Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Решение дифференциального уравнения аналитическим путем
Решение дифференциального уравнения заключается в нахождении зависимости изменения во времени выходной переменной при следующих исходных данных: - дифференциальное уравнение с параметрами k, Т; - начальное значение выходной переменной ; - закон изменения во времени входной переменной .
Найдем решение дифференциального уравнения при постоянном значении входного сигнала . Решение ищем в виде суммы свободной и вынужденной составляющих 1. Находим свободную составляющую решения: - запишем характеристическое уравнение ; - найдем корень уравнения ; - запишем свободную составляющую решения дифференциального уравнения: . 2. Находим вынужденное решение. Входной сигнал относится к полиномам. Поэтому ищем решение в виде такого же полинома . Для нахождения значения В подставляем решение в исходное уравнение , , тогда . Вынужденная составляющая . 3. Общее решение 4. Используя начальные условия, найдем постоянную : при , отсюда 5. Решение уравнения при постоянном входном сигнале . Первый элемент выражения отражает влияние начальных условий и показывает, что начальное значение уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени Т. Второй элемент выражения отражает влияние входного сигнала при нулевых начальных условиях и показывает, что при подаче на вход звена первого порядка постоянного сигнала выходной сигнал по экспоненциальному закону с постоянной времени Т выходит на значение . Время падения первого элемента и выхода второго элемента на расчетное значение с точностью 5% (вход в 5% трубку от расчетного значения) называется временем переходного процесса и составляет . 4. Метод Эйлера. При численном решении дифференциального уравнения время берется в дискретные моменты: . Непрерывный входной сигнал заменяется ступенчатым дискретным сигналом Пусть есть решение дифференциального уравнения при начальном значении . Следующее значение можно определить из треугольника . Суть метода Эйлера заключается в замене криволинейного треугольника abc (рис. 2) на прямоугольный abd. Тогда значение выходной переменной при будет Из прямоугольного треугольника abd . Тогда следующее значение можно определить по его предыдущему: . На основании геометрического смысла производной тангенс угла наклона касательной равен значению производной функции в данной точке , которое можно определить по дифференциальному уравнению: . Заменяя производную на отношение , запишем выражение для значения на основания значений и в предыдущей точке: . Аналогично запишем выражения для всех последующих значений ; …; В общем случае разностное рекуррентное уравнение имеет вид: . Таким образом, используя данное уравнение, можно последовательно точка за точкой найти решение уравнения первого порядка при заданных , параметрах уравнения и известному входному сигналу . 5. Первый этап работы. Получить решение дифференциального уравнения при единичном ступенчатом входном сигнале и нулевых начальных условиях . 5.1. Включить компьютер и вызвать программу Excel. 5.2. Присвоить файлу название и записать на жесткий диск. В дальнейшем периодически (один раз в 10-15 мин производить перезапись файла). 5.3. В первой строке таблицы ввести номер лабораторной работы, фамилию и инициалы студента, номер группы. 5.4. Разработать таблицу для решения дифференциального уравнения (по образцу): a. Подготовить шапку таблицы параметров и ввести параметры дифференциального уравнения k, T в верхней части столбца 3. Значения k, Т принимаются равными количеству букв в имени и фамилии студента. b. Ввести шаг по времени, равный . c. Ввести нулевое начальное значение . d. Ввести значение входного сигнала . e. Подготовить шапку таблицы решения дифференциального уравнения. f. Путем «протаскивания» номера строки заполнить столбец № п/п. g. Заполнить столбец времени путем протаскивания формулы . h. Ввести формулу ввода столбца входного сигнала из ячейки . i. Записать начальное значение y в нулевой строке столбца 4 . j. Ввести формулу расчета производной в столбец 5 по значениям в предыдущей строке. k. Начиная со второй строки столбца 4, ввести рекуррентное уравнение Эйлера для расчета текущего значения по значениям элементов уравнения в предыдущей строке. . 5.5. Построить график полученного решения уравнения. 5.6. Используя функцию «Специальная вставка», перенести полученное решение в столбец 6. 6. Второй этап работы. Рассчитать и построить графики трех семейств решений уравнения для различных значений: - начальных условий; - входного сигнала; - коэффициентов уравнения. В верхней части столбцов 7-9 готовится таблица данных с изменяющимися начальными условиями; столбцов 10-12 - с изменяющимся коэффициентом передачи звена; столбцов 13-15 - с изменяющейся постоянной времени звена. Для каждой комбинации исходных данных находятся решения путем переноса столбца данных в данные столбца 3, а полученных решений из столбца 4 с помощью команды «Специальная вставка» в столбцы 7-9; 10-12; 13-15. Первое семейство кривых находится при постоянных значениях параметров и изменяющихся начальных условиях (НУ) и входном сигнале. 1-й расчет - при нулевых НУ и постоянном входном сигнале; 2-й расчет - при ненулевых НУ и нулевом входном сигнале; 3-й расчет - при ненулевых НУ и ненулевом входном сигнале. Второе семейство кривых – исследование влияния коэффициента усиления звена при нулевых начальных условиях и постоянном входном сигнале. Третье семейство кривых – исследование влияния постоянной времени звена при нулевых начальных условиях и постоянном входном сигнале.
|