9132

Преобразование Лапласа. Операторный метод решения (с помощью преобразования Лапласа)

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Преобразование Лапласа. Для сигналаx изображение определяется по формуле одностороннего преобразования Лапласа...

Русский

2015-01-19

82.5 KB

31 чел.

Преобразование Лапласа.

Для сигнала x(t) (x(t)  0 при t < 0) изображение определяется по формуле одностороннего преобразования Лапласа

                                 ,     (2.2.11)

где р = +j - переменная преобразования Лапласа. Согласно введенным обозначениям величина комплексной переменной является абсциссой абсолютной сходимости. Если , то результатом интегрирования (2.2.11) будет конечное значение, которое является решением и оригиналу будет соответствовать изображение . Здесь применено обозначение переменной преобразования Лапласа все той же буквой р. В математической литературе, как правило, переменная преобразования Лапласа обозначается буквой s.  p = sэто третий смысл переменной р в зависимости от контекста.

Преобразование Лапласа обладает свойством линейности, заключающемся в том, что изображение суммы сигналов равно сумме их изображений, и если оригинал умножается на постоянную величину, то и изображение также. Другими словами, если z(t) = ax(t) + bу(t), то и  Z(p) = aX(p) + bY(р). Согласно теореме об изображении производных при нулевых начальных условиях имеем

                        .                        (2.2.12)

Дополнительно отметим:

 -  теорему запаздывания                 ,

где   - время упреждения, а   - время запаздывания сигнала;

 -  теорему свертки:      .

Изображения непрерывных сигналов по Лапласу приведены в табл.2.2.1.

Оригиналы и изображения непрерывных сигналов по Лапласу

x(t)

X(p)

1

(t)

1

2

1(t)

3

t

4

5

6

7

Перейдем теперь от дифференциального уравнения (2.2.3), как от уравнения для оригиналов (функций действительного аргумента t – в данном случае времени) к уравнению для изображений по Лапласу. Воспользовавшись свойством линейности, соотношениями (2.2.12) и аналогичными соотношениями для реакции системы после почленного перехода от оригиналов к изображениям при нулевых начальных условиях получим уравнение для изображений

                          (anpn+…+a0)Y(p) = (bmpm+…+b0)X(p),              (2.2.13)

или                                           A(p)Y(р) = B(p)X(p).      (2.2.14)

Данные уравнения по внешнему виду напоминают уравнения (2.2.3), (2.2.4) для оригиналов. Однако переменная р в них имеет различный смысл. Уравнения (2.2.12), (2.2.13) можно переписать в виде

                                   .    (2.2.15)

Это отношение изображения выхода Y(p) к изображению входа X(p) по Лапласу при нулевых начальных условиях называется передаточной функцией системы. 

Из (2.2.15) следует, что

                                Y(p) = X(p)W(p),              (2.2.16)

т.е. в области изображений определение реакции сводится к алгебраической операции умножения, что упрощает нахождение реакции.

Операторный метод решения (с помощью преобразования Лапласа) сводится к трем действиям:

1. От оригинала x(t) по формуле (2.2.11) переходят к изображению Х(р).

2. Пo формуле (2.2.16) находят изображение реакции.

3. По формуле обратного преобразования Лапласа

                                                             (2.2.17)

находят реакцию.

Заметим, что изложенная методика позволяет при известной передаточной функции найти реакцию системы при нулевых начальных условиях. Если начальные условия не нулевые, то при переходе от дифференциального уравнения к изображениям необходимо воспользоваться изображениями производных при ненулевых начальных условиях.

На практике переход от оригиналов к изображениям и обратно осуществляется с помощью таблицы преобразования Лапласа.

Пример 2.2.1. Найти реакцию инерционного звена при нулевых начальных условиях на единичное ступенчатое воздействие 1(t), имеющее Х(p) =1/р. Передаточная функция инерционного звена равна . Здесь где k и Т коэффициент усиления и постоянная времени инерционного звена.

Для изображения реакции находим   ,   (2.2.18)

Здесь дробно-рациональное изображение реакции разложено на сумму двух простых дробей. Каждая из них соответствует одному из множителей, на которые разложен знаменатель. В данном примере с самого начала непосредственно знаменатель равен произведению двух множителей. Если знаменатель записан в виде полинома, то его разлагают на множители по теореме Безу. Если корни различны, то число дробей равно числу корней. Существует теорема разложения, на основании которой можно определить неопределенные множители (коэффициенты числителей простых дробей). Если есть кратные корни, то число дробей больше. Среди них содержатся дроби со знаменателями в виде степеней множителей, соответствующих кратному корню от единицы до кратности корня. Для определения неопределенных множителей можно также привести дроби к общему знаменателю и рассмотреть тождество для числителей, которое должно выполняться для любых значений переменной р. Последнее означает, что должны быть равны коэффициенты при одинаковых степенях переменной р. В результате образуется система, количество уравнений которой равно количеству неизвестных неопределенных множителей. В следующем примере поясним сказанное. Завершая данный пример, воспользуемся свойством линейности преобразования Лапласа и перейдем с помощью табл. 2.2.1 от изображений в (2.2.18) к оригиналам. В результате получим

                                          .    (2.2.19)

Пример 2.2.2. Разложим дробно-рациональную функцию на простые дроби.

Представим функцию в виде суммы двух дробей с неопределенными множителями А, В  и  приведем их к общему знаменателю

                       .                         (2.2.20)

В тождестве из левой и правой частей (2.2.20) знаменатели одинаковы и, следовательно, должны быть одинаковы и числители, причем при любых значениях переменой р. Поэтому считаем, что в левой части также полином первой степени, и записываем тождество в виде   . Отсюда, приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях переменной р, получаем систему из двух уравнений:  0 = AT + B  и  1 = А и находим А = 1, В = - Т, что объясняет (2.2.18).

Заметим, что в данном относительно простом примере можно было воспользоваться искусственным приемом. Добавим и отнимем в числителе Тр, после этого разобьем дробь на сумму двух и проведем сокращение:

               .

Заметим, наконец, что если степень числителя больше или равна степени знаменателя, то делением можно выделить целую часть и останется дробно-рациональная функция.

   Пример 2.2.3. Найти реакцию дифференцирующего звена с замедлением (передаточная функция ) на -функцию, изображение которой по Лапласу равно  Х(р) = 1.

Имеем . Выделяем целую часть путем деления числителя изображения на знаменатель. Тогда . Переходя с помощью таблицы преобразования Лапласа от изображений к оригиналам, для реакции получим .

В заключение еще раз обратим внимание на три значения переменной р в зависимости от контекста. Это в какой-то степени неудобно, но, тем не менее, используется в литературе по автоматическому управлению.

Очевидно, что в обратном порядке можно от передаточной функции перейти к дифференциальному уравнению. Для этого нужно приравнять передаточную функцию согласно ее определению отношению изображения выхода к изображению входа, перейти к записи уравнения для изображений в строчку (2.2.13) и затем от него перейти к уравнению для оригиналов (2.2.3), или (2.2.4).

Пример 2.2.4. Найдем дифференциальное уравнение для передаточной функции колебательного звена   .

Для этого приравняем передаточную функцию отношению изображений и перепишем уравнение в строчку

                                    .

Теперь перейдем к оригиналам при нулевых начальных условиях. Формально заменим изображения , на оригиналы , и переменную Лапласа - на оператор дифференцирования :

                              ,

или в классической форме

                                    .

Характеристический полином формируется по однородному дифференциальному уравнению. Правая часть полного дифференциального уравнения к характеристическому уравнению не имеет никакого отношения. Чтобы записать характеристический полином или характеристическое уравнение по дифференциальному уравнению, надо в его левой части заменить производные соответствующим степенями переменной  р. 

При этом y(t) трактуется как производная нулевой степени и заменяется на  р0  =  1. Из сравнения (2.2.15) и (2.2.9) следует, наконец, что формально характеристический полином совпадает со знаменателем передаточной функции системы (а также с множителем при у(t)  в формализованной записи дифференциального уравнения (2.2.3) и соответствующим смыслом переменной р).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55711. Оптимальні шляхи реалізації науково-методичної проблеми школи 134.5 KB
  Характеристика сучасних підходів до реалізації науково-методичної проблеми закладу. Створення колективного досвіду на базі науково-методичної ідеї. Системний підхід до роботи над науково-методичною проблемою. Основні етапи роботи над науково методичною проблемою.
55712. Інтерактивні методи навчання як засіб формування інтересу до пізнання молодших школярів 284.5 KB
  Тому важливого значення на сучасному етапі набуває активізація пізнавальної діяльності учнів як необхідна умова шкільного навчання. Активізація пізнавальної діяльності учнів – необхідна умова шкільного навчання. Він – основа розвитку нахилів учнів а отже і їх професійного спрямування. Я помітила що стійкий пізнавальний інтерес пізнавальна активність учнів початкових класів виявляється в навчальній діяльності.
55713. Зведені таблиці Microsoft Excel (MICROSOFT OFFICE 2010) 610.5 KB
  Мета: Отримання учнями практичних навичок представлення інформації із традиційних списків у більш зручному вигляді.
55714. Використання на уроках географії літературних творів та фотографі 306 KB
  Допомогти розвитку пізнавальної діяльності, активності учнів можуть нестандартні прийоми на уроках. Педагог за допомогою мистецьких творів може акцентувати увагу на подіях, явищах природи, керувати сприйняттям і відтворенням образів.
55715. Розв’язування рівнянь та побудова графіків, що містять цілу та дробову частини числа 712 KB
  Розв’язування рівнянь що містять цілу і дробову частини. У роботі проаналізовано окремі способи розв’язування рівнянь зі змінною під знаком цілої та дробової частин зокрема графічний та аналітичні.
55716. Исследования графов и их изучение 126 KB
  Точки графа называются его вершинами а отрезки соединяющие их ребрами графа. Более того графы являются эквивалентными либо попросту одним и тем же графом если соответствующие вершины одного графа соединены так же как и соответствующие вершины другого то есть соединены...
55717. ВПРОВАДЖЕННЯ ІКТ ТА ІНТЕРАКТИВНИХ МЕТОДІВ ТА ФОРМ НАВЧАННЯ ЯК ЗАСІБ ФОРМУВАННЯ ПРЕДМЕТНИХ МАТЕМАТИЧНИХ ТА ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАТИВНОЇ КОМПЕТЕНЦІЙ В УЧНІВ ПОЧАТКОВИХ КЛАСІВ 268 KB
  Активне навчання потребує залучення учнів у навчальний процес. У розв’язанні цих проблем важливе місце відводиться інформаційно комунікативним технологіям інтерактивним методам та формам навчання комп’ютерному програмному забезпеченню освітнього процесу.
55718. Використання засобів ІКТ у процесі вивчення біології та хімії 74.5 KB
  Біологія та хімія є одними з тих навчальних предметів що дають багатий матеріал для відпрацювання найрізноманітніших методів і прийомів роботи з інформацією.
55719. Інтеграція початкового і дошкільного навчання, як діалог двох освітніх структур в межах округу 51 KB
  І досі на цьому перехідному місточку виникає багато питань: це продовження соціалізації дитини забезпечення психологічного комфорту врахування особливостей здоров’я та розвитку дітей вивчення статусу сім’ї. Перевантаження в школах пов’язанні зі складністю навчальних програм надлишкові домашні завдання ведуть до погіршення стану здоров’я учнів. І це є проблема над якою працюють вчителі всіх освітніх округів міста бо як казав один мудрець: Здоров’я – це ще не все але без здоров’я все інше – ніщо. Тому вчителі всіма...