matlab求解器區別

2021-09-02 20:06:41 字數 4008 閱讀 1867

在工程實踐中,我們經常遇到一些odes,其中某些解變換緩慢,另一些變化很快,且相差懸殊的微分方程,這就是所謂的剛性問題(stiff),對於所有解的變化相當我們則稱為非剛性問題(nonstiff)。

變步長模式解法器有:ode45,ode23,ode113,ode15s,ode23s,ode23t,ode23tb和discrete。

a) ode45:預設值,四/五階龍格-庫塔法,適用於大多數連續或離散系統,但不適用於剛性(stiff)系統。它是單步解法器,也就是,在計算y(tn)時,它僅需要最近處理時刻的結果y(tn-1)。一般來說,面對乙個**問題最好是首先試試ode45。

b) ode23:二/三階龍格-庫塔法,它在誤差限要求不高和求解的問題不太難的情況下,可能會比ode45更有效。也是乙個單步解法器。

c) ode113:是一種階數可變的解法器,它在誤差容許要求嚴格的情況下通常比ode45有效。ode113是一種多步解法器,也就是在計算當前時刻輸出時,它需要以前多個時刻的解。

d) ode15s:是一種基於數字微分公式的解法器(ndfs)。也是一種多步解法器。適用於剛性系統,當使用者估計要解決的問題是比較困難的,或者不能使用ode45,或者即使使用效果也不好,就可以用ode15s。

e) ode23s:它是一種單步解法器,專門應用於剛性系統,在弱誤差允許下的效果好於ode15s。它能解決某些ode15s所不能有效解決的stiff問題。

f) ode23t:是梯形規則的一種自由插值實現。這種解法器適用於求解適度stiff的問題而使用者又需要乙個無數字振盪的解法器的情況。

g)ode23tb:是tr-bdf2的一種實現, tr-bdf2 是具有兩個階段的隱式龍格-庫塔公式。 

h)discrtet:當simulink檢查到模型沒有連續狀態時使用它。

固定步長模式解法器有:ode5,ode4,ode3,ode2,ode1和discrete。

a) ode5:預設值,是ode45的固定步長版本,適用於大多數連續或離散系統,不適用於剛性系統。

b) ode4:四階龍格-庫塔法,具有一定的計算精度。

c) ode3:固定步長的二/三階龍格-庫塔法。

d) ode2:改進的尤拉法。

e) ode1:尤拉法。

f) discrete:是乙個實現積分的固定步長解法器,它適合於離散無連續狀態的系統。

表2-3

函式指令

含  義

函  數

含    義

求解器solver

ode23

普通2-3階法解ode

odefile

包含ode的檔案

ode23s

低階法解剛性ode

選項odeset

建立、更改solver選項

ode23t

解適度剛性ode

odeget

讀取solver的設定值

ode23tb

低階法解剛性ode

輸出odeplot

ode的時間序列圖

ode45

普通4-5階法解ode

odephas2

ode的二維相平面圖

ode15s

變階法解剛性ode

odephas3

ode的三維相平面圖

ode113

普通變階法解ode

odeprint

在命令視窗輸出結果

3.因為沒有一種演算法可以有效地解決所有的ode問題,為此,matlab提供了多種求解器solver,對於不同的ode問題,採用不同的solver。

表2-4  不同求解器solver的特點

求解器solver

ode型別

特點說明

ode45

非剛性一步演算法;4,5階runge-kutta方程;累計截斷誤差達(△x)3

大部分場合的首選演算法

ode23

非剛性一步演算法;2,3階runge-kutta方程;累計截斷誤差達(△x)3

使用於精度較低的情形

ode113

非剛性多步法;adams演算法;高低精度均可到10-3~10-6

計算時間比ode45短

ode23t

適度剛性

採用梯形演算法

適度剛性情形

ode15s

剛性多步法;gear』s反向數值微分;精度中等

若ode45失效時,可嘗試使用

ode23s

剛性一步法;2階rosebrock演算法;低精度

當精度較低時,計算時間比ode15s短

ode23tb

剛性梯形演算法;低精度

當精度較低時,計算時間比ode15s短

4.在計算過程中,使用者可以對求解指令solver中的具體執行引數進行設定(如絕對誤差、相對誤差、步長等)。

表2-5  solver中options的屬性

屬性名取值

含義abstol

有效值:正實數或向量

預設值:1e-6

絕對誤差對應於解向量中的所有元素;向量則分別對應於解向量中的每一分量

reltol

有效值:正實數

預設值:1e-3

相對誤差對應於解向量中的所有元素。在每步(第k步)計算過程中,誤差估計為:

e(k)<=max(reltol*abs(y(k)),abstol(k))

normcontrol

有效值:on、off

預設值:off

為『on』時,控制解向量範數的相對誤差,使每步計算中,滿足:norm(e)<=max(reltol*norm(y),abstol)

events

有效值:on、off

為『on』時,返回相應的事件記錄

outputfcn

有效值:odeplot、odephas2、odephas3、odeprint

預設值:odeplot

若無輸出參量,則solver將執行下面操作之一:

畫出解向量中各元素隨時間的變化;

畫出解向量中前兩個分量構成的相平面圖;

畫出解向量中前三個分量構成的三維相空間圖;

隨計算過程,顯示解向量

outputsel

有效值:正整數向量

預設值:

若不使用預設設定,則outputfcn所表現的是那些正整數指定的解向量中的分量的曲線或資料。若為預設值時,則預設地按上面情形進行操作

refine

有效值:正整數k>1

預設值:k = 1

若k>1,則增加每個積分步中的資料點記錄,使解曲線更加的光滑

jacobian

有效值:on、off

預設值:off

若為『on』時,返回相應的ode函式的jacobi矩陣

jpattern

有效值:on、off

預設值:off

為『on』時,返回相應的ode函式的稀疏jacobi矩陣

mass

有效值:none、m、

m(t)、m(t,y)

預設值:none

m:不隨時間變化的常數矩陣

m(t):隨時間變化的矩陣

m(t,y):隨時間、地點變化的矩陣

maxstep

有效值:正實數

預設值:tspans/10

最大積分步長

y(0)=1,y』(0)=0

令x1=y,x2=dy/dx,則

dx1/dt = x2

dx2/dt = μ(1-x2)-x1

編寫函式檔案verderpol.m:

function xprime = verderpol(t,x)

global mu

xprime = [x(2);mu*(1-x(1)^2)*x(2)-x(1)];

再在命令視窗中執行:

>>global mu

>>mu = 7;

>>y0=[1;0]

>>[t,x] = ode45(『verderpol』,0,40,y0);

>>x1=x(:,1);x2=x(:,2);

>>plot(t,x1,t,x2)

圖形結果為圖2-20。

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