Matemaattisesta mallintamisesta



Samankaltaiset tiedostot
Matemaattisesta mallintamisesta

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi L (3 op)

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Magneettinen energia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Hydrostaattinen tehonsiirto. Toimivat syrjäytysperiaatteella, eli energia muunnetaan syrjäytyselimien staattisten voimavaikutusten avulla.

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Mat Systeemien identifiointi, aihepiirit 1/4

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

K = Q C W = T C T H T C. c = 1 dq. f) Isokoorinen prosessi: prosessi joka suoritetaan vakiotilavuudessa

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Perusopintojen Laboratoriotöiden Työselostus 1

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Missä mennään. systeemi. identifiointi. mallikandidaatti. validointi. malli. (fysikaalinen) mallintaminen. mallin mallin käyttötarkoitus, reunaehdot

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Sovelletun fysiikan laitos Marko Vauhkonen, Kuopion yliopisto, Sovelletun fysiikan laitos Slide 1

järjestelmät Luento 8

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Luento 9: Potentiaalienergia

Mat Systeemien identifiointi

Luvun 10 laskuesimerkit

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mat Työ 1: Optimaalinen lento riippuliitimellä

7. Differentiaalimuotoinen jatkuvuusyhtälö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Mustan kappaleen säteily

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

Chapter 1. Preliminary concepts

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

Luento 16: Fluidien mekaniikka

Luento 11: Potentiaalienergia. Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia

Kansantalouspeli & Beer Game

W el = W = 1 2 kx2 1

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Kun järjestelmää kuvataan operaattorilla T, sisäänmenoa muuttujalla u ja ulostuloa muuttujalla y, voidaan kirjoittaa. y T u.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Simulation and modeling for quality and reliability (valmiin työn esittely) Aleksi Seppänen

Dissipatiiviset voimat

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

SIMULINK 5.0 Harjoitus. Matti Lähteenmäki

Lämpöoppia. Haarto & Karhunen.

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit ILMAVIRTAUKSEN ENERGIA JA TEHO. Ilmavirtauksen energia on ilmamolekyylien liike-energiaa.

Tilayhtälötekniikasta

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

x = ( θ θ ia y = ( ) x.

(s 2 + 9)(s 2 + 2s + 5) ] + s + 1. s 2 + 2s + 5. Tästä saadaan tehtävälle ratkaisu käänteismuuntamalla takaisin aikatasoon:

Teoreettisen fysiikan esittely

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Luento 2: Liikkeen kuvausta

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Erkki Laitinen, Oulun yliopisto, matemaattisten tieteiden laitos. Mallien tyyppejä

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

MASSASÄILIÖN SIMULOINTI JA SÄÄTÖ Simulation and control of pulp tank

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai :00-12:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Nesteen ominaisuudet ja nestetilavuuden mallinnus

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Massakeskipiste Kosketusvoimat

KKT: log p i v 1 + v 2 x i = 0, i = 1,...,n.

Dynaamisten systeemien identifiointi 1/2

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

PIIRIANALYYSI. Harjoitustyö nro 7. Kipinänsammutuspiirien mitoitus. Mika Lemström

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Luento 10: Työ, energia ja teho

3. Bernoullin yhtälön käyttö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

Mekaaninen energia. Energian säilymislaki Työ, teho, hyötysuhde Mekaaninen energia Sisäenergia Lämpö = siirtyvää energiaa. Suppea energian määritelmä:

ELEC-C1230 Säätötekniikka (5 op) ELEC-C1230 Säätötekniikka (5 op) ELEC-C1230 Säätötekniikka (5 op) ELEC-C1230 Säätötekniikka (5 op) Kevät 2016

Fysiikan perusteet. SI-järjestelmä. Antti Haarto

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Sähkötekiikka muistiinpanot

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

AS Analoginen säätö. Luento 1: Johdanto, dynaamiset mallit ja rakenteet, lohkokaaviot, säädön periaatteet

Transkriptio:

Matemaattisesta mallintamisesta (Fysikaalinen mallintaminen) 1. Matemaattisen mallin konstruointi dynaamiselle reaalimaailman järjestelmälle pääpaino fysikaalisella mallintamisella samat periaatteet pätevät kuitenkin laajemminkin: kemia, biologia, talous,... 2. Fysikaaliset analogiat => analyyttinen systeemidynamiikka 3. (=> modulaarinen multifysiikan mallintaminen => (bond-graafit) => matemaattisena mallina differentiaalisalgebralliset yhtälösysteemit)

Mitä on mallintaminen? Mallintaminen vaatii mallinnustaitoa tietoa mallintamisesta tietoa sovellusalueesta tervettä järkeä Verta, hikeä, kyyneleitä, tiedettä, taidetta Tehtävä kirkkaana mielessä mallin käyttötarkoitus tärkeässä roolissa! Seuraavassa eräs lähestymistapa mallintamiseen

Mallinnusprosessin vaiheet: 1. Ongelman strukturointi - rajaus, käyttötarkoitus, ositus, karkea rakenne 2. Perusyhtälöiden muotoilu - miten mallin muuttujat kytkeytyvät toisiinsa osamalleissa - miten osamallit kytkeytyvät toisiinsa 3. Tilayhtälömallin muotoilu - tilamuuttujien valinta, tilayhtälöt (4. Simulointimallin luominen = koodaus 5. Mallin käyttö ja ylläpito; goto 1,2,3)

1. Ongelman strukturointi: rajaus Mikä on mallin käyttötarkoitus Mitä mallinnetaan, mitä ei: horisontaalinen rajaus: mitä osakokonaisuuksia malliin sisällytetään vertikaalinen rajaus: yksinkertaistukset päätä jotain, käytännössä tähän on palattava vielä Piirrä kuva

1. Ongelman strukturointi: ositus Jaa systeemi mahdollisuuksien mukaan alisysteemeihin Etsi systeemin sisäänmenot, ulostulot ja häiriöt Kussakin alisysteemissä valitse tärkeät suureet: muuttujat, vakiot, sisäänmenot, ulostulot, häiriöt hahmota suureiden syy-seuraussuhteet Piirrä lohkokaavio Huom. suurissa mallinnustehtävissä saatetaan joutua tekemään alustavia kokeita aikavakioiden ja vaikutusten selvittämiseksi

Mallinnusprosessin vaiheet: 1. Ongelman strukturointi - rajaus, käyttötarkoitus, ositus, karkea rakenne 2. Perusyhtälöiden muotoilu - miten mallin muuttujat kytkeytyvät toisiinsa osamalleissa - miten osamallit kytkeytyvät toisiinsa 3. Tilayhtälömallin muotoilu - tilamuuttujien valinta, tilayhtälöt (4. Simulointimallin luominen = koodaus 5. Mallin käyttö ja ylläpito)

2. Perusyhtälöiden muotoilu Lohkokaaviomalli matemaattiseen muotoon: rakennetaan yhteys mallin muuttujien välille Käytetään luonnonlakeja kokeellisia tuloksia approksimaatioita Systeemi- ja alariippuva vaihe

Fysikaalis-tekniset systeemit Fysikaalisten suureiden yhteyksiä kuvaavat relaatiot voidaan jakaa 1. tase- ja 2. konstitutiivisiin yhtälöihin 1. Taseyhtälöt liittävät toisiinsa samoja yksiköitä; esim. 1. Energiakertymä aikayksikössä = teho sisään teho ulos 2. Tilavuuskertymä aikayksikössä = virtaus sisään virtaus ulos 3. Massakertymä aikayksikössä = massavirta sisään- massavirta ulos 4. Virtojen summa = 0 (Kirchhoff) jne. Taustalla säilymislait

...Fysikaalis-tekniset systeemit 2. Konstitutiiviset yhtälöt kuvaavat yhteyksiä erilaisten suureiden välillä, esim. 1. Ohmin laki (liittää virran ja jännitteen) 2. Venttiilin ominaiskäyrä (liittää paineen, virran ja asennon) Taustalla luonnonlait & systeemin ominaisuudet Eli; kullekin alisysteemille: muodosta taseyhtälöt, käytä konstitutiivisia yhtälöitä (tarkista että yksiköt täsmäävät!)

