Задача №5. Моделирование аналоговых схем (метод переменных состояния)

Цель: освоение метода узловых потенциалов моделирования аналоговых схем.

Теория, методы и примеры решения: раздел 3.3.2.3 курса лекций.

Задание: для заданного варианта схемы задачи №6 разработать модель топологии с использованием метода переменных состояния: построить граф, нормальное фундаментальное дерево и матрицу контуров и сечений. Записать топологические уравнения в общем виде; в развернутой матричной форме; в виде системы уравнений по законам Кирхгофа. Записать окончательную математическую модель схемы в виде системы уравнений, в которой ёмкостные токи и индуктивные напряжения выражены явно и заменены производными переменных состояния.

Решение:

Базисными координатами в этом методе являются переменные состояния, т.е. фазовые переменные, непосредственно характеризующие запасы энергии в элементах электрической схемы. К таким переменным относятся независимые друг от друга емкостные напряжения и индуктивные токи. Исходными топологическими уравнениями являются те же уравнения, что и в табличном методе:

U_x+MU_вд=0; I_вд=M^ТI_x=0.

Матрицу М контуров и сечений в методе переменных состояния формируют на основе построения нормального дерева графа схемы. Нормальным деревом называют фундаментальное дерево, в которое включение ветвей производится не произвольно, а в следующем порядке: ветви источников напряжения, емкостные, резистивные, индуктивные, источников тока. Использование нормального дерева облегчает дальнейшее преобразование исходных уравнений с целью получения нормальной формы Коши.

В графе схемы, приведенной на рисунке 12, построенное фундаментальное дерево является нормальным. Топологические уравнения в общем виде и в развернутой матричной форме были получены при решении задачи 6. Топологические уравнения в виде системы уравнений по законам Кирхгофа, полученные с использованием матрицы контуров и сечений, построенной в задаче №6, имеют вид:

Для получения окончательной ММС используют компонентные уравнения. При их преобразовании стремятся получить уравнения, выражающие емкостные токи I_С и индуктивные напряжения U_L через переменные состояния. Далее, заменяя I_C и U_L производными переменных состояния, получают окончательную ММС.

Запишем компонентные уравнения (уравнения сопротивления, емкости и индуктивности) в общем виде:

В заданной схеме нет индуктивных ветвей, поэтому уравнение индуктивности нам не понадобится.

В левых частях уравнений второй системы необходимо заменить I_Cj на С _j × dU_Cj/dt, а в правые части вместо I_Ri подставить величины U_Ri, выраженные из уравнений первой системы путем деления на R_i. Окончательная форма ММС по методу переменных состояния имеет вид:

Таким образом, с использованием метода переменных состояния получена окончательная полная ММС заданной схемы, объединяющая в себе компонентные и топологические уравнения схемы.