szétválasztást kell alkalmaznunk a külsőleg működtetett “szabályzó” erőkre ( ) ( ) ( )

e e e

t = s t + h t

f f f . (11.57)

Ha ezt behelyettesítjük az eredeti nemlineáris mozgásegyenletbe, akkor lineáris tagokkal bezárólag a bevezetett mennyiségekre a következőt kapjuk:

1

Ezek végrehajtása után, egy egyenletet kapunk külön a referencia (cél) mozgásra és külön egy egyenletet az attól való eltérésre.

A célmegoldás:

( ,t s) s + ( ,t s, s)= ( ,t s, s, se)

M y y k y yq y y f . (11.59)

A zavarás mozgásegyenlete:

( , , ) ( , , , )

A nemlineáris mozgásegyenletből tagonkénti linearizálással is megkaphatjuk a (11.59) egyenletet.

A P és Q mátrix (és minden más négyzetes mátrix) felbontható egy szimmetrikus és egy ferdeszimmetrikus összetevőre:

1 1 )

Így megkapjuk a mechanika klasszikus lineáris mozgásegyenletét

( ) ( )

+ + + + =

My D G yK N y h. (11.64)

Az alábbi mátrix tulajdonságok nyilvánvalóan érvényesek:

, , ,

T T T T

= = − = = −

D D G G K K N N . (11.65)

Itt a mátrixok határozottan ugyanazzal a fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a rendszer. Ha megszorozzuk yT -vel a bal oldalról, akkor a rendszer energiaviszonyaira egy egyenletet kapunk

    

Az M szimmetrikus tömegmátrix meghatározó a kinetikai energia megváltozásában, és így a tömegerők vonatkozásában fontos a szerepe. A D csillapítási mátrix a Rayleigh-féle függvényen keresztül képviseli a csillapító erőket, Ga giroszkópikus erőket képviseli, amely az energiaegyensúlyra nincs hatással. A K mátrix a potenciális energián keresztül képviseli a konzervatív helytől függő erőket, míg N a nem konzervatív helytől függő erőket. A rendszer konzervatív, ha D=N=0, azaz, a h külső erő hiányában a rendszer T +U energiája konstans lenne.

11.5. példa: A kettős inga linearizált mozgásegyenletei.

A 11.5 pontban kapott kettős inga kis kilengéseire feltételezzük , , , α β α β 01.

Ha ezt figyelembe vesszük a (11.54) mozgásegyenletben, megkapjuk a linearizált mozgásegyenletet

vagy a (11.64) szabályos formájában

2

és a “merevségi mátrix”:

3 0

11.7 Állapotegyenletek

A következőkben tekintettel a többtest rendszerekre, a másodrendű mozgásegyenletek átalakítását állapotegyenletté az alábbi helyettesítéssel célszerű megtenni

1

Figyelembe véve x1=x2 =y összefüggéseket, a nemlineáris állapotegyenletek

2

Lineáris esetben azt kapjuk, hogy

12 Lagrange-féle másodfajú mozgásegyenlet

A mozgásegyenlet előállításának egy fontos alternatívájával a Lagrange-féle módszer (1788) szolgál. Ellentétben a szintézisen alapuló módszerekkel, amelyeket a fentiekben már részleteztük (a testek szétszedése után az impulzus- és perdülettételek alkalmazásával és a reakcióerők eliminálásával kapjuk meg az egyenleteket), ebben az esetben analitikus módszert alkalmazunk amely, a rendszer teljes energia kifejezéseinek vizsgálatán alapul.

Kinetikai energia

A Ki merev test Ti kinetikai energiáját az mi tömeggel, az Ii tehetetlenségi tenzorral, a súlypontjának vMi sebességével és az ωi szögsebességgel írjuk fel

1 2 1

2 2

haladó mozgás forgó mozgás

T

i Mi i i i

T = mv + ω I ω

(( (( . (12.1)

A kinetikai energia egy haladó mozgási- és egy forgó mozgási részből áll. Mivel a kinetikai energia független az alkalmazott koordinátarendszertől, így az egyáltalán nem fontos, hogy milyen koordinátarendszerben fejezzük ki az adott energiamennyiséget. Másfelől az is világos, hogy a szögsebesség vektort és a tehetetlenségi tenzort azonos koordinátarendszerben kell felírni.

