TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Podobné dokumenty
Matematika B101MA1, B101MA2

0.1 Úvod do lineární algebry

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

Soustavy lineárních rovnic

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

0.1 Úvod do lineární algebry

ČTVERCOVÉ MATICE. Čtvercová matice je taková matice, kde počet řádků je roven počtu jejích sloupců. det(a) značíme determinant čtvercové matice A

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Determinanty. Obsah. Aplikovaná matematika I. Pierre Simon de Laplace. Definice determinantu. Laplaceův rozvoj Vlastnosti determinantu.

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Soustavy lineárních rovnic

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

Uspořádanou n-tici reálných čísel nazveme aritmetický vektor (vektor), ā = (a 1, a 2,..., a n ). Čísla a 1, a 2,..., a n se nazývají složky vektoru

1 Vektorové prostory.

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

Matematika 1 MA1. 2 Determinant. 3 Adjungovaná matice. 4 Cramerovo pravidlo. 11. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 29

Matematika 2 pro PEF PaE

Čtvercové matice. Čtvercová matice je taková matice, jejíž počet řádků je roven počtu jejích sloupců

Operace s maticemi. 19. února 2018

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

1 Řešení soustav lineárních rovnic

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

Soustavy linea rnı ch rovnic

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Kapitola 11: Vektory a matice:

1 Determinanty a inverzní matice

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

Numerické metody a programování

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Cvičení z Lineární algebry 1

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

Fyzika I. Obvody. Petr Sadovský. ÚFYZ FEKT VUT v Brně. Fyzika I. p. 1/36

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Číselné vektory, matice, determinanty

JčU - Cvičení z matematiky pro zemědělské obory (doc. RNDr. Nýdl, CSc & spol.) Minitest MT4

a + b + c = 2 b + c = 1 a b = a 1 2a 1 + a a 3 + a 5 + 2a 2 + a 2 + a

KTE / PPEL Počítačová podpora v elektrotechnice

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

12. Determinanty. 12. Determinanty p. 1/25

Co je obsahem numerických metod?

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

Příklad: Řešte soustavu lineárních algebraických rovnic 10x 1 + 5x 2 +70x 3 + 5x 4 + 5x 5 = 275 2x 1 + 7x 2 + 6x 3 + 9x 4 + 6x 5 = 100 8x 1 + 9x 2 +

SOUČIN MATIC A m n B n p = C m p, přičemž: a i1 b 1j +a i2 b 2j + +a in b nj = c ij, i=1 m, j=1 p. Např: (-2) = -3

Univerzitní licence MATLABu. Pište mail na: se žádostí o nejnovější licenci MATLABu.

2. Lineární algebra 2A. Matice a maticové operace. 2. Lineární algebra

Úvodní informace Soustavy lineárních rovnic. 12. února 2018

Numerické metody a programování. Lekce 4

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

MATEMATIKA PRO PŘÍRODNÍ VĚDY LINEÁRNÍ ALGEBRA, DIFERENCIÁLNÍ POČET MPV, LADP TUL, ZS 2009/10

8 Matice a determinanty

Determinant matice řádu 5 budeme počítat opakovaným použitím rozvoje determinantu podle vybraného řádku nebo sloupce. Aby byl náš výpočet

Základy matematiky pro FEK

Operace s maticemi

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

1 Soustavy lineárních rovnic

Matematika I pracovní listy

1. LINEÁRNÍ ALGEBRA Vektory Operace s vektory... 8 Úlohy k samostatnému řešení... 8

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ROVNIC

12. Elektrotechnika 1 Stejnosměrné obvody Kirchhoffovy zákony

AVDAT Vektory a matice

10. DETERMINANTY " # $!

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Výpočet napětí malé elektrické sítě

IB112 Základy matematiky

2. Určete jádro KerL zobrazení L, tj. nalezněte alespoň jednu jeho bázi a určete jeho dimenzi.

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

4. Trojúhelníkový rozklad p. 1/20

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

Základy matematiky pro FEK

Hisab al-džebr val-muqabala ( Věda o redukci a vzájemném rušení ) Muhammada ibn Músá al-chvárizmího (790? - 850?, Chiva, Bagdád),

Determinanty. Determinanty. Přednáška MATEMATIKA č. 3. Jiří Neubauer

[1] Determinant. det A = 0 pro singulární matici, det A 0 pro regulární matici

Řešené úlohy z Úvodu do algebry 1

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_344

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Vybrané kapitoly z matematiky

9 Kolmost vektorových podprostorů

Transkript:

