Смекни!
smekni.com

Анализ стационарных и динамических объектов (стр. 3 из 7)


2. Анализ нелинейных стационарных объектов

Цель работы: исследовать параметры нелинейных стационарных объектов, описываемых системами нелинейных алгебраических уравнений, используя для их решения средства пакета MathCAD.

Содержание работы:

1) изучить теоретические положения (раздел 2.1), раскрывающие структуру нелинейных стационарных объектов, их математическое описание и пример решения систем нелинейных алгебраических уравнений средствами пакета MathCAD, используемый для анализа такого рода объектов;

2) выполнить индивидуальное задание согласно предусмотренной в разд.2.2 последовательности выполнения работы;

3) оформить описание раздела по контрольной работе согласно требованиям задания.

Краткие теоретические сведения

Структура и математическая модель объекта

Структурная схема нелинейного стационарного объекта имеет вид:

х1

Такой объект представляет собой систему, которая имеет два входа х1и х2 спостоянными значениями в установившемся режиме и два выхода в1 и в2. Структура объекта определяется сумматором S1 , умножителем М1, двумя линейно– усилительными блоками а1 , а2 и системой связей между ними.

В отличие от линейных стационарных объектов нелинейные описываются системами нелинейных алгебраических уравнений.

Математическая модель, соответствующая такой схеме, имеет вид:

а1х12х21;

х1х22

2.1.2. Анализ объектов

Исследование такого рода объектов состоит в определении значений входных воздействий х1 2 в зависимости от значений выходов в1ив2 при заданных параметрах объекта а1 иа2 .

Реализация решения задачи исследования нелинейного стационарного объекта в такой постановке может быть осуществлена с помощью средств системы символьной математики MathCAD 7.0 PRO .

2.1.3. Решение нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений

2.1.3.1. Постановка задачи. Пусть дано уравнение

, (2.1)

где функция

определена и непрерывна на некотором интервале (А,В). Всякое значение
, обращающее функцию
в нуль, то есть такое, при котором
, называется корнем уравнения (2.1), а процесс нахождения
называется его решением.

Если функция

представляет собой многочлен относительно
, то уравнение называется нелинейным алгебраическим (например,
); если в функцию
входят элементарные (тригонометрические, логарифмические, показательные и т.п.) функции, то такое уравнение называется трансцендентным (например,
).

2.1.3.2. Характеристика методов. Методы решения нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (НАТУ) делятся на прямые и итерационные. Первые позволяют найти решение непосредственно с помощью формул и всегда обеспечивают получение точного решения. Однако прямые методы имеются только для ограниченного круга уравнений, поэтому на практике более широко используются итерационные методы.

В итерационных методах процедура решения задается в виде многократного применения некоторого алгоритма. Полученное решение всегда является приближенным, хотя может быть сколь угодно близким к точному.

В общем случае задача решается в 2 этапа:

определение приближенных значений корней уравнения;

уточнение корней до заданной степени точности с помощью одного из итерационных методов.

Для определения приближенных значений корней уравнения используются:

1) Построение графика функций

и приближенное определение точек, где кривая пересекает ось Х.

Запись уравнения

в виде
и построение графиков двух функций:
и
. Точка их пересечения и есть корень исходного уравнения (5.1).

На втором этапе происходит уточнение корня с использованием критерия окончания итерационного процесса.

Итерационный процесс следует оканчивать, когда

<
, т.е. при близости двух последовательных приближений к корню.

Одним из итерационных методов для уточнения корня является метод Ньютона.

2.1.3.3.Метод Ньютона

2.1.3.3.1. Геометрическая интерпретация метода Ньютона. Геометрическая интерпретация метода Ньютона показана на рис 2.1.

Рис. 2.1. Метод Ньютона

Приняв в качестве начального приближения к корню

некоторое значение
, восстанавливаем перпендикуляр в точке
к оси Х. В точке пересечения перпендикуляра с графиком функции
, для которой отыскивается нуль, проводим касательную к кривой. Точка пересечения касательной с осью Х дает новое приближение
к корню. После этого процесс повторяем для точки
, получаем точку
и т.д.

2.1.3.3.2. Получение формулы Ньютона. Определим рекуррентное соотношение для нахождения корня методом Ньютона.

Уравнение касательной в точке

можно получить как уравнение прямой, проходящей через заданную точку
и имеющей угловой коэффициент
:

В точке

пересечения касательной с осью Х, величина
равняется нулю:

Отсюда

В общем случае для вычисления последующего приближения

к корню по известному предыдущему
формула Ньютона имеет вид: