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通讯作者:

解加芳,E-mail:jia3409457@126.com

中图分类号:O316

文献标识码:A

文章编号:1672-6553-2024-22(1)-022-005

DOI:10.6052/1672-6553-2023-015

参考文献 1
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参考文献 2
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参考文献 3
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参考文献 4
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参考文献 6
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参考文献 10
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参考文献 11
梅凤翔,史荣昌,张永发,等.Birkhoff系统动力学.北京:北京理工大学出版,1996.MEI F X,SHI R C,ZHANG Y F,et al.Dynamics of Birkhoff systems [J].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,1996.(in Chinese)
参考文献 12
宋端,崔金超,刘世兴,等.高阶非完整系统的广义Birkhoff表示 [J].动力学与控制学报,2013,11(2):97-101.SONG D,CUI J C,LIU S X,et al.Generalized birkhoffian representation of high-order nonholonomic systems [J].Journal of Dynamics and Control,2013,11(2):97-101.(in Chinese)
参考文献 13
郭永新.非完整约束力学的几何结构研究 [D].北京:北京理工大学,1996.GUO Y X.Studies of geometric frameworks for constrained mechanical systems [D].Beijing:Beijing Institute of Technology,1996.(in Chinese)
目录contents

    摘要

    针对非完整系统的高阶Maggi方程,在满足一定的条件时,可以对其进行Birkhoff化.通过构造生成函数,利用Birkhoff广义辛算法对其进行数值仿真.仿真结果和传统的Runge-Kutta算法结果相比较,Birkhoff广义辛算法在长期跟踪后更加准确.

    Abstract

    For the high-order Maggi equation of nonholonomic systems, when it meets certain conditions,the Maggi equation can be transformed into a Birkhoffian system.By constructing the generating function, the system is investigated numerically using the symplectic geometric algorithm of the Birkhoffian system.Compared with the above-mentioned algorithm with the classical Runge-Kutta method, Birkhoffian symplectic scheme is very accurate in a long-term tracing.

  • 引言

  • 非完整系统是一类受到不可积微分约束的动力学系统[1],广泛应用于场论、机电动力系统、控制理论、工程科学等领域[2].20世纪80年代我国学者梅凤翔研究了带参数约束的一类可控系统[3]、变质量非完整约束系统.Maggi在1896年推广了拉格朗日第二类方程[4],对线性非完整约束系统得到一类动力学方程,后人称为Maggi方程[5],这些方程后来被推广到非线性非完整系统[6].Maggi方程是力学系统[7]各大运动方程的中间产物,对研究非完整系统的运动具有重要意义.

  • Birkhoff动力学理论是Hamilton动力学的自然推广,它是包括齐次Hamilton系统和非齐次Hamilton系统的更一般动力学理论,是最一般辛结构的局部实现,只有Birkhoff系统与一般辛几何结构之间才有一一对应关系.因此 Birkhoff 系统动力学[8]的研究对于完善和深化分析力学的理论体系具有重要意义,尤其是对于非齐次 Hamilton 动力学系统的几何结构分析具有重要应用价值[9].本文针对非完整系统高阶Maggi方程,在其满足一定条件下,将其进行Birkhoff化。并通过一个算例验证上述理论分析的正确性,再分别采用Runge-Kutta方法和Birkhoff辛算法对其进行数值计算[10],并将数值结果进行比较,给出Birkhoff辛算法在长时计算时的优越性.

  • 1 高阶非完整系统Maggi方程的Birkhoff化

  • 设力学系统的位形由n个广义坐标qss=1,···,n)确定,系统受有g个理想m阶非完整约束[11]

  • q(m)ε+β=φβqs,q˙s,,qs(m-1),qσ(m),t
    (1)
  • 其中

  • (β=1, , g; ε=n-g; σ=1, , ε; s=1, , n; m=0, 1, 2, )

  • 根据d’Alembert-Lagrange原理可以导出Maggi形式为:

  • ddtTq˙σ-Tqσ-Qσ+β=1g ddtTq˙ε+β-Tqε+β-Qε+βφβφqσqσ=0(σ=1,,ε)
    (2)
  • 式中Qσ为广义力,T为系统动能.

  • fsqk,q˙k,q¨k,t=ddtTq˙s-Tqs-Qsaβσqs,q˙s,,qs(m-1),q(m)ν,t=φβqσ(m)(ν=1,,ε;k=1,,n)
    (3)
  • 则方程(2)有形式

  • β=1g fε+βaβσ+fσ=0
    (4)
  • m=2时,方程(1)是二阶非完整的. 如果φβq¨σ不含q¨s,则方程(4)对q¨s是线性的,否则是非线性的.由式(4)可以解得

  • q¨s=hsqk,q˙k,t(s,k=1,,n)
    (5)
  • 约束对初始条件的限制为:

  • q¨ε+β0=φβqs0,q˙s0,q¨s0,t0(β=1,,g)
    (6)
  • m>2时,依赖于φβqσm的形式,方程(4)的阶可由2ε.如果广义坐标对时间t的高阶导数是l(0≤l≤m),那么将方程(4)对t求(m-2)次导数(l≤2)或(m-l)次导数(l≥2),其阶将变成,由所得方程可以解得[12]

  • q(m)s=hsqk,q˙k,,qk(m-1),t(m>2)
    (7)
  • 约束对初始条件的限制为:

  • q(m)0ε+β=φβqs0,,q(m)0s,t0(β=1,,g)
    (8)
  • 将式(7)化为标准一阶形式,令

  • xs=qs,xn+s=q˙s,,x(m-1)n+s=qs(m-1)(s=1,,n)
    (9)
  • 则式(7)可以写成形式

  • a˙ν=σν(ν=1,2,,mn)
    (10)
  • 其中

  • aν=xν,σs=xn+s,,σ(m-2)n+s=x(m-1)n+s,σ(m-1)n+s=hs(s=1,,n)
    (11)
  • 为将式(10)表为Birkhoff形式,其阶必为偶数[9],即mn=2N,如果mn为奇数2N-1,可增加一个方程

  • a˙0=1a0=t
    (12)
  • 使其成为偶阶.从而,要使高阶非完整系统的Maggi方程可表示成Birkhoff形式

  • ν=12N Rνaμ-Rμaνa˙ν-Baμ+Rμt=0(μ=1,,2N)
    (13)
  • 即要求满足

  • ν=12N Rνaμ-Rμaνσν(t,a)=Baμ+Rμt(μ=1,,2N)
    (14)
  • 设式(10)的2n个第一积分Iμta)彼此无关,即

  • I˙μ(t,a)=Iμt+Iμaνa˙ν=Iμt+Iμaνσν=0(μ=1,,2n)
    (15)
  • detIμaν0
    (16)
  • 根据Hojman方法,则式(14)的Birkhoff函数组Rμ由下式确定

  • Rμ(t,a)=α=12n GαIαaμ
    (17)
  • Birkhoff量B为:

  • B(t,a)=-α=12n GαIαt
    (18)
  • 其中Gα需满足条件

  • detGμIν-GνIμ0
    (19)
  • 2 Maggi方程的广义辛差分格式

  • 根据Birkhoff系统的对称性,一个协变的非自治的一阶方程在流形R×T*R2n的某一星形区域R~*上是对称的充要条件是,它具有Birkhoff形式,即

  • ν=12N Kμν(z,t)dzvdt+Dμ(z,t)=ν=12N Rνaμ-Rμaνa˙ν-Baμ+Rμt(μ=1,,2N)
    (20)
  • 其中

  • Kμν(z,t)=Rνaμ-RμaνDμ(z,t)=-Baμ+Rμtdzvdt=a˙ν
    (21)
  • 假定方程组(20)的一种离散可以记为:

  • Kzi,titizi=zSzi,tii+tRzi,tii
    (22)
  • ti代表t在第i点的离散,此离散决定一个离散的相流zi+1=Φziti).

  • 式(22)称为式(20)的一个离散格式,如果它决定的格式Φ保持离散的Kzt)辛格式,即

  • ΦTziKzi+1,ti+1Φzi=Kzi,ti
    (23)
  • 假设KμνDμ由式(17),式(18)和式(21)确定.此时根据秦孟兆,苏红玲等人的方法尝试构造此方程的广义辛算法.存在一个含有t参数的梯度映射ω^=fωtt0),并可以得到

  • dω^dt=-AαK-1Dμ+α1t
    (24)
  • 以及

  • dωdt=-CαK-1Dμ+α2t
    (25)
  • 其中ωω^α1α2AαCαR4n上到自身的可逆映射及其映射的Jacobi矩阵得到.

  • 此映射为:

  • αt,t0:(z~z)(ω~ω)=α1z~,z,t,t0α2z~,z,t,t0
    (26)
  • 式(26)的Jacobi矩阵为:

  • α*z~,z,t,t0=Aα BαCα Dα
    (27)
  • 映射α要满足

  • α*TJ~4nα*=K(z~,t)00-Kz,t0
    (28)
  • 其中

  • J~4n=J2n00-J2nJ2n=0In-In0

  • Kz无关时,根据式(27)和式(28)可以得到

  • AαTJ2nAα-CαTJ2nCα=K(t)AαTJ2nBα-CαTJ2nDα=0BαTJ2nCα-DαTJ2nCα=0BαTJ2nBα-DαTJ2nDα=Kt0
    (29)
  • 且需满足下面的截面条件

  • CαM+Dα0

  • Bα=Cα=0,则式(29)可成

  • AαTJ2nAα=K(t)-DαTJ2nDα=Kt0
    (30)
  • Aα=m1 m2m3 m4Kt=k1 k2k3 k4,考虑到Kt)为反对称矩阵,则k2=-kT3,并且k1k4两个子矩阵也为反对称矩阵.

  • 由式(30)可以得到

  • -m1Tm3T+m1Tm3-m3Tm2+m1Tm4-m4Tm1+m2Tm3-m2Tm4T+m2Tm4=k1k2k3k4
    (31)
  • 由于Kt)已经被式(17)和式(21)确定,可以求出Aα.同理可得Dα.因此ωω^α1α2BαCα都能给出.

  • 生成函数φωtt0)=αtt0),可以构造广义Birkhoff辛差分格式.当步长τ>0足够小的时候,取

  • ψω(m)ω,t0+τ,t0=i=0m τiϕω(i)ω,t0,(m=1,2,)
    (32)
  • 那么ψωmωt0+τt0就定义了一个有m阶精度的Kzt)辛离散格式,使得

  • z=zkzk+1=z~α1zk+1,zk,tk+1,tk=ψw(m)α2zk+1,zk,tk+1,tk,tk+1,tk
    (33)
  • 3 算例

  • 假设某一力学系统的位形由2个广义坐标q1q2确定,其系统动能为

  • T=12q˙12+q˙22
    (34)
  • 且该系统受到1个2阶非完整约束:

  • q¨2=2q˙1-tq¨1
    (35)
  • 为了计算简便,取广义力Q1=0,Q2=4q˙1,则由式(2)给出该系统的Maggi方程为:

  • 1+t2q¨1+2tq˙1=0
    (36)
  • 显然式(36)有解:

  • q1=1-arctan (t) q2=-3tarctan (t) +2lnt2+1+t

  • 由此可以构造Birkhoff函数RμB如下[11]

  • R1=I4=a2-ta4+t2t2+1-2lnt2+1

  • R2=0R3=I2-tI4=a4+3arctan (t) -tt2+1-ta2-ta4+t2t2+12lnt2+1R4=0

  • B=-2t21+t22a2+2lnt2+1-t2t2+1a3-2t3+2t1+t22a4-a2a3+ta3a4-4t21+t22ln1+t2-6t1+t22+2t4+2t21+t23

  • 从而将该系统的Maggi方程可以Birkhoff化:

  • 0-10t10-t00t0-1-t2-t01+t20-1t2+1-3arctan (t) +tt2+1+12t1+t22-4t2+21+t22=3arctan (t) -5t3+3tt2+12-12t2t2+12-3tarctan (t) +5t2+2t2+1+t3tt2+1

  • 结合式(24)和式(25),我们可以确定生成函数φωtt0),之后采用上述的Birkhoff广义辛算法式(32),得到此 Birkhoff 系统的二阶Kzt)离散格式[11-13].

  • 图1 二阶Runge-Kutta算法相对误差

  • Fig.1 Relative error of second order Runge-Kutta algorithm

  • 对该题采用二阶Kzt)算法和二阶Runge-Kutta算法进行计算.在计算过程中,先取如下初值:q1=1,C1=C2=1,取步长τ=0.01.并通过比较两种数值方法计算所得数值解和解析解q1=1-arctan(t)之间的相对误差来说明两种数值方法的差别.

  • 图2 Birkhoff辛算法相对误差

  • Fig.2 Relative error of Birkhoff symplectic algorithm

  • 对比图1和图2可以看出,Runge-Kutta方法在长期跟踪后与解析解有着大幅度的相对误差,而Birkhoff辛算法则相对误差非常的小.因此,Birkhoff辛算法结果更加精确.

  • 4 结论

  • 本文对一定条件下的非完整系统的高阶Maggi方程(2)先进行了Birkhoff化,得到广义Birkhoff方程(13),并针对该方程,应用Birkhoff广义辛差分格式与传统Runge-Kutta算法分别进行计算,比较两种算法,最后得出Birkhoff广义辛差分算法在求解非完整系统高阶Maggi方程中更加优越.

  • 参考文献

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