TECHNCKÁ NVEZTA V LBEC Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Základy spojitého řízení Analýza elektrického obvodu čební text Josef J a n e č e k Liberec 010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/..00/07.07) eflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTEÝ JE SPOLFNANCOVÁN EVOPSKÝM SOCÁLNÍM FONEM A STÁTNÍM OZPOČTEM ČESKÉ EPBLKY

Analýza elektrického obvodu Většina metod analýzy elektrických obvodů se opírá o tzv. Kirchhoffovy zákony. ovnice popisující elektrický obvod lze snadno získat přímou aplikací těchto zákonů. 1. Kirchhoffův zákon (proudový) je speciálním případem rovnice kontinuity. Algebraický součet proudů ve větvích spojených v libovolném uzlu je roven nule i (t) 0 k k Obvykle uvažujeme, že proudy tekoucí do uzlu mají znaménko plus a proudy tekoucí z uzlu pak znaménko minus.. Kirchhoffův zákon (napěťový) algebraický součet všech napětí ve větvích tvořících libovolnou smyčku je roven nule u (t) 0 k k Napětí orientované souhlasně se smyčkou uvažujeme jako kladné, napětí orientované opačně jako záporné. Metoda smyčkových proudů vychází z druhého Kirchhoffova zákona. Neznámými jsou fiktivní (myšlené) smyčkové proudy, které uvažujeme v nezávislých smyčkách analyzovaného obvodu. Tyto proudy automaticky splňují první (proudový) Kirchhoffův zákon. Aplikace této metody viz příklad. Metoda vede v obecném případě k řešení velkého počtu rovnic s mnoha neznámými. Řešení i rozsáhlejší soustavy rovnic je bez použití výpočetní techniky složité a velmi pracné. Programové prostředí MATLAB je vhodné pro řešení takovýchto typů úloh. Nabízí řadu užitečných maticových funkcí v uživatelsky příjemného tvaru, které nám umožňují snadno tyto úlohy řešit bez nutnosti programování složitých cyklických operací. ZS - Analýza elektrického obvodu

Příklad Vypočítejte velikost všech neznámých proudů a napětí v obvodu podle obr. 1. Jsou zadány hodnoty odporů jednotlivých rezistorů 1 Ω, 0 Ω, Ω, 1 Ω, Ω a 10 Ω a napětí stejnosměrných zdrojů 1 V, V, 1 V a V. 1 1 1 S1 S S Řešení Obr. 1 : Schéma zapojení elektrického obvodu Příklad budeme řešit metodou smyčkových proudů. Jako neznámé zavedeme např. smyčkové proudy S1, S a S v jednotlivých nezávislých smyčkách (viz obr.1). Směr proudu vyznačený šipkami (přesněji smysl ) můžeme volit libovolně, stejně tak i odhadnuté směry proudů jednotlivých rezistorů. K sestavení rovnic použijeme druhý Kirchhoffův zákon s tím, že napětí na rezistorech se rovnají podle Ohmova zákona součinu jejich odporu a protékajícího proudu a po úpravě 1 S1 1 (S1 S) (S1 S) 0 S (S S1 ) (S S) 0 ( ) ( ) S S1 S S S 0 ( 1 )S1 S S 1 S1 ( )S S S1 S ( )S Po zadání konkrétních hodnot jednotlivých rezistorů a napěťových zdrojů dostáváme tři rovnice pro tři neznámé smyčkové proudy. Vyřešením této soustavy rovnic vypočítáme jejich konkrétní hodnoty, ze kterých pak snadno vyjádříme proudy, které protékají jednotlivými rezistory a jejich napětí. ZS - Analýza elektrického obvodu

1. Řešení úlohy matematickými prostředky v maticovém tvaru Výše uvedenou soustavu lineárních algebraických rovnic zapíšeme v maticovém tvaru 1 S S S1 1 a dosadíme konkrétní hodnoty dle zadání 9 0 1 1 S S S1 Pro řešení soustavy v tomto tvaru využijeme s výhodou prostředky lineární algebry. Označíme-li matici soustavy symbolem A, vektor neznámých smyčkových proudů S a vektor pravých stran b, lze vyjádřit uvedenou soustavu rovnic ve tvaru A S b a její řešení S A -1 b, A -1... inverzní matice k matici A 9,, 0 1 1 S S S1 S b A ZS - Analýza elektrického obvodu 0,0 0,01 0,0 0,01 0,0 0,00 0,0 0,00 0,0 1 A (poznámka k výpočtu A -1 viz dále) