Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Рассмотрим уравнение второго порядка Здесь $a, b$-произвольные постоянные, $K$ — положительная постоянная, величина $\alpha$ удовлетворяет условию $|\alpha| \leqslant 1$. Найдем закон изменения величины $\alpha$, обеспечивающий асимптотическую устойчивость нулевого решения уравнения (2.1). Представив уравнение (2.1) в виде системы попытаемся отыскать $\alpha$, исходя из следующих соображений. Пусть $v(x, y)$-какая-либо функция переменных $x, y$. Такой функцией может служить, например, потенциал некоторого векторного поля в фазовом пространстве переменных $x$ и $y$. Подберем величину $\alpha$ так, чтобы обеспечить наибольшую скорость убывания функции $v$ вдоль траекторий системы (2.2) $[66,79]$. Так как и так как от $\alpha$ зависит только последнее слагаемое, то $\min \dot{v}$ достигается, если положить Если, например, $v=\frac{1}{2} B x^{2}+A x y+\frac{1}{2} y^{2}$, то получим Итак, рассмотрим систему (2.2), считая, что величина $\alpha$ определяется соотношением (2.4). Система (2.2) может быть записана теперь в виде двух систем: при $x(A x+y)<0$. Линии $x=0$ и $A x+y=0$ являются линиями переключения, на них совершается переход с траекторий одной системы на траектории другой системы. Так как при $x=0$ имеем $\dot{x}>0$, если $y>0$, и $\dot{x}<0$, если $y<0$, в силу обеих систем (2.5) и (2.6), то линия $x \equiv 0$ пересекается траекториями в направлении хода часовой стрелки, т. е. все точки линии $x=0$ (кроме точки, где $y=0$ ) являются точками «прошивания». Исследуем теперь точки прямой $s=A x+y=0$, которую в дальнейшем будем называть прямой $S$. Чтобы найти условия, при выполнении которых прямая $S$ будет прямой скольжения, найдем $\dot{s}$ в силу системы (2.2) на этой прямон: Имеем при $x>0$ а при $x<0$ Так как условия существования скольжения имеют вид то они в рассматриваемом случае эквивалентны условиям которые можно записать в более компактной форме: Таким образом, условие (2.8) является необходимым и достаточным условием существования скользящего режима у системы (2.2). Очевидно, выполнение этого условия всегда можно обеспечить за счет выбора достаточно большого значения коэффициента усиления $K$. Перейдем теперь к исследованию системы (2.2) в каждой из областей $G_{i}, i=1,2,3,4$. В областях $G_{1}$ и $G_{3}$ имеем $\alpha=1$, здесь действует система (2.5). Характеристическое уравнение этой системы имеет вид При достаточно большом значении $K$ корни этого уравнения будут комплексными, следовательно, интегральные кривые будут спиралевидными кривыми, а начало координат будет особой точкой типа «фокус». Если $a>0$, то изображающая точка будет приближаться по траектории к началу координат, которое будет в этом случае асимптотически устойчивым положением равновесия (рис. 8). Если же $a<0$, то точки фазового пространства будут уходить от начала координат. В областях $G_{2}$ и $G_{4}$ дейстнует система (2.6); ее характеристическое уравнение имеет вид При достаточно большом значении $K$ корни этого уравнения будут вещественными противоположных знаков. Начало координат в данном случае будет особой точкой типа «седло». Система (2.6) будет иметь среди своих интегральных кривых две интегральные прямые, $y=\mu_{1} x$ и $y=$ $=\mu_{2} x$. Это обстоятельство может быть установлено путем простой подстановки функций $y=\mu_{1} x, y=\mu_{2} x$ в уравнение $\frac{d y}{d x}=-b \frac{x}{y}-$ $-a+K \frac{x}{y}$, эквивалентное Рис. 8. системе (2.6). Указанные интегральные прямые выполняют роль асимптот, к которым приближаются остальные интегральные кривые системы, имеющие гиперболический тип (рис. 9). Отметим теперь следующий факт. Графиком функции $f(\mu)=\mu^{2}+a \mu+b-K$ будет парабола, пересекающая ось $\mu$ в точках $\mu=\mu_{1}$ и $\mu=\mu_{2}$ (рис. 10 ). Если выполнено неравенство $\mu_{2} \leqslant \mu \leqslant \mu_{1}$, то $f(\mu) \leqslant 0$. Пусть $A>0$; полагая $\mu=-A \geqslant \mu_{2}$, получим $f(-A)=$ $=A^{2}-a A+b-K \leqslant 0$. Таким образом, второе неравенство условии (2.7) будет удовлетворено, если $-A \geqslant \mu_{2}$, т. е. если угол между линией переключения $S$ и осью $x$ меньше угла между прямой $y=\mu_{2} x$ и той же осью. к началу координат. которого следует, что при $A>0$ скольжение будет совершаться по направлению к началу координат по закону $x=x_{0} e^{-A\left(t-t_{0}\right)}$. Структурная схема системы, соответствующей уравнению (2.1), изображена на рис. 12. Здесь, так как рассматривается система стабилизации, соответствующая некоторой следящей системе, полагаем $\psi=0$ и $\varphi=-x$. Передаточная функция $L(p)$ имеет вид $L(p)=p^{2}+a p+b . \mathrm{B}$ блоке $F$ формируется по В заключение покажем, как в случае $a>0$ можно применить к исследованию устойчивости рассмотренной системы метод функций Ляпунова. Сначала рассмотрим функцию $v=$ (3] В областях $G_{1}$ и $G_{3}$ имеем $\alpha=1$ и, следовательно, $\dot{v}=$ $=-2 a y^{2}$. В областях $G_{2}$ и $G_{4}$ имеем $\alpha=-1$, отсюда получим $\dot{v}=-2 a y^{2}+4 K x y$, но так как в этих областях $x y<0$, то получаем $\dot{v} \leqslant 0$ всюду на рассматриваемой фазовой плоскости. Пусть $|b|<K$. Множество точек $y=0$, в которых $\dot{v}=0$ очевидно не содержит целых траекторий, поэтому можем применить теорему 12.2 первой главы, из которой следует асимптотическая устойчивость в целом нулевого положения равновесия. Анализ доказательства указанной теоремы позволяет игнорировать факт разрывности производной на прямой переключения $S$ и факт неединственности в отрицательном направлении оси времени. Теперь рассмотрим функцию $v=b x^{2}+y^{2}+\alpha K x^{2}$. Эта функция имеет разрывы на прямой $S$; если $0 \leqslant K<b$, то $v$ будет определенно положительной и бесконечно большой, если же $K \geqslant b$, то нетрудно видеть, что для сохранения этих свойств необходимо потребовать выполненным условие $A>\sqrt{K-b}$. Легко видеть, что в силу системы (2.2) получим, вне линии переключения $\mathcal{S}, \dot{v}=-2 a y^{2}$. С другой стороны, при переходе линии переключения траекторией системы функция $v$ убывает скачком на величину $2 K x^{2}$. Снова проводя рассуждения, использованные при доказательстве теоремы 12.2 первой главы, придем к выводу, что любая точка фазового пространства либо попадает непосредственно в начало координат, либо попадает на линию $S$ и совершает по ней скольжение к началу координат. Возможные обобщения указанной выше теоремы 12.2 на системы с разрывными правыми частями получил Ю. И. Алимов [64].
|
1 |
Оглавление
|