ESEMPI DI ANALISI DI CIRCUITI DINAMICI LINEARI corso: Teoria dei Circuiti docente: Stefano PASTORE 1 Esempio di tableau ”dinamico” (tempo e Laplace) 1.1 Dominio del tempo Consideriamo il seguente circuito dinamico in Fig. 1: Fig. 1: Circuito dinamico del I ordine. Il sistema tableau completo del circuito è: A i(t) = 0 v(t) − AT e(t) = 0 , d d v(t) + Mi + Mi i(t) = hs (t) Mv + Mv dt dt dove b = 3 e n − 1 = 2. La matrice ridotta di incidenza è: 1 1 0 A= , 0 −1 1 1 (1) (2) mentre le relazioni costitutive sono: 1 0 0 0 1 0 + d dt 0 0 0 0 0 0 0 d 0 −R 0 0 + + dt 0 0 −1 0 0 0 0 v1 (t) 0 0 0 v2 (t) + 0 0 C v3 (t) vs (t) 0 0 i1 (t) 0 0 i2 (t) = 0 . i3 (t) 0 0 0 (3) Se scrivo estesamente le equazioni del tableau, ottengo un sistema con una incognita in più rispetto al numero di equazioni. In questo esempio, l’incognita è v̇3 (t), la derivata della tensione (variabile di stato) dell’unico elemento dinamico (condensatore). Il tableau completo è: e1 (t) 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 e2 (t) 0 0 0 0 0 0 0 −1 1 v1 (t) 0 −1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 (t) v 2 −1 1 0 1 0 0 0 0 0 v3 (t) = 0 . (4) 0 −1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 v̇3 (t) 0 1 0 0 0 0 0 0 i1 (t) vs (t) 0 0 0 0 1 0 0 0 −R 0 i2 (t) 0 0 0 0 0 0 C 0 0 −1 i3 (t) Supponiamo che: R = 1000Ω, C = 1µF e vs (t) = 10 V. Posso allora ridurre la matrice T direttamente con un metodo di eliminazione gaussiana delle variabili fino ad ottenere un’unica equazione in v̇3 (t), v3 (t) e vs (t). Oppure, posso considerare la derivata v̇3 (t) un parametro, per cui posso scrivere: 0 0 0 0 0 1 1 0 0 e1 (t) 0 0 0 0 0 0 0 −1 1 e2 (t) 0 0 −1 0 1 0 0 0 0 0 v1 (t) 0 0 −1 1 0 1 0 0 0 0 v2 (t) = 0 − 0 v̇3 (t). (5) 0 −1 0 0 1 0 0 0 v3 (t) 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 i1 (t) 10 0 0 i2 (t) 0 0 1 0 0 −1000 0 0 0 i3 (t) 0 0 0 0 0 0 0 −1 0 10−6 Invertendo la matrice quadrata rimanente, si ottiene: e1 (t) e2 (t) v1 (t) v2 (t) v3 (t) i1 (t) i2 (t) i3 (t) = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 −1 0 1 0 0 −1 1 0 1 0 0 −1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 −1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 −1000 0 0 0 −1 2 −1 0 0 0 0 0 10 0 0 − 0 0 0 0 0 0 0 10−6 v̇3 (t) = = 0 0 −1 0 0 1 0 0 0 1000 −1 1 0 1 −1 1000 0 0 0 0 0 1 0 0 0 −1000 0 0 0 0 1 −1000 0 1000 −1 1 1 1 −1 1000 1 1 0 0 0 0 0 1 0 −1 0 0 0 0 0 −1 0 0 0 0 0 0 0 −1 0 0 0 0 0 10 0 0 − 0 0 0 0 0 0 0 10−6 v̇3 (t) . (6) Pertanto, trovo la seguente equazione in v3 (t), vs (t) (= 10 V) e v̇3 (t): 10−3 v̇3 (t) + v3 (t) = 10 (7) che, unitamente alle condizioni iniziali v3 (t) = vC (0), rappresenta la pura evoluzione dinamica del circuito. Questa equazione viene chiamata equazione di stato del circuito, nella variabile di stato v3 (t). La sua soluzione è: v3 (t) = (v3 (0) − 10) e−1000 t + 10 u(t). (8) 1.2 Dominio di Laplace Applicando la trasformata di Laplace al circuito di Fig. 1, ottengo il seguente sistema tableau: A I(s) = 0 V(s) − AT E(s) = 0 , (9) (Mv + sMv ) V(s) + (Mi + sMi ) V(s) = Hs (s) + H0 (s) dove H0 (s) tiene conto delle condizioni iniziali degli elementi dinamici. Nel nostro caso particolare, si ha: V1 (s) 1 0 0 0 0 0 0 1 0 + s 0 0 0 V2 (s) + V3 (s) 0 0 0 0 0 10−6 0 0 0 10 s−1 0 0 0 0 I1 (s) . 0 + 0 −1000 0 + s 0 0 0 I2 (s) = 0 + −6 I3 (s) 0 0 0 −1 10 v3 (0) 0 0 0 (10) Il tableau completo T(s) è: E1 (s) 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 −1 1 0 E2 (s) −1 0 1 0 0 0 0 0 0 V1 (s) −1 1 0 1 (s) V 0 0 0 0 0 2 = . (11) V3 (s) 0 −1 0 0 1 0 0 0 0 −1 0 0 1 0 0 0 0 0 I1 (s) 10 s 0 0 0 0 1 0 0 −1000 0 I2 (s) −6 −6 0 −1 I3 (s) 10 v3 (0) 0 0 0 0 10 s 0 3 La soluzione del sistema è ottenuta invertendo la matrice T(s): 0 E1 (s) E2 (s) 0 V1 (s) 0 V2 (s) 0 −1 = T (s) , V3 (s) 0 10 s−1 I1 (s) I2 (s) 0 −6 I3 (s) 10 v3 (0) dove la matrice T−1 (s) è: 0 0 −1 0 0 1000 1000 s 106 0 − − 1000 + s 1000 + s 1000 + s 1000 + s 0 0 0 0 0 6 s s s 0 − 10 − 1000 + s 1000 + s 1000 + s 1000 + s 6 10 1000 1000 1000 0 − 1000 + s 1000 + s 1000 + s 1000 + s 1000 1 s 1 s 1 s 1 − − 1000 + s 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1000 1 s 1 s 1 s 0 − − 1000 + s 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1000 1000 + s s 1 s 1 s 1 s 0 − 1000 + s 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1 0 0 1000 1000 106 − 1000 + s 1000 + s 1000 + s 1 0 0 s 1000 106 − 1000 + s 1000 + s 1000 + s . 6 1000 1000 10 − 1000 + s 1000 + s 1000 + s 1 s 1 s 1000 − 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1000 + s 1 s 1 s 1000 − − 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1000 + s 1 s 1 s 1000 − − 1000 1000 + s 1000 1000 + s 1000 + s 4 (12) La tensione V3 (s) è uguale allora a: 106 1000 10 + 10−6 v3 (0) = 1000 + s s 1000 + s 10 10 v3 (0) v3 (0) − 10 10 = − + + = + . 1000 + s s 1000 + s 1000 + s s V3 (s) = (13) Antitrasformando, si ottiene: v3 (t) = (v3 (0) − 10) e−1000 t + 10 u(t) (14) che è la stessa espressione (ovviamente!) trovata operando nel dominio del tempo (vedi eq. (8)). 5 2 Circuito del II ordine nel tempo (pk ∈ R) Consideriamo il seguente circuito lineare, tempo-invariante, dinamico e autonomo, dal momento che l’unica sorgente indipendente (di tensione) è costante (Fig. 2): Fig. 2: Circuito dinamico del II ordine. Notiamo che è un circuito del secondo ordine, dove le due candidate a diventare variabili di stato, le tensioni sui condensatori, sono manifestatamente indipendenti. L’equazione di stato del circuito dovrà assumere la forma: ẋ(t) = Ax(t) + Bū (15) dove x(t) ∈ Rn , A è una matrice di dimensione [n × n], B è un vettore [n × k] e ū è un vettore [k × 1] che rappresenta le k sorgenti del circuito. In questo caso n = 2 e k = 1, mentre il vettore di stato è: v1 (t) . (16) x(t)= v2 (t) Per la scrittura dell’equazione di stato, usiamo il metodo dei ”Componenti Complementari”. A tal fine, consideriamo il doppio bipolo adinamico (resistivo) di Fig. 3. La rappresentazione esplicita del doppio bipolo adinamico, da adottare nel caso di due condensatori, è la rappresentazione controllata in tensione, espressa come: g11 g21 v1 i1s i1 = + (17) i2 g12 g22 v2 i2s Nel nostro caso, con semplici calcoli si ottiene la seguente rappresentazione: i1 1/1500 −1/3000 −1/300 v1 = + i2 v2 −1/3000 1/1500 −1/300 (18) Ricordando che le relazioni costitutive dei condensatori sono (con la convenzione nonnormale): (19) i1 = −C1 v̇1 , i2 = −C2 v̇2 6 Fig. 3: Doppio-bipolo adinamico associato al circuito di Fig. 2. e sostituendo le stesse in (18), dopo aver eseguito qualche facile operazione, trovo le equazioni di stato rappresentate dalle seguenti matrici: 4 −2000/3 1000/3 10 /3 . (20) A= , B ū = 104 /3 1000/3 −2000/3 Vediamo ora di trovare la soluzione di questa equazione differenziale, con condizione iniziale data x(0). Troviamo innanzi tutto gli autovalori e gli autovettori della matrice A. per far ciò, si deve risolvere l’equazione: det[sI − A] = s2 + I due autovalori sono: 4000 3 × 106 s+ = 0. 3 9 s1 = −1000 . s2 = −1000/3 (21) (22) Il primo autovettore destro deve soddisfare all’equazione: [s1 I − A] x1 = 0, da cui si ottiene lo spazio lineare rappresentato da: 1 x1 = . −1 (23) (24) Il secondo autovettore è ottenuto dall’equazione: [s2 I − A] x2 = 0, da cui si ottiene lo spazio lineare rappresentato da: 1 x2 = . 1 7 (25) (26) Sapendo che: −1 A = S Adiag S = 1 1 −1 1 e che: At e =S −1000 0 0 −1000/3 0 e−1000 t 0 e−1000/3 t 1/2 −1/2 1/2 1/2 , (27) S−1 , si trova l’espressione dell’esponenziale della matrice A: −1000 t −1000 t −e + e−1000/3 t /2 + e−1000/3 t /2 e eA t = . −1000 t −e−1000 t + e−1000/3 t /2 e + e−1000/3 t /2 (28) (29) Possiamo ora considerare la presenza della sorgente costante di tensione. La soluzione particolare, o similare, o di regime, si trova facilmente considerando degli aperti i condensatori. Le tensioni che vedo alle porte del doppio-bipolo adinamico sono: p v1 (t) 10 p x (t) = = . (30) v2p (t) 10 La soluzione generale è allora: v1 (0) v1 (t) 10 10 At x(t) = = e − + . v2 (t) v2 (0) 10 10 (31) Un altro metodo, per trovare la soluzione generale, consiste nell’esprimere il vettore di stato come combinazione lineare pesata degli autovettori e della soluzione particolare. Si ha quindi: 1 1 v1 (t) 10 −1000 t −1000/3 t = k1 e + k2 e + , (32) v2 (t) −1 1 10 dove le costante k1 , k2 ∈ R dipendono dalle condizioni iniziali. Pertanto, per t = 0, si deve risolvere il seguente sistema in k1 e k2 : v1 (0) − v2 (0) 2 ⇒ . v1 (0) + v2 (0) − 20 v2 (0) = −k1 + k2 + 10 k2 = 2 k1 = v1 (0) = k1 + k2 + 10 (33) Come si vede con una veloce sostituzione, e come deve essere, la soluzione trovata è identica alla precedente. 8 3 Circuito del II ordine nel tempo (pk ∈ C) Consideriamo il seguente circuito lineare, tempo-invariante, dinamico e autonomo, dal momento che le due sorgenti indipendenti sono costanti: Fig. 4: Circuito dinamico del II ordine. Notiamo che è un circuito del secondo ordine, dove le due candidate a diventare variabili di stato, la tensione sul condensatore e la corrente dell’induttanza, sono manifestatamente indipendenti. L’equazione di stato del circuito dovrà assumere la forma: ẋ(t) = Ax(t) + Bū (34) dove x(t) ∈ Rn , A è una matrice di dimensione [n × n], B è un vettore [n × k] e ū è un vettore [k × 1] che rappresenta le k sorgenti del circuito. In questo caso n = k = 2, mentre il vettore di stato è: i1 (t) . (35) x(t)= v2 (t) Per la scrittura dell’equazione di stato, usiamo il metodo dei ”Componenti Complementari”. A tal fine, consideriamo il doppio bipolo adinamico (resistivo) di Fig. 5. La rappresentazione esplicita del doppio bipolo adinamico, da adottare nel caso di un condensatore e di un induttore, è la rappresentazione ibrida, espressa come: h11 h21 i1 v1s v1 = + (36) i2 h12 h22 v2 i2s Nel nostro caso, con semplici calcoli si ottiene la seguente rappresentazione: v1 9 0.9 10 i1 = + i2 v2 −0.9 0.019 0.05 (37) Ricordando che le relazioni costitutive dei condensatori sono (con la convenzione nonnormale): (38) v1 = −L1 i̇1 , i2 = −C2 v̇2 9 Fig. 5: Doppio-bipolo adinamico associato al circuito di Fig. 4. e sostituendo le stesse in (37), dopo aver eseguito qualche facile operazione, trovo le equazioni di stato rappresentate dalle seguenti matrici: −9 −0.9 −10 A= , B ū = . (39) 900 −19 −50 Vediamo ora di trovare la soluzione di questa equazione differenziale, con condizione iniziale data x(0). Troviamo innanzi tutto gli autovalori e gli autovettori della matrice A. per far ciò, si deve risolvere l’equazione: det[sI − A] = s2 + 28 s + 981 = 0. I due autovalori complessi coniugati sono: s1 = −14 + 28j s2 = −14 − 28j (= s∗1 ) . (40) (41) Il primo autovettore destro deve soddisfare all’equazione: [s1 I − A] x1 = 0, da cui si ottiene lo spazio lineare rappresentato da: 0.032 ej2.96 −0.03 + 0.0056j . = x1 = 0.9995j 0.9995 ejπ/2 (42) (43) Il secondo autovettore è ottenuto dall’equazione: [s2 I − A] x2 = 0, 10 (44) da cui si ottiene lo spazio lineare coniugato rappresentato da: 0.032 e−j2.96 −0.03 − 0.0056j = x2 = −0.9995j 0.9995 e−jπ/2 (= x∗1 ). (45) Sapendo che: A = S Adiag S−1 = = 0.032 ej2.96 0.032 e−j2.96 0.9995 ejπ/2 0.9995 e−jπ/2 −14 + 28j 0 0 −14 − 28j e che: eA t = S −16.07 0.5e−j1.39 −16.07 e(−14+28j)t 0 (−14−28j) t e 0 0.5ej1.39 , (46) S−1 , si trova l’espressione di eA t : −1.03 e−14t cos(28t + 2.96) 0.032e−14t cos(28t + 1.57) eA t = −32.12 e−14t cos(28t + 1.57) 0.9995e−14t cos(28t + 0.18) (47) (48) Come si vede, il calcolo in forma chiusa dell’esponenziale di matrice è abbastanza lungo e laborioso in presenza di autovalori complessi e coniugati. Possiamo ora considerare la presenza della sorgente costante di tensione. La soluzione particolare, o similare, o di regime, si trova facilmente applicando il principio di sovrapposizione degli effetti, dopo aver aperto il condensatore e cortocircuitata l’induttanza. La corrente che vedo alla prima porta del doppio-bipolo adinamico e la tensione alla seconda porta sono: p −0.145 i1 (t) p = . (49) x (t) = −9.45 v2p (t) La soluzione generale è allora: −0.145 −0.145 i1 (0) i1 (t) At = e − + . x(t) = −9.45 −9.45 v2 (t) v2 (0) (50) Un altro metodo più rapido, per trovare la soluzione generale, consiste nell’esprimere il vettore di stato come combinazione lineare pesata degli autovettori e della soluzione 11 particolare. Si ha quindi: i1 (t) −0.03 + 0.0056j = k e(−14+28j)t + v2 (t) 0.9995j +k ∗ e(−14−28j) t −0.03 − 0.0056j = 2 × k e(−14+28j)t = |k|e−14t 0.032 ej2.96 + −0.9995j 1.999 cos(28t + 1.57 + ϕk ) + 0.9995ejπ/2 −9.45 0.064 cos(28t + 2.96 + ϕk ) −0.145 −9.45 + −0.145 −0.145 −9.45 = (51) , (52) dove la costante k = kr + j ki = |k| ejϕk dipende dalle condizioni iniziali. Pertanto, per t = 0, si deve risolvere il seguente sistema in k: i1 (0) = 2 × {k (−0.03 + 0.0056j)} − 0.145 . (53) v2 (0) = 2 × {k (0.9995j)} − 9.45 Si ottiene pertanto: i1 (0) = −0.06kr − 0.011ki − 0.145 v2 (0) = −1.999ki − 9.45 −9.45 − v2 (0) 1.999 , ⇒ −i1 (0) − 0.06ki − 0.145 kr = 0.02 ki = da cui si ricavano il modulo e la fase della costante k. 12 (54) 4 Circuito del II ordine con Laplace Consideriamo il seguente circuito lineare, tempo-invariante, dinamico e autonomo, dal momento che l’unica sorgente indipendente (di tensione) è costante: Fig. 6: Circuito dinamico del II ordine. Trasformiamo il circuito con Laplace estraendo le condizioni iniziali dai componenti dinamici, mettendo il valore di impedenza accanto a ogni componente (i componenti dinamici sono considerati inizialmente scarichi) e considerando le trasformate delle forme d’onda delle sorgenti indipendenti. Otteniamo il seguente circuito: Fig. 7: Circuito di Fig. 6 trasformato con Laplace. Il circuito può essere ora risolto nel dominio della trasformata di Laplace, scrivendo 13 dunque un sistema algebrico di equazioni nella variabile s. Formalmente, è come se fosse un circuito resistivo in continua. Scriviamo, quindi, un sistema completo e indipendente di equazioni applicando il metodo nodale puro. Notiamo che tutti i componenti sono controllati in tensione, dal momento che ogni generatore di tensione ha in serie una impedenza. Il sistema di 3 equazioni in 3 incognite è il seguente: V (s) − V1 (s) V (s) − 10/s V (s) − V2 (s) + + =0 10 10 10 V (s) − V (s) i (0) V (s) 1 L 1 =0 + + , (55) 10 s sL1 V2 (s) − V (s) V2 (s) − vC (0)/s =0 + 10 1/sc1 da cui si ottiene, eliminando V (s): 2 (15 + sL1 ) 10 30iL (0) + V2 (s) [−1] = − V1 (s) sL1 s s . 10 + sL1 1 + s10C2 iL (0) V1 (s) − + V2 (s) = + C2 vC (0) 10sL1 10 s Risolvendo V1 (s) = V2 (s) = (56) il sistema di 2 equazioni in 2 incognite, troviamo che: 1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)] s2 + 65s + 1000 (15 + s) (1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) 1000 + . (57) s (s2 + 65s + 1000) 30iL (0) − 10 + s 500 Da V1 (s) si ricava la corrente IL (s) nell’induttanza scarica: IL (s) = 1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)] V1 (s) = 500 . sL s (s2 + 65s + 1000) (58) Aggiungendo le condizioni iniziali, si ottiene infine: iL (0) 1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)] = 500 + s s (s2 + 65s + 1000) iL (0) + . s (59) Da V2 (s) si ricava direttamente la tensione sul condensatore carico: IL (s) = IL (s) + VC (s) = V2 (s) = VC (s) + 30iL (0) − 10 s (60) Notiamo che la tensione VC (s) è già comprensiva della tensione iniziale sul condensatore. Notiamo inoltre che non è conveniente procedere alla somma dei termini in IL (s) e VC (s) per ottenere un’unica frazione, dal momento che dovremo poi procedere alla scomposizione delle funzioni stesse per l’operazione di antitrasformazione. 14 Ora possiamo antitrasformare le due funzioni complesse IL (s) e VC (s) per ottenere le relative funzioni nel dominio del tempo iL (t) e vC (t). Innanzi tutto, dobbiamo trovare i poli del denominatore di IL (s) e VC (s). Si ha che: s2 + 65s + 1000 = 0 ⇒ s1 = −40 , s2 = −25 da cui, scomponendo IL (s) e VC (s) nella somma di frazioni parziali, si ottiene: A B C iL (0) + + + IL (s) = s + 25! s + 40" s s IL (s) . B C A 30iL (0) − 10 + + VC (s) = + s s + 25 s + 40 s ! " VC (s) (61) (62) Applicando il metodo dei residui, possiamo calcolare le costanti A, B, C, A , B e C nel modo seguente: A = lim sIL (s) = s→0 1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)] lim 500 = s2 + 65s + 1000 s→0 0.5 (1 − 2iL (0)) B = lim (s + 25)IL (s) = s → −25 1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)] = lim 500 s (s + 40) s → −25 −1.333 (1 − 2iL (0) − 25 [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) C = lim (s + 40)IL (s) = s → −40 1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)] = lim 500 s (s + 25) s → −40 0.833 (1 − 2iL (0) − 40 [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) 15 (63) A = lim sVC (s) = s→0 (15 + s) (1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) lim 1000 = s2 + 65s + 1000 s→0 15 (1 − 2iL (0)) B = lim (s + 25)VC (s) = s → −25 (15 + s) (1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) lim 1000 = s (s + 40) s → −25 26.666 (1 − 2iL (0) − 25 [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) lim (s + 40)VC (s) = s → −40 (15 + s) (1 − 2iL (0) + s [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) lim 1000 = s (s + 25) s → −40 −41.666 (1 − 2iL (0) − 40 [10−2 + 10−3 vC (0) − 3 × 10−2 iL (0)]) (64) Le rispettive funzioni nel dominio del tempo sono infine: C = iL (t) = (A + iL (0) + Be−25t + Ce−40t ) u(t) A vC (t) = (A + 30iL (0) − 10 + B e−25t + C e−40t ) u(t) V 16 (65)