- •Учебно-методическое пособие
- •Содержание
- •1 Теоретические сведения
- •1.1 Математические модели элементов и систем
- •Так, если иус описывается дифференциальным уравнением
- •1.2 Пример построения математической модели системы и ее передаточной функции
- •1.3 Встроенные функции mathcad
- •2 Задания на курсовую работу
- •3 Пример курсовой работы, выполненной в среде mathcad
- •Список использованных источников
- •Приложение а. Таблица оригиналов и изображений
- •Костоглотов а.А., Лазаренко с.В., Ценных б.М. Руководство по выполнению курсовой работы по дисциплине «Математические модели и методы моделирования»
1.2 Пример построения математической модели системы и ее передаточной функции
Рассмотрим схему, изображенную на рис. 3, состоящую из трех контуров, связанных емкостью С3. Требуется найти передаточную функцию. Необходимо отметить, что механические и электрические системы могут описываться одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями.
В соответствии с изложенной в пункте 1.1 методикой построения математической модели системы необходимо написать систему уравнений с использованием законов Кирхгофа:
Учитывая данные, приведенные в Приложении А, преобразуем эти уравнения по Лапласу при нулевых начальных условиях
(16)
Решая
эту систему уравнений относительно
из второго и третьего уравнений находим
(17)
Подставив эти значения в (16) получим
Выразим через напряжение u на конденсаторе
тогда
.
Подставляя это значение в (17) получим
откуда
в силу (10)
1.3 Встроенные функции mathcad
Mathcad — система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением, отличается легкостью использования и применения для коллективной работы.
Несмотря на то, что эта программа в основном ориентирована на пользователей-непрограммистов, Mathcad также используется в сложных проектах, чтобы визуализировать результаты математического моделирования, путем использования распределённых вычислений и традиционных языков программирования. Также этот пакет прикладных программ часто используется в крупных инженерных проектах, где большое значение имеет трассируемость и соответствие стандартам. Перечень основных функций, используемых в Mathcad, приведен в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Перечень основных встроенных функций MATHCAD
Функция |
Аргументы |
Описание |
angle (x,y) |
x, у - координаты точки |
Угол между точкой и осью х |
APPENDPRN(file) |
File - строковое представление пути к файлу |
Дозапись данных в существующий текстовый файл |
arg ( z ) |
z - аргумент функции |
Аргумент комплексного числа |
atan2 (x,y) |
х, у - координаты точки |
Угол, отсчитываемый от оси х до точки (х,у) |
augment (A, B, C, ) |
А, В, С,...-векторы или матрицы |
Слияние матриц слева направо |
Bulstoer (yO,tO,tl,M,D) |
См. rkfixed |
Возвращает матрицу с решением задачи Коши для системы ОДУ методом Булирша-Штера |
bulstoer(yO,tO,tl, ace, D, k, s) |
См. rkadapt |
Возвращает матрицу с решением задачи Коши для системы ОДУ методом Булирша-Штера (для определения только последней точки интервала) |
ceil (x) |
х - аргумент |
Наименьшее целое, не меньшее х |
cfft(y), CFFT(y) |
у - вектор данных |
Вектор прямого комплексного преобразования Фурье (в разных нормировках) |
cols (A) |
A - матрица или вектор |
Число столбцов |
cos (z) |
z - аргумент |
Косинус |
cosh(z) |
z - аргумент |
Гиперболический косинус |
cot(z) |
z - аргумент |
Котангенс |
coth ( z ) |
z - аргумент |
Гиперболический котангенс |
csort (A, i) |
А - матрица i -индекс столбца |
Сортировка строк матрицы по элементам i -го столбца |
csc(z) |
z - аргумент |
Косеканс |
csch(z) |
z - аргумент |
Гиперболический косеканс |
csgn(z) |
z - аргумент |
Комплексный знак числа |
cspline (x,y) |
x, у - векторы данных |
Вектор коэффициентов кубического сплайна |
diag(v) |
v - вектор |
Диагональная матрица, на диагонали которой находятся элементы вектора |
erf (x) |
х - аргумент |
Функция ошибок |
erfc(x) |
х - аргумент |
Обратная функция ошибок |
exp(z) |
z - аргумент |
Экспонента в степени z |
fft (y), FFT(y) |
у - вектор данных |
Вектор прямого преобразования Фурье (в разных нормировках) |
Find (x1,x2, . . .) |
x1, х2 , . . . -переменные |
Возвращает корень алгебраического уравнения (скаляр) или системы (вектор), определенных в блоке с Given |
floor (x) |
х - аргумент |
Наибольшее целое число, меньшее или равное х |
geninv (A) |
А - матрица |
Создание обратной матрицы |
Given |
|
Ключевое слово для ввода систем уравнений, неравенств и т. п . |
heaviside step(x) |
х - аргумент |
Функция Хевисайда |
identity(N) |
N - размер матрицы |
Создание единичной матрицы |
icf ft (v), ICFFT (v) |
v - вектор частотных данных Фурье-спектра |
Вектор комплексного обратного преобразования Фурье (в разных нормировках) |
if (cond, x, y) |
cond- логическое условие, х, у -значения, возвращаемые, если условие верно (ложно) |
Функция условия |
if ft (v), IFFT(v) |
v - вектор частотных данных Фурье-спектра |
Вектор обратного преобразования Фурье (в разных нормировках) |
iwave (v) |
v - вектор частотных данных вейвлет-спектра |
Вектор обратного вейвлет -преобразования |
Im(z) |
z - аргумент |
Мнимая часть комплексного числа |
interp(s,x,y,t) |
s - вектор вторых производных; х, у -векторы данных; t - аргумент |
Сплайн-интерполяция |
Kronecker delta (x, у) |
x,y - аргументы |
Дельта-символ Кронекера |
last (v) |
v - вектор |
Индекс последнего элемента вектора |
length (v) |
v - вектор |
Число элементов вектора |
line (x, y) |
х, у - векторы данных |
Вектор из коэффициентов линейной регрессии b+а-х |
ln(z) |
z - аргумент |
Натуральный логарифм |
log(z) |
z - аргумент |
Десятичный логарифм |
log(z, b) |
z - аргумент |
Логарифм z по основанию b |
Isolve (A, b) |
А - матрица СЛАУ, b - вектор правых частей |
Решение системы линейных уравнений (СЛАУ) |
Minerr (x1,x2, . . . ) |
x1,x2,. . . - переменные |
Возвращает вектор приближенного решения системы уравнений и неравенств, определенных в блоке с Given |
Odesolve (t,t1,[step] ) |
t- переменная интегрирования ОДУ; t1 - конечная точка интервала интегрирования; step - число шагов интегрирования ОДУ |
Возвращает матрицу с решением задачи Коши для одного ОДУ, определенного в блоке с Given и начальными условиями в точке t0 |
predict (y, m, n) |
у - исходный вектор; m - число элементов у, по которым строится экстраполяция; n - количество предсказываемых элементов |
Функция предсказания, экстраполирующая вектор |
rank (A) |
А - матрица |
Ранг матрицы |
Re(z) |
z - аргумент |
Действительная часть комплексного числа |
reverse (v) |
v - вектор |
Перестановка элементов вектора в обратном порядке |
Rkadapt (y0,t0,t1, acc,D,k,s) |
Y0 - вектор начальных условий; (t0,t1) - интервал интегрирования; асе - погрешность вычисления; D(t,y) - векторная функция, задающая систему ОДУ; k - максимальное число шагов интегрирования; s - минимальный шаг интегрирования |
Возвращает матрицу с решением задачи Коши для системы ОДУ методом Рунге- Кутты с переменным шагом и заданной точностью (для определения только последней точки интервала) |
Rkadapt(y0,t0,t1,M,D) |
См. rkfixed |
Возвращает матрицу с решением задачи Коши для системы ОДУ методом Рунге-Кутты с переменным шагом |
rkfixed(y0,t0,t1,M,D) |
У0 - вектор начальных условий (t0,t1) -интервал интегрирования; M - число шагов интегрирования D(t,y) -векторная функция, задающая систему ОДУ |
Возвращает матрицу с решением задачи Коши для системы ОДУ методом Рунге-Кутты с фиксированным шагом |
root(f (x, ...),x[a,b]) |
f (х, . . . ) -функция х - переменная (а,Ь) -интервал поиска корня |
Возвращает корень функции |
round (x, n) |
х - аргумент; n - число знаков округления после десятичной точки |
Округление |
rows (A) |
А - матрица или вектор |
Число строк |
rref (A) |
А - матрица или вектор |
Преобразование матрицы в ступенчатый вид |
rsort (A, i) |
A - матрица; i- индекс строки |
Сортировка матрицы по элементам i-й строки |
sec(z) |
z - аргумент |
Секанс |
sech(z) |
z - аргумент |
Гиперболический секанс |
sign(x) |
х - аргумент |
Знак числа |
signum(z) |
z - аргумент |
Возвращает 0, если z=0 и z/|z| в остальных случаях |
sin(z) |
z - аргумент |
Синус |
sinh(z) |
z - аргумент |
Гиперболический синус |
sort (v) |
v - вектор |
Сортировка элементов вектора |
supsmooth(x,y) |
x, у - векторы данных |
Сглаживание с помощью адаптивного алгоритма |
tan(z) |
z - аргумент |
Тангенс |
tanh ( z ) |
z - аргумент |
Гиперболический тангенс |
