Şekil 7.1 Bir tankta sıvı birikimi



Benzer belgeler
Şekil 6.2 Çizgisel interpolasyon

YAVAŞ DEĞİŞEN ÜNİFORM OLMAYAN AKIM

Şekil 8.6 Bilgi akışının sistem içinde düzenlenmesi

Kaynaklar Shepley L. Ross, Differential Equations (3rd Edition), 1984.

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler

bir sonraki deneme değerinin tayin edilmesi için fonksiyonun X e göre türevi kullanılır. Aşağıdaki şekil X e karşı f(x) i göstermektedir.

Math 322 Diferensiyel Denklemler Ders Notları 2012

Alt programlar- Deyim Fonksiyonları

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

fonksiyonunun [-1,1] arasındaki grafiği hesaba katılırsa bulunan sonucun

Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. BÖLÜM 7. Adi Diferansiyel Denklemlerin Sayısal Çözümü

İleri Diferansiyel Denklemler

SAYISAL ÇÖZÜMLEME. Sayısal Çözümleme

BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR

İleri Diferansiyel Denklemler

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Akışkan Kinematiği 1

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

9. Güç ve Enerji Ölçümü

Şekilde görülen integralin hesaplanmasında, fonksiyonun her verilen bir noktası için kümülatif alan hesabı yapılır.

Bernoulli Denklemi, Basınç ve Hız Yükleri Borularda Piezometre ve Enerji Yükleri Venturi Deney Sistemi

Diferensiyel denklemler sürekli sistemlerin hareketlerinin ifade edilmesinde kullanılan denklemlerdir.

BÖLÜM 1: MADDESEL NOKTANIN KİNEMATİĞİ

T.C. DÜZCE ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ BMT103 ELEKTRİK DEVRE TEMELLERİ DERSİ LABORATUVARI DENEY NO: 3

DENEY 5 RC DEVRELERİ KONDANSATÖRÜN YÜKLENMESİ VE BOŞALMASI

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

ÇEV 2006 Mühendislik Matematiği (Sayısal Analiz) DEÜ Çevre Mühendisliği Bölümü Doç.Dr. Alper ELÇĐ

4. HAFTA BLM323 SAYISAL ANALİZ. Okt. Yasin ORTAKCI.

Selçuk Üniversitesi. Mühendislik-Mimarlık Fakültesi. Kimya Mühendisliği Bölümü. Kimya Mühendisliği Laboratuvarı. Venturimetre Deney Föyü

B: Bu şekildeki her bir nokta dikdörtgenin noktalarını temsil eder.

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM I GİRİŞ (1.1) y(t) veya y(x) T veya λ. a t veya x. Şekil 1.1 Dalga. a genlik, T peryod (veya λ dalga boyu)

EEM211 ELEKTRİK DEVRELERİ-I

EŞİTLİK KISITLI TÜREVLİ YÖNTEMLER

Mühendislikte Sayısal Çözüm Yöntemleri NÜMERİK ANALİZ. Prof. Dr. İbrahim UZUN

İleri Diferansiyel Denklemler

FONKSİYONLARIN TABLO ŞEKLİNDE HESAPLANMASI

Bölüm 4 KAPALI SİSTEMLERİN ENERJİ ANALİZİ. Bölüm 4: Kapalı Sistemlerin Enerji Analizi

SIMÜLASYON DERS SORUMLUSU: DOÇ. DR. SAADETTIN ERHAN KESEN. Ders No:5 Rassal Değişken Üretimi

Alıştırmalar 1. 1) Aşağıdaki diferansiyel denklemlerin mertebesini ve derecesini bulunuz. Bağımlı ve bağımsız değişkenleri belirtiniz.

EDUCATIONAL MATERIALS

Diferansiyel denklemler uygulama soruları

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

İstatistik ve Olasılık

İleri Diferansiyel Denklemler

Akışkanların Dinamiği

Diferensiyel Denklemler I Uygulama Notları

DÜZENLİ AKIMLARDA ENERJİ DENKLEMİ VE UYGULAMALARI

Uzayda iki doğrunun ortak dikme doğrusunun denklemi

Devre Teorisi Ders Notu Dr. Nurettin ACIR ve Dr. Engin Cemal MENGÜÇ

İleri Diferansiyel Denklemler

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Akışkanların Dinamiği

MTK467 Nesneye Yönelik Programlama. Hafta 4 - Döngüler Zümra Kavafoğlu

Bilgisayar Programlamaya Giriş I KAREKÖK BULMA Acaba hesap makinesi bir sayının karekökünü nasıl buluyor? başlangıç değeri olmak üzere,

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ İŞARET AKIŞ DİYAGRAMLARI SIGNAL FLOW GRAPH

İleri Diferansiyel Denklemler

Ders İçerik Bilgisi. Sistem Davranışlarının Analizi. Dr. Hakan TERZİOĞLU. 1. Geçici durum analizi. 2. Kalıcı durum analizi. MATLAB da örnek çözümü

TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI

İleri Diferansiyel Denklemler

TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI

EEM211 ELEKTRİK DEVRELERİ-I

2. HAFTA DERS NOTLARI İKTİSADİ MATEMATİK MİKRO EKONOMİK YAKLAŞIM. Yazan SAYIN SAN

BİRİNCİ DERECEDEN BİR BİLİNMEYENLİ DENKLEMLER

DĐRENÇ DEVRELERĐNDE KIRCHOFF UN GERĐLĐMLER ve AKIMLAR YASASI

TERMODİNAMİĞİN TEMEL EŞİTLİKLERİ

DENEY NO: 2 KIRCHHOFF UN AKIMLAR YASASI. Malzeme ve Cihaz Listesi:

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

<fn> FORMAT (a1,a2,a3,...) : format deyiminin satır numarasıdır READ, WRITE deyimleri ile verilir. : alan bildirim deyimleridir.

NOT: Toplam 5 soru çözünüz, sınav süresi 90 dakikadır. SORULAR VE ÇÖZÜMLER

İleri Diferansiyel Denklemler


OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ. DİNAMİK SİSTEMLERİN MODELLENMESİ ve ANALİZİ

MATLAB DA SAYISAL ANALİZ DOÇ. DR. ERSAN KABALCI

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

T.C RECEP TAYYİP ERDOĞAN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI 1 DERSİ TERMAL İLETKENLİK DENEYİ DENEY FÖYÜ

Dizi Antenler. Özdeş anten elemanlarından oluşan bir dizi antenin ışıma diyagramını belirleyen faktörler şunlardır.

Bölüm 1. Elektriksel Büyüklükler ve Elektrik Devre Elemanları

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

ZEMİN SUYU Zeminde Su Akımı ve Akım Ağları. Y.Doç.Dr. Saadet A. Berilgen

Sembolik Programlama1. Gün. Sembolik Programlama. 20 Eylül 2011


EŞANJÖR (ISI DEĞİŞTİRİCİSİ) DENEYİ FÖYÜ

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ DENETİM SİSTEMLERİ LABORATUVARI DENEY RAPORU. Deney No: 3 PID KONTROLÜ

ISI TRANSFERİ LABORATUARI-1

Bilgisayar Programlama MATLAB

İstatistik ve Olasılık

İdeal Akışkanların 2 ve 3 Boyutlu Akımları

Elektrik ve Magnetizma

Kinematik Modeller. Kesikli Hale Getirilmiş Sürekli Zaman Kinematik Modeller: Rastgele giriş yok ise hareketi zamanın bir polinomu karakterize eder.

KISITLI OPTİMİZASYON

EEM211 ELEKTRİK DEVRELERİ-I

Newton un F = ma eşitliğini SD den türete bilir miyiz?

Transkript:

6 7. DİFERENSİYEL DENKLEMLERİN SAYISAL ÇÖZÜMLERİ Diferensiyel denklemlerin sayısal integrasyonunda kullanılabilecek bir çok yöntem vardır. Tecrübeler dördüncü mertebe (Runge-Kutta) yönteminin hemen hemen her duruma uygulanabildiğini ve pek çok durumda ikinci ve birinci mertebe yöntemlerin yeterli olduğunu göstermektedir. Bu bölümde en basit düzeyden başlanarak üç sayısal integrasyon yöntemi ele alınacaktır. Adi Diferensiyel Denklemler Adi diferensiyel denklemler sadece bir bağımsız değişken bulundurur. Bir eş zamanlı adi diferensiyel denklemler takımında bağımsız değişken (genellikle zaman veya uzaklık) bütün denklemlerde ortaktır. Bu denklemlerin amacı bağımsız değişkenle bağımlı sistem değişkenleri arasında ilişki sağlamaktır. Denklemlerin çözümü sistem değişkenlerinin bağımsız değişkene bağlı değerlerini verir. Bu ilişki genellikle sayısal ya da grafiksel şekilde ifade edilir. Bir örnek bu terimlerin anlaşılmasına yardımcı olacaktır. Aşağıdaki şekil içerisine Q i hızı ile bir sıvı akan bir tankı göstermektedir. Bu akım sabit olabilir. Daha özel olarak zamanla değişebilir. Bu durumda Q i (t) şeklinde yazılır. Bunun anlamı Q i nün; t nin fonksiyonu olması, yani zamanla değişmesidir. Tanktan dışarı musluktan Qo(t) hızı ile sıvının aktığını düşünelim. Qo(t) hızı tank içerisindeki sıvının H yüksekliğine bağlıdır. Qo ile H yüksekliği arasındaki ilişki Şekil 7. Bir tankta sıvı birikimi Q 0 = C v H ile verilir. Burada Cv sıvının aktığı kesitin karakteristiğidir. Birikim=giren-çıkan İfadesi kullanılarak sistem için bir diferensiyel denklem oluşturulabilir. dv dt = Q V=A.H i Q 0

6 Bu denklem bağımsız değişken t ve bağımlı değişken V ye göre lineer olmayan bir adi diferensiyel denklemdir. V nin türevi eşitliğin sağ tarafındaki ifadesidir. Sistem parametreleri A ve C v dir. Buna karşılık Q i ; girişi bazen zorlayıcı fonksiyon olarak ele alınır. Denklemin her iki tarafı t zamanına göre integrallenirse, dv dt dt V = Q = Q dt ( i 0 ) yani V hacmi giren akım ile çıkan akım farkının integralidir. Doğal olarak söylendiğinde, tank içindeki sıvı hacmi giren akımla çıkan akım farkının t süresi içerisindeki birikimidir. Açıkça görüldüğü gibi integrasyon birikim olayının matematik eşdeğeridir. Bununla birlikte doğal proseslerin sadece birikme şeklinde olabildiği diferensiyellenmedikleri hatırdan çıkarılmamalıdır. Değişkenler arasındaki ilişkiler en iyi diferensiyel denklemlerle belirtilir. Ancak, diferensiyel denklemlerin çözümü daima integrasyonla yapılır. Buna göre bütün fiziksel sistemler diferensiyel denklemlerden ziyade integral eşitliklerine göre tanımlanabilir. Bir diferensiyel denklemi integral şekline değiştirirken integrasyon sınırları ve başlangıç şartı ortaya konulmalıdır. Örneğin "herhangi bir zamanda V hacminin değişim hızı giren ve çıkan akımlar arasındaki farktır." şekildeki bir belirtme daha fazla açıklama gerektirmeyen tam bir ifadedir. Buna karşılık, " V hacmi giren ve çıkan akımlar arasındaki farkın integralidir" şeklindeki ifade integrasyon sınırlarının tanımını, yani ne zamandan ne zamana zamanın değiştirildiğini ve V nin başlanğıç değerinin belirtilmesini gerektirir. Bu yüzden integralin tam olarak ifadesi V t) = V ( t ) + ( Q Q ) dt ( i 0 t t t deki toplam hacim = t deki başlangıç hacmi + t den t ye birikme Bu yüzden sayısal integrasyonla bir veya daha fazla denklem çözüleceği zaman aşağıdaki iki kural uygulanmalıdır. a. Herbir integrasyon değişkeni için bir başlama şartı veya başlangıç değeri sağlanmalıdır. b. İntegrasyon sınırları yani bağımsız değişkenin başlangıç ve son değerleri belirtilmelidir.

63 7. Birinci Mertebe Yöntemi (Basit Euler) yöntemidir. Genellikle basit Euler olarak bilinen bu yöntem mevcut en basit sayısal integrasyon V = V dt V, V nin türevi veya değişim hızıdır. V(t) için belirli şartlarda aşağıdaki çözüm olsun V nin türevi V eğrisinin eğimidir. Zaman ekseni boyunca Dt dar bölgesinde V türevi V den V ye değişir. Bu aralıkta V de V den V ye değişir. Şekil 7. Basit Euler yönteminin prensibi Birinci mertebe yöntemi zaman aralığının t başlangıcında aralığında t zamanına kadar sabit olduğunu farzeder ve bu takdirde V deki değişim V = V. Dt V = V V. Dt + V türevini çıkarır. Dt yani t deki V değeri V ile V eğrisinin t deki eğiminin Dt aralığı ile çarpımının toplamına eşittir. Bu şekilde bulunan V doğru V değerine sadece bir yaklaşımdır. Çünkü V in Dt aralığında sabit olduğu kabulüne dayanır. Gerçekte V den V ye V deki küçük bir değişim V -V hatasına neden olur. İntegrasyonun gerçekleştirilme işlemi şöyledir. Bağımsız değişken artma değeri Dt belirtilir. İntegrasyonun başlangıcında i türevi çıkarılır ve sonra i+ e Dt kadar tek bir adım atılır. Böylece bağımlı değişken, V i+ = V i + V.Dt i

64 t = t i+ için V tekrar bulunur ve adımlama işlemi tekrarlanır. Bu işlem alt sınırdan üst sınıra i+ bütün integral geçişleri tamamlanıncaya kadar sürer. İntegrasyon işlemi sırasında kısaltmalardan gelen hata büyüyüp gerçek değerlerle hesaplanan değerler arasında önemli farklar oluşabilir. Hata İle Artma Büyüklüğü Arasındaki İlişki Dt adım büyüklüğünün değeri azaldıkça doğru değere daha fazla yaklaşılır. Aşağıdaki şekil bunu göstermektedir. Şekil 7.3 Basit Euler yönteminde hata t deki V türevinden başlayıp ta ya kadar yarım adım gerçekleştirildikten sonra burada tekrar V çıkarılırsa bununla ta dan t ye ikinci yarım adım yapıldığında bulunan V değeri V a a değerine V den daha yakındır. Görüldüğü gibi V -V hatası, yaklaşık olarak adım değerini yarıya düşürmekle yarıya indirilebilmektedir. Buradan birinci mertebe yöntemiyle integrasyonda sayısal hataların kademe büyüklüğü ile orantılı olduğu sonucuna varılabilir. Bu yüzden istenen tolerans veya müsade edilen maksimum hata kullanılan kademe büyüklüğüne bağlıdır. Hata kullanılan değişken değerinin % si % =.00 V veya mutlak bir değer olarak alınır. Bunun nedeni V 0 olduğunda % hata tanımı v çalışmaz. Matematiksel olarak bu tanımlar oldukça hassas olabilir. Ancak bilgisayarda yanlış bir seçim işlem süresini uzatabilir. Mesela aşağıdaki şekil bir diferensiyel denklemler takımının iki çözümünü göstermektedir. Pratik amaçlar yönünden yaklaşık çözümün oldukça yeterli olduğu görülmektedir.

65 Şekil 7.4 Basit Euler yönteminde yaklaşık çözüm Ancak matematiksel olarak sayısal çözümün hata kesri eğimin hızlı değiştiği yerlerde teorik olarak kabul edilemez düzeylerdedir. Bu yüzden belirtilen hata toleransı bazen yanıltıcı ve zaman kaybettirici olabilir. Bunlardan dolayı ilk olarak problem denklemlerinde verilen bilgiye dayanan nominal bir kademe büyüklüğü kullanılarak denklemler sayısal olarak çözülür. Sonuçlar kararlı görünüyorsa kademe büyüklüğü ikiye bölünerek hesap tekrarlanır. Sonuçlar karşılaştırılır. Eğer ilk kademe büyüklüğü yeterli görünüyorsa nominal kademe büyüklüğü artması sürdürülür. Bundan sonra yeterli duyarlık sağlanıncaya kadar kademe büyüklüğü azaltılır. Genellikle uygun bir optimum kademe büyüklüğü bulmak için birkaç deneme çözümü gerekir. Fortran Programı Önceki bölümde açıklanan tanktaki sıvı düzeyi değişimini (H) tanka giren Qi, ve tanktan çıkan sıvı akım hızlarının fonksiyonu olarak yazalım. dh i 0 dt Q Q = A H, Q i ve Q 0 değişkenlerini tek bir eşitlikte toplamak yerine herbirini ayrı tanımlamak daha uygundur. bu denklemlerin çözümü için C v, A ve H ın başlangıç şartı (t = 0 H = 0 gibi) gerekmektedir. Diğer gerekli veri Q(t) dir. Bu ise t nin keyfi bir fonksiyonudur. Şekil 7.5 Q(t) nin düzensiz bir fonksiyon şeklinde verilmesi

66 Eğriyi oluşturan noktaları birleştiren bir dizi lineer denklem yazılabilir. Programdaki bilgi akışı aşağıdaki şekilde gösterilebilir. Şekil 7.6 Sayısal integrasyonda bilgi akışı Bu denklemlerin çözüm programı üç bölüme ayrılabilir. Başlangıç Bölümü: Ön hesaplamlar ve gerekli icra deyimlerinden, keyfi fonksiyon ve çözüm için gerekli veri girişlerinden oluşur. C BIRINCI MERTEBE INTEGRASYON 0 FORMAT(F0.3,3X,F0.3,3X,F0.3,3X,F0.3,3X,F0.3) DIMENSION AT(5),AQ(5) C BASLANGIC BOLUMU DATA(AT(N),N=,)/0.,.5,.,.,3.,4.,5.,6.,7.,8.,9.,0./ DATA(AQ(N),N=,)/0,0,34,5,63,70,70,6,48,4,4,40/ OPEN(4,FILE=BIRCIKTI,STATUS=OLD,ACCESS=SEQUENTIAL) WRITE(,0) WRITE(4,0) 0 FORMAT(7X, T H DH Q, / Q0,/, /4X,======= ======== ======== ======== ========) DT=0. A=5 T=0 H=0 TPRNT=0

67 Türev Bölümü: Bu bölüm sonuç olarak türevin hesaplayan cebirsel ifadeler veya birden fazla denklem çözülecekse türevler bulundurur. Hiçbir değişken önceden bir deyimle belirtilmeden kullanılamaz. Mesala dh türevi için denklem Qi ve Qo ın tanımından sonra yazılmalıdır. C TUREV BOLUMU 7 Q0=7.SQRT(H) Q=FUN(T,,AT,AQ) DH=(Q-Q0)/A Burada giriş QI değeri FUN den alınır. Bu noktada bütün integrasyon değişkenleri (T,H) belirtilmekte ve türev (DH), ara ve diğer bağımlı değişkenler hesaplanmaktadır. Bu bölümün altında ilgili değişkenlerin bağıl durumları ile bilgi yazılmalıdır. Bu yüzden türev bölümünü yazma bölümü izlemelidir. Yazma bölümü: Genellikle bu bilgi belirli aralıklarda istenir. Bu yüzden t zamanının bir sonraki yazma zamanını gösteren bir yazma indeksi (TPRNT) ile karşılaştırmak için programa bir test dahil edilmelidir. C YAZMA VE BITIRME ICIN TEST BOLUMU IF(T.GE.TPRNT) WRITE(,0) T,H,DH,Q,Q0 IF(T.GE.TPRNT) WRITE(4,0) T,H,DH,Q,Q0 IF(T.GE.TPRNT) TPRNT=TPRNT+ IF(T.GE.0.) GOTO 8 İntegrasyon Bölümü: Bu bölüm son bölüm olup, bağımsız değişken ekseni boyunca düzenli bir biçimde adımlama işlemini içerir. C INTEGRASYON BOLUMU T=T+DT H=H+DHDT GO TO 7 8 STOP END Yukarıdaki programın çıktısı aşağıdaki gibi olacaktır. T H DH Q Q0 ======= ======== ======== ======== ======== 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000.000 0.466 0.896 34.000.609.000.5.44 5.000 0.899 3.00.949.380 63.700 9.95 4.00 4.340.383 70.000 35.46 5.00 5.630.50 69.00 40.338 6.00 6.555 0.647 59.700 43.54 7.00 6.939 0.05 47.400 44.78 8.00 6.934-0.5 4.900 44.764 9.00 6.808-0.38 40.900 44.357 0.000 6.676-0.57 40.000 43.94

68 Çok sayıda diferensiyel eşitlikler durumunda integrasyon adımları herhangi bir sırada yazılabilir. Bu kademeli integrasyonun yapılmasından sonra hesaplama, tekrar çevirme girmek, türevleri tekrar çıkarmak ve devam etmek üzere, türev bölümünün ilk satırına yöneltilir. Çevrim tekrar tekrar bağımsız değişken T önceden belirlenen sınıra ulaşıncaya kadar sürer. Bunun testi print deyiminden hemen sonra yapılır. Yazma bölümündeki son satırdaki deyim bunu göstermektedir. Bu deyim yerine getirildikten sonra bilgisayar yeni bir DT değerine yöneltilebilir veya bitirilebilir. Bu 8 numaralı deyimdir. Gerçekte hesaplamayı durdurmak üzere diğer herhangi bir problem şartı kullanılabilir. Örneğin H ın önceden belirlenen bir düzeye gelmesi durumunu ifade etmek için uygun bir bitirme deyimi şu sekilde olabilir. IF(H.GE.6.5.) GOTO 8