Контрольная работа: Анализ линейных стационарных объектов

Контрольная работа: Анализ линейных стационарных объектов

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

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

2.                По формулам

                               в1і= в1+h(і-1) ;

                               в2і= 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  х1 и х2 .

 4. По результатам просчета на ПЭВМ построить таблицы значений входа (х1 и х2) при заданных значениях выхода ( в1 и в2).

 5. Построить графики изменения значений х1 и х2  в зависимости от значений

      в1 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

                               в1і= в1+h(і-1) ;

                               в2і= 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 Si. Каждый из элементов в описании уровня 1 представляет собой сложный объект, который, в свою очередь, рассматривается как система Si на уровне 2. Элементами систем Si являются объекты Sij, где j=1,2…, mi (mi – количество элементов в описании системы Si). 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,…,ym), X=(x1,x2,…,xn), Q=(q1,q2,…,ql). 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 S1 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:

 а11х1 +а12х2=в1;

 а21х1 +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 х1 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

в1і= в1+h(і-1) ;

в2і= 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 х1 и х2 .

4. По результатам просчета на ПЭВМ построить таблицы значений входа (х1 и х2) при заданных значениях выхода ( в1 и в2).

5. Построить графики изменения значений х1 и х2 в зависимости от значений в1 и в2.

Таблица 1.1

2. Анализ нелинейных стационарных объектов

Страницы: 1, 2