Mallinnusprosessin vaiheet: 1. Ongelman strukturointi - rajaus, käyttötarkoitus, ositus, karkea rakenne 2. Perusyhtälöiden muotoilu - miten mallin muuttujat kytkeytyvät toisiinsa osamalleissa - miten osamallit kytkeytyvät toisiinsa 3. Tilayhtälömallin muotoilu - tilamuuttujien valinta, tilayhtälöt (4. Simulointimallin luominen = koodaus 5. Mallin käyttö ja ylläpito)

3. Tilayhtälömallin muotoilu Vaiheen 2 jäljiltä malli on usein sekava ja jäsentymätön Analyysin ja simuloinnin kannalta on parempi saattaa malli standardimuotoon 1. Valitse tilamuuttujat 2. Ilmaise niiden aikaderivaatta - tilamuuttujien - sisäänmenojen, häiriöiden - parametrien avulla 3. Ilmaise ulostulot tilamuuttujien avulla 4. (Mene kohtaan 1)

Miten valita tilamuuttujat? Fysikaalisissa systeemeissä tilalla on usein tulkinta Simuloinnin kannalta tila edustaa systeemin muistia Kaikki muuttujat jotka edustavat jonkin kertymistä ovat potentiaalisia tilamuuttujia: - pistemassan paikka (pot. energia) ja nopeus (kin. energia) - kondensaattorin jännite (sähkökentän energia) - säiliön pinnankorkeus (kertynyt tilavuus) Peukalosääntö: sisäiset muuttujat joiden derivaatta esiintyy vaiheen 2 yhtälöissä, ovat sopivia tilamuuttujiksi Lohkokaavioiden alimallit voidaan pitää erillään (!) Tilamuuttujien oikea määrä?

Yksinkertaistukset Mallin on aina yksinkertaistus Mikä on sopiva yksinkertaistuksen taso? käyttötarkoitus ymmärrys: mallintajan on käsitettävä mallinsa käsiteltävyys: simulointiajat, tulosten tulkinta lisäpiirteiden lisäarvo? Käsitellään kolmea eri yksinkertaistussuuntaa 1. Pienten vaikutusten huomiotta jättäminen 2. Aikavakioiden separointi 3. Tilojen yhdistäminen

1. Pienten vaikutusten huomiotta jättö Tyypillisiä esimerkkejä: oletetaan jäykkä kappale kokoonpuristumaton neste (huom. hydrauliikka!) ideaalinen kaasu laminaarinen virtaus jne. Mihin vedetään raja? esim. hydrauliikkaöljyn kokoonpuristuvuus tyypillisesti 10 % => värähtelyjä systeemissä! Jos tulkintaa ei ole, tilanne vielä hankalampi esim. gray-box-mallit Lisämallintaminen vaatii lisätyötä, joka voi olla huomattavaa

2. Aikavakioiden separointi Samassa systeemissä useita aikaskaaloja, ollaan kiinnostuneita vain jostakin usean aikaskaalan diff.yhtälöt hitaita simuloida (kankeus) Keskitetään mallin konstruointi niihin aikavakioihin, jotka ovat tärkeitä Nopeiden osasysteemien dynamiikka korvataan algebrallisella yhteydellä Hitaiden osasysteemien dynamiikka korvataan vakioilla Mallin kertaluku pienenee, kankeus häviää Mikäli useat aikaskaalat kiinnostavia => useita malleja

3. Tilojen yhdistäminen Yhdistetään useita samantyyppisiä tilamuuttujia yhdeksi tilamuuttujaksi Yhdistetty tila edustaa keski- tai kokonaisarvoa alkuperäinen tulkinta saatetaan menettää Usein käytetty keino jakautuneiden parametrien järjestelmien mallintamiseen diskretoidaan jokin alue, jossa ilmiötä kuvaa ODY kirjoitetaan DY jokaisessa hilakopissa vastaa ODY:n spatiaalista diskretointia

Fysikaaliset analogiat Edellä sivuttiin joitakin samankaltaisuuksia fysiikan eri osaalueiden välillä taseet, konstitutiiviset yhtälöt, kertyminen Vallitsisiko tällainen laajemminkin? kyllä (=> analyyttinen systeemidynamiikka) Tarjoaa loistavan abstraktiomallin esim. multifysiikan olioorientoituneeseen simulointiin mallioliot + tapa kytkeä niitä toisiinsa + numeerinen ratkaisumenetelmä = simulointiohjelmisto Tarkastellaan seuraavassa neljää fysiikan osa-aluetta: 1. sähköpiirit 2. mekaniikka 3. virtaukset 4. lämpösysteemit

1. Sähköpiirit Perussuureet jännite u ja virta i Ideaalinen kela: u(t)=l d/dt i(t) kääntäen energia(kertymä) T(t)=1/2 Li 2 (t) Ideaalinen kondensaattori: i(t)=c d/dt u(t) kääntäen i( t) = u( t) 0 energia(kertymä) T(t)=1/2Cu 2 (t) (Yleinen) vastus: u(t)=h 1 i(t) (tai i(t)=h 2 (u(t)) Teho P(t)=u(t)i(t) [P]=W=J/s 1 L = t 0 1 L u( s) ds Muuntaja: u 1 i 1 =u 2 i 2, u 1 =α u 2, i 1 =1/α i 2 Kytkennät: Σ i k (t)=0, Σ u k (t)=0 (Kirchoff) t i( s) ds

2. Mekaniikka Perussuureet voima F ja nopeus v (yl. vektoreita!) massa: F(t)=m d/dt v(t) kääntäen v( t) = F ( s) ds m 0 energia(kertymä) T(t)=1/2 mv 2 (t) Elastiset kappaleet: 1 t F ( t) = H( v( s) ds) 0 energia esim. lineaariselle jouselle T(t)=1/(2k) F 2 (t) t Kitka, vastusvoima: F(t)=h(v(t)) Teho P(t)=F(t)v(t) Vipu, vintturi ja väkipyörä: F 1 v 1 =F 2 v 2, F 1 =αf 2, v 1 =1/αv 2 Tasaisesti liikkuvaan kappaleeseen vaikuttavien voimien summa = 0 Rotaatiot: F->M, v->w, m->j

3. Virtaukset Perussuureet paine p (N/m 2 )ja virta Q (m 3 /s) Tilavuusvirta putkessa: p(t)=a d/dt Q(t) kääntäen Q( t) = p( s) ds L f 0 energia(kertymä) T(t)=1/2 L f Q 2 (t) Tilavuusvirta tankkiin: p( t) energia: T(t)=1/2 C f p 2 (t) Virtausvastus: p(t)=h 1 (Q(t)) Teho P(t)=p(t)Q(t) 1 t = H( Q( s) ds) tilavuustase => virtausten summa risteyksissä 0 (paineiden summa =0) Hydraulimuuntaja (kuva 5.11) t 0

4. Lämpösysteemit Perussuureet lämpötila T (K) ja lämpövirta q (J/s) Kappale lämpenee: q(t)=c d/dt T(t) kääntäen 1 T ( t) = C t q( s) ds 0 Lämpövirta lämpötilaerolla T(t): q(t)=wt(t) energiatase => lämpövirtojen summa risteyksissä 0

Yhteenveto Intensiteett imuuttuja virtamuuttuja Intensiteetin kerääjä virran kerääjä staattinen yhteys engl/määr. effort e flow f f=inv(a)int( e) e=inv(b)int (f) e=h(f) sähkö jännite u virta i kela kondensaattori vastus translaatio voima F nopeus v kappale jousi kitka rotaatio momentti M kulmanopeus ω akseli vääntöjousi kitka nestevirta paine p virtaus Q putki säiliö kuristin lämpösysteemit lämpötila T lämpövirta q - lämpenevä kappale lämpösilta