40802

Расчет переходных процессов с использованием интеграла Дюамеля

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Метод переменных состояния Уравнения элекромагнитного состояния это система уравнений определяющих режим работы состояние электрической цепи. Метод переменных состояния основывается на упорядоченном составлении и решении системы дифференциальных уравнений первого порядка которые разрешены относительно производных т. Количество переменных состояния а следовательно число уравнений состояния равно числу независимых накопителей энергии. К уравнениям состояния выдвигаются два основных требования: независимость уравнений; возможность...

Русский

2013-10-22

64.54 KB

9 чел.

Лекция 22. Расчет переходных процессов с использованием интеграла Дюамеля.

Зная реакцию цепи на единичное возмущающее воздействие, т.е. функцию переходной проводимости  или (и) переходную функцию по напряжению , можно найти реакцию цепи на воздействие произвольной формы. В основе метода – метода расчета с помощью интеграла Дюамеля – лежит принцип наложения.

При использовании интеграла Дюамеля для разделения переменной, по которой производится интегрирование, и переменной, определяющей момент времени, в который определяется ток в цепи, первую принято обозначать как , а вторую - как t.

Пусть в момент времени  к цепи с нулевыми начальными условиями (пассивному двухполюснику ПД на рис. 1) подключается источник с напряжением  произвольной формы. Для нахождения тока  в цепи заменим исходную кривую ступенчатой (см. рис. 2), после чего с учетом, что цепь линейна, просуммируем токи от начального скачка напряжения  и всех ступенек напряжения до момента t,  вступающих в действие с запаздыванием по времени.

В момент времени t составляющая общего тока, определяемая начальным скачком напряжения  , равна .

В момент времени  имеет место скачок напряжения , который с учетом временного интервала от начала скачка до интересующего момента времени t обусловит составляющую тока .

Полный ток  в момент времени t равен, очевидно, сумме всех составляющих тока от отдельных скачков напряжения с учетом , т.е.

.

Заменяя конечный интервал приращения времени  на бесконечно малый, т.е. переходя от суммы к интегралу, запишем

.     

(1)

Соотношение (1) называется интегралом Дюамеля.

Следует отметить, что с использованием интеграла Дюамеля можно определять также напряжение. При этом в (1) вместо переходной проводимости  будет входить переходная функция по напряжению.

Последовательность расчета с использованием
интеграла Дюамеля

  1.  Определение функции  (или ) для исследуемой цепи.
  2.  Запись выражения  (или ) путем формальной замены t на .
  3.  Определение производной .
  4.  Подстановка найденных функций в (1) и интегрирование определенного интеграла.

В качестве примера использования интеграла Дюамеля определим ток в цепи рис. 3, рассчитанный в предыдущей лекции с использованием формулы включения.

Исходные данные для расчета: , , .

  1.  Переходная проводимость

.

  1.  .
  2.  .
  3.                    

Полученный результат аналогичен выражению тока, определенному в предыдущей лекции на основе формулы включения.

Метод переменных состояния

Уравнения элекромагнитного состояния – это система уравнений, определяющих режим работы (состояние) электрической цепи.

Метод переменных состояния основывается на упорядоченном составлении и решении системы дифференциальных уравнений первого порядка, которые разрешены относительно производных, т.е. записаны в виде, наиболее удобном для применения численных методов интегрирования, реализуемых средствами вычислительной техники.

Количество переменных состояния, а следовательно, число уравнений состояния равно числу независимых накопителей энергии.

К уравнениям состояния выдвигаются два основных требования:

-независимость уравнений;

-возможность восстановления на основе переменных состояния (переменных, относительно которых записаны уравнения состояния) любых других переменных.

Первое требование удовлетворяется специальной методикой составления уравнений состояния, которая будет рассмотрена далее.

Для выполнения второго требования в качестве переменных состояния следует принять потокосцепления (токи в ветвях с индуктивными элементами) и заряды (напряжения) на конденсаторах. Действительно, зная закон изменения этих переменных во времени их всегда можно заменить источниками ЭДС и тока с известными параметрами. Остальная цепь оказывается резистивной, а следовательно, всегда рассчитывается при известных параметрах источников. Кроме того, начальные значения этих переменных относятся к независимым, т.е. в общем случае рассчитываются проще других.

При расчете методом переменных состояния, кроме самих уравнений состояния, связывающих первые производные  и  с самими переменными  и  и источниками внешних воздействий – ЭДС и тока, необходимо составить систему алгебраических уравнений, связывающих искомые величины с переменными состояния и источниками внешних воздействий.

Таким образом, полная система уравнений в матричной форме записи имеет вид

;

(2)

.

(3)

Здесь  и  - столбцовые матрицы соответственно переменных состояния и их первых производных по времени;  - матрица-столбец источников внешних воздействий;  - столбцовая матрица выходных (искомых) величин;  - квадратная размерностью n x n (где n – число переменных состояния) матрица параметров, называемая матрицей Якоби;  - прямоугольная матрица связи между источниками и переменными состояния (количество строк равно n, а столбцов – числу источников m);  - прямоугольная матрица связи переменных состояния с искомыми величинами (количество строк равно числу искомых величин к, а столбцов – n);  - прямоугольная размерностью к x m матрица связи входа с выходом.

Начальные условия для уравнения (2) задаются вектором начальных значений (0).

В качестве примера составления уравнений состояния рассмотрим цепь на рис. 4,а, в которой требуется определить токи  и .

По законам Кирхгофа для данной цепи запишем

;    

(4)

;    

  (5)

.          

(6)

Поскольку  с учетом соотношения (6) перепишем уравнения (4) и (5) в виде

или в матричной форме записи

.

  А

 В

Матричное уравнение вида (3) вытекает из соотношений (4) и (6):

.

С 

D

Вектор начальных значений (0)= .

Непосредственное использование законов Кирхгофа при составлении уравнений состояния для сложных цепей может оказаться затруднительным. В этой связи используют специальную методику упорядоченного составления уравнений состояния.

Методика составления уравнений состояния

Эта методика включает в себя следующие основные этапы:

1. Составляется ориентированный граф схемы (см. рис. 4,б), на котором выделяется дерево, охватывающее все конденсаторы и источники напряжения (ЭДС). Резисторы включаются в дерево по необходимости: для охвата деревом всех узлов. В ветви связи включаются катушки индуктивности, источники тока и оставшиеся резисторы.

2. Осуществляется нумерация ветвей графа (и элементов в схеме), проводимая в следующей последовательности: первыми нумеруются участки графа (схемы) с конденсаторами, затем резисторами, включенными в дерево, следующими нумеруются ветви связи с резисторами и, наконец, ветви с индуктивными элементами (см. рис. 4,б).

3. Составляется таблица, описывающая соединение элементов в цепи. В первой строке таблицы (см. табл. 1) перечисляются емкостные и резистивные элементы дерева, а также источники напряжения (ЭДС). В первом столбце перечисляются резистивные и индуктивные элементы ветвей связи, а также источники тока.

 Таблица 1.  Таблица соединений

 

11

22

u

33

-1

0

0

44

1

1

1

J

1

0

 

Процедура заполнения таблицы заключается в поочередном мысленном замыкании ветвей дерева с помощью ветвей связи до получения контура с последующим обходом последнего согласно ориентации соответствующей ветви связи. Со знаком «+» записываются ветви графа, ориентация которых совпадает с направлением обхода контура, и со знаком «-» ветви, имеющие противоположную ориентацию.

Осуществляется расписывание таблицы по столбцам и по строкам. В первом случае получаются уравнения по первому закону Кирхгофа, во втором – по второму.

В рассматриваемом случае (равенство  тривиально)

,

откуда в соответствии с нумерацией токов в исходной цепи

.

При расписывании таблицы соединений по строкам напряжения на пассивных элементах необходимо брать со знаками, противоположными табличным:

        

(7)

Эти уравнения совпадают соответственно с соотношениями (6) и (5).

Из (7) непосредственно вытекает

.

Таким образом, формализованным способом получены уравнения, аналогичные составленным выше с использованием законов Кирхгофа.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42270. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРИЗМ 601 KB
  По критерию Релея раздельное наблюдение изображения 1 и 2 двух близко расположенных точечных объектов возможно когда расстояние x между ними равно радиусу центрального дифракционного кружка т. В этом случае контраст элементов результирующего изображения который вычисляется по формуле .26 показан объектив в фокальной плоскости которого построены дифракционные изображения 1 и 2 с расстоянием x между ними. Использование критерия Релея приводит к контрасту результирующего изображения К=026.
42271. Прилади й методи контролю метеорологічних умов на виробництві 128.5 KB
  До показників які характеризують метеорологічні умови мікроклімат належать: температура відносна вологість швидкість руху повітря теплої випромінювання. Пояснення термінів що є в таблиці 5: Холодний період року період року який характеризуєте середньодобовою температурою зовнішнього повітря рівною 10С і нижче. Теплий період року період року який характеризуєте середньодобовою температурою зовнішнього повітря вище 10С. Вимірювання температури повітря.
42273. Основы работы с интерфейсом оборудования Cisco 463 KB
  Новые приобретаемые навыки в работе с оборудованием Cisco: Изменение имени оборудования hostnme; Вход в привилегированный режим enble; Вход в режим конфигурации настроек configure terminl; Вход в режим конфигурирования линий консоль терминальные подключения line; Вход в режим конфигурирования интерфейсов виртуальный сетей interfce VLN ; Задание пароля для перехода в привилегированный режим enble secret; Задание ipадреса для интерфейса виртуальной сети коммутатором ip ddress ; Сохранение текущей...
42274. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ КВАЗИЭЛЕКТРОННОЙ АТС “КВАНТ” 73.5 KB
  Изучение принципов построения и структурной схемы квазиэлектронной АТС Квантâ.Изучить принципы построения КЭ АТС Квантâ. Изучить конструкцию и технические характеристики КЭ АТС âКвантâ.
42275. КОНТРОЛЬ ФОРМЫ ПОЛИРОВАННЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕНЕВЫМ МЕТОДОМ 351 KB
  Форма волнового фронта падающего света должна быть известна заранее или соответствовать идеальной форме поверхности контролируемой детали. При отражении фронта световой волны от поверхности имеющей зональные и местные ошибки он деформируется в соответствии с видом и конфигурацией этих ошибок. Деформация h фронта: где  ошибка поверхности детали;  угол падения света на поверхность детали.
42276. Изучение программы Packet Tracer 5.1. Изучение интерфейса командной строки Cisco IOS 476.5 KB
  Введите e для отображения команд начинающихся с буквы e . Введите en. Введите команду enble в приглашение маршрутизатора. Введите c в приглашение CustomerRouter и нажмите клавишу Tb .
42277. Изучение структурных схем регистра и маркера ступеней АИ, ГИ АТСК-У 279 KB
  Изучить структурную схему АРБ АТСКУт и структурную схему маркера ступеней ГИ и АИ АТСКУ. Изучить комплектацию статива АРБ. Назначение и структурная схема АРБ. Абонентские регистры АРБ рассчитаны на прием шлейфных батарейных импульсов из аппаратов вызывающих абонентов и на выдачу информации многочастотным способом в маркеры координатных АТС и батарейным способом в приборы декадношаговых АТС.
42278. СКЛЕИВАНИЕ ЛИНЗ 408.5 KB
  Если например между положительной линзой из стекла марки К8 и отрицательной линзой из стекла марки ТФ1 будет воздушный промежуток то количество света отражаемого свободными поверхностями составит 18. Приведя поверхности в соприкосновение или заполнив промежуток между ними средой с показателем преломления равным или близким показателю преломления одной из линз потери света на отражение уменьшаются примерно до 10. Линзы в большинстве случаев склеивают веществами бальзамин М ОК72Ф ОК50 и др.