x=r cos y=r sin } r2 =x 2 y 2

Ähnliche Dokumente
=N Induktivität

1 C A = A. y 1 y 2. x 1 x 2. x n C A. y m

1 Wechselstromwiderstände

Spannungsstabilisierung

2.1 Ele kt rom agnetis c he. Sc hwingunge n und We lle n. Sc hwingunge n

2.8 Grenzflächeneffekte

7.3 Anwendungsbeispiele aus Physik und Technik

Der Bipolar-Transistor und die Emitterschaltung Gruppe B412

VORBEREITUNG: TRANSISTOR- UND OPERATIONSVERSTÄRKER

Elektrische Messverfahren Versuchsvorbereitung

Versuch 6 Oszilloskop und Funktionsgenerator Seite 1. û heißt Scheitelwert oder Amplitude, w = 2pf heißt Kreisfrequenz und hat die Einheit 1/s.

Entladen und Aufladen eines Kondensators über einen ohmschen Widerstand

Für die Parameter t und ϕ sind das im angegebenen Bereich Funktionen, d.h. zu jedem Parameterwert gehört genau ein Punkt.

Modellbildung mit Scilab/Xcos mit Beispielen aus der Biorhythmik

Das Oszilloskop als Messinstrument Versuch P1-32,33,34

Vorkurs Mathematik Übungen zu Differentialgleichungen

SIMULATION DYNAMISCHER SYSTEME f

Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik. Versuchsbericht für das elektronische Praktikum. Praktikum Nr. 2. Thema: Widerstände und Dioden

13. Lineare DGL höherer Ordnung. Eine DGL heißt von n-ter Ordnung, wenn Ableitungen y, y, y,... bis zur n-ten Ableitung y (n) darin vorkommen.

Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden

Projekt 2HEA 2005/06 Formelzettel Elektrotechnik

Nerreter, Grundlagen der Elektrotechnik Carl Hanser Verlag München. 8 Schaltvorgänge

16.Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen

Zusammenfassung elektrische Maschinen Gleichstrommaschine

Vorlesung. Komplexe Zahlen

Abiturprüfung Mathematik 2008 (Baden-Württemberg) Berufliche Gymnasien ohne TG Analysis, Aufgabe 1

EO - Oszilloskop Blockpraktikum Frühjahr 2005

Versuch EL1 Die Diode

Messtechnik. Gedächnisprotokoll Klausur März Es wurde die Kapazität von 10 Kondensatoren gleicher Bauart gemessen:

Fachhochschule Düsseldorf Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Praktikum Elektrotechnik und Antriebstechnik

Seite 2 E 1. sin t, 2 T. Abb. 1 U R U L. 1 C P Idt 1C # I 0 cos t X C I 0 cos t (1) cos t X L

11 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Wärmeleitung und thermoelektrische Effekte Versuch P2-32

Zulassungsprüfung für den Master-Studiengang in Elektrotechnik und Informationstechnik an der Leibniz Universität Hannover

MATHEMATIK. Fachabiturprüfung 2009 zum Erwerb der Fachhochschulreife an. Fachoberschulen und Berufsoberschulen. Ausbildungsrichtung Technik

GT- Labor. Inhaltsverzeichnis

Charakteristikenmethode im Beispiel

I = I 0 exp. t + U R

3B SCIENTIFIC PHYSICS

4 Kondensatoren und Widerstände

Versuch 21. Der Transistor

Versuch 21: Der Transistor

oder: AK Analytik 32. NET ( Schnellstarter All-Chem-Misst II 2-Kanäle) ToDo-Liste abarbeiten

Rotierende Leiterschleife

K2 MATHEMATIK KLAUSUR. Aufgabe PT WTA WTGS Darst. Gesamtpunktzahl Punkte (max) Punkte Notenpunkte

1. Oszilloskop. Das Oszilloskop besitzt zwei Betriebsarten: Schaltsymbol Oszilloskop

Vervollständigen Sie das Schema mit Stromversorgung und Widerstandsmessgerät!

B H 0 H definieren, die somit die Antwort des Ordnungsparameters auf eine Variation der dazu konjugierten

Wechselstrom. Versuch 1a Wechselstromgenerator Dynamo Leerlauf. Wasser. Dynamo. Klemme. Oszilloskop (alt) Loch. 5 V/cm 1 ms

11.3 Komplexe Potenzreihen und weitere komplexe Funktionen

Übertragungsglieder mit Sprung- oder Impulserregung

Kirstin Hübner Armin Burgmeier Gruppe Dezember 2007

Zulassungsprüfung für den Master-Studiengang in Elektrotechnik und Informationstechnik an der Leibniz Universität Hannover

U N I V E R S I T Ä T R E G E N S B U R G

Kapitel 4. Elektrizitätslehre. Vorversuche:

Gruppe: 2/19 Versuch: 5 PRAKTIKUM MESSTECHNIK VERSUCH 5. Operationsverstärker. Versuchsdatum: Teilnehmer:

DIFFERENTIALGLEICHUNGEN

Übung Halbleiterschaltungstechnik

Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM I für Naturwissenschaftler

Einführung in die Physik

Beispiel Zusammengesetzte Zufallsvariablen

Versuch 3: Kennlinienfeld eines Transistors der Transistor als Stromverstärker

Aufgaben Wechselstromwiderstände

Das Frequenzverhalten von RC-Gliedern (E17)

Protokoll zum Grundversuch Wechselstrom

Elektrische Bauelemente

NAE Nachrichtentechnik und angewandte Elektronik

Hochschule Bremerhaven

Geneboost Best.- Nr Aufbau Der Stromverstärker ist in ein Isoliergehäuse eingebaut. Er wird vom Netz (230 V/50 Hz, ohne Erdung) gespeist.

352 - Halbleiterdiode

Kon o d n e d ns n ator Klasse A Klasse A (Ergänzung) Norbert - DK6NF

3B SCIENTIFIC PHYSICS

Eigenschaften elektrischer Bauelemente Versuch P2-50

Zusammenstellung der in TARGET 3001! simulierten Grundschaltungen

Anmerkung: Versuch anerkannt am:

1 Wiederholung einiger Grundlagen

Die regelungstechnischen Grundfunktionen P, I, D, Totzeit und PT1. 1. Methoden zur Untersuchung von Regelstrecken

Magnetische Induktion

Elektrische Mess- und Prüftechnik Laborpraktikum. Abgabe der Auswertung dieses Versuchs ist Voraussetzung für die Zulassung zum folgenden Termin

Einführung in die Motormesstechnik. Einleitung

Dabei ist der differentielle Widerstand, d.h. die Steigung der Geraden für. Fig.1: vereinfachte Diodenkennlinie für eine Si-Diode

2 Der elektrische Strom 2.1 Strom als Ladungstransport Stromstärke PTB

4.2 Gleichstromkreise

Dieter Suter Physik B

6 Wechselstrom-Schaltungen

Inhaltsverzeichnis. 1. Einleitung

Praktikum Nr. 3. Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik. Versuchsbericht für das elektronische Praktikum

Versuchsprotokoll. Die Röhrendiode. zu Versuch 25. (Physikalisches Anfängerpraktikum Teil II)

Elektrizitätslehre und Magnetismus

AS Praktikum M.Scheffler, C.Koegst, R.Völz Amplitudenmodulation mit einer Transistorschaltung EINFÜHRUNG VERSUCHSDURCHFÜHRUNG...

1 Allgemeine Grundlagen

Erstes Nyquistkriterium im Zeitbereich

Magnetodynamik elektromagnetische Induktion

34 5. FINANZMATHEMATIK

Elektrotechnisches Praktikum II

Peter Lawall. Thomas Blenk. Praktikum Messtechnik 1. Hochschule Augsburg. Versuch 4: Oszilloskop. Fachbereich: Elektrotechnik.

Inhaltsverzeichnis Integrierte mechanisch-elektronische Systeme

Tangentengleichung. Wie lautet die Geradengleichung für die Tangente, y T =? Antwort:

Kapitel 15: Differentialgleichungen

Probeklausur Sommersemester 2000

Transkript:

6. Grenzzyklen Grenzzyklen eistieren in Systemen, die nach einer äußeren Störung wieder ein stabiles periodisches Verhalten annehmen. Sie sind eine weitere Ursache für periodisches Verhalten. 6.1. Modell von Hopf (1942) Hopf untersuchte ein rein mathematisches Modell, das Grenzzyklen als Lösung zeigte: d dt = y a 2 y 2 dy dt = y a 2 y 2 Das System besitzt einen Fipunkt bei fi = 0, y fi = 0. Durch Umformung in neue Variablen (Polarkoordinaten) können wir die gekoppelten DGL in ein System ungekoppelter DGL überführen. =r cos y=r sin } r2 = 2 y 2 =t 125

dr 2 =2 r ṙ=2 ẋ 2 y ẏ dt Für ẋ und ẏ setzen wir die rechten Seiten des Hopf'schen Modells ein. 2 r ṙ=2 [ y a 2 y 2 ] 2 y[ y a 2 y 2 ] =2 2 y 2 a 2 y 2 =2 r 2 a r 2 dr dt =r a r 2 d d t =1 Diese beiden DGL sind zu den Ausgangsgleichungen äquivalent. Die Fipunkte des Systems liegen bei: y 1. r fi =0 = y=0 2. r fi = a reel für positive a φ Der Fipunkt rotiert mit konstanter Winkelgeschwindigkeit und konstantem Abstand um den Ursprung. t = a cost y t = a sin t 126

Um zu entscheiden, ob diese Lösung einen Grenzzyklus darstellt, benötigen wir eine Stabilitätsanalyse in der Nähe von r fi. r r fi = a r r fi = a dr dt =r a r 2 negativ dr dt =r a r 2 positiv Die Werte für r werden kleiner und nähern sich r fi. y Die Werte für r nehmen in Richtung r fi zu. Der Kreis zieht damit alle Punkte in seiner Umgebung an, er ist ein Attraktor. Jeder Anfangspunkt, der nicht auf dem Kreis liegt, wird vom Grenzzyklus nach einiger Zeit aufgenommen. 127

Falls a negativ ist, gilt immer a 0 dr dt =r a r 2 0 In diesem Fall ist r fi nicht reell und es eistiert nur der echte Fipunkt bei =y=0. Damit erhalten wir ein Bifurkationsverhalten. Für a 0 eistieren nur Fipunkte bei =y=0, für a > 0 treten Grenzzyklen auf. Die Grenzzyklen zeigen periodisches Verhalten. a 0 Das periodische Verhalten ist in Systemen mit zwei oder mehr Spezies möglich und hat seine Ursache nicht in periodischen äußeren Änderungen oder time-lag. mathematische Kriterien für Grenzzyklen: 1. Theorem von Bendison 2. Theorem von Poincaré Beide Theoreme sind schwer zu beweisen und in der Anwendbarkeit praktisch unbrauchbar, so dass oft nur Numerik weiterhilft. Unter bestimmten Voraussetzungen garantiert das Liénard Theorem die Eistenz eines stabilen Grenzzyklus. 128

6.2. Räuber-Beute-Modell mit Grenzzyklus Wir verändern die Räuber-Beute-Gleichungen d dt =a 1 k b y c dy dt =d y 1 ey d y 1 y k 2 Die Größe k 2 gibt die maimale Anzahl der Räuber vor und ist z. B. durch das Nahrungsangebot bestimmt. Die numerische Lösung der DGL zeigt die Eistenz eines stabilen Grenzzyklus. Die Form hängt natürlich von den gewählten Parametern ab, vor allem vom Wert von d. Für bestimmte Werte von d eistiert ein Grenzzyklus, für andere Werte von d nimmt das System einen stabilen Fipunkt an. Im Gegensatz zum einfachen Lotka-Volterra-Modell ist das System stabil. 129

Numerische Lösung der veränderten Räuber-Beute Gleichungen y t Für d=0.1 entsteht ein Grenzzyklus. y t Für d=0.4 nimmt das System einen Fipunkt an. Die weiteren Parameter waren identisch und betrugen: a=e=k=1, b=1.5, c=0.2. 130

6.3. Erzeugung von Schwingungen Grenzzyklen lassen sich nutzen, um stabile Schwingungen zu erzeugen. Das ist in vielen Bereichen sehr wichtig: Musikinstrumente Uhren Funksender Herzschlag Die grundlegende Idee soll am Beispiel des harmonischen Oszillators aus der Mechanik verdeutlicht werden. m ẍ a ẋ k=0 Die Konstanten m und k sind nicht weiter wichtig und wir setzen Die Energie beträgt 2 E=ẋ 2 2 m=k=1. ẋ=v v= a v Für positive a: Reibung, Energieverlust --> E sinkt. Für negative a: negative Reibung, Energiezufuhr --> E steigt : 131

Um eine stabile periodische Schwingung zu erzeugen, müssen wir Reibungsverluste durch Energiezufuhr kompensieren. ẍ ẋ a ẋ 2 2 =0 Falls 2 E= 2 ẋ 2 a ; falls 2 E= 2 ẋ 2 a ist die Reibung negativ ist die Reibung positiv Solch ein System zeigt einen Grenzzyklus nach Hopf. Eine gute Realisierung dieses Modells stellt die Anregung einer Saite durch einen Geigenbogen dar. v Geigenbogen Durch den Bogen (Pfeil) wird die Saite aus der Ruhelage gebracht. Der Bogen lenkt die Saite so lange aus, wie die Haftreibung groß genug ist. Bei einer bestimmten Auslenkung schnellt die Saite zurück, bis sie wieder vom Bogen mitgenommen wird. 132

6.4. Van-der-Pol-Oszillator van der Pol und van der Mark, Nature, 120, 363-364, (1927). Diese Schaltung wird zur Erzeugung einer festen Frequenz genutzt. U 0 = angelegte Spannung U R =U C U R =U 0 U ind Parallelschaltung Reihenschaltung U ind = L di L dt U C = Spannung Kondensator U R = Spannung Widerstand I C = dq dt = C d U C dt I L =I R I C U R = U 0 L di L dt =U 0 L L I C = U 0 U R L I R I R I C LC U C = U 0 U R L di R du R Reibung du R dt 133

Der Reibungsterm entspricht dem Widerstand im Schaltbild. Allerdings soll der Widerstand einen nichtlinearen Widerstand R = R(U) darstellen (z.b. Röhrenschaltung oder Gunn-Effekt in GaAs). Die Kennlinie sieht schematisch so aus: I I 0 I =I 0 a U U 0 b U U 0 3 U 0 U in der Nähe vom Arbeitspunkt bei U 0 Betrachtet man kleine Abweichungen vom Arbeitspunkt u = U - U 0, so erhält man I = I 0 au bu 3 di = a 3 b u2 du LC ü L a 3bu 2 u u=0 134

Für große Weite von u ist 3bu 2 > a, so dass die Reibung positiv ist und u abnimmt. Für den Fall 3b u 2 < a ist die Reibung negativ und u wächst. Die Energiezufuhr kommt aus dem Netz (U 0 ), der Energieverlust durch den Widerstand. Mit diesem Mechanismus wird das System stabilisiert, so dass eine stabile Schwingung entsteht. Durch Substitution der Variablen erhalten wir die van-der-pol-gleichung: d 2 d 2 1 2 d d = 0 μ=1 2 = t 2 L C p = u 3b a = a L C τ Fitzhugh und Nagumo haben diese Gleichung erweitert als Modell für Aktivitätspotenziale von Neuronen. In der Seismologie wurde sie zur Beschreibung zweier Platten einer Verwerfung genutzt. 135

Bemerkung zur Stabilität Im Allgemeinen eistiert kein Potenzial, so dass eine Stabilitätsuntersuchung aufwendig ist. ẋ= ẏ=0 Aus lassen sich die Fipunkte bestimmen, allerdings können es bei nichtlinearen Gleichungen viele sein. Durch Untersuchungen von kleinen Abweichungen δ, δ y von den Fipunkten lassen sich Informationen zur Stabilität finden. Durch Reihenentwicklung und Linearisierung in der Nähe des Fipunktes führt das zu Gleichungssystemen, die Bedingungen für die möglichen Lösungen geben. Allerdings kann es Bereiche geben ( Schwarze Löcher ), in denen ein nur leicht ausgelenkter Punkt nicht mehr auf den Attraktor zurückkehrt, sondern auf einen anderen Attraktor zustebt. Das bedeutet auch, dass ein Eingriff gleicher Stärke zu unterschiedlichen Zeitpunkten völlig verschiedene Reaktionen des Systems erzeugen kann. 136

Pendeluhr: Grenzzyklus + Fipunkt t 1 t 0 d d t Eingriff mit gleicher Stärke zu verschiedenen Zeitpunkten. φ Eingriff bei t 1 ändert nichts, Eingriff bei t 0 hält die Uhr an Die rote Ellipse kennzeichnet die Grenze des Einzugsgebietes des Attraktors für den Grenzzyklus. Innerhalb des roten Bereiches zieht ein Fipunkt die Trajektorien an. 137