Az egyes testek tömegközéppontját választjuk referencia pontnak. A többtest rendszer kinetikai energiáját az egyes testek kinetikai energiájának összege adja:

(

2

)

közismert, potenciállal rendelkeznek és így differenciálással meghatározhatók, azaz

U

Egy többtest rendszer potenciális energiája az egyes testek potenciális energiájának az

Azok az erők amelyek, a (12.3) összefüggéssel egy potenciál függvény differenciálásával számíthatók, rendelkeznek energia tárolási képességgel és ezért konzervatívnak nevezzük. A nem konzervatív erők módosítják a rendszer teljes energiáját. Ha speciálisan olyan erőkkel foglalkozunk, amelyek elnyelik (disszipálják) az energiát, akkor azokat disszipatív erőknek nevezzük.

Konzervatív erőkre példákkal szolgálnak a súlyerők

fG= −mg, és rugóerők

fF = −cs,

felírhatók a megfelelő potenciálok

UG =mgz, és

1 2 F 2

U = cs .

A potenciálok egy konstans erejéig határozottak, azaz, a potenciál nulla pontja tetszőlegesen felvehető. Ha egy többtest rendszerre csak konzervatív erők hatnak, az egész rendszert konzervatívnak nevezzük. Így jutunk el a mechanikai energia megmaradási tételéhez:

0 0 .

T+ =U T +U =const (12.5)

A fent bevezetett energiamennyiségeket a mozgásegyenletek származtatására használjuk fel.

Ennél a módszernél, a szintézisen alapulóval ellentétben a rendszert nem szedjük szét alkotóelemeire, hanem a rendszert, mint egészet vizsgáljuk.

Mindenekelőtt, a kinetikai energiát az általános koordináták, és ha szükséges, az idő függvényeként fejezzük ki

(

2

)

Az általánosított erők az alkalmazott erőkből és nyomatékokból származnak

[ ] [ ]

Ezen mennyiségek segítségével megkaphatjuk a Lagrange-féle másodfajú mozgásegyenleteket szükséges a rekcióerők bevezetése. Így ezek nem is számíthatók ki.

• A mozgásegyenletek előállítása céljából, ki kell számolnunk a T( , , )y yt függvény parciális és teljes deriváltját. A láncszabályt kell alkalmaznunk a T -nek a t időszerinti teljes deriváltjának előállításához.

Konzervatív rendszerekben az általánosított erők (12.5) szerinti számítása elkerülhető, mivel ezek a (12.2)-höz hasonlóan) kiszámíthatók az U potenciális energia általánosított koordinátái szerinti deriválásaival is. Így kapjuk

k Lagrange-féle mozgásegyenlet

( ) (12.5) kifejezéssel vesszük figyelembe a (12.8) egyenlet jobb oldalán.

12.1. példa: Kettős inga, 11.7 ábra

A kettős inga haladó és forgómozgási sebességeire rendre a (11.34) és (11.35) kifejezéseket használjuk.

A rendszer teljes kinetikai energiájára az alábbi kifejezést kapjuk

( )

és a potenciális energiára pedig (3cos cos ) U = −mgl α+ β .

A parciális deriváltakra az alábbi kifejezések adódnak

2 2 2

Ebben az esetben a mozgásegyenleteket a (11.54)-gyel megegyező alakban kapjuk, ahol

• A Lagrange-féle másodfajú mozgásegyenletből származó egyenletek teljesen azonosak a 11.5 pontban ugyanezen általánosított koordinátákra levezetett egyenletekkel, amelyeket a Newton-Euler egyenletekből a d’Alembert elv segítségével kaptunk. Ez általános esetre is fennáll. A két módszer csupán a megközelítés útjaiban különbözik és nem az eredményekben.

• Ellentétben a Lagrange formalizmussal a Newton-Euler egyenletek (ebben a formában) lehetővé teszik a reakcióerők kiszámítását. Megfordítva, ezen erők figyelembe vétele nem szükségesek az egyenletek felállításánál, amely nagy előnyt jelent a gyakorlatban.

13 Nemlineáris egynyomvonalú modell

[10]

A 13.1 ábra egy nemlineáris egynyomvonalú járműmodellt szemléltet.

13.1 ábra: Nemlineáris egynyomvonalú modell (bicikli modell), felülnézet

13.2 ábra: Nemlineáris egynyomvonalú modell, oldalnézet

In document Mechatronikai Modellezés (Pldal 190-0)