機械式時計の理論

機械式時計の理論


4-2 gnuplot サンプルプログラム

4-2-2 4次のルンゲクッタ法によるテンプの自由減衰時の振り角計算と理論値

# Solve a set of second-order differential equations
#  dy/dt = F(x,y,t) y=ω
#  dx/dt =G(x,y,t) x=θ

# テンワの慣性モーメント I [Kgm^2]
I=1.4e-9 

# ヒゲゼンマイのバネ定数 k [Nm/rad]
k=4.97428e-7 

# 固体摩擦力 R [Nm]
R=3e-9  
r=R/k

# 粘性減衰係数 c [Nms]
c=1e-10

# 粘性減衰比率 j
j=c/(2*sqrt(I*k))

# 振動数 f
f=6

# 固有振動数 wn
wn=f*pi

# Runge-Kuttaステップの時間幅とステップ数
dt = 0.0001
N  = 20000

# xの初期値 x0 [rad]
x0=5.5

# y=dx/dtの初期値 y0 [rad/s]
y0=0

# zの初期値(理論値) z0 [rad]
z0=5.5

# 時間シフトの初期値 s0 [s]
s0=0

# 微分方程式の右辺

F(x,y,t)=-c*y/I-k/I*x-sgn(yold)*R/I 
G(x,y,t)=y

# Runge-Kutta法の変数の初期化
k1=0.0; k2=0.0; k3=0.0; k4=0.0
m1=0.0; m2=0.0; m3=0.0; m4=0.0

outputfile="differential-eq-output.dat"

set samples N
set xrange [0:dt*(N-1)]

# いったん別ファイルにデータを書き出す
set table outputfile
plot xold=x0,yold=y0,zold=z0,Aold=z0,sold=s0,\
     "+" using ($1+dt):\
     (k1=dt*F(xold,yold,$1), \
     m1 =dt*G(xold,yold,$1), \
     k2 =dt*F(xold+m1*0.5,yold+k1*0.5, $1+dt*0.5), \
     m2 =dt*G(xold+m1*0.5,yold+k1*0.5, $1+dt*0.5), \
     k3 =dt*F(xold+m2*0.5,yold+k2*0.5, $1+dt*0.5), \
     m3 =dt*G(xold+m2*0.5,yold+k2*0.5, $1+dt*0.5), \
     k4 =dt*F(xold+m3,yold+k3, $1+dt), \
     m4 =dt*G(xold+m3,yold+k3, $1+dt),\
     ynew=yold+(1/6.0)*(k1+2.0*k2+2.0*k3+k4),\
     xnew=xold+(1/6.0)*(m1+2.0*m2+2.0*m3+m4),\
     ynew*yold <= 0 ? Anew=xnew : Anew=Aold,\
     ynew*yold <= 0 ? snew=$1 : snew=sold,\
     znew=(Anew+sgn(yold)*r)*exp(-j*wn*($1-snew))*cos((sqrt(1-j**2)) \
     *wn*($1-snew)-atan(j/(sqrt(1-j**2))))/(sqrt(1-j**2))-sgn(yold)*r,\
     xold=xnew,\
     yold=ynew,\
     zold=znew,\
     Aold=Anew,\
     sold=snew,\
     xnew):(ynew):(znew):(Anew):(snew):(0) w xyerrorbars

unset table

# x軸y軸の範囲設定
set xrange [0:2]
set yrange [-8:8]

# x軸y軸のラベル付け
set xlabel "t  [sec]"
set ylabel "{/=30 {/Symbol-Oblique q}}  [rad]"

# グラフの線種設定
set style line 1 linetype 1
set style line 1 linecolor -1
set style line 1 linewidth 2

set style line 2 linetype 1
set style line 2 linecolor 1
set style line 2 linewidth 1

# グラフの描画
plot outputfile u 1:2 w l linestyle 1  title "rk-4",\
     0 w l linecolor -1 notitle
replot outputfile u 1:4 w l linestyle 2 title "theoretical"       

#出力フォーマットとオプションの指定
set terminal jpeg

#出力ファイル名の指定
set output "temp-sample.jpeg"

#グラフの再描画
replot

#フォーマットと出力のリセット
set output
set terminal win
[EOF]

プログラムの実行結果は図のようになる。