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

112 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

22370. Основные параметры каскада с ОЭ с последовательной ООС по току 663.5 KB
  Схема усилителя с общим эмиттером. Схема усилителя с общим коллектором. Схема усилителя с общей базой. Осциллограммы напряжений схемы с общим эмиттером с последовательной ООС по току Это схема каскада с последовательной ООС по току.
22371. Режимы работы усилительных устройств 626.5 KB
  Рабочую точку выбирают в середине проходной динамической характеристики каскада рис. Рис. Характеристики и сигналы в усилителе работающем в режиме А Режим используют в предварительных каскадах усиления. Рабочую точку задаем в начале проходной характеристики рис.
22372. Усилители постоянного тока (УПТ) 209.5 KB
  Благодаря этому при входных сигналах равных нулю достигается баланс моста напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение снимаемое с диагонали Uвых = Uвых 1 Uвых 2 = 0. Uвх1 = Uвх2 = 0 Uвых = Uк1 Uк2 = 0. Ек1 Iк1 Iк2 Rк2 Rк1 Uвых 1 Uвых Uвых 2 ...
22373. Неинвертирующее и инвертирующее включение ОУ 368 KB
  На практике UСМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт; максимальное выходное напряжение UВЫХ.МАКС Различают максимальное положительное напряжение UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжение UВЫХ. Напряжения UВЫХ.
22374. Операционные усилители (ОУ) 510 KB
  Схема усилителя со следящей связью С делителя R4 R5 снимаем напряжение  Ua т. Напряжение на сопротивлению R стремится к нулю. От источника положительного напряжения через на диоде VD1 создается опорное напряжение которое вместе с напряжением обратной связи подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Если входное напряжение равно нулю то напряжение на входе усилителя равное разности напряжений на его зажимах равно напряжению в точке А: Даже без положительной обратной связи при таком напряжении напряжение на выходе...
22375. Усилитель переменного тока на ОУ с одним источником питания 1.29 MB
  Усилитель переменного тока на ОУ с одним источником питания рис.1 Рис. Рис. ОУ в выходном каскаде бустерная схема рис.
22376. ПРИМЕНЕНИЕ ОУ 806 KB
  Усилители с возрастающим и убывающим коэффициентами передачи. Суть метода заключается в том что коэффициент передачи цепи ООС ОУ должен иметь несколько дискретных значений каждое из которых соответствует определенному диапазону изменения входного сигнала. Коэффициент передачи этих делителей аппроксимирует требуемую нелинейную зависимость причем чем больше число дискретных значений может принимать коэффициент передачи ООС ОУ тем ближе получаемая зависимость выходного напряжения от входного к заданной. Усилитель с возрастающим коэффициентом...
22377. ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ 584 KB
  Если напряжение передаваемое с выхода на вход по цепи ОС окажется в фазе с вызвавшим его входным напряжением и по значению будет не меньше его то усилитель возбудится. Физически это означает что в цепи ОС не происходит затухания сигнала. Цепи коррекции уменьшают усиление ОУ так чтобы при сдвиге 130 К было меньше 1 либо уменьшением коэффициента усиления.3 С1 перезаряжается по цепи UП R1 C1 VT1 корпус С2 заряжается по цепи UП RК2 C2 VT1 корпус.
22378. ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ГПН) 352.5 KB
  Принципы построения ГПН. ГПН в ждущем режиме. ГПН в автоколебательном режиме.