![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Конторович М.И. Нелинейные колебания в радиотехнике. (Автоколебательные системы)
.pdfв 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 %и 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 п—1 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 (2п—1)-го |
дифференциального |
уравнения |
относитель |
|||||||
но (2п—1)-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, = |
(иб |
— 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 4т ( 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
|
у3+а2у2+а1у |
+ 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