普法夫約束

動力學中的普法夫約束（Pfaffian constraint）是一種用以下形式描述系統的方式：

${\displaystyle \sum _{s=1}^{n}A_{rs}du_{s}+A_{r}dt=0;\;r=1,\ldots ,L}$^[1]

其中${\displaystyle L}$是系統限制方程的個數。

非完整系統一定可以表示為普法夫約束的形式。

推導

假設一個用以下非完整約束（英語：Holonomic constraints）方程組描述的非完整系統

${\displaystyle f_{r}(u_{1},u_{2},u_{3},\ldots ,u_{n},t)=0;\;r=1,\ldots ,L}$

其中${\displaystyle \{u_{1},u_{2},u_{3},\ldots ,u_{n}\}}$是n個描述系統的廣義座標，而${\displaystyle L}$是系統約束方程的數量，可以將每一個方程用連鎖律微分：

${\displaystyle \sum _{s=1}^{n}{\frac {\partial f_{r}}{\partial u_{s}}}du_{s}+{\frac {\partial f_{r}}{\partial t}}dt=0;\;r=1,\ldots ,L}$

經過置換後可以得到下式：

${\displaystyle \sum _{s=1}^{n}A_{rs}du_{s}+A_{r}dt=0;\;r=1,\ldots ,L}$

例子

單擺

單擺

考慮單擺，其重物的運動會受到擺長的約束，其重物的速度向量${\displaystyle {\overrightarrow {V}}}$隨時都會和位置向量${\displaystyle {\overrightarrow {L}}}$垂直。因為二個向量永遠正交，因此其點積恆為零。重物的位置和速度可以用以下${\displaystyle x}$-${\displaystyle y}$座標系統中的系統來定義：

${\displaystyle {\overrightarrow {L}}\cdot {\overrightarrow {V}}={\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}}\cdot {\begin{bmatrix}{\dot {x}}\\{\dot {y}}\end{bmatrix}}=0}$

簡化點積後可得：

${\displaystyle x{\dot {x}}+y{\dot {y}}=x{\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}t}}+y{\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}t}}=0}$

將等號兩邊同乘${\displaystyle {\text{d}}t}$，結果就是約束方程的普法夫約束形式：

${\displaystyle x{\text{d}}x+y{\text{d}}y=0}$

普法夫形式很好用，若非完整約束方程存在，可以將普法夫形式積分來求解系統的非完整約束方程。此例中的積分是很明顯的：

${\displaystyle \int x{\text{d}}x+\int y{\text{d}}y=0=x^{2}+y^{2}+C}$

其中C是積分常數。

也可以寫成

${\displaystyle x^{2}+y^{2}=L^{2}}$

${\displaystyle L^{2}}$寫成平方項只因為其必定是正數。在實際系統中，座標一定都是實數。而${\displaystyle L}$就是單擺的擺長。

機械人

機械人運動規劃中的普法夫約束（Pfaffian constraint），是由k個線性無關約束的集合，而這些約束都對速度線性，也就是說

${\displaystyle A(q){\dot {q}}=0}$

輪式機械人（wheeled robot）中滾動不滑動的條件即為普法夫約束^[2]。

相關條目

1. Ardema, Mark D. Analytical Dynamics: Theory and Applications. Kluwer Academic / Plenum Publishers. 2005: 57. ISBN 0-306-48681-4.
2. Choset, H.M. Principles of Robot Motion: Theory, Algorithms, and Implementation. The MIT Press. 2005. ISBN 0-262-03327-5.