Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Конторович М.И. Нелинейные колебания в радиотехнике. (Автоколебательные системы)

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.98 Mб
Скачать

в форме %=\>.skeh, и, следовательно, общий интеграл этой системы

 

 

 

S S = I > ^ V '

 

 

 

 

 

(8)

где все \iSk — постоянные числа.

 

 

 

 

 

 

Полезно отметить, что в

(8) входят п2 коэффициентов

Hsu, но из них только п произвольных, ибо

для

каждого

из уравнений

(6)

получается я—1

линейное

соотноше­

ние, связывающее

между собой числа \isi<,

т. е.

 

 

$ 4 -

• •

 

+

-

+ * *

| ;

=

0

(9)

(число уравнений равно /г, но в силу равенства

нулю

определителя

 

(7)

одно из уравнений

системы (9)

являет­

ся следствием

остальных).

 

 

 

 

 

 

п на­

Предположим

теперь, что при

/ = 0 нам

заданы

чальных значений

£i = l i ( 0 ) ,

..., ln =

£n(0).

Тогда

 

систе­

ма (8) дает

п

уравнений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М0) =

1 > л .

 

 

,

 

 

0 ° )

 

 

 

 

k=i

 

 

 

 

 

 

которые совместно с уравнениями

(9) позволяют

выра­

зить все коэффициенты цзк

через

£s (0).

(10)

каждая

Вследствие линейности уравнений (9) и

из величин [ish будет линейной функцией от | s ( 0 ) ,

и, сле­

довательно, если последние выбираются достаточно ма­ лыми, любая из величин \iSk станет сколь угодно малой.

Рассмотрим теперь случай, когда все характеристи­ ческие числа будут иметь отрицательные веществен­ ные части (но не равные нулю). Каждый член выраже­ ния (8) представляет собой затухающую функцию вре­

мени, а

величина

| | s |

будет также

стремиться

к

нулю

при

t—>оо, причем \\ s \

нигде

не

превзойдет

величины

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

\lisk\-

Отсюда

вытекает, что всегда

можно

выбрать

fe=i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

такие малые | £ s(0)|, что «возмущения»

£s

по

абсолют­

ной

величине будут как угодно

малы при

любых

t^O.

В этом случае состояние равновесия

является

устой­

чивым.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

§ 1 . 3 .

Обратимся теперь к другому случаю, когда по край­

ней мере один

из

корней ik имеет

положительную

(от­

личную от

нуля)

вещественную часть. Тогда хотя бы

один член

в сумме (8)

будет с течением времени неогра­

ниченно расти,

£s

станет большим

и

рассматриваемая

электрическая

система

уйдет из состояния равновесия.

В этом случае состояние равновесия

(стационарное

ре­

шение) является

неустойчивым.

 

 

 

Все вышесказанное основано на предположении, что уравнения первого приближения, т. е. приближенные уравнения (5), полученные из точных отбрасыванием величин, порядок малости которых выше первого, позво­ ляют правильно судить об устойчивости состояния рав­ новесия системы.

Строгое обоснование этого предположения вытекает из работ знаменитого русского математика А. М. Ляпу­ нова, в которых показано, что уравнения первого при­

ближения дают правильный

ответ на вопрос об устойчи­

вости (или

неустойчивости)

состояния равновесия

в рас­

смотренных

выше случаях,

т. е. когда все Ки

имеют

отрицательные вещественные части или когда по край­ ней мере одно из чисел Хъ. имеет положительную веще­ ственную часть. В тех случаях, когда среди чисел нет ни одного с положительной вещественной частью, но есть чисто мнимые или равные нулю, уравнения первого при­ ближения при решении вопроса об устойчивости стацио­ нарных решений применять нельзя.

Воспользовавшись наглядностью самого термина «устойчивость», мы до сих пор обходились без точного определения этого термина. В заключение настоящего

параграфа

остановимся

на

этом вопросе

более

подробно.

 

 

 

 

 

 

 

Возвращаясь

к

системе

(1),

рассмотрим

равносиль­

ную ей систему

уравнений

(3). Очевидно, что состоянию

равновесия

(gs

= 0)

соответствуют решения

(3)

при на­

чальных условиях g s (0)=0 при

/ = 0.

 

 

Предположим теперь, что

в

некоторой

области

изме­

нения переменных fis , определяемой условием

5f -f- ^

+ • • • +

+ ^ - < Р г . где р — некоторое

положительное число, вы­

полняются условия существования решения системы (9).

Будем говорить, что положение равновесия устойчи­ во, если для любого R<p существует такое r^\R, что любое движение, имеющее своими начальными значения-

§ 1 . 3 .

21

ми £s(0). удовлетворяющие

условию

 

i(0) + i{0) +

... +

f(0)<r\

всегда остается внутри области

(0 + 3 (0 + - + ^ ( 0 < # 2 .

Если положение равновесия устойчиво и, кроме того, существует такое Ro<R, что при любых начальных зна­ чениях, удовлетворяющих условию

^ ( 0 ) + ^ ' ( 0 ) + - + ^ ( 0 ) < ^ 2 .

все .|8 (0 стремятся к нулю при неограниченном возра­ стании t, говорят, что положение равновесия устойчиво асимптотически.

1.4. Об уравнениях, описывающих поведение электрических систем

Выше мы рассмотрели устойчивость стационарных решений уравнений (1) § 1.3, ничего, в сущности, не предполагая относительно изучаемой физической систе­ мы, за исключением того, что ее поведение может быть описано такими уравнениями. Сейчас будет уместно остановиться более подробно на том, в какой мере все изложенное можно отнести к электрическим системам, которые нам придется далее рассматривать.

Прежде всего укажем, что будем всегда иметь в виду электрическую цепь с сосредоточенными параметрами, обладающую произвольным, но конечным числом степе­ ней свободы, которую можно разбить на определенное число независимых контуров. Элементами этой цепи мо­ гут быть как обычные пассивные постоянные элементы, так и активные элементы с соответствующими источни­ ками питания (в общем случае нелинейные и невзаим­ ные, например, транзисторы, лампы или другие анало­ гичные приборы). Далее считается, что каждому контуру может быть приписан протекающий по нему ток (по от­ дельным элементам контура может протекать и несколь­ ко токов, принадлежащих разным контурам1 ).

1 Контурные токи являются независимыми, если они образуют совокупность линейно независимых функций при наличии связей, на­ кладываемых на них первым законом Кирхгофа. Контуры, которым соответствуют независимые токи, считаются независимыми. Макси­ мальное число независимых токов системы равно числу ее степеней свободы.

22

§ 1 . 4 .

Перенумеровав контуры в каком-либо порядке, мы можем присвоить току, протекающему в некотором кон­ туре, номер этого контура. Так, например, в s-м контуре течет ток is. Введем теперь в рассмотрение количество электричества, перенесенного током is, начиная с неко­ торого момента времени to до текущего момента t, и обозначим эту величину через qs. Таким образом,

 

to

 

Далее будем считать, что

напряжение, вызванное

в любом

контуре протекающими

в системе токами, может

зависеть

лишь от совокупностей

трех величин: всех qa, ia

и -щ-

(в простейшем случае это соответствует элемен­

там контуров типа емкостей, сопротивлений и индуктивностей). Если действующие в контурах э. д. с. (постоян­ ные) равны Es, то уравнения цепи, написанные по методу

контурных токов,

будут

иметь

вид

(всего

п контуров и

п уравнений)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Es = fs(qi,

Ць

. . . ,

Цп,

U, к,

•..

in;

i'u

i'z,

i'n),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

где

fs — непрерывные

функции

 

от

указанных

перемен­

ных,

s = 1, 2,

...,

п.

 

 

 

 

 

 

 

 

Если эта система разрешима относительно производ­

ных

от токов, то

можно

написать

 

 

 

 

 

^ Г

= Ф«(<71."<7а.

 

*\.

h,...\in)-

 

(2)

Прибавив к

этим

уравнениям

еще

п уравнений

 

 

 

 

 

 

# = 4

,

 

 

 

 

(3)

мы получим систему из 2п уравнений с 2п

неизвестными

того же типа, что и уравнения

(1) § 1.3,

к которой мож­

но отнести все сказанное ранее.

 

 

 

 

 

Полезно

обратить

внимание

на

один

специальный

случай, который, однако, часто встречается при рассмо­ трении электрических систем. Пусть в каком-либо кон­ туре, например п-м, элементы емкостного типа отсут-

«1 . 4 .

23

ствуют, тогда

в уравнениях

(1), а следовательно,

и в

(2)

величина qn

не будет присутствовать. Здесь

уже

нельзя,

как

правило,

положить disldt — Q и dqs/dt=0

при

всех

s = l ,

2, ...,

п,

ибо система

(1), состоящая из п

уравне­

ний, будет содержать лишь п1 неизвестную. Это со­ ответствует и физическим представлениям, ибо в конту­ ре, в котором отсутствуют емкости, ток в стационарном

состоянии

постоянен,

но не

обязательно

равен

нулю.

В

связи с этим

в подобных случаях

полагают dqs/dt = 0

при всех s^=n.

Тогда

система

(2)

позволяет

определить

Яь

qz, • •.,

Яп-i.

и in = const.

 

 

 

 

 

 

Аналогично

обстоит дело

и

в

тех случаях,

когда

в уравнениях отсутствует не один, а несколько «емкост­ ных» членов. Отметим еще случай, когда некоторый ток, например in, не создает индуктивного воздействия ни в одном из контуров цепи, в том числе и в собственном. Тогда уравнения (Г) не будут содержать величину i'n, и, следовательно, их нельзя решить относительно этой ве­ личины. Суть дела, однако, от этого не меняется, ибо можно представить себе следующую процедуру: решим систему (1) относительно i\, ['г, ..., i ' n - i и еще какойлибо величины, входящей в (1), тогда вместо (2) по­ лучим

-%~ =

< M<7i. дл,...,дп\

 

. . * n - i ) ;

( 4

)

*'п=Фп('<71>

Яг, ....

qn; h, к,

...,in-i),

 

s=l,

2,

..., n—1. ( 5 )

Уравнения

 

(4)

в совокупности

с

(3) образуют систему

из (2п1)-го

дифференциального

уравнения

относитель­

но (2п1)-й

неизвестной, ибо in,

входящий

в (3),

непо­

средственно

выражается

при

помощи

(5)

через

qs

и

остальные

is.

 

 

 

 

 

 

 

 

Принятый здесь способ составления уравнений элек­ трической цепи по методу контурных токов отнюдь не является единственным. Так, например, если прибегнуть к методу узловых напряжений, то мы придем к системе уравнений, в которую будут входить узловые напряже­ ния, производные и интегралы от них. Однако здесь оста­ ются в силе предыдущие рассуждения (или аналогичные им). Возможны (и, как правило, применяются) и другие способы составления уравнений, когда одновременно вхо­ дят и контурные токи, и узловые напряжения, а, быть мо­ жет, и другие вспомогательные переменные.

24

«1 . 4 .

1.5.Транзисторный автогенератор с трансформаторной обратной связью и автоматическим смещением

В качестве второго примера, иллюстрирующего метод исследования устойчивости состояния равновесия элек­ трической системы, рассмотрим транзисторный автогене­ ратор с трансформаторной обратной связью и получим условие самовозбуждения такого генератора.

По причинам, на которых мы сейчас останавливаться не будем, по большей части такие генераторы имеют си­

стему автоматического смещения, а также

устройство,

подающее на базу еще и независимое

смещение. Схема,

которую

мы

будем рассматривать,

изображена на

рис.

1.2.

 

 

 

 

 

 

Обозначения

и выбранные

положительные направле­

ния

токов, напряжений

 

 

 

и э. д. с. Е и Еб видны I

Г

 

 

из

рисунка,

 

причем

7^*4

 

»

£ > 0 ,

£ б

> 0 .

 

обыч­

 

 

 

Смещение £б

 

 

 

но

создается

источни­

 

 

 

ком

Е посредством по­

 

 

 

тенциометра, но при от-

 

 

, Ч>

сутствии

токов

базы | '

Т

+

можно

ввести

 

взамен

;

^~]^

постоянную э. д. с , как

 

 

 

показано

на

рисунке.

 

 

 

В дальнейшем

предпо-

Р и с ' 1 ' 2 '

 

лагается,

что в

рассма­

 

 

 

триваемых режимах инерционные свойства транзистора не сказываются, и это дает основание считать ток коллекто­ ра однозначной функцией от напряжений на базе и кол­ лекторе. Для упрощения выкладок будем пренебрегать током базы, что в первом приближении можно сделать

при условии

|«б|<С|«к|,

которое считается всегда

вы­

полненным.

 

 

 

 

Основные

уравнения

задачи напишутся так:

 

 

£ =

и, +

ил + £ - ^ + /г;

О)

 

E6

=

ui-\-u6-\~M-^f;

(2)

 

 

i K =

- ^ + C Ж'

(3)

«1.5.

 

 

 

25

 

 

 

«к =

/("б. "к)-

 

 

 

(5)

 

Воспользовавшись (2), можно

из (1) и (4)

получить

 

E =

ul-\-uK

+ ir-\-^{E6

 

 

 

— ul — u6);

 

(6)

 

С 1 4 ( £ б - «

. - И б

) т - 1 ( £

б - и , - « б ) =

'

к -

(7)

Мы нашли пять уравнений (2),

(3), (5) — (7),

 

содержа­

 

щих пять неизвестных: и0, ик,

 

«ь

i

и i 1 0

причем

уравне­

 

ния (5) и (6) не содержат производных искомых вели­

 

чин. Таким образом, фактически мы пришли к системе

 

из трех дифференциальных уравнений с тремя

 

неизвест­

 

ными, что находится в соответствии

со схемой,

обладаю­

 

щей лишь тремя энергоемкими

 

параметрами.

 

 

 

В состоянии равновесия искомые величины должны

 

быть постоянны и, следовательно, удовлетворять уравне­

 

ниям:

 

Еб — и, иб =

0;

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

igR3

— ы, =

0;

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

Е — и, — ик

— ir = 0; j.

 

 

(8)

 

 

 

*'к-*' = 0;

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

/ ( « к .

"б)==«'к -

 

 

 

)

 

 

 

 

Отсюда сразу находим

соотношения

 

 

 

 

Е — i*(Ra + r) — «к — 0;

E6

— iK Ra

— u6=z0,

 

из которых вытекает,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е ик

 

Е6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г + RB

 

RB

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

если

обозначить

Еб

— иб

через

и, то

 

«б =

Е6

— ы; и, =

б

Е6) Г-^^-

+Е;

 

 

 

 

 

 

u = R0f(u6,

 

 

ик)

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u=Raf(Et-u;

 

 

 

E

~

r

- ^ -

u j

 

(9)

 

26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§Ь5

 

'Это уравнение имеет по крайней мере одно решение. Если построить график, на котором в качестве абсциссы

откладывается и,

а в качестве

ординаты — правая

часть

(9), то при и —0 /

будет

иметь некоторое

положительное

значение, равное

току

коллектора

при

иъ = Еъ

и

ик=Е.

При возрастании и правая

часть (9)

будет

изменять­

ся так, что обратится в нуль

при

u = Eq

(коллекторный

ток транзистора

обращается

в нуль при

Ыб = 0).

Левая

часть (9) изобразится на том же графике прямой, про­ ходящей через начало координат под углом 45° к осям. Таким образом, при построении на одном и том же гра­

фике и левой и правой частей

(9) получим по крайней

мере одну

точку пересечения,

которая и даст

значение

и = и°, соответствующее решению рассматриваемого

урав­

нения.

 

 

 

 

Зная и0,

можно посредством соотношений

(8)

найти

стационарные значения всех остальных представляющих

интерес

величин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перейдем теперь к исследованию устойчивости полу­

ченного

стационарного

решения. Обозначая

стационарные

значения

иб,

н К ) и,

и i

соответственно через

и°,

гЛ

и° , i0

и полагая «б

=

и° =

Д«6 ; ик

=

ы°-)-Д«к

и

т.

д.,

можем

уравнения

для

приращений,

которые

считаются малыми,

написать

в

следующей

форме:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. д Н ] +

Д и ( 3 +

 

У и ^ = : 0 ;

 

 

 

 

 

 

"37Л "' +

7Щ~А "> =

С7 ( S * A u k +

5 бЛ«б );

 

 

(!

 

~

ж )

Д". + д " к ~ ^ - А " б

+

'-А* =

0;

 

 

 

-JT ( Д "> +

А " б ) + Ж ( A " i + д " б )

+

 

 

 

 

 

+ - ^ - (S . A« K + S 6 A « 6 - A 0 = O,

 

 

 

причем

здесь

введены

обозначения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sn=diJduK;

 

Sb = diKldm,

 

 

 

где производные берутся при стационарных значениях

ик и щ.

Будем теперь искать частное. решение системы 8

форме Аиб = ибе^*; AuK = uK eT ' и т. д.

Тогда после подстановки и сокращения общего мно­ жителя ел* найдем:

, ы, - f и6 + у Ж ? = 0;

" i — 7 ^ "б

• "к = 0:

^ э

с 3

' " ' + ( - Ч - + ^ ) ^ + ^ И к - - с ' = 0.

Приравнивая нулю определитель системы, получаем уравнение для у. Можем написать:

1

 

чм

s e

5К

R3C3

 

0

L

 

 

L

 

1

г

л Г

 

 

Ж

 

 

 

 

 

 

YL + r

Y l +

r

1

S e

5 К

1

Л!

Ж

 

1

с

С

~7Г

Мы не будем выписывать полученное уравнение в раз­ вернутой форме и в общем виде, а ограничимся лишь тем случаем, когда можно пренебречь влиянием изменений коллекторного напряжения на ток коллектора. Полагая SK = 0, получаем

 

 

 

чм

Y +

 

 

о

 

 

 

= 0.

М

М

С

1_

с

28

« 1 . 5 .

Это кубическое уравнение относительно y имеет вйД

+ T r ( * k + £ ) = a

С°)

Чтобы решить вопрос об устойчивости состояния рав­ новесия рассматриваемой системы, нужно установить, имеют ли корни кубического уравнения (10) положитель­ ную вещественную часть. Для этого можно, конечно, вос­ пользоваться одним из существующих критериев, напри­ мер критерием Раусса — Гурвица. Однако мы поступим несколько иначе, вычислив приближенно корни уравне­ ний (10). Для сокращения записи представим (10) в форме

 

у32у21у

+ а0=0,

 

(11)

где коэффициенты До, av и а?,

имеют очевидный

смысл.

Это

В схемах рассматриваемого типа обычно Сэ велико.

дает основание для начала положить ао = 0, тогда

наименьший (по модулю) корень (11)

Yt= 0> следователь­

но,

можно считать, что наименьший

корень

уравнения

при достаточно больших Сэ сколь угодно близок к нулю. Учитывая эти соображения, принебрегаем в выражении

(11) всеми членами,

содержащими

у

в степенях более

высоких,

чем первая,

и напишем

y i = «о/«~ — (1 +

+ ScyR3) /Сэ%э-

больших (по

модулю) корней уг

Для

определения

и Y3 имеем соотношения

(формулы

Виета)

Yi+Y2+Y3 = —Яг; Yi(Y2 + Y3)+Y2Y3 = Ai-

Отсюда вытекает, что

Y2 + Уз= —az—уь Y2Y3 = #i+Yi (а*+\0>

«1 к

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