Sistema acoplado de 4 equações diferenciais - Python

Question

Eu tenho o sistema acoplado de 4 equações diferenciais na imagem. Eu tenho 4 funções (xG; yG; gama; beta) e seus derivados. Eles são todos função da mesma variável independente t.

Estou tentando resolver isso com odeint. O problema é que, para fazer isso, acho que preciso expressar o sistema de uma forma que cada segunda derivada não dependa de outras segundas derivadas. Isso envolve uma quantidade de matemática que certamente me levará a um erro em algum lugar (eu tentei!).

Você sabe como eu poderia:

1. Resolva este sistema de equações diferenciais como ele é?
2. ou obter python para isolar os segundos derivados para mim?

Estou anexando meu código de teste

obrigado

import numpy
import math
from numpy import loadtxt
from pylab import figure,  savefig
import matplotlib.pyplot as plt
# Use ODEINT to solve the differential equations defined by the vector field
from scipy.integrate import odeint



def vectorfield(w, t, p):
    """
    Defines the differential equations for the coupled system.

    Arguments:
        w :  vector of the state variables:
                  w = [Xg, Xg1 Yg, Yg1, Gamma, Gamma1, Beta, Beta1]
        t :  time
        p :  vector of the parameters:
                  p = [m, rAG, Ig,lcavo]
    """
#Xg is position ; Xg1 is the first derivative ; Xg2 is the second derivative (the same for the other functions)
        Xg, Xg1,  Yg, Yg1, Gamma, Gamma1, Beta, Beta1 = w
        Xg2=-(Ig*Gamma2*math.cos(Beta))/(rAG*m*(-math.cos(Gamma)*math.sin(Beta)+math.sin(Gamma)*math.cos(Beta)))
        Yg2=-(Ig*Gamma2*math.sin(Beta))/(rAG*m*(-math.cos(Gamma)*math.sin(Beta)+math.sin(Gamma)*math.cos(Beta)))-9.81
        Gamma2=((Beta2*lcavo*math.sin(Beta))+(Beta1**2*lcavo*math.cos(Beta))+(Xg2)-(Gamma1**2*rAG*math.cos(Gamma)))/(rAG*math.sin(Gamma))
        Beta2=((Yg2)+(Gamma2*rAG*math.cos(Gamma))-(Gamma1**2*rAG*math.sin(Gamma))+(Beta1**2*lcavo*math.sin(Beta)))/(lcavo*math.cos(Beta))
        m, rAG, Ig,lcavo, Xg2,  Yg2, Gamma2, Beta2 = p
    
    
    # Create f = (Xg', Xg1' Yg', Yg1', Gamma', Gamma1', Beta', Beta1'):
    f = [Xg1,
         Xg2,
         Yg1, 
         Yg2, 
         Gamma1, 
         Gamma2, 
         Beta1, 
         Beta2]
         
    return f

    


# Parameter values
m=2.722*10**4
rAG=2.622
Ig=3.582*10**5
lcavo=4
# Initial conditions
Xg = 0.0
Xg1 = 0
Yg = 0.0
Yg1 = 0.0
Gamma=-2.52
Gamma1=0
Beta=4.7
Beta1=0

# ODE solver parameters
abserr = 1.0e-8
relerr = 1.0e-6
stoptime = 5.0
numpoints = 250

#create the time values
t = [stoptime * float(i) / (numpoints - 1) for i in range(numpoints)]
Deltat=t[1]
# Pack up the parameters and initial conditions:
p = [m, rAG, Ig,lcavo, Xg2,  Yg2, Gamma2, Beta2]
w0 = [Xg, Xg1,  Yg, Yg1, Gamma, Gamma1, Beta, Beta1]

# Call the ODE solver.
wsol = odeint(vectorfield, w0, t, args=(p,),
              atol=abserr, rtol=relerr)

Answer 1

Você precisa reescrever todos os seus derivados de segunda ordem como os de primeira ordem e resolver 8 ODE juntos:

Então você precisa das condições iniciais para todos os derivados, mas parece que você já tem. Para sua informação, seu código não roda ( line 71: NameError: name 'Xg2' is not defined), verifique.

Além disso, para obter mais informações, consulte a solução do ODE de 2ª ordem numericamente .

EDIT # 1: Na primeira etapa, você precisa desacoplar o sistema de equações. Embora você possa resolver manualmente, eu não recomendo, então vamos usar o sympymódulo:

import sympy as sm
from sympy import symbols

# define symbols. I assume all the variables are real-valued, this helps the solver. If not, I believe the result will be the same, but just calculated slower
Ig, gamma, gamma1, gamma2, r, m, beta, beta1, beta2, xg2, yg2, g, l = symbols('I_g, gamma, gamma1, gamma2, r, m, beta, beta1, beta2, xg2, yg2, g, l', real = True)

# define left hand sides as expressions
# 2nd deriv of gamma
g2 = (beta2 * l * sm.sin(beta) + beta1**2 *l *sm.cos(beta) + xg2 - gamma1**2 *r * sm.cos(gamma))/(r*sm.sin(gamma))
# 2nd deriv of beta
b2 = (yg2 + gamma2 * r * sm.cos(gamma) - gamma1**2 *r * sm.sin(gamma) + beta1**2 *l *sm.sin(beta))/(l*sm.cos(beta))
# 2nd deriv of xg
x2 = -Ig*gamma2*sm.cos(beta)/(r*m*(-sm.sin(beta)*sm.cos(gamma) + sm.sin(gamma)*sm.cos(beta)))
# 2nd deriv of yg
y2 = -Ig*gamma2*sm.sin(beta)/(r*m*(-sm.sin(beta)*sm.cos(gamma) + sm.sin(gamma)*sm.cos(beta))) - g

# now let's solve the system of four equations to decouple second order derivs
# gamma2 - g2 means "gamma2 - g2 = 0" to the solver. The g2 contains gamma2 by definition
# one could define these equations the other way, but I prefer this form
result = sm.solve([gamma2-g2,beta2-b2,xg2-x2,yg2-y2],
                  # this line tells the solver what variables we want to solve to
                  [gamma2,beta2,xg2,yg2] )
# print the result
# note that it is long and ugly, but you can copy-paste it as python code
for res in result:
    print(res, result[res])

agora temos todas as derivadas de 2ª ordem desacopladas. Por exemplo, a expressão para beta2é

portanto, (e todas as outras derivadas de 2ª ordem também) tem a forma

observe que não há dependência de xgou yg.

Vamos apresentar as duas novas variáveis be k:

então

se torna

e o sistema completo de ODEs para resolver é

Agora, todos os EDOs são dependentes de quatro variáveis ​​que não são derivadas de nada. Além disso, uma vez que xge ygsão degenerados, existem também apenas 6 equações em vez de 8. No entanto, pode-se reescrever essas duas equações da mesma maneira que gammae betapara obter o sistema completo de 8 equações e integrá-lo.