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.

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 .

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. Выражение для искомого напряжения определяется согласно закону Ома:

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

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 где в соответствии с табл. 1

Значение дифференциальной индуктивности нелинейной катушки на k-м шаге

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
		0,2	0,585	0,974	0,974	0,195	0,605
		0,605	0,846	0,466	0,466	0,282	0,874
		0,874	0,956	0,365	0,365	0,319	0,966
		0,966	0,989	0,341	0,341	0,329	0,99
		0,99	0,997	0,335	0,335	0,332	0,998

Исходные данные для любого метода численного исследования.