Реферат по предмету "Математика"


Математическая теория захватывания

Введение и краткое резюме
Настоящая работа посвящена исследованию движений автоколебаний системы с одной степенью свободы под действием внешней периодической силы. Такие движения представляют интерес для радиотелеграфии (например, к исследованию таких движений сводится теория регенеративного приемника). Особенно замечательно здесь явления так называемого "захватывания". Это явление заключается в том, что, когда период внешней силы достаточно близок к периоду автоколебаний системы, биения пропадают; внешняя сила как бы "захватывает" автоколебания. Колебания системы начинают совершаться с периодом внешнего сигнала, хотя их амплитуда весьма сильно зависит от амплитуды "исчезнувших" автоколебаний. Интервал захватывания зависит от интенсивности сигнала и от автоколебательной системы.
Теоретически этот вопрос уже разбирался, однако методами математически недостаточно строгими; кроме того, бралась характеристика весьма частного вида - кубическая парабола. Поэтому мы будем рассматривать случай произвольной характеристики при колебаниях близких к синусоидальных.
В этой работе мы рассмотрим периодические решения с периодом, равным периоду внешней силы, и их устойчивость при малых отклонениях. Мы оставим в стороне другие стационарные движения, возможные в исследуемой системы, например периодические решения с периодом, кратным периоду внешней силе, или квазипериодические решения. Мы оставим в стороне важный вопрос об устойчивости при больших отклонениях
Для отыскания периодических решений воспользуемся методом Пуанкаре, которые позволяют быстро решить задачу для случая колебаний, достаточно близких к синусоидальным. С этой целью введем в наше уравнение параметр ( таким образом, чтобы при ( = 0 уравнение превращалось в линейное и колебания делались синусоидальными. Этот параметр (, который мы предполагать достаточно малым, может иметь различный смысл в зависимости от выбора системы.
Для решения вопроса об устойчивости найденного решения при малых отклонениях воспользуемся методами Ляпунова, требуя, чтобы искомые решения обладали "устойчивостью по Ляпунову".
В настоящей работе мы не будем вычислять радиусы сходимости тех рядов, с которыми нам придется иметь дело; грубая оценка может быть сделана по Пуанкаре.
В § 1 и 2 рассматривается область достаточно сильной расстройки; § 3 и 4 посвящены рассмотрению области резонанса; в § 5 показывается, как общие формулы для амплитуд и для устойчивости, полученные в § 1- 4, могут быть применены в конкретных случаях, причем в качестве примера рассматривается случай Ван дер Поля. Результаты применения общих формул совпадают с теми, которые получил нестрогим путем Ван дер Поль.
§ 1 Отыскание периодического решения в случае достаточно сильной расстройки. Уравнение, которое нас будет интересовать:
[pic]
При ( = 0 это уравнение имеет единственное периодическое решение [pic]
Рассмотрим случай, когда ( бесконечно мало. Согласно Пуанкаре мы будем искать решение (1) в следующем виде: [pic] Начальные условия выберем так: [pic] F2 - степенной ряд по (1 (2, ( начинающийся с членов второго порядка. Подставим (3) в (1):
Сравнивая коэффициенты при (1 (2, ( получим уравнение для А, В, С. Начальные условия можно получить для них, подставив (4) в (3).
[pic]
Решая задачи Коши, получим:
[pic]
Для того, чтобы (3) представляли периодические решения необходимо и достаточно, чтобы [pic]
Введем обозначения [pic]; для остальных функций аналогично. Тогда (6) запишется в виде:
[pic]
Если в этой системе можно (1 (2 представить в виде функции ( так, чтобы (1 (2, ( исчезли из системы (7) , то (3) - периодическое решение уравнения (1). Иначе Х- не периодично. Достаточным условием существования периодического решения при малых ( служит неравенство 0 Якобиана.
