2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    1/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 1

     Ak.g.2014/2015 Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 1

    Nelinearni sustavi upravljanja

    Fazni prostor i trajektorije

    Nelinearni sustavi upravljanja

    Fazni prostor i trajektorije

    Prof.dr.sc. Zoran Vukić

    Tel: 01/6129 840, Fax:01/6129 809,

    E-mail:[email protected]

    Prof.dr.sc. Zoran Vukić

    Tel: 01/6129 840, Fax:01/6129 809,

    E-mail:[email protected]

    DefinicijeDefinicije

    Fazni prostor – prostor određen koordinatama

    stanja ili tzv. faznim varijablama sustava danih sa:

    Fazna točka – točka faznog prostora koja određuje

    stanje ili fazu sustava

    Fazna trajektorija – putanja promjene stanja ili

    promjene faznih varijabli. Fazne točke formiraju

    faznu trajektoriju

    Fazni portret – familija faznih trajektorija

    dobivena pri svim, za dati sustav mogućim,

    početnim uvjetima

    Fazni prostor – prostor određen koordinatama

    stanja ili tzv. faznim varijablama sustava danih sa:

    Fazna točka – točka faznog prostora koja određuje

    stanje ili fazu sustava

    Fazna trajektorija – putanja promjene stanja ili

    promjene faznih varijabli. Fazne točke formiraju

    faznu trajektoriju

    Fazni portret – familija faznih trajektorija

    dobivena pri svim, za dati sustav mogućim,

    početnim uvjetima2

    ( 1)( ), ( ), ( ), , ( )n x t x t x t x t   

    http://math.rice.edu/~dfield/

    Fazne trajektorije mogu se dobiti

    analitički, grafički i simulacijom

    Fazne trajektorije mogu se dobiti

    analitički, grafički i simulacijom

    Fazne trajektorije mogu se grafički prikazati za sustave

    reda n ≤ 3.

    Fazne trajektorije linearnih sustava pravilnog su oblika,

    kod njih se može o ponašanju sustava zaključiti temeljem

    poznavanja jedne fazne trajektorije, jer su sve ostale istog

    oblika. Linearan sustav ima globalna svojstva.

    Fazne trajektorije nelinearnih sustava općenito su nepra-

    vilnog oblika. Kod nelinearnog sustava nije moguće

    temeljem jedne trajektorije zaključiti o ponašanju neline-

    arnog sustava u čitavom faznom prostoru. Nelinearni

    sustav može imati različita lokalna svojstva.

    Za sustave drugog reda fazni prostor je ravnina (2D), dok

     je za sustave trećeg reda fazni prostor 3D.

    Fazne trajektorije mogu se grafički prikazati za sustave

    reda n ≤ 3.

    Fazne trajektorije linearnih sustava pravilnog su oblika,

    kod njih se može o ponašanju sustava zaključiti temeljem

    poznavanja jedne fazne trajektorije, jer su sve ostale istog

    oblika. Linearan sustav ima globalna svojstva.

    Fazne trajektorije nelinearnih sustava općenito su nepra-

    vilnog oblika. Kod nelinearnog sustava nije moguće

    temeljem jedne trajektorije zaključiti o ponašanju neline-

    arnog sustava u čitavom faznom prostoru. Nelinearni

    sustav može imati različita lokalna svojstva.

    Za sustave drugog reda fazni prostor je ravnina (2D), dok

     je za sustave trećeg reda fazni prostor 3D.Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 3

    Linearni sustav (LTI)Linearni sustav (LTI)

    Za linearan vremenski nepromjenjiv sustav (LTI)

    dan sa d2 x/dt2 + adx/dt+bx = 0 svojstvene vr.

    (korjeni karakteristične jednadžbe) su dani sa:

    Ovisno o karakteru korjena moguće je 6 tipovasingularnih točaka:

    Za linearan vremenski nepromjenjiv sustav (LTI)

    dan sa d2 x/dt2 + adx/dt+bx = 0 svojstvene vr.

    (korjeni karakteristične jednadžbe) su dani sa:

    Ovisno o karakteru korjena moguće je 6 tipovasingularnih točaka:

    Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 4

    2

    1,2( )2 2

    a a x t b

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    2/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 2

    Ovisno o poziciji korjena, 6 tipova singularnih

    točaka (ponašanja trajektorije) je moguće:

    Ovisno o poziciji korjena, 6 tipova singularnih

    točaka (ponašanja trajektorije) je moguće:

    Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 5

    centar ( x1,2=±jω),

    stabilan fokus ( x1,2 = - ± jω; σ  > 0),

    stabilan čvor ( x1 = 1 ; x2 = 2 ; σ 1,2< 0),

    nestabilan fokus ( x1,2 =  ± jω; σ > 0),

    nestabilan čvor ( x1 = 1 ; x2 = 2 ; σ  1,2 > 0),

    sedlo ( x1 = 1 ; x2 = 2 ; σ  1< 0 ; σ 2 > 0), .

    Singularne točke – LTI sustavSingularne točke – LTI sustav

    Priroda singularnih točaka Priroda singularnih točaka

    2

    Pokazuje se da se trajektorije ponašaju na isti način u okol ini

    ranotežne točke. Ako se razmatra , . x Ax x R

    1Tada je   Mz A Mz z M A Mz

    11

    2

    0

    0 0r 

    k  M AM J ili ili

    λ λ α β

    λ   λ β α

       

    (a) 1 2 0 & realniλ λ 1

    2

    2

    1

    2

    1

    1 1 1 1 10

    2 2 2 2 20

    2 1

    20

    10

      ( )

      ( )

    ( )

     z z z t z e

     z z z t z e

     z cz

     zc

     z

    λ

    λ

    λ

    λ

    λ

    λ

    λ

    λ

    stabilančvor 

    2 2Uvede li se uz det M 0 x Mz gdje M R

     

    2 1 0λ λ

    Te je

    gdje

    Fazni portreti – LTI sustavFazni portreti – LTI sustav

    1 2, 0λ λ   1 2, 0λ λ  

    2 10 : sedloλ λ

    stabilančvor  nestabilan čvor 

    Fazni portreti (nastavak)Fazni portreti (nastavak)

    (b) 1 2 0 & re a ln iλ λ

    1 2kada 0,k z cz

     jedna ili obje sv.vrijednosti su nula ravnotežni potprostor 

    0λ  0λ 

    0λ  0λ 

     

      

     

    20

    2

    20

    1021 ln,0

     z

     zk 

     z

     z z zk 

    λ

    1 1 2

    1 10 20 2 20

    2 2

    ( ) ( ), ( )t t 

     z z kz z t e z kz t z t z e

     z z

    λ λλ

    λ

       

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    3/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 3

    Fazni portreti (nastavak)Fazni portreti (nastavak)

    (c) 1,2   jλ α β

    1 1 2

    2 1 2

     z z z z z z

    α ββ α

       

    2 2

    1 2

    1 2

    1

    tan

    r z z z

     zθ

     

     

    r r αθ β

    0

    0

    ( )

    ( )

    t r t r e

    t t 

    α

    θ θ β

    0α  0α  0α 

    Let

    stabilanfokus nestabilanfokus centar 

    Sustavi drugog redaSustavi drugog reda

    ),(

    ),(

     y xgdt 

    dy

     y x f dt 

    dx

    Dvodimenzijalni LTI sustaviDvodimenzijalni LTI sustavi

     y

     x

    b

    c

    a

    dycx y

    byax x

    x

    xx

    ,A

    A

    Primjer: OscilatorPrimjer: Oscilator

    0

     f ma

    kx ma mx

    mx kx

    m k 

     xm

    k v

    v x

     xv

    v x

    m

    k 2

    2

    ωω

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    4/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 4

    Oscilator: Fazna ravnina (1)Oscilator: Fazna ravnina (1)

     xv

    v x

    Fazni portret

    Fiksna točka

    Zatvorena putanja

    Trajektorija

    Oscilator: Fazna ravnina (2)Oscilator: Fazna ravnina (2)

    X=0

    (a)

    (b)

    (c)

    (d)

    (a)

    (b)

    (c)

    (d)

    Primjer: Kanonički sustavPrimjer: Kanonički sustav

    at 

    e yt  y

    e xt  x

     y y

    ax x

     y

     xa

     y

     x

    a

    0

    0

    )(

    )(

    .1

    0

    0

    1

    0

    0A

    A

    xx

    Simetrični čvor (Zvijezda):Simetrični čvor (Zvijezda):

    a = -1a = -1

    at 

    e yt  y

    e xt  x

    0

    0

    )(

    )(

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    5/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 5

    Stabilan čvor:Stabilan čvor:

    a < -1a < -1

    at 

    e yt  y

    e xt  x

    0

    0

    )(

    )(

    -1 < a < 0  

    at 

    e yt  y

    e xt  x

    0

    0

    )(

    )(

    Linija fiksiranih točaka:Linija fiksiranih točaka:

    a = 0 a = 0 

    at 

    e yt  y

    e xt  x

    0

    0

    )(

    )(

    Sedlo:Sedlo:

    a > 0a > 0

    at 

    e yt  y

    e xt  x

    0

    0

    )(

    )(

    Stabilan Manifold/Kolektor

    Nestabilan Manifold

    Opća analiza linearnih sustava (1)Opća analiza linearnih sustava (1)

    U svim slučajevima trajektorije koje započinju na x ili y osi ostaju natim osima zauvijek. Fiksirane točke su točke u presjecištu ovih osiju.

    U svim slučajevima trajektorije koje započinju na x ili y osi ostaju natim osima zauvijek. Fiksirane točke su točke u presjecištu ovih osiju.

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    6/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 6

    Opća analiza linearnih sustava (1)Opća analiza linearnih sustava (1)

    Trajektorije se mogu općenito dobiti iz: Trajektorije se mogu općenito dobiti iz:

    A

    A ,

    želimo izraziti rješenja u formi: 0

    A A A

    :svojstvene vr. od A (dinamika promjene)

    :svojstveni vektori od A (smjer promjene)

    t t 

    a b x

    c d y

    (t) e

    e e

    λ

    λ λλ λ

    λ

    x x

    x

    x v , v

    x x v v v v

    v

    2

    2

    2

    1

    Karakteristična jednadžba iz koje se mogu dobiti sv. vrijednosti: det(A-λI) 0

    λ A det 0λ 

    0

    λ ( )λ 0

    ( )λ λ 0

    det( )

    4λ 

    a b a bc d c d  

    (a   λ)(d λ)-bc

    a d (ad - bc)

    a d trag A

    ad bc A

    ττ

    τ τ

     

    2

    1

    4, λ 

    2 2

    τ τ

    Opća analiza linearnih sustava (2)Opća analiza linearnih sustava (2)

    1

    1 2

    1 1

    1

    za svaku sv. vrijednost ( , ) postoji sv.vektor takav da:

    A , A

    Kada su sv. vrijednosti poznate sv. vektori se mogu lako izračunati

    Opće rješenje za sustav je oblika:

    x(t) c   eλ

    λ λ

    λ λ

    1 1 2 2v v v v

    2

    1 2 2cv e vλ

    Opća analiza linearnih sustava (3)Opća analiza linearnih sustava (3) Primjer:Primjer:

    2

    1 2

    1

    1 1

    2

    2 2

    2

    1 1

    2 2

    4 2

    1 1  .

    4 2

    λ λ-6 0

    2 , 3

    A

    za λ :

    1 1 1  2 0

    4 2 1

    za λ :

    1 1  3

    4 2

     x x y

     y x y

     x x

     y y

    v vv v

    v v

    v v

    v v

    λ λ

    λ

    1 1

    v v

    v

    2

    14 0

    4v v

       

    1 2v

    Svojstveni vektori:

    y

    x

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    7/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 7

    Primjer:Primjer:

    2 1kada 0:λ λ

    y

    x

    Brzi svojstveni smjer Spori svojstveni smjer 

    Primjer:Primjer:

    2 1kada 0:λ λ

    y

    x

    Kompleksne sv. vrijednosti (1)Kompleksne sv. vrijednosti (1)

    2

    2

    1,2

    2

    1 2

    2

    1,2

    λ λ 0

    ( )

    det( )

    τ 4Δ

    2

    Ako τ 4Δ 0 ta da su λ i λ kon jugi ra no-kompleksne veličine:τ 4Δ

      1, ,2 2

    (t) sadrži modove

      (cos

    (α iω)t 

    (α iω)t αt  

    a d trag A

    ad bc A

    i i

    e

    e e t i

    τ

    τ

    τλ

    τλ α ω α ω

    ω

    x

    sin )

    Prema tome sustav ima oscilatorno ponašanje

    t ω

    ω

    πα

    ωω

    ωτ

    αωαλ

    2periodomsnoscilatorasustav jetada0ako

    )sin(cos

    članovesadrži(t)

    2

    4Δτ,

    2,1

    2

    2,1

    t it ee

    e

    ii

    αt iωω)(α

    iωω)(αx

    Centar 

    Kompleksne sv. vrijednosti (2)Kompleksne sv. vrijednosti (2)

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    8/14

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    9/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 9

    1-33

    NTI Sustav drugog reda -

    izokline

    NTI Sustav drugog reda -

    izokline

    Izokline

    Skup svih trajektorija na ravnini → Fazni portret

    Treba zapaziti da je nagib trajektorije na bilo kojoj točkix dana sa: S(x) = f 2(x1 ,x2)/f 1(x1 ,x2)

    Izokline

    Skup svih trajektorija na ravnini → Fazni portret

    Treba zapaziti da je nagib trajektorije na bilo kojoj točkix dana sa: S(x) = f 2(x1 ,x2)/f 1(x1 ,x2)

    1 1 1 2

    2 2 1 2

    ( ) ( ) , ( )

    ( ) ( ) , ( )

    :

    i

    i

     x t f x t x t 

     x R x t f x t x t 

     f R R R

     

     

    2 2

    glatka funkcija

    ( ) : smjer trajektorije na svakom f x R R x

    1 x

    2 x

    ( ) f x

    Zove se “vektorsko polje”

    Izokline (nastavak)Izokline (nastavak)

    S(x) = c prema tome definira krivulju (izoklinu) u

    prostoru stanja duž koje trajektorije imaju nagib c.

    Izoklina je geometrijsko mjesto točaka sa istim

    konstantnim nagibom tangente na faznu

    trajektoriju.

    Crtanje fazne trajektorije metodom izoklina

    olakšava skiciranje faznih trajektorija.

    Jednadžba izokline dobije se uvrštavanjem

    konstantnog iznosa u diferencijalnu jednadžbu

    sustava dy(t)/dt = S(x) = c = konstantno

    S(x) = c prema tome definira krivulju (izoklinu) u

    prostoru stanja duž koje trajektorije imaju nagib c.

    Izoklina je geometrijsko mjesto točaka sa istim

    konstantnim nagibom tangente na faznu

    trajektoriju.

    Crtanje fazne trajektorije metodom izoklina

    olakšava skiciranje faznih trajektorija.

    Jednadžba izokline dobije se uvrštavanjem

    konstantnog iznosa u diferencijalnu jednadžbu

    sustava dy(t)/dt = S(x) = c = konstantno

    Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 34

    1-35

    Izokline (nastavak)Izokline (nastavak)

    Krivulja c naziva se izoklina: kada trajektorija prolazi kroz izoklinu ona ju prolazi pod nagibom c, povezivanjemizoklina moguće je dobiti rješenje.

    Primjer:

    1 2

    2 1

    1

    2

    2 1

    ( ) ( )

    ( ) sin ( )

    sin ( )( )

    ( )

    1( ) sin ( )

     x t x t 

     x t x t 

     x t S x c

     x t 

     x t x t c

    2

    1

    2 1

    0

    0 0

    14sin

    4

    c x

    c x

    c x x

    Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 36

    Primjer: 2

    2

    2

    2

    ( ) ( ) 0

    ( ) ( )

    ( ) ( ) 0 :

    ( )( ) ( )

    0( )( ) ( )

    ( ) ( )

    ( ) ( )

     x t x t 

     y t x t 

     y t x t y x

    dy t 

     y t x t dt 

    dx t  x t y t dt 

    dy t x t  

    dx t y t  

    ω

    ω

    ω

    ω

    Nagib tangente u svakoj točki izoklinena faznu trajektoriju je konstantan:

    tgα = dy/dx = c = konst.

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    10/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 10

    Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 37

    Jednadžba izokline je:2

    2

    ( )

    ( ):

    1( ) ( )

     x t c

     y t odnosno

     y t x t c

    ω

    ω

    Za različite iznose konstante c dobiti će se familija izoklina.U našem slučaju izokline su pravci kroz ishodište

    koordinatnog sustava (fazne ravnine).

    Crtanje fazne trajektorijeCrtanje fazne trajektorije

    Postoje dva načina

    Prvi način: iz početne točke A (početnog uvjeta) povuci

    pravac pod srednjim nagibom c12 = 0.5(c1+c2  ) - odredi

    kut pravca α12 = arctg c12

    Postoje dva načina

    Prvi način: iz početne točke A (početnog uvjeta) povuci

    pravac pod srednjim nagibom c12 = 0.5(c1+c2  ) - odredi

    kut pravca α12 = arctg c12

    Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 38

    α12

     A

    B

    c1

    c2

     x

     y Tamo gdje povučeni pravacsiječe izoklinu nalazi se

    sljedeća točka (B) fazne

    trajektorije.

    Slobodnom rukom skiciratitrajektoriju od A do B.

    Drugi način:

    Iz početne točke (A) povuče se pravac pod kutem

    (tangente fazne trajektorije) s nagibom α1= arctgc1.

    Između izoklina c1 i c2 povuci pravac OD. Presjecište

    pravca povučenog iz točke A i pravca OD predstavlja

    pomoćnu točku B. Kroz ovu točku B povuci pravac snagibom tangente na faznu trajektoriju α

    2

    = arctgc2 

    .

    Presjecište tog pravca s izoklinom c2 daje točku C

    kroz koju će proći trajektorija. Nagib fazne

    trajektorije u točki A je α1 a u točki C je α2.

    Drugi način:

    Iz početne točke (A) povuče se pravac pod kutem

    (tangente fazne trajektorije) s nagibom α1= arctgc1.

    Između izoklina c1 i c2 povuci pravac OD. Presjecište

    pravca povučenog iz točke A i pravca OD predstavlja

    pomoćnu točku B. Kroz ovu točku B povuci pravac snagibom tangente na faznu trajektoriju α

    2

    = arctgc2 

    .

    Presjecište tog pravca s izoklinom c2 daje točku C

    kroz koju će proći trajektorija. Nagib fazne

    trajektorije u točki A je α1 a u točki C je α2.

    Kolegij: Nelinearni sustavi upravljanja 39

    Dinamika NTI sustava drugog reda

    (kontinuirani sustav)

    Dinamika NTI sustava drugog reda

    (kontinuirani sustav)

    Harmonički linearni oscilator (njihalo)

    Fazni portret

    Njihalo s prigušenjem

    Nelinearno njihalo

    Prinudne oscilacije

    Harmonički linearni oscilator (njihalo)

    Fazni portret

    Njihalo s prigušenjem

    Nelinearno njihalo

    Prinudne oscilacije

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    11/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 11

    Oscilatoran LTI

    sustav

    Oscilatoran LTI

    sustav

    2

    2

    d xm kx

    dt 

    2

    2

    1d qq

     LC dt 

    2

    2

    d g

     Ldt 

    θθ

    22

    2

    d x x

    dt ω

    Fazni portret LTI sustava zaFazni portret LTI sustava za

    0 1

    0

     x xd k 

    v vdt m

    dxv

    dt 

    dv k  x

    dt m

    2

    2

    d xm kx

    dt 

    Ravnotežno stanje (točka):

    0 0, 0dx dv

     x vdt dt  

    Klasifikacija po sv. vrijednostima:

    20

    mλ  

    -5 0 5-5

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    y(2) vs y(1)

    y(1)

          y        (        2        )

    Sustav:

    Prigušene oscilacije LTI sustavaPrigušene oscilacije LTI sustava

    2

    2

    d x dxm kx b

    dt dt 

    0 1

     / / 

     x xd 

    v k m b m vdt 

    2 0m b k λ λ

    Sustav:

    Klasifikacija prema sv. vrijednostima:

    2 4

    2 2

    b b mk  

    m mλ

     

    -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2

    -1.5

    -1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    1.5

    2DampedPendulum

    x

          y

    Nelinearno njihalo

    (Nelinearni oscilator)

    Nelinearno njihalo

    (Nelinearni oscilator)

    2

    2sin

    d x g x

     Ldt 

    -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-5

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    5vvs x

    x

          v

    •Integrabilan Hamiltonski sustav

    •Separatrisa

    •Perturbacije – isprepletena stabilna/nestabilna područja

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    12/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 12

    Prigušeno nelinearno njihaloPrigušeno nelinearno njihalo

    -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-5

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    5vvs x

    x

          v

    -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-5

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    5vvs x

    x

    Bez prigušenja Sa prigušenjem

    Prinudne oscilacijePrinudne oscilacije2

    2cos 2

    d xm kx A ft  

    dt π

    0 1 0

     / 0 cos 2

     x xd 

    v k m v A ft  dt    π

    Sustav:

    Rezonancija

    Fazni portret – prinudne

    oscilacije nelinearnog njihala

    Fazni portret – prinudne

    oscilacije nelinearnog njihala

    -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-5

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    vvs x

    x

          v

    -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-5

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    5vvs x

    x

          v

    Bez prigušenja Sa prigušenjem1-48

    LinearizacijaLinearizacija

    Linearizacija Linearizacija ( ) x f x1

    Pretpostavlja se da su rješenja , .k 

    e e x x

    Nelinearansustav može se prikazati s više linearnihsustava od kojih svaki

    vrijedi u malom okolišu oko x ei upotrebom linearizacije.

    Pretpostavlja se da je f(x) ;  x Є  Rn kontinuirano derivabilna funkcija,

     Ako se odabere jedno ravnotežno stanje, recimo xei

    te uvede supstitucija:i i

    e e z x x x z x

    Tada ( ) ( ) . . ( )ie

    i i

    e e

     x x

     f  z f z x f x z HOT z

     x

    1 1

    1

    1

    n

    n n

    n

     f f 

     x x f 

     x f f 

     x x

       

    = 0  

    gdje

    Ra zmatra se ( ) 0.e f x  

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    13/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 13

    1-49

    Linearizacija (nastavak)Linearizacija (nastavak)

    Razmatra li se dovoljno mala kugla Br Є Rn oko x e

    i

    { : }n ii e

     B x R x x   ε

    Linearizacija dx/dt = f(x) oko x ei definirana je sa:

    ( ) ( )

    g d j e j eie

    i

    i

     x x

     z t A z t 

     f  A

     x

    Primjer:

    1 2

    2 1 2

    ( ) ( )

    ( ) sin ( ) ( )

     x t x t 

     x t a x t bx t 

     

     

    1 20

    ,0 0

    e e x xπ

    1

    0 1

    cos

     f 

    a x b x

     

    1

    0 1, A

    a b

    2

    0 1 A

    a b

    1-50

    Linearizacija (nastavak)Linearizacija (nastavak)

    1 2

    2 1 2

    1

    ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )unutar

     z t z t 

     z t az t bz t  B

    1 2

    2 1 2

    2

    ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )unutar

     z t z t 

     z t az t bz t  B

    1 2

    2 1 2

    ( ) ( )

    ( ) sin ( ) ( )

     x t x t 

     x t a x t bx t 

    π   π

    2 B2 B1 B

    Tada su dvije linearizacije:

    Nelinearan sustav – singularitetiNelinearan sustav – singulariteti

    Nelinearan sustav Nelinearan sustav

    1 1 1 2

    2 2 1 2

    ( , )

    ( , )

     x f x x

     x f x x

     

     

    ( ) 0 lin earizacija ( )e e f x z A x z

    Pretpostavimo da priroda singularne točke kod linearnog sustava može poprimitirazne forme: [ vor, fokus, centar, sedlo]α 

    Kakva je priroda singularne točke nelinearnog sustava?

    Odgovor: Ista, osim za centar. Naime, centar kod linearnog sustava razlikuje seod centra kod nelinearnog sustava. Centar kod linearnog sustava ima pravilnuformu (kružnica ili elipsa) dok kod nelinearnog sustava singularna točka tipacentar predstavlja zatvorenu konturu – granični krug (limit cycle). Kod linearnogsustava govorimo o rubu stabilnosti ( oscilacijama konstantne apmplitude ifrekvencije), dok kod nelinearnog sustava govorimo o vlastitim oscilacijama(engl. Limit cycles)

    Ravnotežna točka nelinearnog sustava kod koje linearizacija ne daje svojstvenevrijednosti na imaginarnoj osi naziva se hiperbolička ravnotežna točka.

    Nelinearan sustav (nastavak)Nelinearan sustav (nastavak)

    1 2

    2 1 2

    ( ) ( )

    ( ) sin ( ) ( )

     x t x t 

     x t a x t bx t 

    11

    0 0 1stabilna

    0e x A

    a b

    2

    1

    0 1nestabilna

    0e x A

    a b

    π

    gdje je: 1, 0.5a b

    Primjer:

  • 8/18/2019 2014 2015 NSU Predavanje 04 FazniProstor

    14/14

    NSU Predavanje 4 – Fazni prostor, singulariteti

    Prof. Z. Vukić

    2014/2015 14

    Zaključak 1/2Zaključak 1/2

    Kod linearnih sustava o ponašanju se možezaključiti temeljem jedne fazne trajektorije jer su

    sve ostale slične Kod nelinearnih sustava to nije moguće

    Separatrisa – fazna trajektorija koja dijeli fazniprostor na područja različitih režima radanelinearnog sustava

     Amplituda i frekvencija periodičkih oscilacija kodnelinearnih sustava (vlastite oscilacije) ne ovisi opočetnim uvjetima već isključivo o strukturisustava

    Kod linearnih sustava o ponašanju se možezaključiti temeljem jedne fazne trajektorije jer su

    sve ostale slične Kod nelinearnih sustava to nije moguće

    Separatrisa – fazna trajektorija koja dijeli fazniprostor na područja različitih režima radanelinearnog sustava

     Amplituda i frekvencija periodičkih oscilacija kodnelinearnih sustava (vlastite oscilacije) ne ovisi opočetnim uvjetima već isključivo o strukturisustava

    53

    Zaključak 2/2Zaključak 2/2

    Kod linearnog sustava singularne točke su

    Kod nelinearnog sustava imamo singularitete: Točkasti (ravnotežni):

    Ciklički (periodički):

    Torusni (kvaziperiodički)

    Čudni (kaotični) atraktor 

    Granični krug – zatvorena trajektorija nepravilnog oblikakoja pokazuje da postoje vlastite oscilacije koje mogubiti stabilne i nestabilne

    Kod linearnog sustava singularne točke su

    Kod nelinearnog sustava imamo singularitete: Točkasti (ravnotežni):

    Ciklički (periodički):

    Torusni (kvaziperiodički)

    Čudni (kaotični) atraktor 

    Granični krug – zatvorena trajektorija nepravilnog oblikakoja pokazuje da postoje vlastite oscilacije koje mogubiti stabilne i nestabilne

    54

    [čvor, fokus, centar, sedlo]α 

    [čvor, fokus, sedlo]α

    [granični krug]α