間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

バネマスダンパー系,運動方程式,ラプラス変換,逆ラプラス変換,単位ステップ凾数

バネマスダンパー系

運動方程式

mx¨+cx˙+kx=Fu(t)d2xd2t+cmdxdt+kmx=Fmu(t)d2xd2t+2γdxdt+ω02x=Fmu(t)γ=c2m,ω02=km ここで入力uを単位ステップ凾数とする. u(t)={1 (t0)0 (t<0)

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmu(t)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmu(t)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=FmL[u(t)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=FmUL[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[u(t)]=U

Xについて解く

s2X+2γXs+ω02X=sx0+v0+2γx0+FmU(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+FmUX=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02U=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)U

部分分数分解 準備

U=1/s,X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)U=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)1s=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sλ1+C4sλ2+C5s}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3(sλ2)s+C4(sλ1)s+C5(sλ1)(sλ2)s(sλ1)(sλ2)}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3s2C3λ2s+C4s2C4λ1s+C5{s2(λ1+λ2)s+λ1λ2}s(sλ1)(sλ2)}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3s2C3λ2s+C4s2C4λ1s+C5s2C5(λ1+λ2)s+C5λ1λ2s(sλ1)(sλ2)}=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1)(sλ1)(sλ2)+Fm[(C3+C4+C5)s2+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)}s+C5λ1λ2s(sλ1)(sλ2)]

部分分数分解 第1項分子の比較

sx0+v0+2γx0=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1) {x0=C1+C2v0+2γx0=(C1λ2+C2λ1)

部分分数分解  C2

x0=C1+C2C1=x0C2v0+2γx0={(x0C2)λ2+C2λ1}=λ2x0+C2λ2C2λ1v0+2γx0+λ2x0=C2(λ2λ1)C2=v0+2γx0+λ2x0λ2λ1λ1,2=2γ±(2γ)241ω0221=γ±γ2ω02=γ±ξλ2λ1=γξ(γ+ξ)=2ξ=v0+2γx0+(γξ)x02ξ=v0+γx0ξx02ξ=v0+γx02ξξx02ξ=x02v0+γx02ξ

部分分数分解 C1

C1=x0C2=x0(x02v0+γx02ξ)=x02+v0+γx02ξ

部分分数分解 第2項分子の比較

1=(C3+C4+C5)s2+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)}s+C5λ1λ2 {0=C3+C4+C50=C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)1=C5λ1λ2

部分分数分解 C5

1=C5λ1λ23C5=1λ1λ2=1γ2ξ2λ1,2=γ±ξλ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=(γ)2ξ2=γ2ξ2=1ω02γ2ξ2=γ2(γ2ω02)2=γ2γ2+ω02=ω02

部分分数分解 C3,C4

00=(C3+C4+C5)λ2C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)1λ2+20=C3λ2+C4λ2+C5λ2C3λ2C4λ1C5λ1C5λ20=C4(λ2λ1)C5λ1C4(λ2λ1)=C5λ1C4=C5λ1λ2λ1=1λ1λ2λ1λ2λ1=1λ21λ2λ1=1λ22λ1λ2=1(γξ)2(γ+ξ)(γξ)=1γ2+2γξ+ξ2(γ2ξ2)=1γ2+2γξ+ξ2γ2+ξ2=12γξ+2ξ2=12ξ(γ+ξ)=12ξ(γ+ξ)γξγξ=γξ2ξ(γ2ξ2)=γξ2ξω02=1ω02γξ2ξ0=C3+C4+C51C3=C4C5=1ω02γξ2ξ1ω02=1ω02(γξ2ξ+1)=1ω02(γξ2ξ+2ξ2ξ)=1ω02(γ+ξ2ξ)

部分分数分解 まとめる

X=x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2+Fm{1ω02(γ+ξ2ξ)sλ1+1ω02γξ2ξsλ2+1ω02s}

逆ラプラス変換

L1[X]=L1[C11sλ1+C21sλ2+Fm{C31sλ1+C41sλ2+C51s}]=C1L1[1sλ1]+C2L1[1sλ2]+FmC3L1[1sλ1]+FmC4L1[1sλ2]+FmC5L1[1s]={C1L1[1sλ1]+C2L1[1sλ2]}+Fm{C3L1[1sλ1]+C4L1[1sλ2]}+{FmC5L1[1s]}

逆ラプラス変換  第1項

γ<ω0(ξ) C1L1[1sλ1]+C2L1[1sλ2]=C1eλ1t+C2eλ2tL1[1s+a]=eat=(x02+v0+γx02ξ)eλ1t+(x02v0+γx02ξ)eλ2t=(x02+v0+γx02ξ)e(γ+ξ)t+(x02v0+γx02ξ)e(γξ)tλ1,2=c2m±(c2m)2(km)2=γ±γ2ω02=γ±ξ=(x02+v0+γx02ξ)eγteξt+(x02v0+γx02ξ)eγteξtaA+B=aAaB=eγt{(x02+v0+γx02ωi)eωit+(x02v0+γx02ωi)eωit}γ<ω0(ξ),ξ=γ2ω02=|γ2ω02|i=ωi=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}]=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)isin(ωt)}]cos(ωt)=cos(ωt),sin(ωt)=sin(ωt)=eγt[(x02+v0+γx02ωi)cos(ωt)+(x02+v0+γx02ωi)isin(ωt)+(x02v0+γx02ωi)cos(ωt)(x02v0+γx02ωi)isin(ωt)]=eγt[{(x02+v0+γx02ωi)+(x02v0+γx02ωi)}cos(ωt)+{(x02+v0+γx02ωi)(x02v0+γx02ωi)}isin(ωt)]=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωiisin(ωt)}=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}ii=1

逆ラプラス変換 第2項

γ<ω0(ξ) Fm{C3L1[1sλ1]+C4L1[1sλ2]}=Fm(C3eλ1t+C4eλ2t)L1[1s+a]=eat=Fm{1ω02(γ+ξ2ξ)eλ1t+1ω02(γξ2ξ)eλ2t}=Fm1ω02{(γ2ξ+ξ2ξ)eλ1t+(γ2ξξ2ξ)eλ2t}=Fk{(γ2ξ+12)eλ1t+(γ2ξ12)eλ2t}ω0=km,ω02=km,mω02=k=Fk{(γ2ξ+12)e(γ+ξ)t+(γ2ξ12)e(γξ)t}λ1,2=c2m±(c2m)2(km)2=γ±γ2ω02=γ±ξ=Fk{(γ2ξ+12)eγteξt+(γ2ξ12)eγteξt}=Fkeγt{(γ2ωi+12)eωit+(γ2ωi12)eωit}γ<ω0(ξ),ξ=γ2ω02=|γ2ω02|i=ωi=Fkeγt[(γ2ωi+12){cos(ωt)+isin(ωt)}+(γ2ωi12){cos(ωt)+isin(ωt)}]=Fkeγt[(γ2ωi+12){cos(ωt)+isin(ωt)}+(γ2ωi12){cos(ωt)isin(ωt)}]cos(ωt)=cos(ωt),sin(ωt)=sin(ωt)=Fkeγt[(γ2ωi+12)cos(ωt)(γ2ωi+12)isin(ωt)+(γ2ωi12)cos(ωt)(γ2ωi12)isin(ωt)]=Fkeγt[{(γ2ωi+12)+(γ2ωi12)}cos(ωt)+{(γ2ωi+12)(γ2ωi12)}isin(ωt)]=Fkeγt{cos(ωt)γωiisin(ωt)}=Fkeγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}ii=1 γω=γ|γ2ω02|ω=|γ2ω02|=γω02ω02|γ2ω02|=γω02|γ2ω02ω02ω02|=γω0|ζ21|ζ=γω0=ζ|ζ21|ζ=γω0

逆ラプラス変換  第3項

FmC5L1[1s]=Fm1ω02L1[1s]=Fm1ω021L1[1s]=1=Fkω0=km,ω02=km,mω02=k

逆ラプラス変換  第1,2,3項

x(t)={C1L1[1sλ1]+C2L1[1sλ2]}+Fm{C3L1[1sλ1]+C4L1[1sλ2]}+{FmC5L1[1s]}=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}Fkeγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+Fk=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}+Fk[1eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}]=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt{1ωsin(ωt)}+Fk[1eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}]1:,2:,3:=Fk+(x0Fk)eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt{1ωsin(ωt)}1:,2:,3:

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