OPTYMALNE PROJEKTOWANIE KSZTAŁTU METODĄ ZBIORÓW POZIOMICOWYCH

Podobne dokumenty
Rama płaska metoda elementów skończonych.

Modelowanie przepływu cieczy przez ośrodki porowate Wykład III

BADANIE DYNAMICZNEGO TŁUMIKA DRGA

XXX OLIMPIADA FIZYCZNA (1980/1981). Stopień I, zadanie teoretyczne T4 1

Temat 6. ( ) ( ) ( ) k. Szeregi Fouriera. Własności szeregów Fouriera. θ możemy traktować jako funkcje ω, których dziedziną jest dyskretny zbiór

ROZWIAZANIA ZAGADNIEŃ PRZEPŁYWU FILTRACYJNEGO METODAMI ANALITYCZNYMI.

( ) + ( ) T ( ) + E IE E E. Obliczanie gradientu błędu metodą układu dołączonego

METODA ZDYSKONTOWANYCH SALD WOLNYCH PRZEPŁYWÓW PIENIĘŻNYCH

u(t) oraz przedziałami ciągłe względem t (i,j=1,2,,n). Wektor stanu x(t) jest dostępny.

podsumowanie (E) E l Eds 0 V jds

Równania różniczkowe. Lista nr 2. Literatura: N.M. Matwiejew, Metody całkowania równań różniczkowych zwyczajnych.

DYNAMIKA KONSTRUKCJI

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki Ćwiczenie nr 10 Pomiary czasu życia nośników w półprzewodnikach

Wyznaczenie współczynnika dyfuzji cieplnej κ z rozkładu amplitudy fali cieplnej

WYKORZYSTANIE TRÓJSEKTOROWEGO MODELU WZROSTU DO ANALIZY WPŁYWU OGRANICZENIA EMISJI GHG NA WYBÓR TECHNOLOGII PRODUKCJI.

Transport masy, pędu energii. Prawo zachowania

Zarządzanie ryzykiem. Lista 3

Rozdział VIII KINETYKA NASYCANIA POWIERZCHNI. 1. Wstęp

Wytrzymałość śruby wysokość nakrętki

Zbigniew Otremba, Fizyka cz.1: Mechanika 5

WYZNACZANIE HARMONICZNYCH PRZESTRZENNYCH SEM INDUKOWANYCH W PRĘTACH WIRNIKA JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO Z POMOCNICZYM UZWOJENIEM ZWARTYM

Wygładzanie metodą średnich ruchomych w procesach stałych

LINIA PRZESYŁOWA PRĄDU STAŁEGO

Podstawy elektrotechniki

11. DYNAMIKA RUCHU DRGAJĄCEGO

- substancje zawierające swobodne nośniki ładunku elektrycznego:

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

WPŁYW KINEMATYCZNYCH PARAMETRÓW MECHANIZMU WSTRZĄSAJĄCEGO GÓRKI PALCOWEJ NA EFEKTYWNOŚĆ SEPARACJI

Wyznaczanie profilu prędkości płynu w rurociągu o przekroju kołowym

2.1 Zagadnienie Cauchy ego dla równania jednorodnego. = f(x, t) dla x R, t > 0, (2.1)

29 Rozpraszanie na potencjale sferycznie symetrycznym - fale kuliste

C d u. Po podstawieniu prądu z pierwszego równania do równania drugiego i uporządkowaniu składników lewej strony uzyskuje się:

Elementarne przepływy potencjalne (ciąg dalszy)

E k o n o m e t r i a S t r o n a 1. Nieliniowy model ekonometryczny

Dobór zmiennych objaśniających do liniowego modelu ekonometrycznego

Matematyka ubezpieczeń majątkowych r.

Optymalna alokacja kapitału w funduszach inwestycyjnych w przypadku dwóch stóp zwrotu

( ) ( ) ( τ) ( t) = 0

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISNN X 32, s , Gliwice 2006

6.4. Model zdyskontowanych zysków Metoda skorygowanej wartości bieżącej (APV)

8. PŁASKIE ZAGADNIENIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

Całka nieoznaczona Andrzej Musielak Str 1. Całka nieoznaczona

( 3 ) Kondensator o pojemności C naładowany do różnicy potencjałów U posiada ładunek: q = C U. ( 4 ) Eliminując U z równania (3) i (4) otrzymamy: =

Równanie Fresnela. napisał Michał Wierzbicki

L(x, 0, y, 0) = x 2 + y 2 (3)

Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki. Sprawozdanie #2 z przedmiotu: Prognozowanie w systemach multimedialnych

Analiza możliwości wykorzystania wybranych modeli wygładzania wykładniczego do prognozowania wartości WIG-u

MORFOLOGIA KORYT RZECZNYCH, POMIARY, MODELOWANIE I PROGNOZOWANIE PROCESÓW RZECZNYCH

Wykład: praca siły, pojęcie energii potencjalnej. Zasada zachowania energii.

ESTYMACJA KRZYWEJ DOCHODOWOŚCI STÓP PROCENTOWYCH DLA POLSKI

TWIERDZENIE FRISCHA-WAUGHA-STONE A A PYTANIE RUTKAUSKASA

MECHANIKA OGÓLNA (II)

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła na bazie elektrowni jądrowej w Polsce

ANALIZA ODPOWIEDZI UKŁADÓW KONSTRUKCYJNYCH NA WYMUSZENIE W POSTACI SIŁY O DOWOLNYM PRZEBIEGU CZASOWYM

ĆWICZENIE NR 43 U R I (1)

XXXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Stabilizacja kursu statku w oparciu o uproszczony komputerowy model dynamiki

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Układ regulacji ze sprzężeniem od stanu

4.2. Obliczanie przewodów grzejnych metodą dopuszczalnego obciążenia powierzchniowego

Ruch obrotowy. Wykład 6. Wrocław University of Technology

IMPLEMENTACJA FUNKCJI ZBIORÓW POZIOMICOWYCH W ALGORYTMACH KONSTRUKCJI OBRAZU TOMOGRAFICZNEGO

Metody optymalizacji. dr inż. Paweł Zalewski Akademia Morska w Szczecinie

STAN NAPRĘŻENIA W CYLINDRZE WZMOCNIONYM NAWOJEM TAŚMY Z UWZGLĘDNIENIEM JEJ ZGINANIA

WYKŁAD 5 METODY OPTYMALIZACJI NIELINIOWEJ BEZ OGRANICZEŃ

Maria Dems. T. Koter, E. Jezierski, W. Paszek

IMPLEMENTACJA WYBRANYCH METOD ANALIZY STANÓW NIEUSTALONYCH W ŚRODOWISKU MATHCAD

OPTYMALIZACJA KSZTAŁTU WIELOKĄTNYCH OBSZARÓW

Funkcje wielu zmiennych

ψ przedstawia zależność

Funkcje analityczne. Wykład 3. Funkcje holomorficzne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) z = x + iy A

Fizyka 3. Janusz Andrzejewski

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ Instytut Fizyki LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

Teoria sterowania 1 Temat ćwiczenia nr 7a: Synteza parametryczna układów regulacji.

Na skutek takiego przemieszcznia ładunku, energia potencjalna układu pole-ładunek zmienia się o:

Metody rachunku kosztów Metoda rachunku kosztu działań Podstawowe pojęcia metody ABC Kalkulacja obiektów kosztowych metodą ABC Zasobowy rachunek

RACHUNEK EFEKTYWNOŚCI INWESTYCJI METODY ZŁOŻONE DYNAMICZNE

Prognozowanie i symulacje

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

II.6. Wahadło proste.

Modelowanie i obliczenia techniczne. Równania różniczkowe Numeryczne rozwiązywanie równań różniczkowych zwyczajnych

Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do iloczynu stężeń. reagentów w danej chwili. n A + m B +... p C + r D +... v = k 1 C A n C B m...

MODELOWANIE PRĄDÓW WIROWYCH W ŚRODOWISKACH SŁABOPRZEWODZĄCYCH PRZY WYKORZYSTANIU SKALARNEGO POTENCJAŁU ELEKTRYCZNEGO

MODELOWANIE OBSZARÓW WIELOSPÓJNYCH W PURC DLA DWUWYMIAROWEGO RÓWNANIA RÓŻNICZKOWEGO NAVIERA

1.1. Bezpośrednie transformowanie napięć przemiennych

Wykład 1. Elementy rachunku prawdopodobieństwa. Przestrzeń probabilistyczna.

Grzegorz Kornaś. Powtórka z fizyki

Analiza rynku projekt

W pełni optyczny przełącznik wykorzystujący jednorodne światłowodowe siatki Bragga

PROGRAMOWY GENERATOR PROCESÓW STOCHASTYCZNYCH LEVY EGO

Analiza i prognozowanie szeregów czasowych

RÓWNANIE RÓśNICZKOWE LINIOWE

m q κ (11.1) q ω (11.2) ω =,

PRĄD ELEKTRYCZNY I SIŁA MAGNETYCZNA

Ekonometryczne modele nieliniowe

Kombinowanie prognoz. - dlaczego należy kombinować prognozy? - obejmowanie prognoz. - podstawowe metody kombinowania prognoz

OZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA WĘGLA

Transkrypt:

Pzemysław BEROWSKI Magdalena STASIAK Jan SIKORA OPTYMALNE PROJEKTOWANIE KSZTAŁTU METODĄ ZBIORÓW POZIOMICOWYCH STRESZCZENIE W pacy pzedsawiono ozwiązanie zadania odwonego dla poblemu opisanego ównaniem óżniczowym Laplace a. Poszuiwano waości pomienia ondensaoa, dla óego pzebieg napięcia między oładami będzie zbliżony do zadanego. Do opymalizacji szału zasosowano w ym pzypadu meodę zbioów poziomicowych, znaną z eoii funcji wypułych. Zasosowana meoda oazała się w pzedsawionym pzypadu efeywna i szybo zbieżna do oczeiwanego ozwiązania. Słowa luczowe: opymalne pojeowanie szału, opymalizacja, meoda zbioów poziomicowych d inż. Pzemysław BEROWSKI 1), d inż. Magdalena STASIAK 2) e-mail: p.beowsi@iel.waw.pl, e-mail: sasia@p.lodz.pl pof. d hab. inż. Jan SIKORA 1) e-mail: si@iem.pw.edu.pl 1) Insyu Eleoechnii 2) Poliechnia Łódza Wydział Eleoechnii, Eleonii, Infomayi i Auomayi, Insyu Apaaów Eleycznych PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszy 233, 2007

22 P. Beowsi, M. Sasia, J. Sioa #1. WSTĘP Zagadnienie opymalizacji szału sanowi od la siedemdziesiąych XX wieu jeden z najważniejszych poblemów badawczych w zaesie eoii zasosowań opymalizacji w analizie pola eleomagneycznego. Meody opymalnego pojeowania szału uządzeń eleomagneycznych wyozysywane są w celu osiągnięcia oeślonych specyficznych cech danego uządzenia, np. uzysania oeślonego ozładu pola eleomagneycznego. Rozwiązanie zadania opymalizacji związane jes ze znalezieniem esemum funcji celu opisującej ozważany poblem. Powszechnie sosowane meody, służące do minimalizacji funcji celu, można podzielić na gadienowe (np. meoda gadienów spzężonych, zmiennej meyi) oaz bezgadienowe (np. algoymy geneyczne, symulowane wyżazanie). Meody gadienowe zaliczane są do meod deeminisycznych i opieają się na waości funcji celu oaz jej pochodnych, a ich zadaniem jes znalezienie loalnego minimum funcji celu. Są o meody udne w implemenacji, gdyż onieczne jes zagwaanowanie ciągłości funcji celu i jej gadienu. Naomias algoymy sochasyczne (meody bezgadienowe) poszuują minimum globalnego i ozysają z infomacji o waościach funcji celu. W ym pzypadu nie jes wymagana ciągłość ani óżniczowalność funcji. Podsawową wadą meod sochasycznych jes ich powolna zbieżność i duża złożoność czasowa (wymagają czasami ilu ysięcy analiz pola). W niniejszej pacy zapoponowano ozwiązanie zadania opymalizacyjnego doyczącego ondensaoa cylindycznego meodą zbioów poziomicowych. Zbioy poziomicowe są powszechnie znanym pojęciem w eoii analizy wypułej dla pzeszeni unomowanych. Naomias w lieauze doyczącej opymalizacji szału ej meodzie poświęcono doychczas niewiele uwagi. Pioniesą pacą, doyczącą zasosowania meody zbioów poziomicowych do opymalizacji szału, była paca Oshea i Sanosy Level se mehods fo opimizaion poblems involving geomey and consains (Jounal Compu. Phys. 2001) [4]. Pzedsawiony poblem sanowi ozpoczęcie pac nad nową meodą onsucji obazu w omogafii ezysancyjnej, opycznej oaz uladźwięowej. 2. METODA ZBIORÓW POZIOMICOWYCH Meoda zbioów poziomicowych (ang. level se mehod) jes echnią numeyczną służącą do śledzenia szałów pewnych figu i zależności. Jej

Opymalne pojeowanie szału meodą zbioów poziomicowych 23 zaleą jes możliwość wyonywania obliczeń numeycznych związanych z zywymi lub płaszczyznami w uładzie aezjańsim bez onieczności paameyzowania ychże obieów. W meodzie zbioów poziomicowych ozważany obsza Ω posiada uchomy bzeg Γ, óy pousza się z wyznaczoną w olejnych oach pędością v [4, 5]. Pędość a może zależeć od pozycji, czasu, geomeii bzegu Γ oaz waunów zewnęznych. Idea zbioów poziomicowych, pzedsawiona w 1987 ou pzez S. Oshea i J.A. Sehiana, polega na zdefiniowaniu funcji ϕ ( x, ) = 0 (ys. 1), óa epezenuje pouszający się bzeg. #10# Rys. 1. Zeowy zbió poziomicowy Zbió poziomicowy funcji ϕ posiada nasępujące własności (ys. 2): ϕ ϕ ϕ ( x, ) > 0 x Ω1 ( x, ) < 0 x Ω 2 ( x, ) = 0 x Ω = Γ( ) (1) Na począu pocesu ieacyjnego ganica bzegu jes epezenowana pzez zeowy zbió poziomicowy (ang. zeo level se). W całym obszaze oganiczonym ym bzegiem ozwiązuje się ównanie Poissona dla zmiennej

24 P. Beowsi, M. Sasia, J. Sioa spzężonej. Wyznaczona pędość pozwala na aualizację funcji zbiou poziomicowego na podsawie ównania Hamilona-Jacobiego [2, 4, 5]: ϕ + v ϕ = 0 (2) gdzie: v N = v ϕ ϕ Niech p H 1 Ω ) będzie funcją spełniającą ównanie spzężone (gdzie ( 2 1 H pzeszeń Sobolewa): Δp = u (3) u 0 do ównania sanu (w ym pzypadu ównanie Laplace a) z jednoodnymi waunami bzegowymi: p = 0 na bzegu Γ oaz p = 0 na Ω (4) #12# Rys. 2. Rozpaywany obsza z inefejsem Γ, epezenowanym pzez poziomicę zeową

Opymalne pojeowanie szału meodą zbioów poziomicowych 25 Rozważmy obsza Ω = F ( Ω1) będący obazem obszau Ω 1, uzysany pzez 2 2 odwzoowanie F R R zdefiniowane jao F x, x ) = ( x, x ) + h( x, x ), pzy : ( 1 2 1 2 1 2 czym u H 1 ( Ω ). Pochodną maeialną u& (x) definiujemy jao: u ( x + hx) u( x) u& ( x) = lim, x Ω1. (5) 0 Dla funcjonału Γ J ( Ω) = Φ( u) ds obliczamy pochodną maeialną, uwzględniając fa, że pochodne syczne ównają się zeu u p = 0 : J (Γ lim ) J (Γ) = τ = τ ( u u, u ) dx = ( u p)( n ) ds 0 0 Ω Γ 1 h, (6) gdzie: { x : ( x + h( )) 0} Γ = ϕ x =, u pochodna szału oeślona ównaniem: u ( x) u( x) u ( x) = lim = u& ( x) h( x) u( x), x Ω1. (7) 0 Kozysając ze wzou (6) oaz sosując wiedzenie o liniowej zależności waości pochodnej ieunowej od weoa, w óego ieunu obliczana jes pochodna możemy wyznaczyć na bzegu Γ ieune najwięszego spadu weoa pędości v funcjonału J jao [2]: v = ( u p) n (8) 3. KONDENSATOR CYLINDRYCZNY #12# Rozważmy ondensao cylindyczny, óego pzeój popzeczny poazany jes na ys. 3. Kondensao posiada dwa bzegi: jeden o pomieniu a

26 P. Beowsi, M. Sasia, J. Sioa i dugi o pomieniu b. W zadaniu ym ozład poencjału eleycznego między oładami opisuje ównanie Laplace a, óe w uładzie walcowym pzyjmuje posać: 1 u = 0 (9) z waunami bzegowymi: u u a b = 1 = 0 (10) #10# Rys. 3. Pzeój popzeczny ondensaoa #12# Rozwiązaniem analiycznym ównania (9) z waunami bzegowymi (10) jes poencjał: u () ua = ln a (11) b ln b

Opymalne pojeowanie szału meodą zbioów poziomicowych 27 W zadaniu załadamy, że znany jes ozład poencjału u w obszaze piewonym Ω, naomias wymagany ozład poencjału jes oeślony funcją: () ( 0, ) u 0 = 0,721348 ln 714286 (12) Należy znaleźć obsza Ω 0, óy zapewni nam żądany ozład u 0, co spowadza się do znalezienia obszau, w óym funcja u 0 będzie ozwiązaniem ównania Laplace a z waunami bzegowymi (10). Bzegi wyznaczone pzez pomienie a i b są bzegami uchomymi, podlegającymi ansfomacji. Poces poszuiwania obszau Ω 0, w óym uzysamy żądany ozład poencjału u 0, będzie nasępował w wyniu pzesunięcia obu bzegów ondensaoa. Sosując meodę zbioów poziomicowych ozwiązanie zadania ozpoczynamy od usawienia zeowego zbiou poziomicowego Γ 0 = ϕ( x, 0) w chwili = 0. Nasępnie, aż do osiągnięcia waunu zbieżności, pzepowadzamy obliczenia ieacyjnie według schemau [2]: ozwiązujemy ównanie Laplace a (9) z waunami bzegowymi (10), zadajemy ozład poencjału u 0 (12), wyznaczamy óżnicę między waością obsewowaną a oczeiwaną u u 0, ozwiązujemy ównanie spzężone do ównania (9) o posaci: Δp = u, (13) u 0 wyznaczamy sładową nomalną pędości szuanej waości w olejnym ou ieacji jao iloczyn gadienów ównania sanu i ównania spzężonego: v = p u, (14) uaualniamy waość funcji ( x, ) ϕ ozwiązując ównanie Hamilona- Jacobiego o posaci: ϕ + v ϕ = 0 (15) zaem: ϕ +1 = ϕ Δ v ϕ, (16)

28 P. Beowsi, M. Sasia, J. Sioa gdzie Δ = min 2 h v, h, h = v, 2 jeśli spełniony jes założony waune zbieżności, ończymy obliczenia. Wynii działania algoymu pzedsawiono na ys. 4 i 5. Poces jes zbieżny do ozwiązania oczeiwanego. #1Rys. 4. Pzebieg pocesu ieacyjnego

Opymalne pojeowanie szału meodą zbioów poziomicowych 29 Rys. 5. Sładowa nomalna pędości w acie pocesu ieacyjnego 5. WNIOSKI #12# W pacy pzedsawiono meodę opymalnego pojeowania szału z wyozysaniem zbioów poziomicowych. Do wyznaczenia pędości pzemieszczania się bzegu posłużono się gadienem ównania sanu oaz ównania spzężonego. Pzedsawiony espeymen numeyczny poazał efeywność zasosowanej meody, óa będzie mogła być sosowana do ozwiązywania zagadnień opymalizacji szału w eoii pola eleomagneycznego (np. do opymalizacji szału uządzeń lub onsuowania obazów w omogafii ezysancyjnej, inducyjnej, opycznej i uladźwięowej). LITERATURA 1. Beseas D.P., Nedic A, Ozdagla A.E., Convex Analysis and Opimizaion, Ahena Scienific, Belmon, 2003

30 P. Beowsi, M. Sasia, J. Sioa 2. Io K., Kunisch K., Li Zh.: Level-se funcion appoach o an invese ineface poblem, Invese Poblems 17 (2001) 1225 1242, Insiue of Physics Publishing 3. Oshe S., Fediw R.: Level Se Mehods and Dynamic Implicie Sufaces. Spinge, 2003 4. Oshe S., Sanosa F., Level se mehods fo opimizaion poblems involving geomey and consains, Jounal of Compu. Physics 171, pp.272-288, 2001 5. Sehian J.A.: Level Se Mehods and Fas Maching Mehods. Cambidge Univesiy Pess, 1999 6. Soolowsi J., Zolesio J.P., Inoducion o Shape Opimizaion, Spinge-Velag, 1992 Ręopis dosaczono, dnia 12.03.2007. Opiniował: pof. d hab. inż. Kysyn Pawlu OPTIMAL SHAPE DESIGN BY LEVEL-SET METHOD P. BEROWSKI, M. STASIAK, J. SIKORA ABSTRACT The invese poblem soluion fo he one descibed by Laplace s equaion was pesened in he pape. The oue adius of he capacio was opimized o achieve desied poenial disibuion. Shape opimizaion wih level-se mehod (LSM) was used in his case. Thans o use LSM opimizaion poblem was solved effecively. In he fuue descibed mehod will be used o image consucion in elecical omogaphy.