Вычисление коэффициентов гармонической линеаризации
Проиллюстрируем вычисление коэффициентов гармонической линеаризации на нескольких примерах: сначала для симметричных колебаний, а затем для несимметричных. Предварительно заметим, что если нечетно-симметричная нелинейность однозначна, то, согласно (4.11) и (4.10), получаем
(4.19)
причем при вычислении q (4.11) можно ограничиться интегрированием на четверти периода, учетверив результат, а именно
(4.20)
Для петлевой нелинейности (нечетно-симметричной) будет иметь место полное выражение (4.10)
(4.21)
причем можно пользоваться формулами
(4.22)
т. е. удвоением результата интегрирования на полупериоде.
Пример 4.1. Найдем коэффициенты гармонической линеаризации для кубической нелинейности (рис. 4.4, a):
Воспользуемся формулами (4.22). В выражение для вместо x подставим и проинтегрируем (4.22). Получим:
Зависимость показана на рис. 4.4,б. Из рис. 4.4,а видно, что при заданной амплитуде α прямая уcредняет криволинейную зависимость на данном участке . Естественно, что крутизна наклона этой усредняющей
Рис.4.4,а. Кубическая Рис.4.4,б. Зависимость
нелинейность
прямой увеличивается с увеличением амплитуды α (для кубической характеристики это увеличение происходит по квадратичному закону).
Пример 4.2. Исследуем петлевую релейную характеристику (рис. 4.5, а). На рис. 4.5,б представлена подынтегральная функция для формул (4.22). Переключение реле имеет место при . Поэтому в момент переключения величина ψ1 определяется выражением . По формулам (4.22) получаем (для )
(4.23)
а) б) в)
Рис. 4.5. Графики q(α) и q'(α)
На рис. 4.5, в изображены графики и . Первый из них показывает изменение крутизны наклона усредняющей прямой с изменением α (рис. 4.5, а). Естественно, что при , так как сигнал на выходе остается постоянным ( ) при любом неограниченном увеличении входного сигнала х. Из физических соображений ясно также, почему . Это коэффициент при производной в формуле (4.21). Положительный знак давал бы опережение сигнала на выходе, в то время как гистерезисная петля дает запаздывание. Поэтому естественно, что . Абсолютное значение q' уменьшается с увеличением амплитуды α, так как ясно, что петля будет занимать тем меньшую часть «рабочего участка» характеристики , чем больше амплитуда колебаний переменной х.
Характеристика такой нелинейности (рис. 4.5, а), представляется в виде (4.13), причем амплитуда и фаза первой гармоники на выходе нелинейности имеют соответственно вид
,
где q и q' определены выше (рис. 4.5, в). Следовательно, гармоническая линеаризация переводит нелинейное координатное запаздывание (гистерезисную петлю) в эквивалентное запаздывание по фазе, характерное для линейных систем, но с существенным отличием — зависимостью фазового сдвига от амплитуды входных колебаний, чего нет в линейных системах.
Пример 4.3. Возьмём однозначные релейные характеристики (рис. 1.13 и рис. 1.3). Аналогично предыдущему получаем соответственно
(4.24)
q' = 0
что изображено на рис. 4.6, а, б, соответственно.
а) б)
Рис. 4.6. Зависимость для релейных характеристик
Пример 4.4. Исследуем характеристику с зоной нечувствительности, линейным участком и насыщением (рис. 4.7, а). Здесь , а коэффициент имеет два варианта значений в соответствии с рис. 4.7, б, где для них построена :
1) при , согласно (4.20), имеем
что с учетом соотношения дает
(4.25)
2) при
что с учетом соотношения дает
(4.26)
Графически результат представлен на рис. 4.7, в.
а) в)
Рис.4.7. Графики для характеристики с зоной
нечувствительности
Пример 4.5. Как частные случаи, соответствующие коэффициенты q(α) для характеристик (рис. 1.5 и 1.1) равны
при (4.27)
при (4.28)
что изображено графически на рис. 4.8, а, б. При этом для характеристики с насыщением (рис. 1.5) имеем при .
а) б)
Рис.4.8. Коэффициенты для характеристик
на рис. 1.5 и рис. 1.1
Пример 4.6. Для случая кубической нелинейности по формуле (4.17) имеем
(4.29)
а по формулам (4.18)
(4.30)
Пример 4.7. Для петлевой релейной характеристики (рис. 1.10) по тем же формулам(4.17) и (4.18) имеем
(4.31)
(4.32)
Пример 4.8. Для характеристики с зоной нечувствительности (рис. 4.9) будут иметь место те же выражения F0 и q. Графики их представлены на рис. 4.9, а, б. При этом .
а) б)
Рис.4.9. Графики и q для характеристики
с зоной нечувствительности
Для идеальной же релейной характеристики (рис. 1.13) получаем
(4.33)
что изображено на рис. 4.10, а и б.
а) б)
Рис.4.10. Графики и q для релейной
характеристики
Пример 4.9. Для характеристики с линейным участком и насыщением (рис. 1.5) при имеем
(4.34)
(4.35)
В этом случае величина c на рис.1.5 равна .
Эти зависимости представлены в виде графиков на рис. 4.11, а, б.
а) б)
Рис. 4.11. Графики для характеристики с линейным участком и насыщением
Пример 4.10. Для несимметричной характеристики (рис.4.12,а)
по формуле (4.17) находим
а по формулам (4.18)
а) б) в)
Рис. 4.12. Зависимости , и q для несимметричной характеристики
Результаты изображены графически на рис. 4.12, б и в.
Полученные в этих примерах выражения и графики коэффициентов гармонической линеаризации будут использованы ниже при решении задач по исследованию автоколебаний, вынужденных колебаний и процессов управления.
Дата добавления: 2020-10-25; просмотров: 561;