Математическая теория систем. Математические основы теории систем

• Название: Математические основы теории систем
• Дата: 20.01.2023
• Размер: 2.07 Mb.
• Имя файла: Математическая теория систем.pdf
• Тип: Учебное пособие; #895603
• страница: 18 из 35

Пример 3.1.
Система описывается уравнением
(
)
2 2
2 2
5 3
12 1
t
d y
dy
y
y
e
dt
dt
−
+
+
=
−
. (3.1.8)
Требуется линеаризовать уравнение (3.1.8) в точке статического режима.
Установившееся статическое значение входного сигнала найдем, устремив
t к бесконечности ст lim(12 12
) 12
t
t
r
e
−
→∞
=
−
=
. Запишем уравнение статики, приравняв нулю производные в выражении (3.1.8)
2
ст
3 12
y =
, от- куда ст
2
y = ± . В выражении (3.1.8) нелинейными являются второе и третье слагаемые в левой части уравнения. Вычислим частные производные по
yɺ и по
y левой части уравнения (3.1.8) ст ст
2 0
2 0
5 10;
5 6
12
y
y
y
y y
y y
y
F
F
y
y
y
y
y
=±
=
=±
=
=
=
∂
∂
=
= ±
=
+
= ±
∂
∂
ɺ
ɺ
ɺ
ɺ
Запишем окончательно линеаризованное уравнение, сократив на 2 ле- вую и правую его часть
5 6
6
t
y
y
y
e
−
∆ ± ∆ ± ∆ = −
ɺɺ
ɺ
. (3.1.9)
Альтернативной формой записи уравнения (3.1.5) является форма, в которой связь между входом и выходом системы производится посред- ством некоторого оператора, осуществляющего операцию над входным сигналом, чтобы получить выходной. Для этого обозначим оператор дифференцирования по времени через
d
p
dt
=
. Тогда
k
k
k
d y
p y
dt
=
, при этом
0 1
p = означает отсутствие дифференцирования. Тогда выражение
(3.1.5) можно переписать в таком виде
( )
( )
( )
( )
( )
1 0
1 0
n
n
m
n
m
a p y t
a p y t
a y t
b p r t
b r t
−
+
+ +
=
+ +
. (3.1.10)
Решив формально последнее уравнение относительно выхода
у, получим

145
( )
( )
( )
0 0
( )
,
m
m
n
n
b p
b
y t
r t
W p r t
a p
a
+ +
=
⋅
=
⋅
+ +
(3.1.11) где введено обозначение
0 0
( )
( )
( )
m
m
n
n
b p
b
N p
W p
D p
a p
a
+ +
=
=
+ +
, (3.1.12) а
N(p) и D(p) – это полиномы степени m и n соответственно.
Дробь (3.1.12) носит название
передаточной функции или оператора системы. Пока будем рассматривать ее как удобную форму записи ли- нейного дифференциального уравнения (3.1.11).
3.1.3. Общие свойства линейных дифференциальных уравнений
Рассмотрим уравнение (3.1.10). Если правая часть этого уравнения тождественно равна нулю, то такое уравнение называется
однородным
( )
( )
( )
1 0
1 0
n
n
n
a p y t
a p y t
a y t
−
+
+ +
= . (3.1.13)
Уравнение же (3.1.10) называют соответственно
неоднородным диф- ференциальным уравнением.
Уравнение (3.1.13) имеет ровно
n линейно независимых решений. Не- обходимое и достаточное условие линейной независимости произволь- ных
n решений этого уравнения состоит в отличие от нуля определителя
Вронского или вронскиана:
1 2
1 2
1 1
1 1
2
( )
,
n
n
n
n
n
n
y
y
y
py
py
py
V t
p y
p y
p y
−
−
−
=
(3.1.14) где
1
,...,
n
y
y – решения уравнения (3.1.13).
Поскольку
1
,...,
n
y
y – решения линейного уравнения (3.1.13), то реше- нием того же уравнения будет являться также и любая линейная комби-

