Uploaded by Nikita

Лабораторная работа. Операторные методы

advertisement
1
Ýëåìåíòû òåîðèè
 áîëüøèíñòâå êîíòóðîâ ìîæíî âûäåëèòü òðè îñíîâíûõ âèäà ñîïðîòèâëåíèé: èíäóêòèâíîå, ¼ìêîñòîå è àêòèâíîå. Íàïðÿæåíèå è ñèëà òîêà íà êàæäîì
òàêîì ýëåìåíòå ñâÿçàíû ñîîòâåòñòâåííî
u(t) = Ri(t), (1)
äëÿ àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ R;
u(t) = L
di(t)
, (2)
dt
äëÿ èíäóêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ L;
1
u(t) =
C
Zt
i(τ )dτ + q0
, (3)
0
äëÿ ¼ìêîñòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ C.
 îáùåì âèäå â äëÿ ðàñ÷åòà íàïðÿæåíèÿ â öåïè íåîáõîäèìî ðåøèòü
èíòåãðî-äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå, ñîñòàâëåííîå èç âûðàæåíèé (1), (2)
è (3).
×òîáû îáîéòè ýòî, ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ ìåòîäàìè îïåðàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ: ïðèìåíèòü ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëàïëàñà ê íàøèì ôóíêöèÿì, ò.å. çàìåíèòü èõ íà îïåðàòîðíûå àíàëîãè; ðåøèòü óðàâíåíèå, â êîòîðîì íåò íåîáõîäèìîñòè ðàáîòàòü ñ ïðîèçâîäíûìè è èíòåãðàëàìè: õâàòàåò îáû÷íîé àëãåáðû; ïðèâåñòè îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà íàä ïîëó÷åííîé ôóíêöèåé.
Çàìå÷àíèå: ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà èìååò ïðåäñòàâëåíèå
Z∞
e−st f (t)dt = F (p), (4)
0
Îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà ñîîòâåòñòâåííî
1
lim
2πi ω→∞
σZ
2 +iω
est F (s)ds, (5)
σ1 −iω
Ïðèìåíèì (4) ê (1), (2) è (3):
U (p) = RI(p); U (p) = L(pI(p) − i0 ); U (p) =
1
(I + q0 ), (6∗)
Cp
Îáóñëîâèìñÿ, ÷òî ìû ðàññìàòðèâàåì ñèñòåìó òàêèì îáðàçîì, ÷òî â ìîìåíò
âðåìåíè
t0
â ñèñòåìå îòñóòñòâóåò òîê (i0
ðàçðÿæåí (q0
Òîãäà
(6∗)
= 0,
ãäå
q0
= 0),
à êîíäåíñàòîð ïîëíîñòüþ
- çàðÿä íà îáêëàäêàõ êîíäåíñàòîðà).
ïðèíèìàåò âèä
U = RI; U = LpI; U =
1
I, (6)
Cp
Î÷åâèäíî, ÷òî èç (6) ñëåäóåò çàêîí Îìà äëÿ îïåðàòîðíûõ âåëè÷èí:
U = IZ, (7)
1
Èñïîëüçóÿ
(7),
âûðàçèì îïåðàòîðíûå ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ èíäóêöèè, ¼ì-
êîñòè è ðåçèñòîðà:
ZR = R; ZL = Lp; ZC =
1
, (8)
Cp
Íåñëîæíî ïîíÿòü, ÷òî ïðàâèëà ðàñ÷¼òà ïàðàìåòðîâ öåïè äëÿ îïåðàòîðíûõ àíàëîãîâ ðåàëüíûõ âåëè÷èí îñòàþòñÿ òàêèìè æå: ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè òîê îñòà¼òñÿ ïîñòîÿííûì, à ñîïðîòèâëåíèå ÿâëÿåòñÿ ñóììîé
ñîïðîòèâëåíèé ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèí¼ííûõ ýëåìåíòîâ, ïðè ïàðàëëåëüíîì
íàïðÿæåíèå ïîñòîÿííî, à îáðàòíàÿ ñîïðîòèâëåíèþ âåëè÷èíà ÿâëÿåòñÿ ñóììîé îáðàòíûõ ñîïðîòèâëåíèþ âåëè÷èí íà êàæäîì ýëåìåíòå.
2
Êîììåíòàðèè ê âàðèàíòó
 ìî¼ì çàäàíèè ÿ âñòðåòèë öåïü, ñîñòàâëåíóþ èç èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî
òîêà è ïàðàëëåëüíî ïîäêëþ÷åííûõ ê íåìó êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè
çèñòîðà
R
è êîíäåíñàòîðà
L,
ðå-
C.
Òóò ñòîèò ñðàçó æå îãîâîðèòü îäíó äåòàëü - êàòóøêà â áîëüøèíñòå ìîäåëåé ïðåäñòàâëÿåòñÿ èäåàëüíîé - å¼ çíà÷åíèå àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ðàâíî
íóëþ.  òàêîì ñëó÷àå, ÷òî äàæå ìàòåìàòèêà ïîäâåðæäàåò, ïðè çàìûêàíèè
êëþ÷à òîê âîçðàñòàåò â öåïè ëèíåéíî, è âñÿ ýíåðãèÿ ÷åëîâå÷åñòâà ïîñòåïåííî ïåðåõîäèò â ýòó öåïü.
Ñ òî÷êè çðåíèÿ ôèçèêè ýòî àáñîëþòíûé áðåä, ïîýòîìó ñòîèò ïðèáëèçèòü
öåïü ê äåéñòâèòåëüíîñòè.
 íàøåì ìèðå ó ëþáîãî ñîëåíîèäà åñòü íåáîëüøîå, íî âñ¼-òàêè ñîïðîòèâëåíèå
RL .
Ïîýòîìó ÿ äîáàâèë â öåïü ðåçèñòîð ñ òàêèì ñîïðîòèâëåíèåì
ïîñëåäîâàòåëüíî ê êàòóøêå. Ïîñëå òàêîé ïîïðàâêè âñå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ
îïÿòü âûïîëíÿþòñÿ.
Òåïåðü ê âûïîëíåíèþ ðàáîòû.
2.1
Ìèíèìóì
Ïåðâûì äåëîì ÿ âû÷èñëèë èìïåäàíñ ïî ïðàâèëàì äëÿ îáû÷íûõ öåïåé: îáðàòíóþ åìó âåëè÷èíó ÿ ïðåäñòàâèë â âèäå ñóììû îáðàòíûõ âåëè÷èí.
1
1
1
1
=
+
+
, (9)
Z
ZR
Z L + Z RL
ZC
Cp +
(8) → (9) → (7) ⇒ I(p) = U (p)
1
1
+
R Lp + RL
p
Äàëåå, èñïîëüçóÿ ôóíêöèþ InverseLaplaceTransform ÿ âåðíóëñÿ ê âðåìåííûì òîêó, íàïðÿæåíèþ è ñîïðîòèâëåíèþ è ïîëó÷èë çàâèñèìîñòü ñèëû òîêà
îò îñòàëüíûõ ïàðàìåòðîâ öåïè.
Äàëåå îñòàëîñü ñäåëàòü èíòåðàêòèâíîå ãðàôè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå äàííîé çàâèñèìîñòè, ñ âîçìîæíîñòüþ ìåíÿòü ïàðàìåòðû öåïè èñïîëüçóÿ ñîîòâåòñòâóþùèå ïîëçóíêè. Ïðåäåëû, â êîòîðûõ èçìåíÿþòñÿ âåëè÷èíû ÿ ñòàðàëñÿ ïîäîáðàòü ïîáëèæå ê ðåàëüíûì çíà÷åíèÿì ýòèõ âåëè÷èí â âñòðå÷àþùèõñÿ öåïÿõ (õîòÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ ìàòåìàòèêè îíè ìîãóò áûòü ëþáûìè).
Íà ýòîì ÷àñòü minimum çàêîí÷åíà.
2
2.2
Ìåäèóì
Òóò âñ¼ ñîâåðøåííî î÷åâèäíî, ïîýòîìó íå áóäó çàîñòðÿòü íà ýòîì ìíîãî
âíèìàíèÿ. Åñëè âêðàòöå, èñïîëüçóÿ ñòàíäàðòíûå äëÿ öåïåé ïðåäñòàâëåíèÿ
íàõîæó çíà÷åíèå äëÿ îïåðàòîðíîãî òîêà, à ïîñëå ýòîãî ïðîèçâîæó îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà, ÷òîáû íàéòè âðåìåííîé òîê. Ïðåäñòàâëÿþ ýòî
ãðàôè÷åñêè òàêèì æå îáðàçîì. Íà ýòîì ÷àñòü medium çàêîí÷åíà.
2.3
Ìàêñèìóì
À âîò òóò âñ¼ íåìíîæêî èíòåðåñíåé. Òåïåðü ó íàñ íàïðÿæåíèå ïðåäñòàâëåíî
êàê
u(t) = u0 coswt
Ïðîèçâåäåì ïðÿìîå ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà ôóíêöèåé LaplaceTransform.
Ïîëó÷àåì
u(t) → U (p) =
p2
pU
+ w2
ðàññ÷èòàåì âñå ïàðàìåòðû öåïè òåìè æå ìåòîäàìè, ÷òî è â ïðîãðàììå ìèíèìóì.
Èòîãîâàÿ çàâèñèìîñòü ïðåäñòàâëåíà â âèäå èíòåðàêòèâíîãî ãðàôèêà ñ
ïîëçóíêàìè, ïîçâîëÿþùåìè èçìåíÿòü èñõîäíûå ïàðàìåòðû öåïè â çàäàííûõ
ïðåäåëàõ.
3
Âûâîä
 ðåçóëüòàòå âûïîëíåíèÿ äàííîãî êîëëîêâèóìà ÿ íàó÷èëñÿ ðàññ÷èòûâàòü
ýëåêòðè÷åñêèå öåïè îïåðàöèîííûì ìåòîäîì, à òàêæå íàó÷èëñÿ ïðèìåíÿòü
ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà â ñðåäå Mathematica.
3
Download