научная статья по теме МАКСИМАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ВТОРОГО ПОРЯДКА С ВНЕШНИМ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ВОЗМУЩЕНИЯМИ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «МАКСИМАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ВТОРОГО ПОРЯДКА С ВНЕШНИМ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ВОЗМУЩЕНИЯМИ»

стеме (1.1) при b = 0, т.е. суперпозиция обычного и параметрического резонансов. Доказано существование устойчивого предельного цикла. Проведем экстремальный анализ уравнения (1.1), т.е. определим наихудшие возмущения и максимальную возможную амплитуду колебаний. Другими словами, решим задачу Булгакова о максимальном отклонении.

2. Синтез наихудших возмущений. Осуществим его тем же способом, что и в [5, 6]. Пусть X(x°) - траекторная воронка уравнения (1.1) с вершиной x0 = (x°, x °), т.е. совокупность фазовых траекторий, исходящих из точки x°, при всевозможных v(t), w(t) е V. Максимум-оптимальная (наиболее удаленная от начала координат) ветвь границы траекторной воронки X(x°) характеризуется следующим дифференциально-геометрическим свойством. Угловой коэффициент касательной

^ = -2 а - kX + v ( b - 5x - + dW

^d^c xc x xc

x(x0, v, w, T)

max,

v, w

(2.2)

Mw =

W 0 -

x G mtc, W, t

sup

x(x , w, t)| =

1 + exp--

V W

, i па

1 - exp--

1 Wo JJ

d-cth| па k V 2 W0

(3.1)

где x

0

(x0, X 0), ю0 = Jk - а2.

В [7] для одной колебательной системы вычислено отношение максимального отклонения к амплитуде установившейся реакции системы на синусоидальное возмущение. Показано, что максимум этого отношения по всем возможным частотам равен 4/п ~ 1.28. Аналогичный результат имеет место и для уравнения (1.1) при v(t) = 0. Амплитуда установившихся вынужденных колебаний при синусоидальном возмущении w(t) = sin(wt + ф) достигает максимума Ar = d/2^Vk - а2 на резонансной

частоте Wr = k -2 а . Если коэффициент демпфирования а мал, то, используя разложения функций в ряды, также получим, что Mw/Ar ~ 4/п.

Рассмотрим теперь колебания системы (1.1) под воздействием наихудшего возмущения v* = = sign {X (b - ôx)} при w(t) = 0. Если b > 0 (b < 0), то

(2.1) отрезок

-b

k - ô k + ô

-b

на оси OX

в каждой точке максимум-оптимальнои ветви границы траекторноИ воронки принимает максимальное возможное значение, вследствии чего на этоИ траектории осуществляется решение следующей экстремальной задачи [2, 3]:

где x0 = x(0) < 0, x 0 = x (0) = 0, x(T) > 0, x (T) = 0, x (t) Ф 0 при t e (0, T).

Задача (2.2) представляет собой формулировку задачи Булгакова о максимальном отклонении с нефиксированным временем. Используя те же рассуждения, что и в [5, 6], нетрудно убедиться, что наихудшими являются возмущения v*, w*, которые максимизируют угловой коэффициент (2.1) в каждой точке траектории, т.е.

v* = sign{ x (b - 5x)}, w* = signx.

3. Оценка максимального отклонения. Наихудшее возмущение w*, естественно, совпадает с полученным в [3] с помощью принципа максимума. В [3] приведены параметрические уравнения предельного цикла Cw, соответствующего возмущению w* (при v(t) = 0), и оценка максимального отклонения

к + 8' к - 5_

представляет собоИ множество состоянии относительного равновесия системы (1.1). Каждая точка отрезка является точкоИ равновесия при соответствующем постоянном возмущения V = V, V е [-1, 1]. Верно и обратное: для каждого постоянного возмущения V е [-1, 1] точка отрезка с абсциссоИ , служит точкоИ равновесия.

к + 8 V

КраИние точки отрезка будут стационарными при значениях V, равных 1 или -1, принимаемых наихудшим возмущением V*.

ФазовыИ портрет кусочно-постоянноИ системы (1.1) при V = V*, 1(0 = 0 "склеивается" на прямых переключения х = 0, х = Ь/8 из двух фазовых портретов систем с постоянными коэффициентами при V = 1 и -1, а его центр поочередно перемещается в надлежащюю краИнюю точку отрезка относительного равновесия. В связи с этим нетрудно убедиться, что, если начальная точка принадлежит отрезку стационарных состояниИ или его достаточно малоИ окрестности, то фазовая траектория системы (1.1) при V = V*, м>(!) = 0 представляет собоИ раскручивающуюся вокруг этого отрезка спираль.

Абсолютная устоИчивость однородного уравнения (1.2), как известно [8], эквивалентна его аб-солютноИ экспоненциальноИ устоИчивости, следовательно, ограниченность возмущениИ 1(0 обеспечивает, согласно [8], ограниченность решениИ уравнения (1.1). Поэтому, начиная с некоторого момента, фазовые траектории системы (1.1) при V = V*, = 0 расположены в кольцевоИ области, которая окружает отрезок относительного равновесия. В таком случае выполнены условия теорем [9, 10] о существовании устоИчи-

вого предельного цикла. Это справедливо и для системы (1.1) при v = v*, w = w*.

Таким образом, можно утверждать, что фазовые траектории системы (1.1) при v = v*, w(t) = 0, начинающиеся в малой окрестности отрезка стационарных состояний, раскручиваются и навиваются изнутри на замкнутую кривую (предельный цикл) Cv, содержащую внутри данный отрезок. При этом последовательности точек пересечения фазовых траекторий с отрицательной и положительной полуосями OX монотонно стремятся к соответственным точкам пересечения с осью OX предельного цикла Cv. Абсциссы этих точек обозначим х- и х+. Возможны две ситуации, обусловленные тем, пересекает предельный цикл Cv или нет прямую переключения х = b/5. Разделяющий эти ситуации критерий формулируется следующим образом: если b > 0 (b < 0), то неравенство х+ < b/5 (х- > b/5) является необходимым и достаточным для того, чтобы предельный цикл Cv не пересекал прямую переключения х = b/5.

Рассмотрим сначала первую ситуацию, когда предельный цикл Cv не пересекает прямую переключения х = b/5. В полуплоскости х < b/5 (х > b/5) имеем b/5 - х > 0 (b/5 - х < 0), поэтому в этой полуплоскости функция v* изменяется по закону v* = sign x (v* = - sign x). Это заведомо имеет место для фазовых траекторий внутри предельного цикла Cv. Следовательно, в полуплоскости х < b/5 (х > b/5) решение кусочно-постоянной системы (1.1) при v = v*, w(t) = 0 можно получить в аналитическом виде методом "припасовывания", соединяя на прямой переключения X = 0 полувитки фазовой траектории. Ограничившись двумя полувитками, лежащими в данной полуплоскости, найдем аналитическое выражение для функции последования [9], определяющей точечное отображение полуосей OX и OX + в себя. Пусть b > 0, тогда функция последования имеет вид

, -aT2,, -aT. ч -aT

-а(г1 + т2) (e (1 + e ) , 1 + e x = e x + b1----

k - 5 k + 5 /

если 0 < x < b/5,

-aT1 -aT2 -aT1

-a(T 1 + Г2) Je (1 + e ) , 1 + e

x = e x - b I k + 5 ~Te~5~

b n

если x < x < 0,

(3.2)

где

b be x =--т

b ( 1 + e 2) T =

k + 5 , 1 W1,

T2 = —, = Jk - 5 - a2,

W

w2 = Jk + 5 -

2

a .

x xb x- x = x x = f(x)

1 0 x + b/5 x

Рисунок.

График функции последования х = f(х), построенный совместно с биссектрисой х = х, называется диаграммой Ламерея [9], которая для уравнения (1.1) при V = V*, w(t) = 0 и условии х+ < Ь/5 изображена на рисунке. Проекции на ось ОХ точек пересечения графика функции последования х = Я(х) с биссектрисой х = х представляют собой [9] неподвижные точки точечного отображения полуосей ОХ в себя. В данной ситуации график функции последования для уравнения (1.1) при V = V*, w(t) = 0 и условии х+ < Ь/5 состоит из участков прямой с угловым коэффициентом

-а( Т1 + Т .)

0 < е < 1, а неподвижными являются точ-

ки пересечения предельного цикла ^ с отрицательной и положительной полуосями ОХ, абсциссы которых обозначены через х~ и х+. При этом, согласно теореме Кенигса [9], неподвижные точки и проходящий через них предельный цикл ^ -устойчивы. Рассмотрев выражения (3.2) совместно с уравнением биссектрисы, получим

7 -аТ2 -аТ 1ч -аТ.

+ Ь (е (1 + е ) , 1 + е

х = --1----1--

1 - e

-a(T 1 + тг)\ k - 5

k + 5

(3.3)

x = —

1 - e

1 2 1 bb_( e (1 + e ) + 1 + e

- a ( T 1+T 2 \ kT5 k - 5 /

Критерий х+ < Ь/5 отсутствия пересечения предельного цикла ^ и прямой переключения х = Ь/5 после подстановки в него выражения для х+ из (3.3) и тождественных преобразований запишется в следующем виде:

-а( Т1 + Т.)

. (3.4)

5 >1

2 e

1 - e

-a( T1 + T2)

Критерий (1.3) абсолютной устойчивости уравнения (1.2) также можно представить в аналогичной форме

7 2 aT

k e

-5- > -e---2--a---T--

1

-1

где выражение для T приведено в (1.3).

2

2

При условии (3.4) параметрические уравнения предельного цикла Cv имеют вид:

а) в нижней фазовой полуплоскости (v* = - 1)

x (t) = (x+ + , 1 e~at( cos Wit + —sin Wi t| -V k - 5J V 1 W1 1 J

k - 5'

•(a k- 5( x( t) =--1 x

W1

b i -at -

e sinW1 t,

k - 5

0<t< -b W1

b) в верхней фазовой полуплоскости (v* = 1)

x(t) = I x - - b „ |e at(cosW21 + —sinw2t

1 k + 5J V 2 W2

+

k + 5

x(t) =--1 x -

W2

k + 5' b

k + 5

-a t

e sin W2t,

-a(T! + T2)

x = e x - b

aT1 -aT2 -aT1

e (1 + e ) _,_ 1 + e

k + 5

k - 5

b

если 0 < x < x

-a( T1 + T 2)

x = e x + b

aT2 -aT1 -aT

e (1 + e ) _,_ 1 + e

(3.6)

при выполнении которого предельный цикл С^. не пересекает прямую переключения х = Ь/5, сохраняется выражение (3.4). Параметрические уравнения верхней и нижней половин предельного цикла Слг переставляются с заменой х~—► х+ и х+ —»- х-.

Исследование суперпозиции наихудших возмущений V* и w* (обобщенного резонанса) проводится по той же схеме, что и в случае V = V*, w(t) = 0. Сохраняются сделанные выше утверждения с соответствующими изменениями, которые заключаются в том, что при Ь > 0 (Ь < 0) в полученных формулах следует вместо величины Ь подставить Ь + d (Ь - d), исключая уравнение прямой переключения х = Ь/5.

Так, при Ь > 0 (Ь < 0) множеством относительного равновесия системы (1.1) является отрезок

b + d b + 1

k - 5' k + 5.

b - d b - <

на оси OX.

0 < t <

W2

Предельный цикл Cv, аналогично предельному циклу Cw, представляет собой границу множества достижимости из всех точек ограниченной им области. Для максимального возможного отклонения системы (1.1) при w(t) = 0 и выполнении критерия (3.4) имеет место оценка

Mv = 0 sup |x(x0, v, t)| = max{ |x"|, x+}, (3.5)

x G intCv, v, t

где х- и х+ определены формулами (3.3).

Если b < 0, то картина меняется симметрично относительно прямой х = b/5. Функция v* принимает противоположные по сравнению со случаем b > 0 значения. В выражении (3.2) для функции последования строки симметрично меняются местами, т.е.

к + 5' к - 5_

В формулах (3.2) ((3.6)) для функции последования х = Я(х) и втором слагаемом выражения для хЬ следует вместо Ь подставить Ь +

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком