Анализ линейных стационарных объектов - контрольная работа

Анализ стационарных и динамических объектов

1. Задание на контрольную работу

Анализ линейных стационарных объектов

Цель работы: исследовать параметры линейных стационарных объектов, описываемых системами линейных алгебраических уравнений, используя для их решения средства матричной алгебры и специальные функции системы математических расчетов MathCAD.

Последовательность выполнения работы

Согласно номеру варианта (две последние цифры номера зачетной книжки) выбрать из табл.1.1. значения параметров для линейного объекта.

По формулам

в_{1і= в1+h(і-1) ;}

в_{2і= в2+h(і-1) ;}

для і=1,….5 определить значения коэффициентов, определяющих выходные значения объекта для пяти рассматриваемых случаев.

3. Составить и отладить программу решения системы линейных уравнений согласно Приложению 1.1 и для полученных в пункте 2 значений выхода найти пять наборов значений входных переменных х_{1 и х2 .}

4. По результатам просчета на ПЭВМ построить таблицы значений входа (х_{1 и х2) при заданных значениях выхода ( в1 и в2).}

5. Построить графики изменения значений х_{1 и х2 в зависимости от значений}

в_{1 и в2.}

2. Пояснительная записка

1) Выбрали вариант №5.

2) Выполняем пункт №2.

Запускаем программу “Mathcad v11.0a”.

Сохраняем созданный программой файл под именем 5_1zad_i1.mcd (File->Save As…), в котором будем создавать листинг программы для выполнения 1 задания, где i=1.

По формулам

в_{1і= в1+h(і-1) ;}

в_{2і= в2+h(і-1) ;}

для і=1 определяем значения коэффициентов, определяющего выходные значения объекта для первого рассматриваемого случая.

3) Выполняем пункт №3.

Чтобы задать расположение элемента (выражения, объекта) в нужном месте рабочей области программы с помощью манипулятора (мышь) задаёте нужное положение курсора, который выглядит красным крестиком (смотрите п. 2 рис. 1). После чего начинаете ввод информации с клавиатуры или (и) пользуетесь визуальным выбором с помощью мыши команд в главном меню программы.

Ориентируясь на образец (Приложение 1.1) начинаем с клавиатуры вводить необходимые выражения, а также пользуясь манипулятором (мышь) для визуального выбора команд в нашей программе “Mathcad v11.0a”.

Чтобы ввести нижние индексы в выражении

надо нажать пиктограмму 4 (см. рис. 1) и после в появившемся окне

выбрать указанный элемент.

Чтобы ввести символ “=”, например, в выражении

надо нажать пиктограмму 7 (см. рис. 1) и после в окне

выбрать указанный элемент.

Чтобы ввести выражение с матрицей, например, в выражении

надо нажать пиктограмму 4 (см. рис. 1) и после в окне

выбрать указанный элемент.

Выражение

- это матричная форма записи решения нашей системы линейных уравнений, где

это обратная матрица для матрицы А.

Чтобы ввести символы, текст выше буквы А надо нажать пиктограмму 4 (см. рис. 1) и после в окне

выбрать указанный элемент.

То, что мы набрали (листинг программы) в рабочей области программы для i=1 и сохранили в файле 5_1zad_i1.mcd можно просмотреть в файле 5_1zad_i1.rtf.

Аналогично, проводим расчеты для других значениё переменной i.

Для этого создаём копии файлов с разными именами, которые по содержанию отличаются лишь числовыми значениями параметров b1 и b2.

То, что мы набрали в рабочей области программы для i=2 и сохранили в файле 5_1zad_i2.mcd можно просмотреть в файле 5_1zad_i2.rtf.

То, что мы набрали в рабочей области программы для i=3 и сохранили в файле 5_1zad_i3.mcd можно просмотреть в файле 5_1zad_i3.rtf.

То, что мы набрали в рабочей области программы для i=4 и сохранили в файле 5_1zad_i4.mcd можно просмотреть в файле 5_1zad_i4.rtf.

То, что мы набрали в рабочей области программы для i=5 и сохранили в файле 5_1zad_i5.mcd можно просмотреть в файле 5_1zad_i5.rtf.

При изменении содержания листинга программа автоматически пересчитывает все промежуточные результаты и ответ. Чтобы задать пересчёт всех формул на странице листинга выбираем команду в программе (Tools->Calculate-> Calculate Worksheet).

4) Выполняем пункты №4 и №5.

В файле 5_1zad_tabl_graf.mcd создаём таблицу и графики (смотрите файл 5_1zad_tabl_graf.rtf).

Чтобы вставить таблицу надо нажать пиктограмму 15 (см. рис. 1). Задаём таблице имя А, вводим в неё полученные данные. Чтобы по таблице построить графики создаём таблицу (В) только с числовыми данными (без первой строки в таблице А).

В выражении

цифра в угловых скобках означает массив даннях 2-го столбца таблицы (В).

Чтобы создать область для отображения графиков нажимаем пиктограмму 3 (см. Рис. 1).

Слева вводим имена зависимых переменных через запятую, а снизу вводим независимую переменную. Также предусмотрено задание числового интервала по осям ОХ и OY для отображения графиков.

Вывод: из полученных результатов видим, что вышеупомянутые зависимости линейны, так как графически мы получили прямые линии.

Задание на контрольную работу

по дисциплине “Основы системного анализа объектов и процессов компьютеризации ”

Анализ стационарных и динамических объектов

Этапы выполнения работы

изучить теоретические положения, раскрывающие структуру линейных и нелинейных стационарных и динамических объектов, математическое описание и решение задачи анализа такого рода объектов;

выполнить индивидуальное задание согласно предусмотренной последовательности выполнения работы;

оформить описание контрольной работы.

Перечень документов, входящих в контрольную работу

1. Задание на контрольную работу

2. Пояснительная записка

3. Приложения

Содержание пояснительной записки

Структуры исследуемых стационарных линейного, нелинейного и динамического объектов, их свойства, параметры и математическое описание. Решение задачи анализа объектов. Методы и алгоритмы решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений. Описания программ решения в системе MathCAD. Выводы.

Примечание: объем пояснительной записки должен быть не менее 15 стр.

Состав приложений

Приложение 1. Листинг программы решения задачи анализа стационарного линейного объекта с графиками и комментариями, поясняющими использование в программе констант, переменных, массивов, векторов, матриц, функций и т.д.

Приложение 2. Листинг программы решения задачи анализа стационарного нелинейного объекта с графиками и комментариями, поясняющими использование в программе констант, переменных, массивов, векторов, матриц, функций и т.д.

Приложение 3. Листинг программы решения задачи анализа динамического объекта с графиками и комментариями, поясняющими использование в программе констант, переменных, массивов, векторов, матриц, функций и т.д.

1. Анализ линейных стационарных объектов

Цель работы: исследовать параметры линейных стационарных объектов, описываемых системами линейных алгебраических уравнений, используя для их решения средства матричной алгебры и специальные функции системы математических расчетов MathCAD.

Содержание работы:

1) изучить теоретические положения (раздел 1.1), раскрывающие структуру линейных объектов, их математическое описание и решение задачи анализа такого рода объектов;

2) выполнить индивидуальное задание согласно предусмотренной в разд.1.2 последовательности выполнения работы;

3) оформить описание раздела по контрольной работе согласно требованиям задания.

1.1. Краткие теоретические сведения

1.1.1. Иерархические уровни описания объектов

Описания технических объектов должны быть по сложности согласованы с возможностями восприятия человеком и возможностями оперирования описаниями в процессе их преобразования с помощью имеющихся средств проектирования. Однако выполнить это требование в рамках некоторого единого описания, не разделяя его на некоторые составные части, удается лишь для простых изделий. Как правило, требуется структурирование описаний и соответствующее разделение представлений о проектируемых объектах на иерархические уровни и аспекты.

Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней в представлениях о проектируемом объекте.

На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и элементов.

На уровне 1 (верхнем уровне) подлежащий проектированию сложный объект S рассматривается как система S из n взаимосвязанных и взаимодействующих элементов

Среди свойств объекта, отражаемых в описаниях на определенном иерархическом уровне, различают свойства систем, элементов систем и внешней среды, в которой должен функционировать объект. Количественное выражение этих свойств осуществляется с помощью величин, называемых параметрами. Величины, характеризирующие свойства системы, элементов системы и внешней среды, называют соответственно выходными, внутренними и внешними параметрами. Например, для электронного усилителя выходными параметрами являются полоса пропускания, коэффициент усиления; внутренними параметрами - сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметры транзисторов; внешними параметрами - сопротивление и емкость нагрузки, напряжение источников питания.

Обозначим количества выходных S_i. Каждый из элементов в описании уровня 1 представляет собой сложный объект, который, в свою очередь, рассматривается как система S_i на уровне 2. Элементами систем S_i являются объекты S_ij, где j=1,2…, m_i (m_i - количество элементов в описании системы S_i). Подобное разделение продолжается вплоть до получения на некотором уровне элементов, описания которых дальнейшему делению не подлежат. Такие элементы по отношению к объекту S называют базовыми элементами.

1.1.2. Классификация параметров объектов

Внутренних и внешних параметров через m, n, l, а векторы этих параметров соответственно через Y=(y₁,y₂,…,y_m), X=(x₁,x₂,…,x_n), Q=(q₁,q₂,…,q_l). Свойства системы зависят от внутренних и внешних параметров, т.е. имеет место функциональная зависимость:

Y=F(X,Q). (1.1)

1.1.3. Структура и математическая модель объекта

Структура объекта - это перечень типов элементов, составляющих объект, и способа связи элементов между собой в составе объекта.

Математическая модель (ММ) технического объекта - это система математических объектов (чисел, переменных, матриц, множеств и т.п.) и отношений между ними, отражающая некоторые свойства технического объекта. Наличие ММ позволяет легко оценивать выходные параметры по известным значениям векторов X и Q. Такая система соотношений (1) является примером математической модели объекта. Однако, существование зависимости (1.1) не означает, что она известна разработчикам и может быть представлена именно в таком явном относительно вектора Y виде. Как правило, ММ в виде (1.1) удается получить только для очень простых объектов. Типичной является ситуация, когда математическое описание процессов в проектируемом объекте задается моделью в форме системы уравнений.

Ряд технических объектов в установившемся (стационарном) состоянии (режиме) может быть описан системами линейных алгебраических уравнений.

Такого рода объекты (например, объект, показанный на рис 1.1) относятся к классу линейных стационарных объектов.

Рис. 1.1. Структура линейного стационарного объекта

Структура данного объекта определяется двумя сумматорами S_{1 и S2, четырьмя линейно- усилительными блоками а11 , а12 , а21 , а22 и системой связей между ними.}

Математическая модель такого рода объекта представляет собой систему линейных алгебраических уравнений и имеет вид:

а_{11х1 +а12х2=в1;}

а_{21х1 +а22х2=в2;}

1.1.4. Анализ объектов

Задача анализа объектов состоит в определении свойств и исследовании работоспособности объекта по его описанию.

При одновариантном анализе задаются значения внутренних и внешних параметров, требуется определить значения выходных параметров объекта.

При одновариантном анализе задается также некоторая точка в пространстве внутренних параметров и требуется в этой точке определить значения выходных параметров. Подобная задача обычно сводится к однократному решению уравнений, составляющих математическую модель, что и обусловливает название этого вида анализа.

Многовариантный анализ заключается в исследовании свойств объекта в некоторой области пространства внутренних параметров. Такой анализ требует многократного решения систем уравнений (многократного выполнения одновариантного анализа).

Задача, ставящаяся при анализе (исследовании) такого рода объектов (рис 1.1), может иметь следующий вид: необходимо определить значения входных воздействий х_{1 и х2 при заданной структуре объекта, определяемой системой связей, и заданных значениях внутренних параметров, при которых выход объекта имел бы требуемые выходные значения в1 и в2 .}

1.1.5. Решение систем линейных алгебраических уравнений

1.1.5.1. Постановка задачи. Система n линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с n неизвестными

имеет вид:

(1.2)

- неизвестные числа, подлежащие определению;

- коэффициенты системы;

- свободные члены.

Первый индекс коэффициента указывает номер уравнения, в котором фигурирует данный коэффициент (номер строки), а второй - номер неизвестного, при котором этот коэффициент поставлен (номер столбца). Коэффициенты системы, как и свободные члены, предполагаются известными.

Решением системы (или ее корнями) называется всякая совокупность чисел, , которая, будучи подставлена в систему вместо неизвестных , обращает все уравнения системы в тождества. Отметим, что совокупность чисел составляет одно решение системы, а не n решений.

В матричной форме система может быть записана как

(1.3)

или в обобщенной форме:

(1.4)

1.1.5.2. Классификация методов решения. На практике применяют два типа методов:

- прямые или точные;

- итерационные.

Точные - это методы, которые дают решение задачи с помощью конечного числа элементарных арифметических операций. Число необходимых для решения задач вычислительных операций зависит только от вида вычислительной схемы и от порядка матрицы. К точным методам относится метод Гаусса.

Решение СЛАУ итерационными методами получается как предел последовательных приближений, вычисляемых некоторым единообразным процессом. Число арифметических операций в данном случае зависит от вычислительной схемы, порядка матрицы и от требуемой точности. Примером итерационных методов является метод простой итерации.

На практике чаще всего применяются прямые методы (метод Гаусса). Однако, при решении на ЭВМ систем высокого порядка (более 200 уравнений в системе), предпочтительными являются итерационные методы.

Реализация решения задачи анализа линейного стационарного объекта может быть осуществлена с помощью средств матричной алгебры пакета MathCAD.

1.2. Последовательность выполнения работы

1. Согласно номеру варианта (две последние цифры номера зачетной книжки) выбрать из табл.1.1. значения параметров для линейного объекта.

По формулам

в_{1і= в1+h(і-1) ;}

в_{2і= в2+h(і-1) ;}

2. Для і=1,….5 определить значения коэффициентов, определяющих выходные значения объекта для пяти рассматриваемых случаев.

3. Составить и отладить программу решения системы линейных уравнений согласно Приложению 1.1 и для полученных в пункте 2 значений выхода найти пять наборов значений входных переменных х_{1 и х2 .}

4. По результатам просчета на ПЭВМ построить таблицы значений входа (х_{1 и х2) при заданных значениях выхода ( в1 и в2).}

5. Построить графики изменения значений х_{1 и х2 в зависимости от значений в1 и в2.}

Таблица 1.1

2. Анализ нелинейных стационарных объектов

Цель работы: исследовать параметры нелинейных стационарных объектов, описываемых системами нелинейных алгебраических уравнений, используя для их решения средства пакета MathCAD.

Содержание работы:

1) изучить теоретические положения (раздел 2.1), раскрывающие структуру нелинейных стационарных объектов, их математическое описание и пример решения систем нелинейных алгебраических уравнений средствами пакета MathCAD, используемый для анализа такого рода объектов;

2) выполнить индивидуальное задание согласно предусмотренной в разд.2.2 последовательности выполнения работы;

3) оформить описание раздела по контрольной работе согласно требованиям задания.

2.1. Краткие теоретические сведения

Структура и математическая модель объекта

Структурная схема нелинейного стационарного объекта имеет вид:

Такой объект представляет собой систему, которая имеет два входа х_{1 и х2 с постоянными значениями в установившемся режиме и два выхода в1 и в2. Структура объекта определяется сумматором S1 , умножителем М1, двумя линейно- усилительными блоками а1 , а2 и системой связей между ними.}

В отличие от линейных стационарных объектов нелинейные описываются системами нелинейных алгебраических уравнений.

Математическая модель, соответствующая такой схеме, имеет вид:

а₁х₁ +а₂х₂=в₁;

х₁х₂=в₂

2.1.2. Анализ объектов

Исследование такого рода объектов состоит в определении значений входных воздействий х_{1 ,х2 в зависимости от значений выходов в1 и в2 при заданных параметрах объекта а1 и а2 .}

Реализация решения задачи исследования нелинейного стационарного объекта в такой постановке может быть осуществлена с помощью средств системы символьной математики MathCAD 7.0 PRO .

2.1.3. Решение нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений

2.1.3.1. Постановка задачи. Пусть дано уравнение

, (2.1)

где функция определена и непрерывна на некотором интервале (А,В). Всякое значение , обращающее функцию в нуль, то есть такое, при котором , называется корнем уравнения (2.1), а процесс нахождения называется его решением.

Если функция представляет собой многочлен относительно , то уравнение называется нелинейным алгебраическим (например, ); если в функцию входят элементарные (тригонометрические, логарифмические, показательные и т.п.) функции, то такое уравнение называется трансцендентным (например, ).

2.1.3.2. Характеристика методов. Методы решения нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (НАТУ) делятся на прямые и итерационные. Первые позволяют найти решение непосредственно с помощью формул и всегда обеспечивают получение точного решения. Однако прямые методы имеются только для ограниченного круга уравнений, поэтому на практике более широко используются итерационные методы.

В итерационных методах процедура решения задается в виде многократного применения некоторого алгоритма. Полученное решение всегда является приближенным, хотя может быть сколь угодно близким к точному.

В общем случае задача решается в 2 этапа:

определение приближенных значений корней уравнения;

уточнение корней до заданной степени точности с помощью одного из итерационных методов.

Для определения приближенных значений корней уравнения используются:

1) Построение графика функций и приближенное определение точек, где кривая пересекает ось Х.

Запись уравнения в виде и построение графиков двух функций: и . Точка их пересечения и есть корень исходного уравнения (5.1).

На втором этапе происходит уточнение корня с использованием критерия окончания итерационного процесса.

Итерационный процесс следует оканчивать, когда < , т.е. при близости двух последовательных приближений к корню.

Одним из итерационных методов для уточнения корня является метод Ньютона.

2.1.3.3. Метод Ньютона

2.1.3.3.1. Геометрическая интерпретация метода Ньютона.

Приняв в качестве начального приближения к корню некоторое значение , восстанавливаем перпендикуляр в точке к оси Х. В точке пересечения перпендикуляра с графиком функции , для которой отыскивается нуль, проводим касательную к кривой. Точка пересечения касательной с осью Х дает новое приближение к корню. После этого процесс повторяем для точки , получаем точку и т.д.

2.1.3.3.2. Получение формулы Ньютона. Определим рекуррентное соотношение для нахождения корня методом Ньютона.

Уравнение касательной в точке можно получить как уравнение прямой, проходящей через заданную точку и имеющей угловой коэффициент :

В точке пересечения касательной с осью Х, величина равняется нулю:

Отсюда

В общем случае для вычисления последующего приближения к корню по известному предыдущему формула Ньютона имеет вид:

К такому же результату можно придти, используя разложение в ряд Тейлора:

Члены, содержащие во второй и более высоких степенях, отбрасываются; используется соотношение . Предполагается, что переход от к приближает значение функции к нулю так, что т.е. точка выбирается такой, что значение функции в ней равняется нулю:

Полученная точка является точкой пересечения касательной в точке с осью Х. Поскольку кривая отлична от прямой, то значение функции скорее всего не будет в точности равно нулю (это результат отбрасывания членов высшего порядка в ряде Тейлора). Поэтому вся процедура повторяется, причем вместо используется .

Одно из преимуществ метода Ньютона - это то, что его можно распространить на решение систем нелинейных уравнений со многими переменными.

2.1.4. Решение систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений

2.1.4.1. Постановка задачи. Система n нелинейных уравнений с n неизвестными имеет вид:

(2.2)

где - неизвестные;

- заданные функции n переменных.

Решением системы НАТУ называется совокупность чисел , которые, будучи поставлены на место неизвестных ,обращают каждое уравнение системы в тождество. Система (2.2) может иметь несколько решений. Нахождение решения системы уравнений является значительно более сложной задачей, чем решение одного уравнения. Для систем НАТУ не существует каких-либо приемов, используя которые получали бы приближенные значения корней. В некоторых случаях в результате построения графиков с последующим определением координат точек пересечения можно получить приближенные значения корней. Для уточнения корней всегда применяются итерационные методы, чаще всего метод Ньютона.

2.1.4.2. Метод Ньютона для решения систем НАТУ. Представим все n уравнений в виде рядов Тейлора:

(2.3)

Задача сводится к отысканию такой совокупности приращений , при которой близки к корню, т.е. левые части уравнений (2.3) обращаются в нули. Отбросив члены более высоких порядков, получим систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно :

(2.4)

Систему линейных уравнений (5.4) можно записать в матричном виде:

(2.5),

где матрица коэффициентов (А) состоит из частных производных функций по всем переменным, а вектор свободных членов (В) - из функций с противоположным знаком. Матрица в левой части (2.5) называется матрицей Якоби или якобианом.

Найденные из системы (2.5) значения используются как поправки для получения очередного - го приближения к решению:

(2.6)

Таким образом, для выполнения одной итерации методом Ньютона решают СЛАУ (2.5) относительно вектора поправок . Получив значение вектора поправок (), получим очередное приближение к корням () (2.6) и т.д. до тех пор, пока все получаемые поправки не будут достаточно малы, что свидетельствует о близости приближенного решения к истинному ().

Следует обратить внимание на то, что проверку поправок на каждом шаге итерации на условие < () необходимо выполнять для значений поправок всех корней (.

Пример: Найти методом Ньютона решение системы уравнений

Решение. Очевидно,

Для формирования матрицы Якоби получим частные производные:

Подставив в (2.5) в качестве: матрицы коэффициентов (А) - частные производные функций и вектора свободных членов (В) - функции с противоположным знаком, получим запись СЛАУ в виде:

(2.7)

Задавшись некоторым начальным приближением () и, подставив его вместо () в систему (2.7), решим полученную систему линейных уравнений (например, матричным способом ) и получим значение поправок . Если поправки не будут достаточно малы (т.е. условие < не выполняется), то вычисляется очередное приближение к корням:

С полученным затем повторяют те же операции, что и с для получения и, если необходимо, и т.д. до тех пор, пока все получаемые поправки не будут достаточно малы, что свидетельствует о близости приближенного решения к истинному.

2.2. Последовательность выполнения работы

Согласно номеру по списку группы выбрать из табл.2.1 значения параметров для нелинейного объекта. По формулам

в_{1і= в1-h(і-1) ;}

в_{2і= в2-h(і-1) ;}

для і=1,2,...5 определить значения коэффициентов, определяющих выход для пяти рассматриваемых случаев.

2. Составить и отладить программу решения системы нелинейных уравнений согласно Приложению 2.1 и для полученных в пункте 1 значений выхода найти пять наборов значений входных переменных х_{1 и х2 .}

3. По результатам просчета на ПЭВМ получить таблицы значений входа (х_{1 и х2 ) при заданных значениях выхода ( в1 и в2).}

4. Построить графики изменения значений х_{1 и х2 в зависимости от значений в1 и в2. .}

Таблица 2.1

3. Анализ динамических объектов

Цель работы: исследовать свойства и поведение динамических объектов, описываемых системами обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, используя для их решения средства пакета MathCAD.

Содержание работы:

1) изучить теоретические положения (раздел 3.1), определяющие структуру динамических объектов, их математическое описание и решение задачи анализа объектов, методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений;

2) выполнить индивидуальное задание согласно предусмотренной в разд.3.2 последовательности выполнения работы;

3) оформить описание контрольной работы согласно требованиям задания.

3.1. Краткие теоретические положения

3.1.1. Структура и математическая модель объекта

В общем случае под динамическими (нестационарными) объектами понимают такие объекты, состояние и поведение которых определяется временными характеристиками, т.е. является функцией времени.

Такого рода объекты могут быть описаны системами нелинейных дифференциальных уравнений вида

где - функционал, определяю ...........