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第五讲 常微分方程模型
导弹跟踪问题
问题一、导弹跟踪问题
一、的
本试验主要涉及常微分方程,通过实验复习微分方 程的建模和求解;介绍两种微分方程的数值方法:Euler 法和改进的Euler法;并介绍仿真方法.
二、问题
某军队一导弹基地发现正北方向120km处海面上有 敌艇一艘以90km/h的速度向正东方向行驶。该基地立 即发射导弹跟踪追击敌艇,导弹速度为450km/h。自动 导航系统使导弹在任意时刻都能对准敌艇。试问导弹在 何时何处击中敌艇?
三、数学建模
微分方程建模的方法主要是依据守恒定律来建立等 量关系式。对于这个问题,寻求等量关系是比较简单的。 设坐标系如下图所示,取导弹基地为原点(0,0),x轴指向 正东方,y轴指向正北方向。 y 当t=0时,导弹位于O, A(0,H) 敌艇位于点A(0,H),其中 H=120(km).设导弹在t时刻的 位置为p(x(t),y(t)),由题意
O M
P(x,y) x
dx 2 dy 2 2 ( ) ( ) vw dt dt
其中 vw=450(km/h)。
(3.1)
y
A(0,H)
M
P(x,y) y O x
另外在t时刻,敌艇位置应为M(vet , H), 其中ve =90 (km /h)。 由于导弹轨迹的切线方向必须指向敌舰,即直线 PM 的方 向就是导弹轨迹上点 p 的切线方向,故有
dy Hy dx ve t x
(3.2) (3.3)
或写为
dy dx H y ( ) dt dt ve t x
方程(3.1)、(3.3)连同初值条件 x(0)=0, y(0)=0,构 成了一个关于时间变量 t 的一阶微分方程组的初值问题. dx 2 dy 2 2 ( ) ( ) vw dt dt (3.4) dy dx H y
dt dt ve t x ( )
为了寻求x与y的关系,要设法消去变量 t, 由式(3.2)
dy Hy dx ve t x
(3.2)
得
d 2 x dy dx dy dx ( H y) ve 两边对t求导 2 dt dy dt dt dy
dx ( H y ) ve t x dy
d 2 x dy 即有 ( H y ) ve 2 dy dt dx 2 dy 2 2 ( ) ( ) vw 把 式 ( 3.1 ) dt dt
dx 2 dy 2 改写为 1 v w dt dy
2
(3.1)
vw dx 2 ( ) 1 dy
dy dt
代入上式,就得到轨迹方程。这是一个二阶非线性微分方 程,加上初值条件,则得到导弹轨迹的数学模型
d2x dy 2 ( H y) dx 2 ( ) 1 dy ve vw
(3.5)
dx |y 0 0 dy
(3.6) (3.7)
x |y 0 0
四、模型求解
解法一:解析解法
dx 方程(3.5)可以降阶,令 p dy
记
则
ve d 2 x ( H y) 2 dy vw dx 2 ( ) 1 dy
ve vw
(3.5)
化为一阶可分离变量方程
即
d ( H y) Hy dp p2 1
dp p 1 dy Hy
2
两边积分可得: p
H p 1 C ( ) Hy
2
由初值条件(3.7)p|y=0=0 得 C=1 , 从而 :
p H p 1 ( ) Hy
2
上式通过分子有理化可改写为
两式相加得到
p
H-y p 1 ( ) H
2
1 H Hy p [( ) ( ) ] 2 Hy |
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