В нашем случае: [pic] Т.е. мы всегда имеем периодические решения при малых ( и любых f. Искомое периодическое решение может быть найдено в виде. [pic]
§ 2 Исследование устойчивости периодического решения
Составим уравнения первого приближения, порождаемое решением (8). Сделаем замену: x = Ф(t) + ( ; в уравнении (1) при этом отбросим члены , содержащие квадраты и высшие степени ( и ('.
Воспользуемся тем фактом, что Ф (t) - решение уравнения. Получим уравнение первого приближения:
Это линейное дифференциальное уравнение с периодическими коэффициентами. Его решение мы будем искать в виде [pic] [pic] функции времени[pic] Удовлетворяют тому же уравнению, что и (, то есть (10). Начальные условия для них определены следующим образом. [pic]; аналогичным образом можно показать, что [pic] (11). Представим правую часть уравнения в виде степенного ряда по (.
[pic]
[pic]будем искать в виде: [pic] (12). Подставим (12) в (10) и сравнивая коэффициенты при соответствующих степенях (, получим:
[pic] Начальные условия для Ао , Во, …. Следует выбрать так, чтобы выполнялись условия (11). Действительно подставляя (11) в (12) и сравнивая коэффициенты при соответствующих степенях (, получим
[pic] Для В'о и Во аналогично. Для остальных же как видно из уравнений условия будут нулевые. Итак:
[pic](14)
Решение (13) можно найти при помощи квадратур:
[pic](15)
Если вспомнить общую теорию линейных диффуров с периодическими коэффициентами, то общее решение (10) имеет вид:
[pic]
S1, S2 - периодические функции с тем же периодом, что и Ф (t). (1, (2 - характеристические показатели. Если все [pic] , т.е. колебания затухают, то в этом случае выполняется теорема, доказанная Ляпуновым, относительно того, что периодическое решение уравнения первого приближения вполне устойчиво. Согласно Пуанкаре характеристические показатели можно определить из следующего уравнения:
[pic]=0 (16) Полагаем [pic];
[pic]
Тогда определитель будет:
[pic]
Вопрос об устойчивости, как сказано выше, решается знаком Re ((), или что все равно ( (( . Если ( (( 1 имеет место неустойчивость. При рассмотрении (18) имеют место 2 случая q > р2; q (-комплексные; ((2 (=q; (20) если q1 - неустойчивость. Случай второй - ( - действительные: [pic] ; (21) устойчивость соответствует [pic] p и q нетрудно получить в виде рядов по степени ( из формул (19) (12).
[pic](22) Если принять во внимание (15)
[pic](22a)
[pic](23)
Мы видим, что при достаточно малом ( и ((n; n ( Z вопрос об устойчивости решается величиной q и следовательно знаком b, если b 0 - неустойчивость. В нашем случае b имеет вид: [pic] (23a)
§ 3 Отыскание периодического решения в области резонанса. Тогда ((((о; (2 = 1+ aо (, (24) (aо , ( - расстройка , реальный физический резонанс наступает при aо ( 0). Тогда исследуемое уравнение имеет вид :
[pic] (25)
При ( = 0 периодическое решение будет иметь вид : [pic](26) Следуя Пуанкаре, мы можем предположить периодическое решение в виде:
[pic] (27);
Начальные условия возьмем как и раньше:
[pic]
Аналогично тому, как мы это делали в предыдущих параграфах. Подставляем (27) в (25) и, сравнивая коэффициенты при (1 (2, ( и других интересующих нас величинах, получим уравнение, которым удовлетворяет A, B, C, D, E, F. Начальные условия для этих уравнений определим, если подставим (28) в (27).
[pic] (29)
Запишем условия периодичности для (27):
[pic] Делим на (:
[pic] ( 30a )
Необходимым условием существования периодического решения является: [pic] Эти уравнения определяют P и Q решения (26), в близости к которому устанавливается периодическое решение. Они могут быть записаны в раскрытой форме :
[pic] (31)
Для существования искомого периодического решения достаточно неравенство 0 детерминанта: (см. § 1).
[pic]
D, Е и их производные найдутся из (29) при помощи формул аналогичных (15). Заметим, что (30) мы можем определить (1, (2, в виде рядов по степеням (. Таким образом, мы можем (27) как и в § 1 представить в виде ряда.
[pic](33)
P,Q-определяются формулами (31) (32).
§ 4 Исследование устойчивости периодических решений в области резонанса
Аналогично тому, как мы это делали в § 2, составим уравнение первого приближения, порожденное решением (33).
[pic]
Решение опять будем искать в виде [pic]. Однако нет необходимости проделывать все выкладки заново. Воспользуемся результатами § 2, приняв:
[pic] Из формул (22) [pic] [pic] (34) , тогда [pic] ( - тот же Якобиан, что и (32). Распишем его:
[pic]
[pic] (36)
[pic]; Тогда, зная функцию f, мы можем вычислить ( в виде функции P, Q и aо. Заметим, что равенство (23 а) в нашем случае имеет вид:
[pic] ; (37)
Опираясь на результаты исследования, полученных в § 2, нужно рассмотреть при исследовании устойчивости два случая: (при достаточно малых ()
1) p2 - q 2) p2 - q > 0 [pic] В первом случае устойчивость характеризуется условием q Во втором случае [pic] (*) последнее может быть выполнено только, если b 0, а ( > 0. Нетрудно видеть, что необходимым достаточным условием в обоих случаях является b 0. (Это можно получить из неравенства (*) ).
§ 5 Применение общих формул, полученных в предыдущих параграфах, к теории захватывания в регенеративном приемнике для случая, когда характеристика - кубическая парабола. Мы рассмотрим простой регенеративный приемник с колебательным контуром в цепи сетки, на который действует внешняя сила Ро sin (1 t. Дифференциальное уравнение колебаний данного контура следующее: [pic] (39) Считая, что анодный ток зависит только от сеточного напряжения, а также, что характеристикой является кубическая парабола: [pic](40) S-крутизна характеристики, К - напряжение насыщения [pic] . Далее, вводя обозначения: [pic] [pic] Получим дифференциальное уравнение для х: [pic] (41)
А: (случай далекий от резонанса). Для него применяем результаты § 1, полагая[pic]. Исходное решение в не посредственной близости, к которому устанавливается искомое решение следующее: [pic] Если ( > 1, т.е. (о > (1, то разность фаз равна 0, если (
[pic](42). Т.е. те решения, для которых выполняется это условие, устойчивы.
В: (область резонанса , § 3, 4). В качестве исходного периодического решения, в непосредственной близости к которому устанавливается искомое, будет решение следующего вида: x = P sin t + Q cos t (P, Q - const). Запишем уравнение, определяющее эти P и Q, т.е. соотношение (31) для нашего случая.
[pic]
Или преобразовав их, получим следующее:
[pic]
Полагая Р = R sin (; Q = R cos (. Далее найдем для амплитуды R и фазы ( для того исходного периодического решения, в близости к которому устанавливается рассматриваемое периодическое решение , соотношения связывающие их :
[pic] Первая формула дает "резонансную поверхность" для амплитуды. Вторая - для фазы. По (38) условия устойчивости имеют вид b 0. Считаем b и ( через формулы (35-37). [pic]
(46)
[pic]
Т.е. решение является устойчивым, если удовлетворяется условие (**). В заключение выпишем формулы для вычисления aо, соответствующего ширине захватывания для рассматриваемого случая.
1) [pic] a0 - является общим корнем уравнений [pic]
2) [pic]
Сама ширина ((, отсчитанная от одной границы захватывания до другой выражается следующим образом: (( = aо (2о (MS - c r). Можно дать простые формулы для вычисления ширины захватывания в следующих случаях: а) (2о


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :