Анализ цепи во временной области методом переменных состояния при постоянных воздействиях
Анализ цепи во временной области методом переменных состояния при постоянных воздействиях.
Дано:
Для схемы:
U
0
(t)= U
0
=const U
0
=5 В
i
0
(t)=I
0
d 1
(t) I
0
=2 A
Составить уравнения состояния для цепи при t
0.
Переменными состояния для данной схемы будут являться напряжения на емкостях С
1 и С
4
. Для нахождения уравнений состояния запишем уравнения по I и II законам Кирхгофа:
(1)
Для нахождения производных переменных состояния решим следующую систему, полученную из системы (1), приняв за неизвестные все токи, участвующие в системе (1) и первые производные переменных состояния. Переменные состояния примем за известные величины для получения их в правой части уравнений состояния:
(2)
Решаем эту систему в матричном виде с помощью MathCad:
1.2 Найти точные решения уравнений состояния.
Сначала найдем корни характеристического уравнения как собственные числа матрицы, составленной из коэффициентов при переменных состояния в уравнениях состояния:
Общий вид точных решений уравнений состояния:
Вынужденные составляющие найдем как частное решение уравнений состояния, учитывая то, что если в цепи включены только постоянные источники питания, значит, и принужденные составляющие будут константами, соответственно производные принужденных составляющих будут равны нулю. Учитывая выше сказанное, найдем их из уравнений состояния следующим способом:
Начальные условия (находятся из схемы):
Для нахождения постоянных интегрирования A
1
, A
2
, A
3
, A
4 требуется 4 уравнения. Первые два уравнения получим из выражений точного решения уравнений состояния, учитывая законы коммутаций: переменные состояния не меняют своего значения в момент коммутации.
При t=0:
Далее найдем значения производных переменных состояния при t=0 из уравнений состояния:
Выражения эти производных найденные из выражений решения уравнений состояния:
При t=0:
Таким образом имеем 4 уравнения для нахождения постоянных интегрирования, находим их:
Точные решения уравнений состояния:
Найти решения уравнений состояния, используя один из численных методов.
Для численного решения уравнений состояния воспользуемся алгоритмом Эйлера:
Подставляя выражения производных из уравнений состояния:
h – шаг расчета =2*10
-6 с. i=1…100. Переменными с нулевыми индексами являются значения начальных условий.
1.2.2 Найти точные решения уравнений состояния.(второй способ)
e
(A)t
= a
0
+ a
1
(A) e
(A)t
=
(X) = [e
(A)t
-1][A]
-1
[B][V]
1.4 Построить точные и численные решения уравнений состояния, совместив их попарно на одном графике для каждой из переменной состояния.
Часть 2.
Анализ цепи операторным методом при апериодическом воздействии.
Анализу подлежит следующая цепь:
Параметры импульса: U
m
=10 В t
u
=6*10
-5 c
Форма импульса:
2.1 Определить функцию передачи:
воспользуемся методом пропорциональных величин и определим u(t)=1(t), его Лапласово изображение U
0
(s)=1/s.
Запишем уравнения по законам Кирхгофа в операторной форме, учитывая, что начальные условия нулевые:
Решаем эту систему:
Таким образом:
Функция передачи:
2.2 Найти нули и полюсы функции передачи и нанести их на плоскость комплексной частоты.
Полюсы:
Нули:
Плоскость комплексной частоты:
2.3 Найти переходную и импульсную характеристики для выходного напряжения.
Импульсная характеристика:
Выделим постоянную часть в H
U
(s):
Числитель получившейся дроби:
Упрощенное выражение H
U
(s):
Для нахождения оригинала воспользуемся теоремой о разложении. Для этого найдем производную знаменателя:
Коэффициенты разложения:
Оригинал импульсной характеристики:
Переходная характеристика:
Этим же методом находим оригинал характеристики:
2.4 Определить изображение по Лапласу входного импульса.
Изабражение по Лапласу фукции f(t):
Входной импульс представляет собой функцию
Поэтому изображение входного сигнала будет
2.5 Найти напряжение на выходе схемы, используя H
U
(s).
Изображение выходного сигнала:
Найдем отдельно оригиналы части выражения при
и при части, не имеющей этого множителя:
Для части выражения при
,используя теорему о разложении:
Для части выражения не имеющей множителя
,используя теорему о разложении:
Функция напряжения на выходе схемы, получена с использованием теоремы о смещении оригинала:
2.6 Построить на одном графике переходную и импульсную характеристики цепи, на другом – входной и выходной сигналы.
Переходная h
1
(t) и импульсная h(t) характеристики.
Входной и выходной сигналы.
Часть 3.
Анализ цепи частотным методом при апериодическом воздействии.
3.1 Найти и построить амплитудно-фазовую (АФХ), амлитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики функций передачи H
U
(s).
амплитудно-фазовая характеристика:
амплитудно-частотная характеристика:
фазо-частотная характеристика:
График АЧХ:
График ФЧХ:
3.2 Определить полосу пропускания цепи по уровню 0.707
.
Из графика АЧХ находим полосу пропускания цепи:
с
-1
.
3.3 Найти и построить амплитудный и фазовый спектры входного сигнала по уровню 0.1
.
Амплитудный спектр входного сигнала:
Фазовый спектр входного сигнала:
График амплитудного и фазового спектра входного сигнала:
Ширина спектра
с
-1
.
3.4 Сопоставляя спектры входного сигнала с частотными характеристиками цепи, дать предварительные заключения об ожидаемых искажениях сигнала на выходе цепи.
Существенная часть амплитудного спектра входного сигнала укладывается в полосу пропускания, исключая полосу 0-5*10
4 с
-1
, где и будут наблюдаться основные амплитудные искажения. Фазо-частотная характеристика цепи нелинейна, поэтому здесь будут иметь место фазовые искажения, что видно на рис.
3.5 Найти и построить амплитудный и фазовый спектр выходного сигнала.
Получаются по формулам:
3.6 Определить выходной сигнал по вещественной частотной характеристике, используя приближенный метод Гиллемина.
Вещественная характеристика:
Существенную часть этой характеристики кусочно-линейно аппроксимируем. Начертим первую и вторую производную кусочно-линейной аппроксимирующей функции.
График вещественной характеристики:
Тогда:
График напряжения, вычисленного по этой формуле, и полученный в ч.2.
Часть 4.
Анализ цепи частотным методом при периодическом воздействии.
Дано: T=18*10
-5
c. U
m
=10 В. t
u
=6*10
-5
c.
форма сигнала u
0
(t):
4.1 Разложить в ряд Фурье заданную периодическую последовательность импульсов и построить ее амплитудный и фазовый спектры.
Коэффициенты ряда Фурье для u
0
(t) найдём из следующего соотношения:
где
w
1 = 2
p /Т , k=0, 1, 2, ...
w
1=
3.491*10
4
с.
Значения A
k и
a
k приведены в табл. ,на рис. , построены соответственно амплитудный и фазовый спектры заданной периодически последовательности сигналов u
0
(t).
k
A
k
a
k
0
0
0
1
2.067
0.524
2
3.308
-0.524
3
2.774
-1.571
4
2.363
-2.618
5
1.034
2.618
6
0
1.571
7
0.413
-2.618
8
0.301
2.618
9
0
1.571
Таким образом, в соответствии с шириной спектра .
4.2 Построить на одном графике заданную периодическую последовательность импульсов и ее аппроксимацию отрезком ряда Фурье, число гармоник которого определяется шириной амплитудного спектра входного сигнала, найденной в п 3.3.
4.3 Используя рассчитанные в п. 3.1 АЧХ и ФЧХ функции передачи цепи, определить напряжение или ток на выходе цепи в виде отрезка ряда Фурье.
Для определения коэффициентов ряда Фурье выходного напряжения вычислим значения АЧХ и ФЧХ функции передачи для значений k
w
1
, k=0, 1, 2, ..., 8. Тогда
k
A
k
a
k
0
0
0
1
0.208
1.47
2
0.487
-0.026
3
0.436
-1.355
4
0.361
-2.576
5
0.15
2.554
6
0
1.443
7
0.054
-2.785
8
0.037
2.429
9
0
1.371
В итоге получим:
