Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Во многих важных частных случаях нелинейное дифференциальное уравнение К уравнению такого типа, как известно, принадлежит уравнение Ван-дер-Поля, а также может быть приведено уравнение Рэлея и др. После работы Льенара вопрос об установлении критериев существования и единственности предельного цикла для уравнения тиша (10.1) был предметом исследования ряда авторов. Упомянем, например, работы В. С. Иванова, Јевинсона и Смита, А. В. Драгилева. Приведем формулировку теоремы А. В. Драгилева. Введем обозначения: Тогда, если: то уравнение (10.1) имеет, по крайней мере, один предельный цикл. Вопросу о единственности предельного цикла посвящена теорема Левинсона и Смита: В таком случае уравнение (10.1) имеет предельный цикл, и притом единственный. Как нетрудно видеть, этим условиям удовлетворяет уравнение Ван-дер-Поля, а также уравнение Рэлея. Покажем, что при их выполнении уравнение (10.1) обладает единственным замкнутым циклом, который будет устойчивым. Доказательство проведем с помощью весьма наглядного и элементарного способа, приведенного в книге С. Лефшеца [24]. Положим При таких обозначениях $\frac{y^{2}}{2}$ можно интерпретировать как кинетическую энергию, причем заметим, что введенную выше функцию $G(x)$ можно интерпретировать как потенциальную энергию. Определим теперь энергию, рассеиваемую системой при колебаниях, описывающихся уравнением (10.1). Имеем: или, принимая во внимание (10.1) и обозначения (10.2) и (10.3), находим после сокращения на $d t$ : Таким образом, энергия, рассеянная системой, будет выражаться величиной интеграла $\int F(x) d y$, взятого вдоль интегральной кривой. Переходя к переменным $x, y$, из уравнения (10.1) получим эквивалентную ему систему: Таким образом, нам надо показать, что система (10.5) обладает единственным устойчивым циклом. Система уравнений (10.5) обладает следующими очевидными свойствами: Так как $g(0)=0$, то все касательные к траектории $\Gamma$ в точках, лежащих на оси $O y$ (за исключением начала координат), горизонтальны. С другой стороны, если мы рассмотрим кривую $\Delta$, уравнение которой будет $y-F(x)=0$ (рис. 59 , пунктирная линия), то нетрудно заметить, что все касательные к $\Gamma$ в точках пересечения ее с $\Delta$ вертикальны, за исключением начала координат ( так как на $\Delta y-F(x)=0$ п, следовательно, $\left.\frac{d y}{d x}=\infty\right)$. Далее, так как $g(x)$ — нечетная, $x g(x)>0$, то согласно (10.5) $y$ убывает вдоль кривой $\Gamma$ направо от оси $O y$ и возрастает налево от оси Oy. Кроме того, $x$ возрастает, когда $\Gamma$ лежит над $\Delta$ (так как в этом случае $y-F(x)>0$ ), и убывает, когда $\Gamma$ лежит ниже $\Delta$. Следовательно, кривая Г имеет вид, изображенный на рис. 59. Обозначим через $\alpha$ абсциссу точки $B$ и будем в дальнейшем аисать $\Gamma_{\alpha}$ вместо $\Gamma$. Действительно, допустим, что $O A Наоборот, предположим, что $O A=-O C$. Тогда кривая, симметричная дуге $A C$ по отношению к началу координат, является дугой цикла, соединяющей точку $A$ с точкой $C$ налево от оси $O y$. Вместе с дугой $A C$ она образует замкнутый цикл. Итак, для того чтобы $\Gamma_{\alpha}$ являлась замкнутым циклом, необходимо и достаточно, чтобы $O A=-O C$. Так как, согласно обозначениям $(10.2), \lambda(0, y)=\frac{y^{2}}{2}$, то последнее условие можно сформулировать следующим образом. Для того чтобы $\Gamma_{\alpha}$ являлась замкнутым циклом, необходимо и дотаточно, чтобы Итак, покажем, что при выполнении условий, которым удовлетворяют функции $f(x)$ и $g(x)$, выполняется равенство (10.7) и, следовательно, уравнение (10.1) обладает предельным циклом. Для доказательства будем рассматривать следующие криволинейные интегралы, взятые вдоль кривой $\Gamma$. Если $\alpha \leqslant a$ (см. рис. 59), то $d y<0$, а также согласно четвертому условию (см. стр. 134) $F(x)<0$ и, таким образом, $\varphi(\alpha)>0$, т. е. $\lambda(C)>\lambda(A)$. Следовательно, в этом случае $\Gamma_{\alpha}$ не может быть замкнутым циклом. (В этом случае $\int_{A B C} F(x) d y>0$, т. е. энергия, рассеянная системой, положительна и, очевидно, в системе не могут осуществляться незатухающие колебания.) Поэтому предположим, что $\alpha \geqslant a$, т. е. кривая $\Gamma_{\alpha}$ имеет такой вид, как на рис. 59 . Обозначим: тогда Согласно (10.4) и (10.6) мы можем написать: Так как $F(x)<0$ для $x<a$, то $d \lambda$ положительно, когда $\Gamma_{\alpha}$ описана в направлении от $A$ к $D$ или от $E$ к $C$ и, таким образом, $\varphi_{1}(\alpha)>0$. Наоборот, вдоль $D B E$ мы имеем $d \lambda<0$ и, следовательно, $\varphi_{2}(\alpha)<0$. Очевидно, что при увеличении $\alpha$ дуга $A D$ будет подниматься, а дуга $C E$ опускаться и, таким образом, для фиксированного $x$ будет увеличиваться $|y|$. Так как для $\varphi_{1}(\alpha)$ пределы интегрирования, принимая во внимание (10.9), фиксированы (от $x=0$ до $x=a$ ), то в результате увеличения $\alpha \varphi_{1}(\alpha)$ будет уменьшаться, так как $d \lambda=\frac{g(x)}{\frac{y}{|F(x)|} \pm 1} d x$ уменьшается при увеличении $y$. Проведем перпендикуляры $D_{1} D_{1}^{\prime}$ и $E_{1} E_{1}^{\prime}$ к прямой $D_{2} E_{2}{ }^{\text {t }}$ (рис. 62). Тогда Так как при этом $F(x)>0$, а $d y<0$, то По самому построению $D_{1}^{\prime}$ и $E_{1}^{\prime}$ мы видим, что $y$ меняется на кривых $D_{1} B_{1} E_{1}$ и $D_{1}^{\prime} E_{1}^{\prime}$ в одинаковых пределах (от большего значения к меньшему). С другой стороны, для данного $y$ абсцисса $x$ точки кривой $D_{1}^{\prime} E_{1}^{\prime}$ будет больше, чем для соответствуюдей точки кривой $D_{1} B_{1} E_{1}$. Поэтому для данного $y \quad F(x)$ иа $D_{1} B_{1} E_{1}$ будет меньше, чем $F(x)$ на $D_{1}^{\prime} E_{1}^{\prime}$. Следовательно, поскольку $d y<0$, и из (10.11) найдем: Таким образом, $\varphi(\alpha)=\varphi_{1}(a)+\varphi_{2}(\alpha)$ при $\alpha \geqslant 0$ является монотонно убывающей функцией $\alpha$. Покажем теперь, что Фиксируем для этого какое-либо $x_{1}$ так, чтобы и проведем ось $P P^{\prime}$ параллельно оси $O y$ через точку $x_{1}$ на оси $O x$ (рис. 59). Но для дуги $P B P_{1}$ имеем $x \geqslant x_{1}$ и, следовательно, Найдем поэтому откуда Но ясно, что отрезки $\overline{K P}$ и $\overline{K L}$ могут быть взяты сколь угодно большими при достаточно больших $\alpha$. Итак, действительно, Таким образом, мы показали, что $\varphi(\alpha)$ является монотонно убывающей функцией от значений $\varphi(\alpha)>0$ до $\varphi(\alpha)=-\infty$ при $\alpha \rightarrow \infty$. Следовательно, $\varphi(\alpha)$ обращается в нуль один и только один раз для $\alpha=\alpha_{0}$, а $\Gamma_{\alpha_{0}}$ будет искомая единственная замкнутая характеристика, так как для нее выполняется условие (10.7). Перейдем теперь к изложению метода фактического построения интегральных криРис. 63. вых на фазовой плоскости. Метод графического интегрирования уравнений типа (10.16), предложенный Јьенаром, состоит в следующем. На фазовой плоскости строим кривую $\Delta$, уравнение которой а вдоль оси абсцисс на отрезок Так как треугольники $N D M$ и $M C^{\prime} M^{\prime}$ подобны, то и, следовательно, $\overline{M^{\prime} M} \perp \bar{M}$. Во многих случаях для преобразования уравнения (10.1) вместо замены переменных (10.3) удобно произвести замену согласно формуле и рассматривать уравнение в виде или, обозначая $\frac{d x_{1}}{d t}=y$ и исключая время $t$, В этом случае уравнение вспомогательной кривой будет: на фазовой плоскости мы\»получаем построение, приведеннсе на рис. 64. Опуская из точки $M$ перпендикуляры на оси абсцисс $\overline{M m}$ и ординат $\overline{M C}$, а также опуская перпендикуляр из точки $D$ на ось абсцисс, находим согласно уравнению (10.19): и, следовательно, уравнение (10.19) может быть записано в виде так как $\overline{C M}=x_{1}, \overline{C D}=-F(y)$. Если кривая $\Delta$ симметрична относительно начала координат, то построенные таким образом интегральные кривые $\Gamma$ будут навиваться на замкнутые кривые — предельные циклы, соответствующие периодическому режиму, существование и устойчивость которых были доказаны выше. Заметим, что графическое построение, предложенное Льенаром, не предполагает обязательной симметрии кривой $\Delta$. Этот графический прием применим также в случае, если $\Delta$ более или менее близка к симметричной кривой, например к кривой, определяемой характеристикой неоновой лампы и т. д. При этом кривая $\Delta$ не должна обязательно изображаться каким-либо алгебраическим уравнением. Эта кривая может быть получена экспериментально; последнее очень важно с практической точки зрения. Приведем некоторые примеры, иллюстрирующие описанное графическое построение интегральных кривых. Заметим, что для некоторых частных случаев построение Льенара сразу дает интегральную кривую и необходимость в построении приближенной ломаной отпадает. Например, в случае свободных пинейных колебаний, описываемых уравнением уравнение фазовых траекторий будет: В данном случае уравнение кривой $\Delta$ будет $x=0$, и тогда точка $N$ совпадает с началом координат для всех задаваемых значений точки $D$. Следовательно, интегральными кривыми будут окружности с центром в начале координат. Если колебания системы происходят под воздействием линейной ушругой силы при наличии кулонова трения, уравнение движения может быть представлено в виде В этом случае для кривой $\Delta$ получаем следующее уравнение: Очевидно, что для интегральной кривой $\mathrm{I}^{\prime}$ в верхней полуплоскости точка $N$ совпадет с точкой $S_{1}$, а в нижней полуплоскости — с точкой $S_{2}$ (рис. 65) независимо от задаваемых, значений точки $D$. Таким образом, интегральная кривая $\Gamma$ будет состоять из дуг окружностей с центрами в точках $S_{1}$ и $S_{2}$; эти дуги переходят друг в друга при пересечении интегральной кривой с осью $O x$. При этом очевидно, что амплитуда затухающих колебаний уменьшается на величину $2 A$ при каждом Проинтегрируем теперь методом Льенара уравнение Ван-дер-Поля, причем возьмем его в виде Уравнение кривой $\Delta$ на фазовой плоскости будет: где в — некоторый параметр. образуют семейство концентрических окружностей с центром в начале координат, и тогда это уравнение будет соответствовать простым гармоническим колебаниям. При $\approx При расширении каждой спирали ее последовательные витки все более и более сближаются друг с другом и все спирали асимптотически навиваются изнутри на замкнутую кривую — предельный цикл. На этот предельный цикл будут навиваться как спирали, близкие к началу координат, так и спирали, удаленные от начала. Замкнутая интегральная кривая — предельный цикл, к которой стремятся все интегральные кривые уравнения (10.29), соответствует периодическому репению уравнения (10.27). Заметим, что замкнутый цикл содержит внутри одну особую точку с индексом +1 , причем для $\varepsilon=0,1$ и $\approx=1,0$ эта точка является неустойчивым фокусом, для $\varepsilon=10$ мы имеем неустойчивый узел. Исходя из рис. 67, можно судить о том, как изменяется характер движения в системе при изменении параметра $\varepsilon$. При любых в в системе щроисходят автоколебания, но размах и форма этих автоколебаний и характер их установления различны. На рис. 68 для сопоставления приведены нами результаты численного интегрирования непосредственно уравнения (10.29) соответственно при тех же значениях параметра $\varepsilon$, а также кривые, характеризующие непосредственно изменение $x$ со временем (рис. 69). Однако на этом методе мы здесь не будем останавливаться, отсылая интересующихся к соответствующей специальной литературе.
|
1 |
Оглавление
|