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

37573. ОЦЕНКА ГОСУДАРСТВЕННЫМ ПОСРЕДНИКОМ ИНВЕСТИЦИОННОЙ ПРИВЛЕКАТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ – ИСПОЛНИТЕЛЕЙ КОНТРАКТОВ В СФЕРЕ ВОЕННО-ТЕХНИЧЕСКОГО СОТРУДНИЧЕСТВА 874 KB
  ПЛЕХАНОВА ИНСТИТУТ ФИНАНСОВ На правах рукописи БЕЛЬЯНИНОВ Андрей Юрьевич ОЦЕНКА ГОСУДАРСТВЕННЫМ ПОСРЕДНИКОМ ИНВЕСТИЦИОННОЙ ПРИВЛЕКАТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ – ИСПОЛНИТЕЛЕЙ КОНТРАКТОВ В СФЕРЕ ВОЕННОТЕХНИЧЕСКОГО СОТРУДНИЧЕСТВА Специальность 08. Исследование основных инвестиционных аспектов военнотехнического сотрудничества россии [2. Современное состояние системы военнотехнического сотрудничества России [2. Инвестиционный процесс в системе военнотехнического сотрудничества России [2.
37574. ТЕКСТОВЫЕ СТРУКТУРЫ В НЕМЕЦКОЙ ДУХОВНОЙ ПРОЗЕ XIII ВЕКА (трактат «Geistlicher Herzen Bavngart» и его источники) 1.16 MB
  Главы 202 и 203 содержат почти полный текст трактата Давида “Die Sieben Vorregeln der Tugend†а глава 205 так называемые “монастырские проповед膓Sechs Klosterpredigten†Бертольда Регенсбургского. Прямое указание на авторство Давида встречается только один раз для трактата “Die sieben Vorregeln der Tugend†причем в самом Bvngrt гл. Она подтвердила авторство Давида для восьми трактатов: “Die Sieben Vorregeln der Tugend†“Der Spiegel der Tugend†“Von der Offenbrung und Erleuchtung des...
37575. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ НАСЛЕДСТВЕННОЙ КОМПОНЕНТЫ ПОДВЕРЖЕННОСТИ К БРОНХИАЛЬНОЙ АСТМЕ И ТУБЕРКУЛЕЗУ ПО ГЕНАМ ФЕРМЕНТОВ МЕТАБОЛИЗМА КСЕНОБИОТИКОВ 880.5 KB
  Полиморфизм генов глутатионовых Sтрансфераз GSTT1 GSTM1 GSTP1 и цитохромов Р450 CYP2E1 CYP2C19 у жителей г. Ассоциация полиморфных вариантов генов GSTT1 GSTM1 GSTP1 CYP2E1 и CYP2C19 с атопической бронхиальной астмой 65 3. Связь полиморфизма генов ферментов метаболизма ксенобиотиков с изменчивостью количественных признаков у больных бронхиальной астмой и туберкулезом 85 Заключение 101 Выводы 107 Литература 109 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 95 CI – 95 доверительный интервал; CYP – гены цитохрома Р450;...
37576. МЕТОДИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОРПОРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 1.05 MB
  Борьба за влияние внутри корпорации за контроль финансовых потоков в условиях общих целей и критериев оценки трансформировалась бы в сотрудничество и совместный рост благосостояния корпорации собственников и менеджеров. К наиболее важным результатам характеризующим научную новизну исследования относятся следующие: выявлены исторические тенденции и особенности формирования корпоративных отношений; определены предпосылки и условия для эффективного развития корпоративного управления; оценено влияние национальных особенностей на развитие...
37577. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОРПОРАТИВНОГО ПРАВА РФ 528.5 KB
  ДОСТОЕВСКОГО На правах рукописи Волнянский Денис Анатольевич ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОРПОРАТИВНОГО ПРАВА РФ Специальность 12.01 – теория и история права и государства; история правовых учений Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель: доктор юридических наук профессор Бутаков А. Омск – 2006 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОРПОРАТИВНОГО ПРАВА РФ План Глава 1. Подходы к пониманию корпоративного права РФ.
37578. Построение систем защиты информации для программных пакетов, используемых в монопольном доступе 1.13 MB
  В качестве объекта для исследования и применения разработанных методов защиты служат системы дистанционного обучения и контроля знаний. Рассмотрены различные методы применяемые для создания разнообразных систем защиты рассмотрена возможность их применения для систем дистанционного обучения. Проанализированы ключевые места требующие защиты и предложены варианты ее осуществления отмечены их преимущества и недостатки.
37579. Коммуникативные функции музыки в рекламе 456 KB
  Музыка  это сильное средство воздействия на человеческие чувства и эмоции. Соединившись с таким мощным средством пропаганды, каким является реклама, музыка может многократно его усилить. В настоящее время рекламисты не владеют всеми выразительными средствами музыки. Максимально используя возможности музыки реклама может приобрести огромную силу воздействия.
37580. АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФИНАНСОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ГОСУДАРСТВЕННЫХ УНИТАРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ (НА ПРИМЕРЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ) 918.06 KB
  Цель диссертационной работы — анализ действующей системы формирования и распределения финансовых результатов государственных унитарных предприятий МО РФ и разработка практических методик и рекомендаций по оптимизации конечных финансовых результатов деятельности военно-строительных организаций.
37581. ИНВЕСТИЦИОННАЯ СТРАТЕГИЯ КОРПОРАЦИИ 671.64 KB
  Целью диссертационной работы явилось теоретическое обоснование, формирование и практическая апробация аппарата и критериев создания инвестиционной стратегии корпорации в современных условиях. В рамках поставленной цели в работе поставлены следующие задачи: