83641

Графические методы анализа переходных процессов в нелинейных цепях

Лекция

Физика

По сравнению с рассмотренными выше аналитическими методами они обладают следующими основными преимуществами: отсутствием принципиальной необходимости в аналитическом выражении характеристики нелинейного элемента что устраняет погрешность связанную с ее аппроксимацией; возможностью проведения расчетов при достаточно сложных формах кривых нелинейных характеристик. Метод фазовой плоскости Метод позволяет осуществлять качественное исследование динамических процессов в нелинейных цепях описываемых дифференциальными уравнениями первого и...

Русский

2015-03-15

196.5 KB

0 чел.

Лекция N 43

Графические методы анализа переходных процессов в нелинейных цепях

Графическими называются  методы, в  основе которых лежат графические построения на плоскости. По сравнению с рассмотренными выше аналитическими методами они обладают следующими основными преимуществами:

- отсутствием принципиальной необходимости в аналитическом выражении характеристики нелинейного элемента, что устраняет погрешность, связанную с ее аппроксимацией;

- возможностью проведения расчетов при достаточно сложных формах кривых нелинейных характеристик.

Главный недостаток графических методов заключается в получении решения для конкретных значений параметров цепи.

Основными графическими методами, используемыми при решении электротехнических задач, являются:

1. Метод  графического  интегрирования

Метод  графического интегрирования основан на графическом подсчете определенного интеграла и заключается в последовательном  нахождении  площадей под соответствующей подынтегральной функции кривой. Он применяется для анализа электрических цепей, переходные процессы в которых описываются дифференциальными уравнениями первого порядка с разделяющимися переменными.

2. Метод изоклин

Данный метод является одним из наиболее широко используемых графических методов приближенного интегрирования. Он непосредственно используется для решения уравнений первого порядка вида    и при этом включает в себя в общем случае следующие этапы:

в плоскости по уравнениям изоклин  (изоклина  - линия равного наклона, вдоль которой функция  имеет постоянное значение, т.е. геометрическое место точек, для которых ) строятся изоклины для различных значений углового коэффициента  ;

вдоль каждой изоклины наносятся черточки с наклоном,  определяемым соответствующим значением  ;

от точки  соответствующей начальному условию, строится интегральная кривая так, чтобы она пересекала каждую изоклину параллельно нанесенным на ней черточкам;  полученная кривая является графиком искомой зависимости 

3. Метод фазовой плоскости

Метод позволяет осуществлять качественное исследование динамических процессов в нелинейных цепях, описываемых дифференциальными уравнениями первого и второго порядков. При этом без непосредственного  интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений данный метод дает возможность получить представление о процессе в целом.  В общем случае исследования, проводимые методом фазовой плоскости, позволяют выявить зависимость характера переходного процесса от начальных условий, судить об устойчивости или неустойчивости работы цепи, устанавливать возможность появления в цепи автоколебаний  с оценкой их частоты и формы и т. д. 

Более подробно с графическими методами можно познакомиться в [1,2,3].

 

Численные методы расчета переходных процессов

Численные методы анализа динамических процессов в нелинейных электрических цепях базируются на различных численных способах  приближенного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений. В их основе лежит общий принцип: исходное дифференциальное уравнение заменяется алгебраическим для приращений зависимой (исследуемой) переменной за соответствующие интервалы изменения независимой переменной (времени).

Основным достоинством численных методов является их универсальность, т.е. принципиальная пригодность для анализа любой цепи. Это особенно важно в случае нелинейных цепей, для которых не существует общих аналитических методов расчета.

Применительно к анализу динамических процессов в нелинейных цепях наибольшее распространение получили:

- метод переменных состояния;

- метод дискретных моделей.

 

Метод переменных состояния

Метод переменных состояния, как было показано при анализе переходных процессов в линейных цепях, основывается на составлении и интегрировании дифференциальных уравнений, записанных в нормальной форме. Полная система уравнений в матричной форме имеет вид

.

=

.

(1)

Здесь  и - матрицы переменных состояния и их первых производных по времени соответственно; w(z) – матрица нелинейных резистивных элементов ; z – матрица аргументов нелинейных резистивных элементов ; v – матрица входных воздействий  ( ЭДС и токов источников ) ; y – матрица искомых величин.

При составлении уравнений состояния для относительно несложных цепей они могут быть записаны непосредственно по законам   Кирхгофа.  В общем же случае для этой цели используется или методика, основанная на составлении по специальному алгоритму таблицы соединений, что было показано при рассмотрении метода переменных состояния применительно к расчету линейных цепей, или методика, базирующаяся на принципе наложения.

 

Методика составления уравнений состояния на основе принципа наложения

Данная методика составления уравнений состояния вытекает из разделения исходной цепи на две подсхемы:

- первая включает в себя элементы, запасающие энергию, а также нелинейные   резистивные элементы и источники питания;

-вторая охватывает линейные резистивные элементы.

Пример такого представления исходной цепи приведен на рис. 1,а, где пассивный многополюсник П соответствует второй подсхеме .

Следующий этап рассматриваемой методики заключается в замене на основании теоремы о компенсации всех конденсаторов, а также нелинейных резистивных элементов с характеристикой типа  u(i) источниками   напряжения, а     всех катушек       индуктивности и нелинейных резистивных элементов с характеристикой типа i(u) – источниками тока (рис. 1,б). В результате исходная цепь трансформируется в резистивную, в которой, помимо заданных (независимых) источников, действуют управляемые источники.

 


Рис. 1

На третьем этапе с использованием метода наложения определяются выражения входных токов и напряжений пассивного многополюсника П через напряжения и токи всех присоединенных к нему источников.

В качестве примера составим уравнения состояния для цепи на рис. 2,а и определим выражения  и .


а)

б)

Рис.2

 

1. В соответствии с изложенной методикой заменим исходную цепь схемой замещения на рис. 2,б. На основании метода наложения этой схеме соответствует пять цепей, приведенных на рис. 3. С их использованием для тока =dq/dt  в ветви с конденсатором и напряжения на зажимах  катушки индуктивности запишем

   

(2)

 

  а)  

б)  

в)

г)  

д)


Рис. 3

 

(3)

     2. Выражение для искомого напряжения  определяется согласно закону Ома:

   

 ( 4)

     На основании метода наложения с использованием расчетных схем на рис. 3 для второй искомой переменной – тока  запишем

 

      

( 5)

 

     3. Объединив  (2) (5)  с  учетом , получим    матричное    уравнение     вида (1):

 

=

.

 

Вектор начальных значений     =     .

Сравнивая в заключение рассмотренные методики составления уравнений состояния, можно отметить, что методика, основанная на использовании принципа наложения, не содержит достаточно сложного этапа исключения переменных резистивных ветвей из уравнений состояния, входящего в методику составления уравнений на основе таблицы соединений. Вместе с тем использование метода наложения для сложных цепей может также оказаться весьма трудоемкой задачей.

    

Метод дискретных моделей

Метод основан на использовании дискретных моделей индуктивного и емкостного элементов и позволяет свести численный анализ динамических процессов в нелинейных цепях к последовательному расчету на каждом шаге нелинейных резистивных цепей.

Дискретные модели вытекают из неявных алгоритмов, в частности из обратной формулы Эйлера. Эти модели, полученные на основе неявного алгоритма Эйлера, а также выражения для параметров входящих в них элементов приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Дискретные модели индуктивного и емкостного элементов

 

Тип элемента

Аналитические

соотношения

 Дискретная модель

Индуктивный элемент

Емкостный элемент

где ;

 ;

где ;

;

.

 

Примечание: если емкостный и индуктивный элементы линейные и то  и .

Метод дискретных моделей хорошо поддается машинной алгоритмизации и используется для расчета сложных нелинейных цепей на ЭВМ. Для достаточно простых схем он может быть реализован ’’вручную’’.

Последовательность расчета нелинейной цепи методом дискретных моделей иллюстрируется приведенным ниже примером решения задачи.

В цепи на рис. 3 предыдущей задачи  ЭДС источника Е = 1В; 1Ом; 4 Ом. Вебер - амперная характеристика нелинейной катушки индуктивности аппроксимирована выражением  где ток – в амперах, потокосцепление – в веберах.

Рассчитать ток i в цепи после замыкания ключа

.

Решение

1. Нарисуем расчетную дискретную схему замещения цепи (см. рис. 4).

Для этой схемы справедливо

   

(6)

где в соответствии с табл. 1

 


Значение дифференциальной индуктивности нелинейной катушки на k-м шаге

     

(7)

 

2. Выберем шаг интегрирования  На основании закона коммутации     Тогда  и в соответствии с (7) . Параметры элементов схемы замещения:    откуда на основании (6)

На следующем шаге  тогда  и параметры элементов схемы замещения    откуда

   

Результаты пошагового расчета согласно приведенному алгоритму представлены в табл. 2 .

 

Таблица 2. Результаты расчета

 

с

А

Вб

Гн

Ом

В

А

0

0

0,2

0,585

0,974

0,974

0,195

0,605

1

1

0,605

0,846

0,466

0,466

0,282

0,874

2

2

0,874

0,956

0,365

0,365

0,319

0,966

3

3

0,966

0,989

0,341

0,341

0,329

0,99

4

4

0,99

0,997

0,335

0,335

0,332

0,998

 

Литература

  1.  Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
  2.  Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.2. Жуховицкий Б.Я., Негневицкий И.Б. Линейные электрические цепи (продолжение). Нелинейные цепи. –М.:Энергия- 1972. –200с.
  3.  Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  4.  Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи.: Учеб. для студ. электротехн. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1986. –352с.

Контрольные вопросы

  1.  Какие графические методы применяются для расчета переходных процессов в нелинейных цепях? В чем их сущность?
  2.  Какие методики применяются для составления уравнений состояния?
  3.  Сформулируйте этапы составления уравнений состояния на основе принципа наложения.
  4.  В чем заключается сущность метода дискретных моделей?
  5.  Нарисуйте дискретные модели нелинейных индуктивного и емкостного элементов и напишите соответствующие им аналитические соотношения.

294


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36319. Методология построения ИАСУ 33.15 KB
  Подготовки производства АСТПП На 2 уровне гибкие автоматизированные производства ГАП На 3 уровне ГА участки ГАУ Уровни ИСУП. Решаются задачи текущего перспективного календарного и оперативного планирования производства также выполнение предприятиями производственной программы по объёму номенклатуре и колву выпуска продукции. Решаются задачи проектирования новых изделий организации технологического процесса для производства этих изделий выбор материалов инструмента комплектующих изделий технологической подготовки производства....
36320. Назовите и дайте определение динамических характеристик САУ. Приведите формулы аналитической связи между ними 39.43 KB
  Динамическая характеристика это зависимость связывающая между собой приращения входной и выходной величин в переходном режиме. К динамическим характеристикам относятся: 1.Частотные: комплексная передаточная функция Wjw амплитудночастотная характеристика Ww фазочастотная характеристика w логарифмическая характеристика Lw.
36321. Перечислите и поясните виды управления: централизованное, децентрализованное, распределённое многоуровневое 58.58 KB
  Перечислите и поясните виды управления: централизованное децентрализованное распределённое многоуровневое. В системе централизованного управления все сигналы с объекта а также все данные о технологическом процессе и о внешних воздействиях на объект поступают в центральный пункт системы управления. Достоинством этой системы управления является то что сосредоточение в одном месте всей информации об объекте даёт наиболее полно и правильно оценивать общий ход технологического процесса и принимать наиболее оптимальные и правильные...
36322. SCADA-пакеты как наиболее популярные средства для ППО САТП 13.9 KB
  Разработка современной SCD системы требует больших вложений и выполняется в длительные сроки поэтому разработчикам управляющего ППО представляется целесообразным приобретать осваивать какойлибо готовый инструментарий. SCDпакеты явлся одним из наиболее популярных срв для программирования систем автоматизации ТП и предназначены для создания интерфейсов человекмашина регистрирования и архивирования данных АСУТП Применение SCDпрограмм как средства разработки ПО для СУ. Применение SCD программ как срва разработки ПО для СУ вызвана...
36323. Выбор технических средств измерения, контроля и отображения 12.26 KB
  Выбор технических средств измерения контроля и отображения. Конструктивные особенности агрегата объекта контроля и режимы его работы могут иногда оказывать решающее значение на выбор ИУ. Для контроля температуры агрессивных газов и жидкостей приходиться применять ТП с защитными чехлами из специальных сталей. Из экономических соображений автоматическое измерение того или иного параметра должен использоваться прибор с наименьшей стоимостью при соблюдении всех других требований качественного контроля.
36324. Задание на проектирование, исходные данные и материалы 15.25 KB
  Задание на проектирование исходные данные и материалы Задание на проектирование систем автоматизации технологических процессов составляется генеральным проектировщиком или заказчиком с участием специализированной организации которой поручается разработка проекта. Задание на проектирование должно содержать следующие данные: наименование предприятия и задачу проекта: основание для проектирования; перечень производств цехов агрегатов установок охватываемых проектом систем автоматизации с указанием для каждого особых условий при их...
36325. Назовите задачи анализа САУ. Приведите структурную схему одноконтурной САУ и определите ее характеристики по каналам задания, возмущения и ошибок по заданию и возмущению 31.76 KB
  Задачи анализа САУ: изучение их общесистемных свойств и условий выполнения их функций и достижения заданных целей. В результате анализа констатируются свойства системы в целом и количественно оценивается степень удовлетворения требований к процессу управления. Основные задачи анализа: Установление фактов инвариантности робастности устойчивости.
36326. Задачи распределения ресурсов 32.62 KB
  Задачи распределения ресурсов Предприятие можно рассматривать в виде некоторой системы переработки ресурсов по участкам производства или операциям. В качестве ресурсов рассматривают материалы средства труда деньги. В качестве модели объекта при решении задач распределения ресурсов являются соответственно его производственная или операционная структура которая охватывает элементы потребления рассматриваемых ресурсов. Структура металлургического завода Таким образом всегда имеется комплекс операций а некоторые операции можно выполнить...
36327. Измерение расхода методом переменного перепада давлений 18.86 KB
  Принцип действия расходомеров переменного перепада давления РППД основан на измерении в соответствии с уравнением Бернулли перепада статического Рс или полного Р давления потока среды на установленном в нем неподвижном первичном преобразователе ПП и вычислении по этому перепаду средней скорости движения среды и ее расхода. РППД определяет объемный или массовый расход G движущейся среды на основе его квадратичной зависимости от перепада давления Р на ПП: где К расчетный коэффициент учитывающий плотность среды и конструктивные...