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Verbesserte Methoden zur Normalzeittransformation

Das Ziel der Normalzeittransformation ist die Ermittlung von Poincaré -Abbildungen. Dafür ist es nicht notwendig, daß die Winkelgeschwindigkeit der Trajektorie immer exakt beträgt. Vielmehr genügt es, wenn die Wiederkehrzeit der Trajektorie zur Poincaré -Ebene konstant ist.

Diese Freiheit läßt zwei Verbesserungen gegenüber der Formel (2.22) zu. Zum einen ist es unschön, daß die Skalierungsfunktion im Ursprung unstetig ist, wenn der Ursprung ein Fixpunkt der Differentialgleichung ist. Diese Unstetigkeit kann man beheben [WEHL89], indem man als Soll-Winkelgeschwindigkeit die Winkelgeschwindigkeit eines harmonischen, gedämpften Oszillators wählt:

 

Für Systeme mit einem Fixpunkt am Ursprung () mit stetig partiell differenzierbarem F ergibt sich als passende Wahl für und :

Die Poincaré -Abbildung ergibt sich dann als Stroboskop-Abbildung über die Schwingungsdauer des harmonischen, gedämpften Oszillators:

 

 

Zum anderen kann man auch auf die exakte Formel für die Skalierungsfunktion s verzichten und statt dessen einen Näherungsausdruck bis zur 1.Ordnung verwendengif. Nach einer Integration über wird die Trajektorie die Poincaré -Ebene entweder knapp nicht erreichen oder etwas darüber hinausschießen. Wenn die Poincaré -Ebene so gewählt wird, daß das Trajektorienstück in der Nähe der Poincaré -Ebene gut durch einen Kreisbogen approximiert werden kann, läßt sich der entstandene Fehler aber gut korrigieren. Die Parameter des Krümmungskreises sind durch die Differentialgleichung gegeben   [BS89, Kap. 4.3.1.2,].

O.B.d.A. soll als Poincaré -Ebene gewählt werden. Der korrigierte Zustandsvektor ergibt sich aus dem Zustandsvektor , der mit einer genäherten Skalierungsfunktion berechnet wurde, wie folgt:

 

Dabei sind der Radius und die Mittelpunktskoordinaten des Krümmungskreises:

Die durch die stroboskopische Abbildung gelieferte Werte für und werden ersetzt durch den Schnittpunkt des Krümmungskreises mit der -Achse. Der Korrekturwert für die übrigen Koordinaten ergibt sich aus dem Produkt des geschätzten Zeitfehlers mit der entsprechenden Komponente des Flußvektors .

Diese Methode wurde mit Erfolg beim van der Pol-Oszillator angewendet [WEHL89] (vgl. Abb. 2.10). Die Approximation von s durch ein Polynom ermöglicht erstmals die vollanalytische Berechnung von Poincaré -Abbildungen, weil man damit zur Ermittlung der Stroboskop-Abbildung für nun das vollanalytische Verfahren aus Abschnitt 2.2.4 verwenden kann. Die analytische Rechnung wird zweckmäßigerweise mit einem Computer-Algebra-System durchgeführt.   Solche Systeme produzieren typischerweise recht umfangreiche Ausgaben, weil das Problem des Auffindens von Vereinfachungen eines Ausdrucks von den betreffenden Software-Herstellern noch nicht zufriedenstellend gelöst wurde. Die erhaltene Funktion soll deshalb auch hier nicht wiedergegeben werden. Sie findet sich aber im Fortran-Code in [Wan89].

 



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Werner Eberl
Fri Apr 14 00:36:50 MET DST 1995