Разработка программно-методического комплекса для анализа линейных эквивалентных схем в частотной области для числа узлов <=500 (135893)

Посмотреть архив целиком

Разработка программно-методического комплекса для анализа линейных эквивалентных схем в частотной области (для числа узлов <= 500).




Содержание:


0. Постановка задачи (неформальная).

1. Обзор методов математического обеспечения.

2. Выбор наиболее необходимого.

3. Разработка лингвистического обеспечения.

4. Выбор информационного обеспечения.

5. Справочные данные.

6. Обмен данными между программами.

7. Структура ПО.

8. Выбор и обоснование инструментальных средств программирования.

9. Структура данных и система объектов.

10. Заключение, список используемой литературы.


1. Обзор методов





Цель метода:

1. Составляем (или уже имеем) эквив. схему.

Эквив. схема отображает: способ связи элементов друг с другом, физич. сущность отдельных элементов, граф же только - способ связи.

Введем правила построения эквив. схем:

1) Эквив. схема, как и граф, состоит из множества ветвей и узлов.

2) Каждая ветвь относится к одному из 5-ти возможных типов:





3) Каждой ветви соответствует компонентное уравнение:

а.


I, U - фазовые переменные типа потока и разности потенциалов (напряжения) в рассматриваемой ветви, С - емкость.

б.


L - индуктивность

в.

R - сопротивление

г.

U - вектор фазовых переменных,

t - время, в частном случае возможное U=const

д.

U - вектор фазовых переменых,

I - м.б. I=const


Зависимая ветвь - ветвь, параметр которой зависит от фазовых переменных.


4) Каждому узлу схемы соответствует определенное значение фазовой переменной типа потенциала, каждой ветви - значения переменных I и U, фигурирующих в компонентных уравнениях. Соединение ветвей друг с другом (т.е. образование узлов) должно отражать взаимодействие элементов в системе. Выполнение этого условия обеспечивает справедливость топологических уравнений для узлов и контуров.

В качестве фазовых переменных нужно выбирать такие величины, с помощью которых можно описывать состояния физических систем в виде топологических и компонентных уравнений.


В ЭВМ эта схема представляется в табличном виде на внутреннем языке.

Граф электрич. схем характеризуется некоторыми т.н. топологическими матрицами, элементами которых являются (1, 0, -1). С помощью них можно написать независимую систему уравнений относительно токов и напряжений ветвей на основании законов Кирхгофа. Соединения ветвей с узлами описываются матрицей инциденции А . Число ее строк равно числу узлов l, а число столбцов - числу ветвей b. Каждый элемент матрицы a(i, j):

-1 - i-я ветвь входит в j-й узел,

a(i, j) = 1 - i-я ветвь выходит из j-го узла,

0 - не соединена с j-м узлом.

Легко видеть, что одна строка матрицы линейно зависит от всех остальных, ее обычно исключают из матрицы, и вновь полученную матрицу называют матрицей узлов А. Закон Кирхгофа для токов с помощью этой матрицы можно записать в виде:

А * i = 0, где i - вектор, состоящий из токов ветвей.


Для описания графа схемы используют еще матрицы главных сечений и главных контуров. Сечением называется любое минимальное множество ветвей, при удалении которых граф распадается на 2 отдельных подграфа. Главным называется сечение, одна из ветвей которого есть ребро, а остальные - хорды. Главным контуром называется контур, образуемый при подключении хорды к дереву графа. Число главных сечений равно числу ребер, т.е. L-1, а число главных контуров - числу хорд m=(b-(L-1)). Матрицей главных сечений П называется матрица размерностью (L-1) * b, строки которой соответствуют главным сечениям, а столбцы - ветвям графа. Элементы матрицы a(i, j)=1, если j-я ветвь входит в i-е сечение в соответствии с направлением ориентации для сечения; a(i, j)=-1, если входит, но против ориентации, и a(i, j)=0, если не входит в сечение.

Закон Кирхгофа для токов можно выразить с помощью матрицы главных сечений.

Пi = 0

Матрицей главных контуров Г называется матрица размерностью (b-(L-1))*b, строки которой соответствуют главным контурам, а столбцы - ветвям графа. Элемент этой матрицы a(i, j)=1, если j-я ветвь входит в i-й контур в соответствии с направлением обхода по контуру, -1, если ветвь входит в контур против направления обхода, и 0, если ветвь не входит в контур.

Закон Кирхгофа для напряженй выражается с помощью матрицы главных контуров в виде:

Пи = 0

Располагая в матрицах П и Г сначала столбцы, соответствующие ветвям-ребрам, а затем столбцы, соответствующие ветвям- хордам, можно записать:

П = [E, Пх] Г = [Гр, Е]

где Пх содержит столбцы, соответствующие хордам; матрица Гр - столбцы, соответствующие ребрам, а Е - единичные матрицы [размерность матрицы Е, входящей в П, (L-1)*(L-1), а входящей в Г, (b-(L-1))*(b-(L-1))].


Матрицы Гр и Пх связаны следующим соотношением:

Гр=-Пх , где т - знак транспонирования матрицы, или, обозначая Гр=F, получаем Пх=-F.


Если для расчета электр. схемы за искомые переменные принять токи i и напряжения u ветвей, то уравнения

Ai = 0 или Пi = 0

Гu = 0 Гu = 0

совместно с компонентами уравн.



составят полную систему уравнений относительно 2b переменных.

То есть полная система в общем случае представляет собой набор обыкновенных линейных дифференциальных уравнений.

Число переменных и уравнений можно уменьшить следующим образом. Токи ребер Ip и напряжения хорд Ux можно выразить через токи хорд Ix и напряжения ребер Up:

Ip= F * Ix Ux = -Fu

Если подставить эти уравнения в уравнение



то число уравнений и переменных можно уменьшить до числа ветвей b.


Обозначения: l - число вершин (узлов),

b - число ветвей,

p - число ребер,

m - число хорд.

Для связного графа справедливы следующие отношения:

p = L - 1 m = b - (L-1)

хорда - ребро, не вошедшее в дерево.


Оценим эффективность использования вышеописанных матриц описания схем с точки зрения размерности, для ЭВМ это проблема экономии памяти.

Пусть имеем: число вершин (узлов) L = 100,

число ветвей b = 155.

Оценим размеры матриц.

Инцидентности:

L * b = 100 * 155 = 15500

Главных сечений:

(L-1) * b = p * b = 99 * 155 = 15345

Главных контуров:

(b-(L-1)) * b = (b-p) * b = (155-(100-1)) * 155 = (155-99) * 155 = 8680


Из вышеприведенных нехитрых вычислений следует, что для описания схемы выгоднее использовать матрицу главных контуров.


2 - Эквив.схема преобразуется в программу решения линейных дифференциальных уравнений.

Для решения таких систем необходимо организовать иттерационный процесс, решая на каждом шаге иттераций систему линейных уравнений.


Схема организации вычислит. процесса:


Ввод исходной информации


Трансляция исходной информации.

Заполнение массивов в соответствии с

внутр. формой представления данных


Построение матем. модели схемы


Решение системы линейных уравнений


Обработка и выдача результатов






Задачи:

1. Получить АЧХ, ФЧХ (АФЧХ) решением системы дифф. уравнений

2. Построить характеристики по АЧХ и ФЧХ


Построение модели эквивалентных схем.

Модель схемы может быть построена в одном из 4-х координатных базисов:

1. ОКБ - однородный координатный базис

2. РОКБ - расширенный однородный координатный базис

3. СГКБ - сокращенный гибридный координатный базис

4. ПГКБ - полный гибридный координатный базис


1) Модель представляет собой систему алгебро-интегро-дифференциальных уравнений. Неизвестные величины - напряжения U в узлах.


2) Система обыкновенных дифф. уравнений первого порядка, в неявной форме.

Неизвестные величины: U

I


3) Модель - система обыкновенных дифф. уравнений в форме Коши (в явной форме). Неизвестные величины: U

I


4) Теоретически существует, но на практике не используется, так как он избыточен. Неизвестные величины: U

I


Для построения модели используются:

1) МУП - метод узловых потенциалов

2) ММУП - модифицированный МУП

3) МПС - метод переменных состояния



1) ОКБ

Используются следующие матрицы:

С G L Y





На нулевом шаге все матрицы и векторы заполнены нулями.

Рассмотрим следующий элемент:

i j

В матрице С рассматриваются i, j строки и столбцы.

i j

i C - C

j - C C

C

При совпадении индексов элемент в матицу включается со знаком “+”, а при несовпадении - со знаком “-”. В матрицу могут быть включены 4 или 1 элемент.


Рассмотрим следующий элемент: i j

i j

i Y -Y

j -Y Y

G

Принцип построения аналогичен матрице С.


Рассмотрим следующий элемент: i j

i j

i 1/L -1/L

j -1/L 1/L

L

Принцип построения аналогичен матрице С.


Рассмотрим следующий элемент (зависимый источник тока, управляемый напряжением):

i IU j

k l S - крутизна

k l

i S -S

j -S S

G

Принцип построения аналогичен матрице С.


Рассмотрим следующий элемент (независимый источник тока):

независ.

i источник j

тока

i

i U(t)

j -U(t) Этот вектор почти нулевой

Y

Принцип построения аналогичен матрице С.



Характеристики модели в ОКБ.


Достоинства:

- Метод построения прост, обладает низкой трудоемкостью.

- Матрицы, как правило, хорошо обусловлены, результатом чего является высокая точность решения.


Недостатки:

- Используется только один вид зависимых источников.

- Наличие интегральных уравнений.



2) Построение модели в РОКБ с помощью ММУП.


Цель - избавиться от интегральных уравнений и оставить только дифференциальные уравнения.

1. Записывается модель в ОКБ.

2. Избавляемся от интегральных членов уравнения ( вида 1/pL, т. к. 1/р - оператор интегрирования), преобразовывая их в новые неизвестные (например, токи).

3. Получим систему вида:




Это система линейных обыкновенных дифференциальных уравнений 1-го порядка с постоянными коэффициентами в неявной форме.

4. Решаем полученную систему.


{???????????????????????????????????????????????????????????????????}


Достоинства:

1. В модели могут быть любые типы источников.

2. Низкая трудоемкость (т. к. метод прост).

3. Отсутствуют интегральные уравнения.


Недостатки:

Выросла размерность решаемых задач.



3) Построение модели в СГКБ с помощью МПС



МПС сложен для осмысления и для реализации. МПС можно построить, если в схеме нет топологических выражений (это контуры из емкостей или звезды из индуктивностей).

Чтобы выйти из этой ситуации, в схему вводят дополнительные элементы, но снижается точность вычислений.




Вывод: модели СГКБ имеют смысл, когда <= 100, где и - собственные значения матрицы (А- Е).



Определение квазистатических (частотных) характеристик линейных эквивалентных схем.



{??????????????????????????????????????????????????????????????????????}



Для большинства линейных схем характерными являются такие показатели, как добротность, полоса пропускания, равномерность усиления в некотором частотном диапазоне и другие, определяемые по АЧХ и ФЧХ.


Основными широко применяемыми при “ручных” расчетах схем являются методы операционного исчисления, и в частности, спектральный (частотный) метод Фурье.

С помощью преобразований Лапласа решения системы линейных дифф. уравнений переводятся в область комплексной переменной p=Y+jw, показываемой комплексной частотой.

Функция от t, к которой применено преобразование Лапласа, называется оригиналом, а соответствующая функция от р - изображением. Связь между ними определяется формулами:


Основная цель этих преобразований - сведение дифференциальных уравнений к чисто алгебраическим относительно комплексной частоты р. Так, при нулевых начальных условиях операция дифференцирования соответствует умножению на р-изображение, следовательно, при х= уравнения системы:


х = Ах + f(t) х = х


х(t) - вектор переменных состояния,

А - матрица размерностью n x n,

х - вектор начальных значений


будут иметь вид: р Х(р) = А Х(р) - F(р),

а решение исходной системы вида:


х(t) = e x + e f(S) dS, где е = (матричная экспонента)


будет иметь вид:

Х(р) = (рЕ - А) * F(p) = K(p) F(p)


Так как выходные токи и напряжения линейным образом выражаются через переменные состояния и входные воздействия, то вектор выходных переменных z = Bx + Cf , где В, С - матрицы. Тогда матрица В(рЕ - А) + С соответствует матричной передаточной функции, обозначаемой обычно К(р). Отношения любых переменных вектора неизвестных называются схемными функциями. Численный расчет или формирование аналитических выражений для схемных функций составляют основу задачи анализа линейных эквив. схем в частотной области. Согласно правилам Крамера, эти функции описываются линейной комбинацией отношений алгебраических дополнений матрицы А. Таким образом, в общем случае схемные функции есть дробно-рациональные выражения относительно комплексной частоты. Форма их представления называется символьной (буквенной), если коэффициенты при различных степенях р определены через параметры элементов схемы. Если коэффициенты получены в численном виде, то такую форму представления принято называть символьно-численной или аналитической.

К достоинствам методов определения схемных функций на ЭВМ можно отнести: получение конечного результата анализа в аналитическом виде; возможность быстрого дальнейшего расчета значений схемных функций на заданных частотах; удобство при решении задачи оптимизации и определения устойчивости схемы.

К недостаткам при решении задачи на ЭВМ можно отнести: огромный порядок (до нескольких десятков) полиномов схемных функций, диапазон изменения коэффициентов полиномов может превышать возможности представления чисел в разрядной сетке ЭВМ, что требует проведения соответствующей нормировки и счета с удвоенной точностью. Это объясняется влиянием всех элементов схемы во всем частотном диапазоне.

Вывод: используя метод оределения схемных функций, можно достичь в приемлемое время результатов для схем небольших размерностей.


Наряду с методами символьного анализа существуют методы численных решений или расчета тех же схемных функций по точкам. Целью анализа в том случае является получение набора численных значений схемных функций на заданных частотах путем многократного решения системы линейных алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами. В процессе расчета необходимо учитывать разреженность матрицы и оптимальный порядок исключения переменных. Алгоритмы численных методов расчета схемных функций, как правило, легче реализуются на ЭВМ и требуют меньших объемов машинной памяти и используются при этом для расчета достаточно больших схем , имея при этом удовлетворительную погрешность и приемлемое время.



Численный метод.

Идея: Выбирается диапазон частот, для каждого значения частоты решают комплексное уравнение.










Достоинства и недостатки метода:

1. Можно работать с переменным шагом частоты. Чем сильнее меняются характеристики, тем меньше шаг, это может привести к огромному количеству шагов.

2. Трудоемкость линейно зависит от количества шагов.




Линейно-аналитический метод.


Идея метода: Определить выходные характеристики в аналитическом виде (т. е. как функция от р, где р - буква). Далее вместо р подставлять конкретное значение частоты и получать характеристики.


А х = Y ; [A ... A ] х = Y




Будем считать, что в схеме имеется единственный источник входных сигналов.

[ Cp + G ] x = Y - исходная модель










где А - большая матрица, в которой вычитаем строку и столбец,

А - алгебраическое дополнение, оставшееся после вычитания строки и столбца,

- говорят о номерах вычеркнутых строк и столбцов, многочлен имеет ровно столько корней, какова его степень. корни могут быть вещественными и/или комплексно сопряженными.





{ - константы = к,

z ,... ,z - нули,

р ,... ,р - полюсы,

к уровень ??? }










- формула вычисления частотных характеристик


Достоинства и недостатки:

- Нули и полюсы заранее известны по виду функции (больше полезной информации).

- Точное решение многочлена высокой степени (>4) не может быть получено, а вычисление значений многочлена степени >30 приведет к погрешности >50%.

- Нули и полюсы вычисляются как собственные значения матриц (числителя и знаменателя).

- Трудоемкость этой задачи 2 * n (n - порядок матрицы), и 4/3 * n - для вычислений в одной точке по частоте.


Вывод: применяется для задач малой размерности.


1. Обзор методов


Цель метода:

1. Составляем (или уже имеем) эквив. схему.

Эквив. схема отображает: способ связи элементов друг с другом, физическая сущность отдельных элементов, граф же только - способ связи.

Введем правила построения эквив. схем:

1) Эквив. схема, как и граф, состоит из множества ветвей и узлов.

  • Каждая ветвь относится к одному из 5-ти возможных типов:


а. б. в. г. д. е. ж. з.


II IU UU





3) Каждой ветви соответствует компонентное уравнение:

а.

dU

I=C*

dt


I, U - фазовые переменные типа потока и разности потенциалов (напряжения) в рассматриваемой ветви, С - емкость.

б.


dI

U=L*

dt


L - индуктивность

в.


U=R*I


R - сопротивление

г.


U=f1(V,t)


U - вектор фазовых переменных,

t - время, в частном случае возможное U=const

д.


I=f2(V,t)


U - вектор фазовых переменых,

I - м.б. I=const


Зависимая ветвь - ветвь, параметр которой зависит от фазовых переменных.


4) Каждому узлу схемы соответствует определенное значение фазовой переменной типа потенциала, каждой ветви - значения переменных I и U, фигурирующих в компонентных уравнениях. Соединение ветвей друг с другом (т.е. образование узлов) должно отражать взаимодействие элементов в системе. Выполнение этого условия обеспечивает справедливость топологических уравнений для узлов и контуров.

В качестве фазовых переменных нужно выбирать такие величины, с помощью которых можно описывать состояния физических систем в виде топологических и компонентных уравнений.


В ЭВМ эта схема представляется в табличном виде на внутреннем языке.

Граф электрич. схем характеризуется некоторыми так называемыми топологическими мат-рицами, элементами которых являются (1, 0, -1). С помощью них можно написать независимую систему уравнений относительно токов и напряжений ветвей на основании законов Кирхгофа. Соединения ветвей с узлами описываются матрицей инциденции А . Число ее строк равно числу узлов L, а число столбцов - числу ветвей b. Каждый элемент матрицы a(i, j):

 -1 - i-я ветвь входит в j-й узел,

a(i, j) =  1 - i-я ветвь выходит из j-го узла,

 0 - не соединена с j-м узлом.

Легко видеть, что одна строка матрицы линейно зависит от всех остальных, ее обычно исключают из матрицы, и вновь полученную матрицу называют матрицей узлов А. Закон Кирхгофа для токов с помощью этой матрицы можно записать в виде:


А * i = 0, где i - вектор, состоящий из токов ветвей.


Для описания графа схемы используют еще матрицы главных сечений и главных контуров. Сечением называется любое минимальное множество ветвей, при удалении которых граф распадается на 2 отдельных подграфа. Главным называется сечение, одна из ветвей которого есть ребро, а остальные - хорды. Главным контуром называется контур, образуемый при подключении хорды к дереву графа. Число главных сечений равно числу ребер, т.е. L-1, а число главных контуров - числу хорд m=(b-(L-1)). Матрицей главных сечений П называется матрица размерностью (L-1) * b, строки которой соответствуют главным сечениям, а столбцы - ветвям графа. Элементы матрицы a(i, j)=1, если j-я ветвь входит в i-е сечение в соответствии с направлением ориентации для сечения; a(i, j)=-1, если входит, но против ориентации, и a(i, j)=0, если не входит в сечение.

Закон Кирхгофа для токов можно выразить с помощью матрицы главных сечений.

Пi = 0

Матрицей главных контуров Г называется матрица размерностью (b-(L-1))*b, строки которой соответствуют главным контурам, а столбцы - ветвям графа. Элемент этой матрицы a(i, j)=1, если j-я ветвь входит в i-й контур в соответствии с направлением обхода по контуру, -1, если ветвь входит в контур против направления обхода, и 0, если ветвь не входит в контур.

Закон Кирхгофа для напряженй выражается с помощью матрицы главных контуров в виде:

Пи = 0

Располагая в матрицах П и Г сначала столбцы, соответствующие ветвям-ребрам, а затем столбцы, соответствующие ветвям- хордам, можно записать:


П = [E, Пх] Г = [Гр, Е]


где Пх содержит столбцы, соответствующие хордам; матрица Гр - столбцы, соответствующие ребрам, а Е - единичные матрицы [размерность матрицы Е, входящей в П, (L-1)*(L-1), а входящей в Г, (b-(L-1))*(b-(L-1))].


Матрицы Гр и Пх связаны следующим соотношением:

Гр=-Пxт , где т - знак транспонирования матрицы, или, обозначая Гр=F, получаем Пх=-Fт.


Если для расчета электрической схемы за искомые переменные принять токи i и напряжения u ветвей, то уравнения:


Ai = 0 или Пi = 0

Гu = 0 Гu = 0


совместно с компонентами уравнений:


Fj(I,U,dI/dt,dU/dt,x,dX/dt,t)=0


составят полную систему уравнений относительно 2b переменных.

То есть полная система в общем случае представляет собой набор обыкновенных линейных дифференциальных уравнений.(в случае линейных схем)

Число переменных и уравнений можно уменьшить следующим образом. Токи ребер Ip и напряжения хорд Ux можно выразить через токи хорд Ix и напряжения ребер Up:


Ip= F * Ix Ux = -Fu


Если подставить эти уравнения в уравнение:


Fj(I,U,dI/dt,dU/dt,x,dX/dt,t)=0


то число уравнений и переменных можно уменьшить до числа ветвей b.


Обозначения: L - число вершин (узлов),

b - число ветвей,

p - число ребер,

m - число хорд.

Для связного графа справедливы следующие отношения:


p = L - 1 m = b - (L-1)


хорда - ребро, не вошедшее в дерево.


Оценим эффективность использования вышеописанных матриц описания схем с точки зрения размерности, для ЭВМ это проблема экономии памяти.

Пусть имеем: число вершин (узлов) L = 500,

число ветвей b = 1000.

Оценим размеры матриц:

Инцидентности:

L * b = 500 * 1000 = 500000

Главных сечений:

(L-1) * b = p * b = 499 * 1000 = 499000

Главных контуров:

(b-(L-1)) * b = (b-p) * b = (1000-(500-1)) * 1000 = (1000-499) * 1000= 501000


Из вышеприведенных нехитрых вычислений следует, что для описания схемы выгоднее использовать матрицу главных сечений.


2 - Эквив.схема преобразуется в программу решения линейных дифференциальных уравнений.

Для решения таких систем необходимо организовать иттерационный процесс, решая на каждом шаге иттераций систему линейных уравнений.


Схема организации вычислит. процесса:



Ввод исходной информации




Трансляция исходной информации.

Заполнение массивов в соответствии с

внутр. формой представления данных




Построение матем. модели схемы





Решение системы линейных уравнений




Обработка и выдача результатов




Задачи:

1. Получить АЧХ, ФЧХ (АФЧХ) решением системы дифф. уравнений

2. Построить характеристики по АЧХ и ФЧХ


Построение модели эквивалентной схемы.

Модель схемы может быть построена в одном из 4-х координатных базисов:

1. ОКБ - однородный координатный базис

2. РОКБ - расширенный однородный координатный базис

3. СГКБ - сокращенный гибридный координатный базис

4. ПГКБ - полный гибридный координатный базис


1) Модель представляет собой систему алгебро-интегро-дифференциальных уравнений. Неизвестные величины - напряжения U в узлах.


2) Система обыкновенных дифф. уравнений первого порядка, в неявной форме.

Неизвестные величины:

Uс

Il


3) Модель - система обыкновенных дифф. уравнений в форме Коши (в явной форме). Неизвестные величины:

Uc

Il


  1. Теоретически существует, но на практике не используется, так как он избыточен. Неизвестные величины:

U


Случайные файлы

Файл
141387.rtf
24851-1.rtf
20262.doc
126016.rtf
18526.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.