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MATLAB非线性可视化(引3)多摆模型

2年前浏览2091
接着前面的Mandelbrot集和牛顿迭代继续介绍一个非线性模型:多摆。如果只看到前面的两个引子,肯定会有疑问:非线性只是一种通过迭代产生的数学游戏吗?


事实上,非线性存在于物理与工程中的各个领域。在机械中,就存在着大量的非线性现象。通过双摆和三摆的例子,来感受到一个小的扰动,随着时间的推移,到最终会带来多大的变化。
这里不涉及到计算多体动力学和SimMechanics,只采用简单的拉格朗日方法建立运动模型。详细可见参考资料[1]。


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双摆方程可以用两个摆的角度进行描述,其运动的角速度可以用角动量来描述。这样,我们就有了双摆的4个方程:


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这个方程组为一个4阶的常微分方程,利用经典的龙格库塔RK方法,就可以进行求解。


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随着时间的推移,双摆的运动越来越无序,变得难以琢磨。
如果把很多双摆在不同角度同时释放,可以得到如下的图像:


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可以看到越靠上的双摆运动越混乱,靠近下方的双摆运动几乎像单摆一样。
对于三摆来说,方程也可以通过拉格朗日方法建立,但是结果会复杂一些。同样,我们还是定义变量为三个角度和三个角动量。这里方程比较繁琐,就直接放在程序里了。
最终的效果图如下:


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同样,将多个三摆在不同角度同时释放的结果如下图:


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当然,根据方程还可以求得更多阶的摆,然而计算量会越来越大。所以对于更高阶的摆,就不适用于直接求解出方程的方法了。
下面是双摆的代码。用到了自己编写的龙格库塔方法。























































































































%双摆%4阶RK求解clearclcclose all%输入N=2;%双摆m=1;l=1;g=9.8;Input=[N,m,l,g];%初始条件和时间设置y0=[pi/2;pi/2;0;0];%这里全部是弧度值。分别代表[摆1与垂面夹角,摆2与垂面夹角,摆1角动量,摆2角动量]h=1e-2;x0=0:h:20;%代入到ODE求解器中[y1,Output]=ODE_RK4_hyh(x0,h,y0,Input);
%提取出角度tN=size(y1,2);th1=y1(1,:);th2=y1(2,:);
%计算出关节坐标CX1_A=zeros(1,tN);CX1_B=CX1_A l*sin(th1);CY1_A=zeros(1,tN);CY1_B=CY1_A-l*cos(th1);
CX2_A=CX1_B;CX2_B=CX2_A l*sin(th2);CY2_A=CY1_B;CY2_B=CY2_A-l*cos(th2);
%绘图n=1;figure()set(gcf,'position',[488   342   400   300])for k=1:4:1160    clf    xlim([-2,2])    ylim([-2,2])    hold on    %绘制摆    plot([CX1_A(k),CX1_B(k)],[CY1_A(k),CY1_B(k)],'color','k','LineWidth',1.5)    plot([CX2_A(k),CX2_B(k)],[CY2_A(k),CY2_B(k)],'color','k','LineWidth',1.5)    %绘制轨线    if k>200        n=n 1;    end    Nm=k-n 1;    %轨迹1    F_color=[1,0,0];    F_color=F_color*0.6 [1,1,1]*0.4*0.999;    cdata=[linspace(1,F_color(1),Nm 1)',linspace(1,F_color(2),Nm 1)',linspace(1,F_color(3),Nm 1)'];    cdata=reshape(cdata,Nm 1,1,3);    if k>3        patch([CX1_B(n:k),NaN],[CY1_B(n:k),NaN],1:Nm 1,'EdgeColor','interp','Marker','none',...          'MarkerFaceColor','flat','CData',cdata,'LineWidth',1.5);    end    %轨迹2    F_color=[0,0,1];    F_color=F_color*0.6 [1,1,1]*0.4*0.999;    cdata=[linspace(1,F_color(1),Nm 1)',linspace(1,F_color(2),Nm 1)',linspace(1,F_color(3),Nm 1)'];    cdata=reshape(cdata,Nm 1,1,3);    if k>3        patch([CX2_B(n:k),NaN],[CY2_B(n:k),NaN],1:Nm 1,'EdgeColor','interp','Marker','none',...          'MarkerFaceColor','flat','CData',cdata,'LineWidth',1.5);    end    hold off    pause(0.05)    F=getframe(gca);    I=frame2im(F);    [I,map]=rgb2ind(I,20);end
function [y,Output]=ODE_RK4_hyh(x,h,y0,Input)%4阶RK方法%h间隔为常数的算法y=zeros(size(y0,1),size(x,2));y(:,1)=y0;for ii=1:length(x)-1    yn=y(:,ii);    xn=x(ii);    K1=Fdydx(xn    ,yn       ,Input);    K2=Fdydx(xn h/2,yn h/2*K1,Input);    K3=Fdydx(xn h/2,yn h/2*K2,Input);    K4=Fdydx(xn h  ,yn h*K3  ,Input);    y(:,ii 1)=yn h/6*(K1 2*K2 2*K3 K4);endOutput=[];end