146 нация отдельных решений
y
k
.Таким образом, общее решение уравнения
(3.1.13) записывается в виде:
( )
( )
( )
( )
( )
о
1 1 2 2 1
n
n n
k k
k
y t
c y t
c y t
c y t
c y t
=
=
+
+ +
=
∑
, (3.1.15) где
c
k
– произвольные постоянные, определяемые обычно из начальных условий.
Общее решение неоднородного уравнения (3.1.10) состоит из суммы
( )
о
y t общего решения однородного уравнения (3.1.13) и любого произ- вольного (частного) решения
( )
н
y t , удовлетворяющего уравнению (3.1.10):
( )
( )
( )
о н
y t
y t
y t
=
+
Так как
y
н
(
t) не содержит произвольных постоянных, то в решении
y(t), также как и в y
о
(
t), содержится n постоянных. Для их нахождения следует знать начальные или граничные условия.
3.2 Классические методы решение дифференциальных
уравнений с постоянными коэффициентами
Решение уравнения (3.1.10) начнем с решения соответствующего ему однородного уравнения (3.1.13).
3.2.1. Однородные уравнения
Предполагаемое решение уравнения (3.1.13) ищем в виде
( )
st
y t
e
=
, где
s – подлежащая определению постоянная величина. Подставив пред- полагаемое решение в уравнение (3.1.13), имеем:
(
)
1 0
1 0
n
n
st
n
a s
a s
a e
−
+
+ +
= .
Так как последнее уравнение должно удовлетворяться при всех значе- ниях
t, нулю должно равняться выражение в скобках:
1 0
1 0
n
n
n
a s
a s
a
−
+
+ +
= , (3.2.1)

147 где
s, как уже было упомянуто, некоторая постоянная алгебраическая величина.
Выражение(3.2.1) называется
характеристическим уравнением, и непосредственно может быть получено из уравнения (3.1.13). Поскольку в левой части этого уравнения стоит полином
n-го порядка с постоянны- ми действительными коэффициентами (этот полином называется
харак-
теристическим), то оно содержит ровно n корней. Обозначим их через
s
1
,s
2
,…s
n
. Тогда соответствующие решения уравнения (3.1.13) будут
1 2
1 2
,
,...,
n
s t
s t
s t
n
y
e
y
e
y
e
=
=
=
. Если эти
n решений линейно независимы (а это согласно (3.1.14) будет, если все
s
i
различны), то общее решение од- нородного дифференциального уравнения имеет вид
1 2
о
1 2
1
( )
n
k
n
s t
s t
s t
s t
n
k
k
y t
c e
c e
c e
c e
=
=
+
+
+
=
∑
(3.2.2)
Пример 3.2.
Найти общее решение однородного дифференциального уравнения
2 2
5 6
0
d y
dy
y
dt
dt
+
+
= . (3.2.3)
Запишем уравнение (3.2.3) в символической форме с применением оператора дифференцирования
d
p
dt
=
(
)
2 2
5 6
5 6
0
p y
py
y
p
p
y
+
+
=
+
+
= .
Характеристическое уравнение имеет вид
2 5
6 0
s
s
+
+ = . Его корни
1 2
2,
3
s
s
= −
= − . Общее решение, согласно (3.2.2), равно
( )
2 3
о
1 2
t
t
y t
c e
c e
−
−
=
+
Если какой-то корень (например,
j-й) имеет кратность p, то линейно независимыми решениями, соответствующими этому корню, будут
1 1
1
,
,...
j
j
j
s t
s t
s t
p
j
j
j p
y
e
y
te
y
t e
−
+
+ −
=
=
=
, (3.2.4)

148 и общее решение запишется в виде
1 1
0 1
1 1
( )
j
j
j
j p
n
s t
s t
s t
s
t
s t
s t
p
j
j
j p
j p
n
y t
c e
c e c te
c
t e
c e
c e
+
−
+
+ −
+
=
+ +
+ +
+
+ +
(3.2.5)
Пример 3.3.
Найти общее решение однородного дифференциального уравнения
2 2
2 0
d y
dy
y
dt
dt
+
+ = . (3.2.6)
Характеристическое уравнение, соответствующее дифференциально- му уравнению (3.2.6), имеет кратный корень
1,2 1
s = − , поэтому общее решение составляем по формуле (3.2.4)
( )
о
1 2
t
t
y t
c e
c te
−
−
=
+
Некоторые из корней
s
i
могут быть комплексными. В этом случае удобнее решения (3.2.2) представить в иной форме. Поскольку коэффи- циенты уравнения (3.2.1) это действительные числа, для каждого ком- плексного корня должен быть комплексно сопряженный, то есть для кор- ня
i
s
j
= α + β (α и β – действительные числа) всегда найдется корень
1
i
s
j
+
= α − β . Тогда соответствующий вклад этих корней в решение
(3.2.2) можно представить в виде
( )
1
о
1 1
(
).
i
i
s t
s t
t
j t
j t
i
i
i
i
y t
c e
c e
e c e
c e
+
α
β
− β
+
+
=
+
=
+
(3.2.7)
В реальной системе
y
о
(
t) – действительная функция времени, а, следо- вательно, произвольные постоянные
с
i
и
с
i+1
должны быть комплексно сопряженными. Тогда выражение (3.2.7) можно представить как
( )
(
)
(
)
о cos sin cos
t
t
y t
e
A
t B
t
Ce
t
α
α
=
β +
β =
β + ϕ где
А и В (С и φ) – действительные числа.

149
В последнем выражении связи произвольных постоянных определя- ются обычными формулами приведения тригонометрических функций
2 2
B
, arctg
A
C
A
B
=
+
ϕ = −
Пример 3.4.
Найти общее решение однородного дифференциального уравнения
2 2
0
d y dy
y
dt
dt
+
+ = . (3.2.8)
Характеристическое уравнение, соответствующее дифференциально- му уравнению (3.2.8), имеет корни
1,2 1
3 2
2
p = − ±
. Согласно формуле
(3.2.7) решение будет иметь вид
( )
0,5
о
3 3
cos sin
2 2
t
y t
e
A
t B
t
−


=
+




3.2.2. Неоднородные уравнения
Предполагая, что входной сигнал
r(t) известен, правую часть уравне- ния (3.1.10) можно представить как функцию
( )
f t , называемую иногда
вынуждающей функцией, и переписать уравнение (3.1.10) в виде
( )
( )
( )
( )
1 0
1
n
n
n
a p y t
a p y t
a y t
f t
−
+
+ +
=
. (3.2.9)
Для определения частного решения
y
н
(
t) существует два стандартных метода −
метод неопределенных коэффициентов и метод вариации (Ла-
гранжа) параметров [10].
Метод неопределенных коэффициентов
может быть применен в том случае, если вынуждающая функция
( )
f t имеет конечное число линейно независимых производных. Функция
( )
f t в этом случае может быть многочленом целой положительной степени
t или состоять из комбина- ции экспоненциальной, синусоидальной или гиперболической функций.
Идея метода состоит в том, что предполагаемое решение
y
н
(
t) представ- ляет собой линейную комбинацию составляющих
( )
f t и их производ-

150 ных, при этом каждый элемент этой линейной комбинации входит с не- определенными коэффициентами. Далее предполагаемое решение под- ставляется в уравнение (3.2.9), а неопределенные коэффициенты выби- раются таким образом, чтобы это уравнение удовлетворялось при всех значениях
t.
Пример 3.5.
Найти частное решение уравнения
2 2
5 6
1
t
d y
dy
y
e
dt
dt
−
+
+
= −
. (3.2.10)
Правая часть уравнения – это сумма константы 1 и экспоненты
t
e
−
Производная константы – нуль, производная экспоненты – та же экспо- нента, поэтому предполагаемое решение представляем в виде суммы двух слагаемых, первое из которых умножаем на неопределённый коэф- фициент
A, а второй – на B:
( )
н
t
y t
A Be
−
= +
Вычисляем производные
( )
( )
н
2
н
2
,
,
t
t
dy t
Be
dt
d y t
Be
dt
−
−
= −
=
и подставляем предполагаемое решение и найденные производные в уравнение (3.2.10)
5 6
6 1
t
t
t
t
Be
Be
A
Be
e
−
−
−
−
−
+
+
= −
Приравнивая коэффициенты при одинаковых составляющих в правой и левой части последнего уравнения, находим
1 1
,
6 2
A
B
=
= − . Таким об- разом, окончательно получаем

151
( )
н
1 1 6 2
t
y t
e
−
= −
В том случае, когда отдельные члены
( )
f t в точности совпадают по виду с какой-либо составляющей решения
y
о
(
t) однородного уравнения, процедура решения предполагает в общем случае умножение на
t соот- ветствующих составляющих в выражении для
y
н
(
t). Подобная схема со- храняется, когда член
( )
f t содержит дополнительный множитель
n
t .
Если же какой-либо член
( )
f t соответствует кратному корню характери- стического уравнения (например, кратности
m), то соответствующий член в
y
н
(
t) следует умножить на
m
t .
Пример 3.6.
Найти частное решение уравнения
2 2
2
t
d y
dy
y e
dt
dt
−
+
+ =
Правая часть уравнения –
t
e
−
, и частное решение следовало бы пред- ставить в форме
( )
н
t
y t
Ae
−
=
, но обратив внимание на левую часть урав- нения, замечаем, что общее решение однородного уравнения имеет вид
( )
о
1 2
t
t
y t
c e
c te
−
−
=
+
, поскольку имеется кратный (кратности два) корень, равный минус еди- нице. Поэтому предполагаемое частное решение нужно умножить на
2
t
( )
2
н
t
y t
At e
−
=
Определив производные
( )
(
)
( )
(
)
н
2 2
н
2 2
2
,
2 4
,
t
t
dy t
At At e
dt
d y t
A
At At e
dt
−
−
=
−
=
−
+

152 и подставив все необходимое в исходное дифференциальное уравнение, получим
(
)
(
)
2 2
2 2
4 2 2
t
t
t
t
A
At At e
At At e
At e
e
−
−
−
−
−
+
+
−
+
=
Приведя подобные члены в последнем уравнении, получим
2
t
t
Ae
e
−
−
=
, откуда с очевидностью имеем
1 2
A = и, таким образом,
( )
2
н
2
t
t
y t
e
−
=
Метод вариации параметров
может быть применен для любых функций ( )
f t независимо от того, имеет или не имеет эта функция ко- нечное число независимых производных. Также этот метод может быть применен и для нестационарных систем, когда коэффициенты
a
i
уравне- ния (3.1.10) зависят от времени.
Метод вариации параметров предполагает нахождение частного ре- шения на основе составляющих решения однородного уравнения, пред- полагая, что это решение уже известно.
Чтобы было понятнее, начнем пояснение метода вариации параметров с уравнения первого порядка:
(
) ( )
( )
0 1
a p a y t
f t
+
=
. (3.2.11)
Решение соответствующего однородного уравнения
(
) ( )
0 1
0
a p a y t
+
= (3.2.12) содержит одну составляющую
( )
о
1
y t
cy
=
. Частное решение ищем в виде
( )
н
1
y t
uy
=
. (3.2.13) где
u – неизвестная пока функция времени.
Подставляя решение (3.2.13) в уравнение (3.2.11), имеем

153 0
1 1
1 1
(
)
( ),
a uy uy
a uy
f t
+
+
=
ɺ
ɺ
или, делая очевидные преобразования, получим
0 1
0 1 1 1
(
)
( ).
a uy u a y a y
f t
+
+
=
ɺ
ɺ
В последнем уравнении выражение в скобках равно нулю, так как
y
1
является решением уравнения (3.2.12). Следовательно
0 1 1
( ),
u
f t
a y
=
ɺ
(3.2.14) откуда, интегрируя, можно найти
u.