Научная статья на тему 'Об устойчивости и стабилизации механических систем с нелинейными поглотителями энергии∗)'

Об устойчивости и стабилизации механических систем с нелинейными поглотителями энергии∗) Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
130
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ / УСТОЙЧИВОСТЬ / СТАБИЛИЗАЦИЯ / ФУНКЦИИ ЛЯПУНОВА / ДЕКОМПОЗИЦИЯ / MECHANICAL SYSTEMS / STABILITY / STABILIZATION / THE LYAPUNOV FUNCTIONS / DECOMPOSITION

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Александров Александр Юрьевич, Косов Александр Аркадьевич

Рассматриваются механические системы, состоящие из базовой структуры и нелинейного поглотителя энергии, взаимодействие между которыми осуществляется посредством существенно нелинейных позиционных сил. Нелинейный характер взаимодействия обеспечивает интенсивную перекачку энергии вынужденных колебаний, создаваемых в базовой структуре внешними возмущениями, в поглотитель энергии, где колебания гасятся на демпфирующих устройствах. Для эффективной работы такого основанного на пассивном управлении способа гашения колебаний требуется обеспечить асимптотическую устойчивость равновесия в замкнутой системе. В статье с помощью метода декомпозиции определяются достаточные условия асимптотической устойчивости положения равновесия. Установлено, что во многих случаях асимптотическая устойчивость может быть выявлена путем изучения изолированных подсистем существенно меньшей размерности. Для систем с неполным измерением вектора обобщенных координатизу чаются задачи стабилизации положения равновесия за счетнели-ейной обратной связи, использующей только измеряемые координаты и дополнительные вспомогательные переменные. Эти дополнительные переменные можно рассматривать как координаты для присоединяемой механической системы, тем самым стабилизация фактически реализуется за счет присоединения нелинейного поглотителя энергии. В качестве примера приложения полученных результатов рассмотрена задача стабилизации положения равновесия трехмассовой системы с единственной измеряемой координатой. Показано, что при любых значениях параметров системы (массы грузов, жесткости пружин) можно обеспечить асимптотическую устойчивость положения равновесия за счет присоединения посредством нелинейной пружины дополнительного груза с демпфером.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Александров Александр Юрьевич, Косов Александр Аркадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

On stability and stabilization of mechanical systems with nonlinear energy sinks

Direct energy pumping phenomenon, i. e. passive irreversible transfer of mechanical energy from a linear oscillator to a nonlinear one has been studied intensively during the past decade. On the base of this phenomenon, numerous seismic mitigation devices were developed. Therefore, the important problems are those of stability analysis and stabilizing control synthesis for complex mechanical systems composed from a linear part, a nonlinear energy sink and essentially nonlinear interconnections. In the present paper, by the use of the Lyapunov direct method, the sufficient conditions of asymptotic stability of equilibrium positions for such systems are obtained. The theorems proved make it possible to study stability of an equilibrium position on the basis of decomposition of the original complex mechanical system into several isolated subsystems. For systems with incomplete measurement of a generalized coordinates vector the problems of stabilization of an equilibrium position by means of nonlinear feedback using only measured coordinates and auxiliary variables are investigated. The results obtained are applied in the problem of stabilisation of a three-mass system with a single measurible coordinate.

Текст научной работы на тему «Об устойчивости и стабилизации механических систем с нелинейными поглотителями энергии∗)»

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Сер. 10. 2011. Вып. 1

ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

УДК 531.36

А. Ю. Александров, А. А. Косов

ОБ УСТОЙЧИВОСТИ И СТАБИЛИЗАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ПОГЛОТИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ*)

1. Введение. За последнее десятилетие в работах многих авторов (см. обзор [1]) получил интенсивное развитие и продолжает совершенствоваться в настоящее время [2] подход к анализу и синтезу динамических свойств механических систем, основанный на явлении направленной перекачки энергии. Идея этого подхода заключается в следующем. В механической системе выделяется основная часть, первичная структура (Primary Structure - PS) и вспомогательная часть, нелинейный поглотитель энергии (Nonlinear Energy Sink - NES), взаимодействие между которыми осуществляется посредством нелинейных сил. Уравнения движения PS линеаризуются в окрестности изучаемого положения равновесия, тогда как уравнения для NES будут существенно нелинейными. Действующие на PS возмущения (гармонические, случайные и т. д.) приведут к возникновению вынужденных колебаний, которые через нелинейную взаимосвязь передаются в NES, где подавляются за счет рассеивания энергии на демпфирующих устройствах. Нелинейный характер взаимосвязи используется целенаправленно для того, чтобы гарантировать более интенсивную перекачку энергии колебаний в NES, что приведет в конечном итоге к уменьшению амплитуды вынужденных колебаний в PS. Как отмечается в [2], именно на этих принципах строятся системы защиты современных зданий от землетрясений.

Известно [3], что явление конвергенции, т. е. установление вынужденных колебаний, реализуется в системах с асимптотически устойчивым положением равновесия. Поэтому для успешного применения пассивного управления, основанного на перекачке энергии и использовании NES, требуется обосновать асимптотическую устойчивость положения равновесия замкнутой системы. В [1, 2] рассматриваются механические

Александров Александр Юрьевич — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой управления медико-биологическими системами факультета прикладной математики-процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета. Количество опубликованных работ: 102. Научные направления: качественная теория дифференциальных уравнений, теория устойчивости. E-mail: alex@vrm.apmath.spbu.ru.

Косов Александр Аркадьевич — ведущий научный сотрудник Института динамики систем и теории управления Сибирского отделения РАН. Количество опубликованных работ: 65. Научные направления: теория управления, теория устойчивости. E-mail: aakosov@yandex.ru.

*) Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-08-92208№EH_a).

© А. Ю. Александров, А. А. Косов, 2011

системы, на которые действуют только диссипативные и потенциальные силы, поэтому асимптотическая устойчивость положения равновесия вытекает из третьей теоремы Томсона-Тэта-Четаева [4]. В общем случае, когда равновесие в РБ неустойчиво или в силах взаимодействия с МЕБ присутствуют и неконсервативные позиционные силы, задача об асимптотической устойчивости становится нетривиальной и возникают следующие вопросы:

A) При каких условиях из асимптотической устойчивости положений равновесия рассматриваемых изолированно РБ и МЕБ вытекает такое же свойство и в замкнутой системе?

Б) Если в РБ нет демпфирования и положение равновесия лишь устойчиво, то можно ли (и при каких условиях) добиться асимптотической устойчивости в замкнутой системе за счет нелинейного взаимодействия с МЕБ?

B) Если положение равновесия в РБ неустойчиво и измеряются только некоторые обобщенные координаты, то можно ли (и при каких условиях) добиться асимптотической устойчивости в системе, замкнутой нелинейной обратной связью по измеряемым координатам?

Поставленные вопросы рассматриваются в данной статье.

В п. 2 с помощью метода декомпозиции получены условия асимптотической устойчивости, дающие решение задачи А). Используемый вариант этого метода базируется на разработанном в [5, 6] подходе к обоснованию прецессионной теории гироскопов.

В п. 3 указан способ построения нелинейного стабилизирующего управления в виде обратной связи по измеряемым координатам, решающий задачу В). В частном случае, когда квадратичная часть потенциала в РБ положительно определена, построенная обратная связь с исключенным линейным слагаемым дает и решение задачи Б). Полученные результаты базируются на предложенном в [7] подходе к установлению асимптотической устойчивости систем с неполной диссипацией на основе теоремы Барбашина-Красовского.

Общее свойство результатов п. 2 и 3 заключается в существенной нелинейности взаимодействия основной части (РБ) системы и управляющей части (МЕБ), принципиальное же отличие - в том, что теоремы 1 и 2 о декомпозиции могут успешно применяться и к механическим системам с неконсервативными позиционными силами, тогда как в п. 3 присутствие указанных сил в изучаемой системе недопустимо.

Таким образом, механические системы, в которых асимптотическая устойчивость положения равновесия будет установлена с использованием теорем данной статьи, будут соответствовать основным предпосылкам пассивного управления и перекачки энергии [1, 2], поэтому можно ожидать, что кроме устойчивости будет обеспечено и подавление вынужденных колебаний, т. е. достаточно высокое качество регулирования. При этом теоремы о декомпозиции п. 2 могут существенно расширить класс систем, к которым применимы методы [1, 2], включив в него и системы с неконсервативными позиционными силами.

2. Декомпозиция системы с однородными позиционными силами взаимодействия. Пусть движение механической системы описывается уравнениями

Здесь ді и (/і - «4-мерные векторы обобщенных координат и обобщенных скоростей РБ; д2 и д2 - «2-мерные векторы обобщенных координат и обобщенных скоростей МЕБ;

Аіді + Віді + Сіді — Ql{q)^ А2д2 + В2 (2 — Q2(q)■

(1)

(2)

д = (д^,д^ )т; А1,В1,С_,А2,В2 - постоянные матрицы, причем А\,А?, и В2 неособые; правые части уравнений (1) и (2) являются непрерывно дифференцируемыми однородными функциями порядка ц > 1 и определяются силами взаимодействия. Таким образом, у исследуемой системы существует положение равновесия д = д = 0.

Рассмотрим три изолированные подсистемы

А1 д1 + В1д1 + С1 д1 = ° (3)

А2Т = -В2Т, (4)

В2й = ^(°, в). (5)

Будем вместо системы (1), (2), состоящей из П1 + П2 нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, изучать вспомогательные подсистемы (3)-(5), первые две из которых линейны, а третья представляет собой систему с однородными правыми частями.

Теорема 1. Если нулевые решения изолированных подсистем (3)-(5) асимптотически устойчивы, то положение равновесия д = д = 0 уравнений (1), (2) также асимптотически устойчиво.

Доказательство. Произведем замену переменных

Получим систему

(2 — Г, А2(2 + В2(2 — В2Й.

Аіді+Віді + Сіді — Q1 (дь в — В21А2г),

А2Г — - В2Г + Q2 (ді, в - В-іА2г),

В2Й — Q2(0, в) + (^2 {ді, в — В2 і А2г ) — Q2(0, в)).

(6)

Из асимптотической устойчивости нулевых решений изолированных подсистем (3)-(5) следует [8] существование квадратичных форм У1(д1, д1), У2(т) и непрерывно дифференцируемой однородной порядка в функции Уз(в), для которых при всех д1, д1 € Е"1, т, в € Е"2 справедливы оценки

«и (1Ы12 + 1|д1Н2) < У1(д1,д1) < «12 (1Ы12 + ЦдЛ!2),

^ аі3 (УдіУ + ||діУ) , ^і|(3)^ —аі4 (||ді||2 + ІІдіУ2)

эу1 аУі

ддг + дді

0У2

дг

< а23 ||г||, У2 |(4) < — а24І|г||2,

дУз

ді

евклидова норма

Здесь а^^, г = 1, 2, 3, ] = 1, 2, 3,4, - положительные постоянные, || вектора. При этом в качестве в можно выбирать любое рациональное число с четным числителем и нечетным знаменателем такое, что в > 1.

Рассмотрим функцию У(д1,д1,т, в) = У1(д1,д1) + У2(т) + У3(в). Дифференцируя ее в силу системы (6), получаем, что при всех д1,д1 € Е"1, т, в € Е"2 справедливо неравенство

У 1(6) ^ а14 (||д1||2 + ||д1||2) - а241| Т||2 - а34 ||в||^+М 1 +

2

+ а((1Ы1 + HqiH + II^H)(llqiHM + 1МГ + 1МП +

+ ИГ^Ы + 1М11) СНГ- + иг1 + иг1)),

где a = const > 0.

Используя свойства обобщенно-однородных функций [9], нетрудно показать, что если 3 — ц < в < ц +1, то в достаточно малой окрестности точки (qT, qT, rT, sT)T = (0T, 0T, 0T, 0T)T имеет место соотношение

^1(6)^ ~2 (ai4 + ll'/lll2) + «24 11 HI2 + a34||s||/3+M

Таким образом, функция V(qi,qi,r, s) удовлетворяет всем требованиям теоремы Ляпунова об асимптотической устойчивости [4]. Значит, нулевое решение системы (6) асимптотически устойчиво. Но тогда асимптотически устойчиво и положение равновесия q = q = 0 уравнений (1), (2). Теорема доказана.

Замечание 1. В случаях, когда в уравнениях (1) при скоростных или гироскопических силах присутствует большой параметр, процесс декомпозиции изучаемой системы можно продолжить, применяя к изолированной подсистеме (3) теоремы

В. И. Зубова и Д. Р. Меркина о декомпозиции линейных систем [5, 6].

Пусть уравнения (1) представимы в виде

Aiqi + hBiqi + C'i qi = Ql(q), (10

где h - положительный параметр (система в форме Зубова [5]).

Следствие 1. Если нулевые решения подсистем

Aiz = —Biz, Bip = —Cip

и подсистем (4), (5) асимптотически устойчивы, то существует число h0 > 0 такое,

что при всех h ^ h0 положение равновесия q = q = 0 уравнений (1'), (2) также

асимптотически устойчиво.

Таким образом, проблема исследования устойчивости системы (1'), (2), состоящей из ni + П2 нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, сводится к изучению устойчивости четырех изолированных подсистем первого порядка, три из которых линейны, а четвертая представляет собой систему с однородными правыми частями.

Аналогичное следствие можно сформулировать и в случае, когда изолированная подсистема (3) удовлетворяет требованиям теоремы Меркина [6].

Далее наряду с уравнениями (1), (2) рассмотрим возмущенные уравнения

Aigi + Biqi + Ciqi = Qi(q) + Ri(t-, q, q), (7)

A2 g2 + B2 q2 = Q2(q)+R2(t,q,q). (8)

Будем считать, что векторные функции Ri(t,q,q) и R.2(t,q,q) заданы и непрерывны в области t ^ 0, ||q|| < H, ||q|| < H (H = const > 0), причем в указанной области справедливы оценки

l|Ri(t,q,q)|| < ci (||qif + ||qif + Ы + 1ЫГ) ,

№(г,д,д)И < С2 (ЦдіГ + ІІдіІГ + І|д2|р + Нд^Н^,

где С1,02,\,у,ц,а,р,£ - положительные постоянные. Значит, система (7), (8) также имеет положение равновесия д = д = 0. Определим условия, при выполнении которых возмущения не нарушают асимптотической устойчивости этого положения равновесия.

Теорема 2. Пусть нулевые решения изолированных подсистем (3)-(5) асимптотически устойчивы. Если выполнены неравенства

то при достаточно малых значениях с1 и с2 положение равновесия д = д = 0 уравнений (7), (8) асимптотически устойчиво.

Доказательство данной теоремы проводится аналогично доказательству теоремы 1.

Предположим, что возмущенные уравнения имеют вид

Здесь В12, В21 - постоянные матрицы, £1 и £2 - положительные параметры.

Следствие 2. Пусть нулевые решения изолированных подсистем (3)-(5) асимптотически устойчивы. Тогда при достаточно малых значениях £1 и £2 положение равновесия д = д = 0 уравнений (9), (10) асимптотически устойчиво.

3. Стабилизация систем с неполным измерением координат за счет нелинейной обратной связи. Пусть вектор обобщенных координат РБ составной д1 = (хТ,ут)т, х € Ет, у € Ей, П1 = т + к, измеряются только компоненты вектора х, управлять можно только приложением сил в первых т уравнениях, а движение РБ описывается уравнениями

тельно определена матрица С22, т. е. П(0,у) - положительно-определенная квадратичная форма измеряемых координат.

Поскольку в системе (11), (12) отсутствует диссипация, положение равновесия ді — (і — 0 не может быть асимптотически устойчивым при отсутствии управления [4]. Потому рассмотрим задачу стабилизации за счет обратной связи по измеряемым координатам и дополнительным вспомогательным переменным, являющимся обобщенными

А ^ 1, V ^ 1, п ^ 1, Р ^ 1, а ^ шах{^/^; 1}, £ ^ шах{^/^; 1},

Аі'ді + Ві(і + £іВі2д2 + Сіді — Ql(д), А2д2 + Є2В2іді + В2(2 — Q2(д).

(9)

(10)

АцХ + Аі2 у + Сііх + Сі2у — и, А12 X + А22 у + СТ2 х + С22У — 0.

(11)

(12)

Здесь матрица

кинетической энергии Т = ^д^А\д\ РБ симметрична и положительно определена, а относительно симметричной матрицы

потенциальной энергии П(</і) = П(ж, у) = ^д^С\д\ будем предполагать, что положи-

координатами для присоединяемого МЕБ. При этом в соответствии с концепцией пассивного управления и перекачки энергии с целью уменьшения амплитуд вынужденных колебаний будем конструировать обратную связь, т. е. взаимодействие между РБ и МЕБ, в классе нелинейных функций.

Далее будем считать, что число вспомогательных переменных равно числу измеряемых координат, и управление возьмем в потенциальном виде

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ап (ж,«;)

“=—(1з)

где вспомогательный потенциал выберем следующим образом:

П (х,и) = ЛФ1 (х) +7 Ф(х,ад)+Ф(ад). (14)

Здесь Ли 7 - положительные числа; Ф].(ж) = ^хтСцх, Сц - симметричная положительно-определенная матрица размером т х т; Ф(и) - непрерывно дифференцируемая однородная порядка ц +1 > 2 положительно-определенная функция; Ф(х, и) - дважды непрерывно дифференцируемая однородная порядка ц +1 > 2 функция, причем такая, что при любых постоянных векторах с0 ,и>° € Ет система уравнений

дФ(х, и0) 0

дю =С

имеет только конечное число решений относительно вектора х.

Уравнения для вспомогательных переменных (уравнения МЕБ) возьмем в виде

„ д П (х,и)

А2и) + В2и) =-------. (15)

ди

Здесь матрицы А2 и В2 - симметричные положительно-определенные.

Пусть М = А221С22, Ь = С12 — А12 А-2 С22.

Теорема 3. Если матрица С22 положительно определена, а пара матриц (М, Ь) полностью наблюдаема, то, выбирая число Л > 0 достаточно большим, а число ^ > 0 достаточно малым, можно стабилизировать положение равновесия д1 = </1 = 0, V = V = 0 замкнутой системы (11)—(15) до асимптотической устойчивости.

Доказательство. Рассмотрим в качестве функции Ляпунова полную энергию замкнутой системы

V = ^д[А1д1 + ^гЬТА2и) + П(ж,г/) + П(ж, го).

При достаточно большом Л > 0 и достаточно малом ^ > 0 эта функция будет положительно-определенной в некоторой окрестности исследуемого положения равновесия. Вычисляя производную в силу замкнутой системы, получаем

У = —иитВ2'>Ь ^ 0.

Покажем, что множество нулей производной функции Ляпунова

Е = |(дт,дт,ит,ит)т : У = 0| = |(дт,дт,ит,и>т)т : V = 0|

состоит лишь из положений равновесия, причем положение равновесия в начале координат локально единственно.

Из тождества w = 0 следует, что w = w0 = const. Тогда из (15) имеем х = x0 = const. Выразим у из уравнения (12) и подставим в (11). Получим

Ly = ^A12 A22iCT! — Си) x0 = ci = const. (16)

Дважды продифференцируем тождество (16) и заменим у его выражением из (12). Имеем

LMy = c0 = const. (17)

Повторяя эту операцию над (17) и получаемыми далее тождествами k—1 раз, придем к системе

LMly = c°+i = const, i = 0,1,...,k — 1. (18)

Заметим, что правые части системы (18) выражаются известным образом через х0

и w0 .

Предположим, что пара матриц (M, L) полностью наблюдаема, т. е. матрица наблюдаемости

L LM

H

\LM k-1J

имеет полный ранг (rangH = k). Тогда система (18) при любых постоянных правых частях имеет единственное постоянное решение у = у0 = const.

Из уравнений (11) и (12) на множестве E получаем равенства

(си + АСп) х + С\2у = —7-------С^2Х + ^22У = 0. (19)

Из равенств (19) на основании теоремы о неявной функции можно выразить x и y как

функции w:

х = p(w), у = ^(w). (20)

При этом ^(0) = 0, ф(0) =0 ив окрестности точки w = 0 порядок малости функций <^>(w) и ^(w) не ниже первого.

Подставляя (20) в уравнения (15), находим

дФМ д Ф(w(w),w)

L =°- <21>

Умножая равенство (21) скалярно на w и используя уравнение Эйлера для однородных функций [8], имеем

(„+1)ФМ + -,^”(У*<1,)’“,)=0. (22)

dw

Функция Ф^) положительно определена. Поэтому существует окрестность точки w = 0, в которой справедливы оценки

T d^(<p(w),w)

w

dw

где о,1 и о,2 - положительные постоянные. Если 7 < о,1(р +1)/а2, то в рассматриваемой окрестности точки и = 0 равенство (22) может выполняться лишь в ней самой. Но тогда из (20) следует, что х = 0 и у = 0.

Таким образом, x0 = 0, y0 = 0, w0 = 0, т. е. равновесие в начале координат локально единственно и потому на основании теоремы Барбашина-Красовского асимптотически устойчиво. Теорема доказана.

Теперь рассмотрим случай, когда во вспомогательном потенциале (14) первое слагаемое остается прежним, а в качестве второго и третьего слагаемых используются следующие функции:

m

ФМ = £ diW^+\ di > 0, (23)

i=1

m

7^(x, w) = ^2(aixi + biWi)Mi+ 1, ai = 0, bi = 0, 7 = 1. (24)

i=1

Здесь ^i > 1 - рациональные числа с нечетными числителями и знаменателями. Заметим, что именно такие компоненты потенциала характерны для механических систем, содержащих нелинейные пружины [1, 2]. Принципиальное отличие этого случая от предыдущего заключается в отсутствии малого параметра, поскольку 7 = 1.

Теорема 4. Если матрица C22 положительно определена, а пара матриц (M, L) полностью наблюдаема, то, выбирая достаточно большое число X > 0 и второе и третье слагаемые потенциала (14) в соответствии с (23) и (24), можно стабилизировать положение равновесия q1 = </1 = 0, w = W = 0 замкнутой системы (11)-(15) до асимптотической устойчивости.

Доказательство. Выберем ту же функцию Ляпунова и, рассуждая так же, как при доказательстве теоремы 3, получаем, что множество

E = {(qf,qf,wT,WT)T : V = 0j

состоит лишь из положений равновесия x = x0 = const, y = y0 = const, w = w0 = const. На этом множестве справедливы равенства

[Оц + XC11) x + С12У = u, Ui = -a,i(p>i + 1)(aixi + biwi)Mi, i =1,...,m, (25)

C2 x + C22 y = 0, (26)

di(^i + 1)wf + bi(^i + 1)(aixi + biwi )Mi = 0, i =1,...,m. (27)

Выражая из (26) и (27) переменные y и w линейным образом через x и подставляя в (25), получим систему

(сп + XC11 - C12C221Cf2) x = Z(x), (28)

в которой Z(x) - непрерывно дифференцируемая функция с порядком малости выше

первого.

При достаточно большом X > 0 матрица-коэффициент в левой части (28) будет положительно определена, поэтому найдется окрестность точки x = 0, в которой система (28) не имеет решений, за исключением самой этой точки. Но тогда из (26), (27) следует, что y = 0 и w = 0.

Таким образом, равновесие в начале координат локально единственно и на основании теоремы Барбашина-Красовского асимптотически устойчиво.

Замечание 2. Точно так же рассматривается случай, когда во вспомогательном потенциале (14) первое слагаемое остается прежним, а в качестве второго и третьего слагаемых используются следующие функции:

т

Ф(ю) = ^2 йю^+1, йг > 0,

г=1

т

7Ф(х,ю) = ^ аг’шгх?*, аг = 0, 7 = 1.

г=1

Здесь > 1 - рациональные числа с нечетными числителями и знаменателями.

Замечание 3. Если исходный потенциал РБ П(х, у) положительно определен, то в управлении можно положить Л = 0, т. е. использовать линейное слагаемое в обратной связи нет необходимости. Утверждения теорем 3 и 4 с соответствующими изменениями при этом останутся справедливыми.

4. Стабилизация положения равновесия трехмассовой системы при неполном измерении координат. Рассмотрим три расположенных на горизонтальной прямой груза с массами То1, ш2, тз, которые соединены друг с другом линейными пружинами, а крайние грузы с помощью линейных пружин прикреплены к стенам. Пусть положение равновесия всей системы соответствует недеформированному состоянию пружин, а отклонения грузов от их равновесных положений характеризуются координатами х1,х2,хз, отсчитываемыми вдоль прямой в одну сторону. Будем считать, что измерению в каждый момент времени доступна только координата крайнего справа третьего груза хз(£) и к нему же можно применять управляющее воздействие.

Уравнения движения имеют вид [10]

т^! + к1 х1 — к,2 (х2 — х1) = 0,

т2х2 + к2(х2 — х1) — кз(хз — х2) = 0, (29)

тзхз + кз (хз — х2) + кх = и.

При отсутствии управления (и = 0) положение равновесия х1 = х2 = хз = 0 будет устойчивым, но не притягивающим, поскольку демпфирование в системе отсутствует. Требуется выбрать управление и по принципу неполной обратной связи с использованием только измеряемой координаты так, чтобы обеспечить асимптотическую устойчивость положения равновесия.

Уравнение для скалярной вспомогательной переменной возьмем в виде

тги + Ью + в1(ю — хз )з + С2"шз = 0, (30)

а управление выберем следующим образом:

и = —С1('ш — хз)3. (31)

Здесь т, Ь, С1,С2 — положительные параметры.

Согласно теореме 4, положение равновесия хг = хг = и> = и> = 0, г = 1, 2, 3, замкнутой системы (29)—(31) асимптотически устойчиво при любых положительных значениях входящих в систему параметров. Таким образом, задача упрочнения устойчивости до асимптотической устойчивости в данном примере решается за счет присоединения

к звену, координата которого доступна измерению, нелинейного звена с демпфированием, что полностью соответствует присоединению NES в терминологии [1, 2].

Отметим, что задача гашения колебаний трех грузов, соединенных линейными пружинами, при измерении координаты одного крайнего груза решалась в [10] на основе другого подхода. В отличие от [10], предложенный нами подход гарантирует асимптотическую устойчивость и в том случае, когда пружины в исходной системе (29) так же, как и в NES (30), являются нелинейными [11].

Литература

1. Lee Y. S., Vakakis A. F., Bergman L. A. et al. Passive non-linear targeted energy transfer and its applications to vibration absorption: a review // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers. Pt K. J. of Multi-body Dynamics. 2008. Vol. 222, N 2. P. 77-134.

2. Pham T. T., Lamarque C.-H., Savadkoohi A. T. Passive control of a 2 dof system under two different harmonic excitations //IV European Conference on Computational Mechanics. Palais des Congres. Paris, France, May 16-21, 2010. URL: http://www.eccm2010. org/complet/fullpaper_1369.pdf.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Зубов В. И. Колебания в нелинейных и управляемых системах. Л.: Судостроение, 1962. 632 с.

4. Меркин Д. Р. Введение в теорию устойчивости. М.: Наука, 1976. 320 с.

5. Зубов В. И. Аналитическая динамика гироскопических систем. Л.: Судостроение, 1970. 320 с.

6. Меркин Д. Р. Гироскопические системы. М.: Наука, 1974. 344 с.

7. Пожарицкий Г. К. Об асимптотической устойчивости равновесий и стационарных движений механических систем с частичной диссипацией // Прикл. математика и механика. 1961. Т. 25, вып. 4. С. 657-667.

8. Зубов В. И. Устойчивость движения. М.: Высшая школа, 1973. 272 с.

9. Зубов В. И. Математические методы исследования систем автоматического регулирования. Л.: Судостроение, 1959. 324 c.

10. Skruch P. Stabilization of second-order systems by non-linear feedback // Intern. J. Appl. Math. Comput. Sci. 2004. N 4. P. 455-460.

11. Александров А. Ю., Косов А. А. О стабилизации механических систем с однородными потенциальными силами // Качественные свойства, асимптотика и стабилизация нелинейных динамических систем: межвуз. сб. науч. трудов / отв. ред. В. Н. Щенников, О. В. Дружинина. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. С. 59-73.

Статья рекомендована к печати проф. А. П. Жабко.

Статья принята к печати 14 октября 2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.