function dydx=Fdydx(x,y,Input)%将原方程整理为dy/dx=F(y,x)的形式%输入Input整理m=Input(2);l=Input(3);g=Input(4);%输入th1=y(1);%角度1th2=y(2);%角度2pth1=y(3);%角动量1pth2=y(4);%角动量2%利用拉格朗日法得到的方程M=l^2*m*(-16 9*cos(th1 - th2)^2);dth1 = -6*(2*pth1 - 3*pth2*cos(th1 - th2))/M; dth2 = -6*(8*pth2 - 3*pth1*cos(th1 - th2))/M;
dpth1=-0.5*l*m*(3*g*sin(th1) dth1*dth2*l*sin(th1-th2));dpth2=0.5*l*m*(dth1*dth2*l*sin(th1-th2)-g*sin(th2));%整理输出dydx=zeros(4,1);dydx(1)=dth1;dydx(2)=dth2;dydx(3)=dpth1;dydx(4)=dpth2;end

再下面是三摆的程序。方程和双摆类似,但是由于增加了一个摆导致代码更长。






































































































































%三摆%4阶RK求解clearclcclose all%输入N=3;%双摆m=1;l=1;g=9.8;Input=[N,m,l,g];%初始条件和时间设置y0=[1/2*pi;1/2*pi;1/2*pi;0;0;0];%这里全部是弧度值。分别代表[摆1与垂面夹角,摆2与垂面夹角,摆1角动量,摆2角动量]h=1e-2;x0=0:h:20;%代入到ODE求解器中[y1,Output]=ODE_RK4_hyh(x0,h,y0,Input);
%提取出角度tN=size(y1,2);th1=y1(1,:);th2=y1(2,:);th3=y1(3,:);
%计算出关节坐标CX1_A=zeros(1,tN);CX1_B=CX1_A l*sin(th1);CY1_A=zeros(1,tN);CY1_B=CY1_A-l*cos(th1);
CX2_A=CX1_B;CX2_B=CX2_A l*sin(th2);CY2_A=CY1_B;CY2_B=CY2_A-l*cos(th2);
CX3_A=CX2_B;CX3_B=CX3_A l*sin(th3);CY3_A=CY2_B;CY3_B=CY3_A-l*cos(th3);%绘图n=1;figure()set(gcf,'position',[488   342   400   300])for k=1:4:1100    clf    xlim([-3,3])    ylim([-3,3])    hold on    plot([CX1_A(k),CX1_B(k)],[CY1_A(k),CY1_B(k)],'color','k','linewidth',1)    plot([CX2_A(k),CX2_B(k)],[CY2_A(k),CY2_B(k)],'color','k','linewidth',1)    plot([CX3_A(k),CX3_B(k)],[CY3_A(k),CY3_B(k)],'color','k','linewidth',1)    hold off    %绘制轨线    if k>200        n=n 1;    end    Nm=k-n 1;    %轨迹1    F_color=[1,0,0];    F_color=F_color*0.6 [1,1,1]*0.4*0.999;    cdata=[linspace(1,F_color(1),Nm 1)',linspace(1,F_color(2),Nm 1)',linspace(1,F_color(3),Nm 1)'];    cdata=reshape(cdata,Nm 1,1,3);    if k>3        patch([CX1_B(n:k),NaN],[CY1_B(n:k),NaN],1:Nm 1,'EdgeColor','interp','Marker','none',...          'MarkerFaceColor','flat','CData',cdata,'LineWidth',1);    end    %轨迹2    F_color=[0,0,1];    F_color=F_color*0.6 [1,1,1]*0.4*0.999;    cdata=[linspace(1,F_color(1),Nm 1)',linspace(1,F_color(2),Nm 1)',linspace(1,F_color(3),Nm 1)'];    cdata=reshape(cdata,Nm 1,1,3);    if k>3        patch([CX2_B(n:k),NaN],[CY2_B(n:k),NaN],1:Nm 1,'EdgeColor','interp','Marker','none',...          'MarkerFaceColor','flat','CData',cdata,'LineWidth',1);    end    %轨迹3    F_color=[0,1,0];    F_color=F_color*0.6 [1,1,1]*0.4*0.999;    cdata=[linspace(1,F_color(1),Nm 1)',linspace(1,F_color(2),Nm 1)',linspace(1,F_color(3),Nm 1)'];    cdata=reshape(cdata,Nm 1,1,3);    if k>3        patch([CX3_B(n:k),NaN],[CY3_B(n:k),NaN],1:Nm 1,'EdgeColor','interp','Marker','none',...          'MarkerFaceColor','flat','CData',cdata,'LineWidth',1);    end    pause(0.02)end
function [y,Output]=ODE_RK4_hyh(x,h,y0,Input)%4阶RK方法%h间隔为常数的算法y=zeros(size(y0,1),size(x,2));y(:,1)=y0;for ii=1:length(x)-1    yn=y(:,ii);    xn=x(ii);    K1=Fdydx(xn    ,yn       ,Input);    K2=Fdydx(xn h/2,yn h/2*K1,Input);    K3=Fdydx(xn h/2,yn h/2*K2,Input);    K4=Fdydx(xn h  ,yn h*K3  ,Input);    y(:,ii 1)=yn h/6*(K1 2*K2 2*K3 K4);endOutput=[];end

function dydx=Fdydx(x,y,Input)%将原方程整理为dy/dx=F(y,x)的形式%三摆方程%输入Input整理m=Input(2);l=Input(3);g=Input(4);%输入th=y(1:3);%角度1pth=y(4:6);%角动量1%利用拉格朗日法得到的方程M=l^2*m*(-169 81*cos(2*(th(1)-th(2)))-9*cos(2*(th(1)-th(3))) 45*cos(2*(th(2)-th(3))));dth1=(6*(-23*pth(1) 9*cos(2*(th(2)-th(3)))*pth(1) 27*cos(th(1)-th(2))*pth(2)-9*cos(th(1) th(2)-2*th(3))*pth(2) 21*cos(th(1)-th(3))*pth(3)-27*cos(th(1)-2*th(2) th(3))*pth(3)))/M;dth2=(6*(27*cos(th(1)-th(2))*pth(1)-9*cos(th(1) th(2)-2*th(3))*pth(1)-47*pth(2) 9*cos(2*(th(1)-th(3)))*pth(2)-27*cos(2*th(1)-th(2)-th(3))*pth(3) 57*cos(th(2)-th(3))*pth(3)))/M;dth3=(6*(21*cos(th(1)-th(3))*pth(1)-27*cos(th(1)-2*th(2) th(3))*pth(1)-27*cos(2*th(1)-th(2)-th(3))*pth(2) 57*cos(th(2)-th(3))*pth(2)-143*pth(3) 81*cos(2*(th(1)-th(2)))*pth(3)))/M;dth=[dth1;dth2;dth3];dpth1=-0.5*l*m*(5*g*sin(th(1)) l*dth(1)*(3*dth(2)*sin(th(1)-th(2)) dth(3)*sin(th(1)-th(3))));dpth2=-0.5*l*m*(-3*l*dth(1)*dth(2)*sin(th(1)-th(2)) 3*g*sin(th(2)) l*dth(2)*dth(3)*sin(th(2)-th(3)));dpth3=0.5*l*m*(l*dth(1)*dth(3)*sin(th(1)-th(3)) l*dth(2)*dth(3)*sin(th(2)-th(3))-g*sin(th(3)));%整理输出dydx=zeros(6,1);dydx(1)=dth1;dydx(2)=dth2;dydx(3)=dth3;dydx(4)=dpth1;dydx(5)=dpth2;dydx(6)=dpth3;end


参考资料:

[1]https://en.w ikipedia.org/wiki/Double_pendulum 


图片来源:由  在Pixabay上发布


理论科普非线性
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首次发布时间:2021-12-08
最近编辑:2年前
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博士 | 讲师 讨论号:927550334
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