научная статья по теме ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ УПРУГИХ ТЕЛ ПРИ ПОМОЩИ ИНТЕГРОДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СООТНОШЕНИЙ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ УПРУГИХ ТЕЛ ПРИ ПОМОЩИ ИНТЕГРОДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СООТНОШЕНИЙ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 4, с. 32-42

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

УДК 539.3

ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ УПРУГИХ ТЕЛ ПРИ ПОМОЩИ ИНТЕГРОДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СООТНОШЕНИЙ*

© 2007 г. Г. В. Костин

Москва, ИПМех РАН Поступила в редакцию 26.12.06 г.

Исследуются возможности моделирования и оптимизации движений упругих систем с распределенными параметрами. Развивается регулярный интегродифференциальный подход, сводящий широкий класс линейных начально-краевых задач к условной минимизации неотрицательных квадратичных функционалов, и предлагается критерий качества получаемых приближенных решений. Для продольных движений однородного прямолинейного упругого стержня рассмотрен случай полиномиального управления перемещением его конца. Разработан алгоритм построения оптимального управления, которое приводит систему в состояние с минимальной механической энергией в конечный момент времени. Параметры задачи подобраны так, чтобы время переходных процессов было сравнимо с интервалом, на котором исследуются движения. Проведен анализ и сравнение результатов, полученных с помощью метода интегродифференциальных соотношений для одномерной модели тонкого упругого стержня и предложенной приближенной трехмерной модели призматической балки.

Введение. Упругие свойства элементов конструкций могут оказывать существенное влияние на динамическое поведение системы в целом. Некоторые части механических конструкций с распределенными параметрами моделируются как упругие стержни с заданными жесткостными и инерционными характеристиками. Исследование динамики таких систем приводит к широкому классу начально-краевых задач, для решения которых разработано значительное количество численных методов. Одним из наиболее распространенных подходов к решению данных задач является метод разделения переменных [1]. В [2] предложен регулярный метод возмущений (метод малого параметра) для исследования динамики слабо неоднородных тонких стержней с произвольными распределенными нагрузками и различными граничными условиями. На основе классического подхода Релея-Ритца разработан численно-аналитический метод ускоренной сходимости, позволяющий получать достаточно точные значения искомых величин и функций с произвольными распределениями жесткости на изгиб и плотности вдоль стержня [3]. Для моделирования упругих систем широко применяются методы конечномерного приближения решения, сводящие краевые задачи в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, например метод декомпозиции [4].

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант < 05-01-00563) и программы "Государственная поддержка ведущих научных школ" (НШ-9831.2006.1).

Отметим ряд работ, посвященных оптимизации управления упругими системами с распределенными параметрами. Динамика управляемых движений манипулятора с упругими звеньями анализировалась в [5]. В [6-8] на основе механической модели слабого изгиба тонких прямолинейных стержней рассматривались управляемые движения нагруженного последнего звена манипулятора с учетом его инерционности и сил тяжести. Способы управления движением манипулятора с существенными упругими колебаниями руки робота предложены в [9, 10]. Исследовались также вопросы стабилизации заданной позиции упругого стержня [11]. Влияние различных типов управления на амплитуду упругих отклонений прямолинейного стержня в манипуляционной системе с электромеханическим приводом рассматривалось, например, в [12].

В данной работе развивается метод интегродифференциальных соотношений (МИДС), предложенный в [13-16], который применяется для построения оптимальных перемещений упругих систем с распределенными параметрами. На основе МИДС построены алгоритмы оптимизации динамических характеристик продольных движений однородного тонкого прямолинейного стержня. Проведены анализ и сравнение результатов, полученных для различных моделей стержня с помощью МИДС для полиномиальных управлений и квадратичного функционала качества.

1. Постановка задачи. Рассмотрим упругое тело, занимающее некоторую ограниченную область О с кусочно-гладкой границей у. Обычно по-

лагается, что на части границы ун определяются перемещения, на части уа - внешние нагрузки. В предлагаемом подходе на некоторой части границы уна могут задаваться смешанные компоненты векторов перемещений и нагрузок или их линейные комбинации (возможно, например, упругое закрепление на границе). При этом, ун п уст = ум п п Уна = Уа п уист = 0 и уи и уст и уИСТ = у. На тело могут действовать также известные объемные силы Г В предположении малости перемещений, скоростей и деформаций движения тела О описываются системой дифференциальных уравнений линейной теории упругости

Vs - p+ f = 0,

— Г1 ■ 0 _ 0

S = C : e = Cijkfikb

Р = P u•,

0

= 1ГdU1

(1.1) (1.2)

(1.3)

Здесь и далее а№ е0к1, нк, рк - соответственно компоненты тензоров напряжений ст и деформаций £0, векторов перемещений и и объемной плотности импульса р в некоторой декартовой системе координат х = (хх, х2, х3}; 1" - вектор-функция объемных сил; р - объемная плотность тела. Компоненты Сук1 тензора модулей упругости С обладают следующими свойствами симметрии: Сук1 = Су1к = Сщ. Точки над символом обозначают частные производные по времени, знак V = (Э/Эхь Э/Эх2, д/Эх3) -оператор градиента в пространстве координат х. Точка и двоеточие между векторами и тензорами указывают соответственно на скалярное и двойное скалярное произведение.

Ограничимся случаем, когда в каждой точке х е у, где однозначно определена нормаль к границе, краевые условия можно записать в некоторой декартовой системе координат покомпонентно в следующем виде:

акнк + Рк^к = Vк, х еУ;

2 п2 (!.4)

q = (ст- п), ак + вк = 1, к = 1, 2, 3,

где п - единичный вектор внешней нормали к границе у; ц - вектор нагрузки на единичную площадку, ортогональную нормали п. Если ак = 1 на какой-либо части границы у, то, согласно (1.4), через компоненту Vк граничной вектор-функции V задается перемещение нк, а если вк = 1, то - внешняя нагрузка дк.

В начальный момент времени t = 0 известны распределения объемной плотности импульса р и перемещений и как некоторые достаточно гладкие функции координат х

u (0, x) = u (x), p(0, x) = p0(x).

(1.5)

(1.6)

Отметим, что начальные условия (1.5), (1.6) и граничные условия (1.4) должны быть согласованы [14-16].

Компоненты граничного вектора V - либо заданные функции времени t и координат х, либо определенные на некотором классе неизвестные управления

V = V(t, х), х е у\у V; V е V, х еу V. (1.7)

Ставится задача нахождения оптимального управления v*(t, х), х е у^ обеспечивающего перемещение тела из начального состояния (1.5), (1.6) в определенное конечное множество состояний

и(tf, х) е иг, р(tf, х) е Рг (1.8)

за фиксированное время tf и доставляющего минимум заданного функционала качества на классе допустимых управлений V

J [ v ]

. min .

v е V

(1.9)

2. Метод интегродифференциальных соотношений. Для решения задачи (1.1)—(1.6) применим МИДС, описанный в [13-16], отличающийся тем, что некоторые строгие локальные соотношения линейной теории упругости выполняются в интегральном смысле. В данном случае соотношения (1.2) заменяются следующим интегральным равенством

Ф = Цф(t, x)dOdt

= 0,

0 а

(2.1)

Ф = 2[(s - s ) : (e - e ) + (Р - pu-) • (pp - u-)],

0 ^ 0 ^-1 s = C : e , e = C : s.

Здесь введены, используемые в дальнейшем, тензор напряжений s0, выраженный через производные по x от перемещений u, и тензор деформаций e, линейно зависящий от напряжений s. Заметим, что подынтегральная функция ф в (2.1) имеет размерность плотности энергии и неотрицательна. Следовательно, и соответствующий интеграл Ф неотрицателен для произвольных функций u, s и p (Ф > 0).

Предложенная интегральная формулировка (2.1) позволяет свести краевую задачу движения упругого тела (1.1)—(1.6) к вариационной. Действительно, если решение u*(t, x), G*(t, x), p*(t, x) системы (1.1), (1.3)—(1.6) и (2.1) существует, то функционал Ф достигает на этом решении своего абсолютного минимума

Ф(u*, s*, p*) = minФ(u, s, p) = 0 (2.2)

u, s, p

для произвольных функций u, s и p при удовлетворении уравнения движения (1.1), а также краевых и

начальных условий (1.4)-(1.6). В этом случае можно показать, что часть условий стационарности функционала Ф, а именно равенство нулю первых вариаций по напряжениям и плотностям импульса р, т,у = 1, 2, 3, приводит к соотношениям (1.2)

5(Ф = Ц(е - е0) : бстЖОЖ

= 0,

о а г,

(2.3)

5рФ = р 1 Ц(р - ри)5рЖОЖ

= 0.

о а

При допустимости интегрирования по частям вариации по вектору перемещений и имеют вид

5иФ = Ц(Уст0 - Уст + ри"- р^)8иЖОЖ-

о а

-Ц[(ст- ст0)•п]• 5иЖуЖ +

+

(2.4)

0 у

+

|[(р - ри)8и= 07ЖО

= 0.

N..

N

и = X и(к)Ук(г, X), ст = X ¿к\к(г, X),

к = 1

к = 1

(2.5)

р = X р(к)Ук(г, х),

к = 1

(1.1), (1.3)-(1.6), (2.1) при заданных краевых условиях у (г, х).

3. Оптимизация управляемых движений. Применение МИДС к задаче (1.1)—(1.6) дает возможность построения различных численных алгоритмов оптимизации движений, один из которых описан далее. Сначала выбирается система функций ук и фиксируются числа Ши, Ыа, Шр таким образом,

чтобы аппроксимации и, (Г, р в (2.5) могли точно удовлетворить краевые и начальные условия (1.4)-(1.6) при соответствующих коэффициентах и(п), ст(я), р(п) [14]. После этого определяется множество допустимых управлений V, для которых возможно точное выполнение граничных условий (1.4). Из этого следует, что граничный вектор V должен иметь следующую структуру:

(к)— — V (к)

у = X у Ук. Ук = х -

к = 1

X аТ' У 0.

Т = 1

(3.1)

Условие (2.4) выполняется в областях, где верны соотношения (1.2).

Для приближенного решения задачи условной минимизации функционала Ф выберем целые положительные числа Ыи, Ыр и будем искать аппроксимации п , (, р решения и*, ст*, р* в виде

где {ук(г, х), к = 1, 2, ...} - некоторая полная счетная система линейно независимых функций, а и(к), ст(к), р(к) - неизвестные вещественные коэффициенты, записанные в векторном и тензорном виде [14-16]. Базисные функции ук формируются так, чтобы аппроксимац

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком