29836

Построение фазовой траектории методом изоклин

Лекция

Математика и математический анализ

Построение фазовой траектории методом изоклин. Метод изоклин даёт направления касательных к фазовой траектории на фазовой плоскости.1 на семействе изоклин отметим точку А соответствующую начальным условиям из этой точки нужно провести два луча направления которых соответствуют углам наклона касательных данной изоклины и соседней разделить угол между лучами пополам и провести биссектрису до следующей изоклины пересечение биссектрисы со следующей изоклиной даёт следующую точку фазовой траектории далее процесс повторяется если...

Русский

2013-08-21

268.5 KB

116 чел.

Лекции 13-14.

 

  1.  Построение фазовой траектории методом изоклин.
  2.  Уравнения изоклин линейных систем второго порядка.
  3.  Фазовые портреты линейных систем второго порядка, типы особых точек.

Вопрос №1.

Метод изоклин даёт направления касательных к фазовой траектории на фазовой плоскости. Для построения фазовых траекторий используют следующую методику:

Пусть изоклины некоторой линейной системы имеют вид:

 O

Рис.1

  1.  на семействе изоклин отметим точку А соответствующую начальным условиям
  2.  из этой точки нужно провести два луча, направления которых соответствуют углам наклона касательных данной изоклины и соседней
  3.  разделить угол между лучами пополам и провести биссектрису до следующей изоклины
  4.  пересечение биссектрисы со следующей изоклиной даёт следующую точку фазовой траектории
  5.  далее процесс повторяется
  6.  если необходимо построить фазовый портрет, то изменяя начальные условия можно построить набор фазовых траекторий, который и будет портретом

Примечание: точность метода зависит от близости изоклин друг к другу, поэтому необходимо чтобы  разность углов наклона касательных соседних изоклин лежала в диапазоне 100 - 300, иначе возрастает погрешность фазовой траектории.

Вопрос №2.

 Запишем дифференциальное уравнение линейной автономной системы второго порядка и решим его:

 , где x=x(t)                                             (1)

 

 

найдем корни       (2)

свойства корней                                                            (3)

Из курса математики известно, что характер переходного процесса в системе зависит от расположения корней  и  на комплексной плоскости, то есть от соотношения между  и 1. Рассмотрим качественно зависимость переходных процессов от корней:

 

Рис.2

Получим уравнения изоклин:

для этого обозначим , тогда из уравнения (1) получим:

 

разделим второе уравнение на первое и получим уравнение интегральных кривых:

                                                                (4)

Чтобы получить фазовую траекторию нужно решить его и получить . Переменные не разделяются, поэтому построим фазовый портрет методом изоклин:

     обозначим       и выразим          (5)

(5) – уравнение изоклин для автономной линейной системы второго порядка.

 Выводы:

  1.  Уравнение (5) в пространстве переменных  и  есть уравнение линейное, то есть при любых значениях  и любых значениях параметра  уравнение изоклин линейно и график его прямая линия
  2.  Расположение изоклин в фазовом пространстве определяется корнями характеристического уравнения, то есть параметрами  и , наклон касательных к фазовой траектории параметром ,
  3.  Задавая различные значения  можно построить фазовый портрет системы
  4.  Изменяя  можно исследовать фазовый портрет системы при различном расположении корней характеристического уравнения

Вопрос №3.

 Случай А

Корни и  действительные, отрицательные

 

  1.  

Рис.3

1)             - изоклина вертикальных касательных

2)           - изоклина горизонтальных касательных (2-й и 4-й квадранты)

3)     - изоклина совпадает с осью

На фазовом портрете имеются особые направления притягивающие особые траектории. Особые направления образуются, если корни вещественны и уравнение интегральных кривых (4) совпадает с корнями уравнения, то есть и , а уравнение изоклин принимает вид :  и  

На особом направлении вектор фазовой скорости направлен вдоль изоклины. Определим уравнение особой траектории для нашего случая:

 

 

Подставим  в уравнение (5) :

 

Аналогично доказывается

 Выводы:

  1.  В случае вещественных корней образуются два особых направления и
  2.  В начале переходного процесса при больших значениях и фазовые траектории параллельны изоклине
  3.  В конце переходного процесса независимо от начальных условий и независимо от уравнения фазовой траектории все фазовые траектории имеют общую касательную
  4.  По изоклинам можно построить фазовый портрет  системы, по фазовому портрету, зная начальные условия, можно построить сам процесс

Например: пусть начальные условия в точке А

Рис.4

Существуют специальные методы построения переходных процессов по фазовым траекториям.

  1.  Переходные процессы апериодические
  2.  Фазовые траектории образуют особую точку  О типа “ устойчивый узел ”

Случай Б

Корни и  комплексно-сопряженные, с отрицательной действительной частью

Рис.5

1)             - изоклина вертикальных касательных

2)           - изоклина горизонтальных касательных (2-й и 4-й квадранты)

3)     - изоклина совпадает с осью

 Выводы:

  1.  Комплексные корни с отрицательной действительной частью дают затухающие по экспоненте колебательные процессы
  2.  Фазовая траектория представляет собой сходящуюся к центру логарифмическую спираль
  3.  Время движения изображаемой точки приблизительно можно определить:

  1.  Фазовая траектория образует особую точку О типа “устойчивый фокус”
  2.  По фазовому портрету для заданных начальных условий можно построить фазовую траекторию

Случай В

Корни и  комплексно-сопряженные, с положительной действительной частью

 

Рис.6

1)             - изоклина вертикальных касательных

2)           - изоклина горизонтальных касательных (1-й и 3-й квадранты)

3)     - изоклина совпадает с осью

 Выводы:

  1.  Комплексные корни с положительной действительной частью дают расходящиеся по экспоненте колебательные процессы
  2.  Фазовые траектории представляют собой расходящиеся из центра логарифмические спирали
  3.  На фазовом портрете образуется особая точка О  типа “неустойчивый фокус”
  4.  Изображаемая точка движется по фазовой траектории, удаляясь от точки равновесия в бесконечность

Случай Г

Корни и  действительные, положительные

Рис.7

1)             - изоклина вертикальных касательных

2)           - изоклина горизонтальных касательных (1-й и 3-й квадранты)

3)     - изоклина совпадает с осью

На фазовом портрете есть два особых направления:

-           (1-й и 3-й квадранты)

-

 Выводы:

  1.  На фазовом портрете есть особые направления  и , притягивающие окрестные траектории
  2.  Фазовые траектории образуют особую точку О типа  “неустойчивый узел”
  3.  Фазовый портрет представляет собой зеркальное отражение портрета с особой точкой О  типа устойчивый узел
  4.  Такому фазовому портрету соответствует неустойчивый апериодический процесс

Случай Д

Корни и  действительные, разных знаков

Важным является также соотношение между модулями этих корней:

1.            2.           3.                      .

Рис.8

 Выводы:

  1.  На фазовом портрете есть особые направления  и , расположенные под углом 450 к оси OX
  2.  Особое направление  служит сепаратрисой фазовых траекторий, по обе стороны от которой изображаемая точка удаляется от седла асимптотически по второй сепаратрисе   в диаметрально противоположных направлениях
  3.  Фазовый портрет имеет характерный вид седла, поэтому особая точка называется седло
  4.  Вдоль сепаратрисы   изображаемая точка приближается к условию равновесия, однако сама сепаратриса неустойчива, так как сколь угодно малые отклонения неограниченно возрастают с течением времени
  5.  В зависимости от соотношения между модулями  и  изоклина горизонтальных касательных отклоняется от оси OY  и может быть в 1-ом и 2-ом или во 2-ом и 4-ом квадрантах. Углы наклона особых направлений будут отличаться от 450

