background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 1 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 
 

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH - 

WYKŁAD 1

 

 

 

Elżbieta Jarzębowska

 

Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego

 

 
 

Program wykładu 

 

1. Wprowadzenie – czym jest modelowanie, modele liniowe, nieliniowe, zlinearyzowane.  

1.1.  Podstawowe reguły i etapy modelowania. 
1.2.  Skutki założeń modelowych – przykład – koło sztywne i koło ogumione. 
1.3.  Skutki linearyzacji modelu nieliniowego – przykład. 

Spis zalecanej literatury pomocniczej do wykładu. Przewodnik po literaturze. 
 

2. 

Klasyfikacje modeli dla układów mechanicznych. 

2.1 

Modele nieliniowe holonomiczne - przykłady. 

2.2 

Modele nieliniowe nieholonomiczne – przykłady. 

2.2.1  modele kinematyczne 
2.2.2  modele dynamiczne. 

 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 2 

                                                                                                                                                                                             

 

 

3. 

Modele nieliniowe holonomiczne. 
3.1 

Teoria – równania Lagrange’a II rodzaju. 

3.2 

Teoria – kanoniczne równania Hamiltona.  

3.3 

Zalety  i  ograniczenia  niektórych  równań;  ciekawostka  –  dlaczego  stosuje  się 

równania Routha do symulacji ruchu modelu satelity po orbicie. 

3.4 

Manipulator wieloczłonowy – przykład wykładowy – zbudować model dynamiki. 

Projekt  domowy  -  samodzielne  zbudowanie  modelu  dynamiki  dla  zadanego  przykładu, 
wykonanie symulacji numerycznej, animacji ruchu. 
Pracochłonność projektu domowego – 10 godzin
 

4. 

Modele nieliniowe nieholonomiczne. 
4.1 

Kinematyczne i dynamiczne modele układów nieholonomicznych. 

4.2 

Więzy – klasyfikacja więzów w mechanice i nie tylko. 

4.3 

Teoria – równania Lagrange’a z mnożnikami. 

4.4 

Teoria – równania Maggiego i Kane’a. 

4.5 

Teoria – równania Boltzmanna-Hamela. 

4.6 

Manipulator  wieloczłonowy  z  więzami  geometrycznymi  –  przykład  wykładowy  – 

zbudować model dynamiki. 

4.7 

Pojazd kołowy - przykład wykładowy – zbudować model dynamiki. 

4.8 

Model  układu  biomechanicznego  -  przykład  wykładowy  –  zbudować  model 

kinematyki skoczka z trampoliny i model dynamiki robaka z łuską. 

4.9 

Model „pojazdu kosmicznego” - przykład wykładowy – zbudować model dynamiki. 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 3 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Projekt  domowy  –  zbudować,  dla  zadanego  przykładu  układu  technicznego,  nieliniowy 
model dynamiki, przeprowadzić symulację ruchu, pokazać animację.  
Pracochłonność projektu domowego – 10 godzin. 
 

5. 

Reprezentacja równań więzów w analizie numerycznej modeli nieliniowych. 
 

6. 

Aspekty numeryczne rozwiązywania równań ruchu układów mechanicznych. 
 

7. 

Podsumowanie kursu.  

Rozdanie  projektów  domowych  końcowych.  Pracochłonność  projektu  domowego  –  15 
godzin. 

 
 

Cele kształcenia: 

1. Przekazanie  porcji  wiedzy  z  zakresu  metod  modelowania  nieliniowego  układów  mechanicznych, 

typowych  w  zastosowaniach  inżynierskich.  Zakres  przewidzianej  porcji  wiedzy  obejmuje  modelowanie 
układów holonomicznych i nieholonomicznych, na poziomie kinematyki i dynamiki. 

2. Pokazanie,  poprzez  strukturę  wykładu  i  dobór  przykładów,  zakresu  zastosowań  różnych  metod 

modelowania i sposobu podejścia do budowy i analizy różnych modeli nieliniowych. 

3. Pokazanie  słuchaczom  i  nauczenie  ich  „sposobu  podejścia”  do  modelowania,  który  będą  mogli 

wykorzystać w pracy praktycznej jako inżynierowie i w pracy naukowej. 

4. Wykład nie jest wykładem z mechaniki analitycznej mimo, że metody mechaniki analitycznej będą 

wprowadzane i wykorzystywane w modelowaniu.  

5. Pokazanie, że modelowanie jest pewną sztuką opartą jednak na racjonalnych regułach. 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 4 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 
 

WARUNKI ZALICZENIA: zadania domowe i projekt końcowy. 

 

Zalecana literatura (

możliwa do zdobycia, bez literatury o znaczeniu historycznym

): 

 

1. Bloch, A.M. 2003. Nonholonomic mechanics and control, New York: Springer-Verlag.  

2. Brockett,  R.W.  1983.  Asymptotic  stability  and  feedback  stabilization.  In  Differential 

geometric control theory, ed. R.W. Brockett, R.S. Millman and H.J. Sussmann, Boston, MA: 

Birkhauser. 

3. Chaplygin, S.A. 1897. About a motion of a heavy body on a horizontal plane. In Izbrannye 

trudy klassiki nauki, 363-375. Moscow: Nauka (in Russian).  

4. de Jalon, J.G. and E. Bayo. 1994. Kinematic and dynamic simulation of multibody systems. 

Mech. Eng. Series. Berlin: Springer-Verlag. 

5. Dobronravov,  V.V.  1970.  Foundations  of  mechanics  of  non-holonomic  systems.  Moscow: 

Vyschaja Shkola (in Russian). 

6. Galiulin,  A.C.  1971.  Design  of  systems  for  programmed  motion.  Moscow:  Nauka  (in 

Russian). 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 5 

                                                                                                                                                                                             

 

 

7. Gutowski,  R.  1971.  Analytical  mechanics,  Warsaw:  PWN  (in  Polish)  lub  Mechanika 

analityczna. 

8. Jarzębowska,  E.  and  N.  H.  McClamroch.  2000.  On  nonlinear  control  of  the  Ishlinsky 

problem  as  an  example  of  a  nonholonomic  non-Chaplygin  system.  In  Proc.  Am.  Control 

Conf. 3249-3253. Chicago, IL. 

9. Jarzębowska, E. 2002. On derivation of motion equations for systems with nonholonomic 

high-order program constraints. Multibody System Dynamics 7(3):307-329. 

10.  Jarzębowska, E. 2005. Dynamics modeling of nonholonomic mechanical systems: theory 

and applications. Nonlinear Analysis 63 (5-7):185-197. 

11.  Jarzębowska,  E.  2006.  Control  oriented  dynamic  formulation  of  robotic  systems  with 

program constraints. Robotica 24(1):61-73. 

12.   Jarzębowska,  E.  and  R.  Lewandowski.  2006.  Modeling  and  control  design  using  the 

Boltzmann-Hamel equations: a roller-racer example. In Proc. 8th IFAC Symposium on Robot 

Control, SYROCO

13.  Jarzębowska,  E.  2007.  Stabilizability  and  motion  tracking  conditions  for  nonholonomic 

control systems. Mathematical Problems in Engineering. Hindawi Publishing Corp. 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 6 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 

14.  Kamman, J.W. and R. L. Huston 1984. Dynamics of constrained multibody systems.  J. 

Appl. Mech. 51:899-903. 

15.  Kane, T.R. and D. L. Levinson. 1985. Dynamics - theory and applications. McGraw Hill. 

16.  Kane,  T.R.  and  D.  L.  Levinson.  1996.  The  Use  of  Kane’s  Dynamical  Equations  in 

Robotics. Int. J. Robot. Res. 2(3):3-21. 

17.  Korieniev G.V. 1964. Introduction to mechanics of a controllable body. Moscow: Nauka, (in 

Russian). 

18.  Kwatny, H.G. and G.L. Blankenship. 2000. Nonlinear control and analytical mechanics, a 

computational approach. Boston: Birkhauser. 

19.  Lancos, C. 1986. The variational principles of mechanics. 4th ed. New York: Dover Publ. 

20.  Layton, R.A. 1998. Principles of analytical system dynamics. New York: Springer-Verlag. 

21.  Lewis,  A.D.,  J.P.  Ostrowski,  R.M.  Murray  and  J.  Burdick.  1994.  Nonholonomic 

mechanics  and  locomotion:  The  snakeboard  example.  In  IEEE  Int.  Conf.  Robot.  Automat.

2391-2400. 

 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 7 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 

22.  Lewis, F.L., C. T. Abdallah and D. M. Dawson. 1996. Control of robot manipulators. New 

York: Macmillan Publ. Comp. 

23.  Marsden, J.E. and T.S. Ratiu 1992. An introduction to mechanics and symmetry. Texts in 

Appl. Math. 17, Springer-Verlag. 

24.  Moon, F.C. 1998. Applied dynamics. John Wiley & Sons Inc. 

25.  Murray,  R.M.,  Z.X.  Li,  and  S.S.  Sastry.  1994.  A  mathematical  introduction  to  robotic 

manipulation. Boca Raton, Florida: CRC Press. 

26.  Nejmark,  J.I.  and  N.A.  Fufaev.  1972.  Dynamics  of  nonholonomic  systems.  Providence, 

Rhode Island: Am. Math. Society.  

27.  Nielsen, J. 1935. Vorlesungen uber elementare mechanik. Berlin: Verlag von J. Springer. 

28.  Nijmeijer,  H.  and  A.  van  der  Schaft.  1990.  Nonlinear  dynamical  control  systems.  New 

York: Springer-Verlag. 

29.  Papastavridis, J.G. 2002. Analytical mechanics, a comprehensive treatise on the dynamics 

of  constrained  systems;  for  engineers,  physicians,  and  mathematicians.  New  York:  Oxford 

University Press. 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 8 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 

30.  Pars, L.A. 1965. Treatise of analytical dynamics. London: W. Heinemann, Ltd. 

31.  Slotine,  J.J.  and  W.  Li.  1991.  Applied  nonlinear  control.  New  Jersey:  Prentice  Hall, 

Englewood Cliffs.  

32.  Sontag, E.D. 1990. Mathematical control theory. New York: Springer. 

33.  Spong, M.W. and M. Vidyasagar. 1989. Robot control and dynamics. New York: Wiley. 

34.  Udwadia,  F.  and  R.  Kalaba.  1996.  Analytical  dynamics  -  a  new  approach.  New  York: 

Cambridge Univ. Press. 

35.  Yun, X. and N. Sarkar. 1998. Unified formulation of robotic systems with holonomic and 

nonholonomic constraints. IEEE Trans. Robot. Automat., 14(4):640-650. 

 
 
 
 
 
 
 
 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 9 

                                                                                                                                                                                             

 

 

1.  Wprowadzenie: 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 

 

 

 
 
 
 
 

 
 
 
 

M

ODELE UKŁADÓW 

MECHANICZNYCH

 

 

Modele liniowe 

Modele 

nieliniowe 

Modele 

holonomiczne 

(roboty, manipulatory) 

Modele 

nieholonomiczne 

(pojazdy kołowe, 

kosmiczne) 

Modele 

kinematyczne

 

 

Modele 

dynamiczne 

Model 

Modele 

dynamiczne 

Model 

linearyzacja 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 10 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Dlaczego interesują nas modele nieliniowe? Przecież modele liniowe 
są takie proste, przewidywalne (np. badanie stateczności), tanie pod 
wieloma  względami  i  jest  dla  nich  rozwiniętych  bardzo  wiele 
narzędzi badania i opisu....... 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 11 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Podstawowe „reguły” i etapy modelowania 

 
Modelowanie jest jak uprawianie sportu – im więcej ćwiczysz, tym lepiej ci idzie..... 
Modelowanie jest też jak sztuka – wymaga wyczucia, zmysłu obserwacji........ 
 

1. Jaki obiekt będzie modelowany? Wyodrębnienie obiektu modelowania. 
2. Modelowanie  jest  procesem  celowym  –  po  co  buduję  model?  Do  analizy  ruchu?  Do 

sterowania? Do przeprojektowania? Do......? 

3. Cel modelowania determinuje model fizyczny. 
4. Budowa modelu fizycznego. Ile wersji modelu buduję? 
5. Cel  modelowania  determinuje  model  matematyczny  (współrzędne,  model  na  poziomie 

kinematyki, dynamiki.....) 

6. Budowa modelu (modeli) matematycznego. 
7. Identyfikacja (mamy modelowanie nieliniowe). 
8. Symulacja modelu (badania modelu). 
9. Weryfikacja z obiektem rzeczywistym. (Powrót do 3?) 

 
 
 
 
 
 
 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 12 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Skutki linearyzacji modelu nieliniowego – przykład 

 
Założenia:  rozważmy  przykład  z  zakresu  sterowania  i  zlinearyzujemy  model  kinematyczny 
monocyklu.  Model  monocyklu  jest  prosty,  lecz  jest  kinematycznie  ekwiwalentny  modelowi 
platformy dwukołowej lub dwukołowego pojazdu. 
Zobaczmy, co z tego wyniknie........ 
 

 

 

 - kąt odchylenia (heading angle) koła, mierzony od osi x,  

 - kąt obrotu własnego (roll angle) mierzony of ustalonego odniesienia,  

(x,y) – współrzędne punktu kontaktu koła z podłożem.  
 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 13 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Warunek toczenia sztywnego koła bez poślizgu (kinematyka, semestr II ) 
formułujemy  w  postaci  tzw.  więzów  materialnych  nieholonomicznych  o 
postaci 

 

sin

r

y

,

cos

r

x

 

 

Kinematyczny model sterowania ma postać 
 

Ż(q)g

1

(q)g

2

(q)ω, 

czyli 

 
 
 
 
 
 

v – prędkość liniowa koła, 
ω – prędkość kątowa koła wokół osi pionowej, 
dwa wejścia sterujące – dwie prędkości.  

1

0

0

0

v

sin

cos

y

x

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 14 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Każdy  wie,  że  monocyklem  można  jeździć  –  można  nim  sterować  i 
dostępna jest cała przestrzeń konfiguracji (zajedziemy wszędzie, choć 
nie  z  „każdą”  prędkością).  Badamy  tzw.  sterowalność  w  punkcie 
(controllability at a point). 

Linearyzacja styczna nieliniowego modelu kinematyki w punkcie q

e

 

(tangent linearization) pozwala uzyskać model liniowy 

 

 
 
 
 
 

 

gdzie 

e

q

q

q~

.  

Powyższy model jest niesterowalny! (Teoria sterowania – kryterium 
LARC).  
Macierz dystrybucji 

3

2

1

g

g

g

 traci rząd. 

 

1

0

0

0

v

sin

cos

q~

e

e

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 15 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 

Zobaczmy, że tylko w przypadku ogólnym, macierz dystrybucji zbudowana 
z wektorów g

1

, g

2

 i ich nawiasu Liegu, dla 

 
 
 
 
 
 

 

ma pełny rząd. 

Rzeczywiście: 

0

2

1

1

2

2

1

3

cos

sin

g

q

g

g

q

g

g

g

g

 

Wtedy  LARC  jest  spełnione  globalnie(  w  każdym  q

e

),  ponieważ 

3

2

1

g

g

g

 i 

rank [gg2 [g1, g2] ] = 3 = n. 

 

1

0

0

0

v

sin

cos

y

x

g

1

                                

g

2

 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 16 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 
WNIOSKI: 

1.  Model uproszczony jest niesterowalny! 
2.  Aby  zaprojektować  sterowanie,  trzeba  korzystać  z  modelu 

nieliniowego  i  narzędzi  sterowania  nieliniowego  (żaden  algorytm 
sterowania liniowego nie jest tu do zastosowania!!).  

3.  Do innych celów, model zlinearyzowany może byłby dobry.....czyli nie 

zawsze można, ot po prostu...., zlinearyzować..... 

 

 
 
 
 
 
 

 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 17 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Skutki  założeń  modelowych  –  przykład  –  koło  sztywne  i  koło 
ogumione 

 
Weźmy koło sztywne z poprzedniego przykładu 

 

i  dodatkowe  warunki,  które  są  konsekwencją  założenia  sztywności  koła  i 
toczenia  bez  poślizgu,  czyli 

sin

r

y

,

cos

r

x

To  założenie  czyni 

model układu nieholonomicznym.  
W dalszej części  wykładu zobaczymy,  jak  zbudować  model matematyczny 
dla układu nieholonomicznego.  

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 18 

                                                                                                                                                                                             

 

 

Teraz załóżmy, że koło jest ogumione i wygląda, jak na rys. poniżej. 

 

 

(

wg.  Tire  modeling  and  friction  estimation,  J.  Svendenius,  Lund  University,  Dept.  Of  Automatic 

Control, 2007) 

Wyznaczenie  F

x

,  F

y

,  momentów  sił  jest  opisane  wg.  wielu  teorii,  np.  przez  tzw. 

magic  formula  Pacejki.  Nie  ma  już  równań  więzów  nieholonomicznych,  jak  w 
poprzednim modelu.  
Koło ogumione jest holonomiczne! 

 
 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 19 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 

Prosty  przykład  wyboru  współrzędnych  do  modelu  matematycznego 
zdeterminowanych sposobem napędzania manipulatora 

 
Wybierz współrzędnie, gdy: 
- dwuczłonowy manipulator napędzany jest jednym silnikiem z podstawy, 
-  dwuczłonowy  manipulator  napędzany  jest  silnikami  umieszczonymi  w 
przegubach 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 20 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 

Spis zalecanej literatury do wykładu 1: 

 

1. Bloch, A.M. 2003. Nonholonomic mechanics and control, New York: Springer-Verlag.  

2. de  Jalon,  J.G.  and  E.  Bayo.  1994.  Kinematic  and  dynamic  simulation  of  multibody 

systems. Mech. Eng. Series. Berlin: Springer-Verlag. 

3. Dobronravov,  V.V.  1970.  Foundations  of  mechanics  of  non-holonomic  systems.  Moscow: 

Vyschaja Shkola (in Russian). 

4. Gutowski,  R.  1971.  Analytical  mechanics,  Warsaw:  PWN  (in  Polish)  lub  Mechanika 

analityczna. 

5. Jarzębowska, E. Mechanika analitczna, skrypt PW, oficyna wydawnicza PW, 2003. 

6. Jarzębowska,  E.  and  R.  Lewandowski.  2006.  Modeling  and  control  design  using  the 

Boltzmann-Hamel  equations:  a  roller-racer  example.  In  Proc.  8th  IFAC  Symposium  on 

Robot Control, SYROCO

 

 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 21 

                                                                                                                                                                                             

 

 

 

7. Kane, T.R. and D. L. Levinson. 1985. Dynamics - theory and applications. McGraw Hill. 

8. Kane,  T.R.  and  D.  L.  Levinson.  1996.  The  Use  of  Kane’s  Dynamical  Equations  in 

Robotics. Int. J. Robot. Res. 2(3):3-21. 

9. Kwatny, H.G. and G.L. Blankenship. 2000. Nonlinear control and analytical mechanics, a 

computational approach. Boston: Birkhauser. 

10. 

Lancos,  C.  1986.  The  variational  principles  of  mechanics.  4th  ed.  New  York:  Dover 

Publ. 

11. 

Layton,  R.A.  1998.  Principles  of  analytical  system  dynamics.  New  York:  Springer-

Verlag. 

12. 

Lewis, F.L., C. T. Abdallah and D. M. Dawson. 1996.  Control of robot manipulators. 

New York: Macmillan Publ. Comp. 

13. 

Moon, F.C. 1998. Applied dynamics. John Wiley & Sons Inc. 

14. 

Murray, R.M., Z.X. Li, and S.S. Sastry. 1994. A mathematical introduction to robotic 

manipulation. Boca Raton, Florida: CRC Press. 

 

background image

MODELOWANIE NIELINIOWYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

 

 

[Type text] 

page 22 

                                                                                                                                                                                             

 

 

15. 

Nejmark, J.I. and N.A. Fufaev. 1972. Dynamics of nonholonomic systems. Providence, 

Rhode Island: Am. Math. Society.  

16. 

Papastavridis,  J.G.  2002.  Analytical  mechanics,  a  comprehensive  treatise  on  the 

dynamics  of  constrained  systems;  for  engineers,  physicians,  and  mathematicians.  New 

York: Oxford University Press. 

17. 

Pars, L.A. 1965. Treatise of analytical dynamics. London: W. Heinemann, Ltd. 

18. 

Spong, M.W. and M. Vidyasagar. 1989. Robot control and dynamics. New York: Wiley. 

19. 

Udwadia, F. and R. Kalaba. 1996. Analytical dynamics - a new approach. New York: 

Cambridge Univ. Press.