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24690. Класифікація витрат 37 KB
  За центрами відповідальності місцем виникнення Витрати виробництва цеху дільниці технологічного переділу служби. За видами продукції Витрати на вироби типові представники виробів групи однорідних виробів одноразові замовлення напівфабрикати. За єдністю складу витрат Одноелементні витрати і комплексні витрати. Наприклад: одноелементні сировина матеріали прямі витрати на оплату праці; комплексні витрати їх облік ведуть окремо за елементами та статтями: 919293 4.
24691. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ 122 KB
  Принцип действия продольных дифференциальных РЗ основан на сравнении значения и фазы токов в начале и конце защищаемой ЛЭП.1 а при внешнем КЗ в точке К токи I1 и I11 на концах ЛЭП АВ направлены в одну сторону и равны по значению а при КЗ на защищаемой ЛЭП рис. Следовательно сопоставляя значение и фазу токов I1 и I11 можно определять где возникло КЗ на защищаемой ЛЭП или за ее пределами.
24692. ЗАЩИТA ГЕНЕРАТОРОВ 41.5 KB
  Подобная защита начала также применяться и в отечественной практике. ЗАЩИТА ОТ МЕЖДУФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ОБМОТКЕ СТАТОРА Назначение и общие принципы выполнения защиты. ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ МЕЖДУ ВИТКАМИ ОДНОЙ ФАЗЫ Защита от витковых замыканий имеет ограниченное применение вследствие отсутствия простых способов ее осуществления. В связи с этим чувствительность защиты должна быть очень высокой и защита должна действовать на отключение.
24693. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ С РЕЛЕ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ 557.5 KB
  Выпускаются токовые реле прямого действия мгновенные типа РТМ и с ограниченно зависимой характеристикой РТВ.32 а и б показаны двухфазные схемы МТЗ с реле типа РТВ. Реле РТВ представляет собой электромагнитное реле с втягивающимся якорем рис.
24694. НЕСЕЛЕКТИВНЫЕ ОТСЕЧКИ 45 KB
  Такая отсечка применяется для быстрого отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП. Неселективное действие отсечки при КЗ вне ЛЭП исправляется при помощи АПВ включающего обратно отключившуюся ЛЭП. При этом пускается устройство АПВ которое включает обратно неселективно отключившуюся ЛЭП W1 и восстанавливает питание подстанции В.
24695. УКАЗАТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ 101 KB
  20 показано указательное реле типа РУ21 сигнализирующее действие РЗ на отключение выключателя. При срабатывании РЗ по обмотке реле 3 проходит ток приводящий реле в действие. Ввиду кратковременности прохождения тока в обмотке указательных реле они выполняются так что сигнальный флажок и контакты реле остаются в сработанном состоянии до тех пор пока их не возвратит на место обслуживающий персонал.
24696. НЕОБХОДИМОСТЬ И СПОСОБЫ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ 177 KB
  С ними нельзя не считаться поскольку отказ РЗ или выключателя означает неотключение КЗ а следовательно длительное прохождение токов КЗ и снижение напряжения в сети. Наряду с принятием мер по повышению надежности действия РЗ и выключателей особо важное значение приобретает резервирование отключения КЗ в случае отказа выключателя или действующей на него РЗ. Применяются два способа резервирования: дальнее осуществляемое РЗ и выключателями смежных участков установленными на соседних энергообъектах; ближнее осуществляемое РЗ и...
24697. НАЗНАЧЕНИЕ ЗАЩИТЫ ШИН 380.5 KB
  ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ШИН Дифференциальная РЗ шин ДЗШ рис. Для питания ДЗШ на всех присоединениях устанавливаются ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации К независимо от мощности присоединения. Тогда при внешних КЗ X 1пр = 0 и реле не будет действовать а при КЗ в зоне на шинах равна сумме токов КЗ притекающих к месту повреждения и ДЗШ работает. Вторичные токи направлены в обмотке реле одинаково поэтому ток в реле равен их сумме: Так както Выражение показывает что При КЗ на шинах ДЗШ реагирует на...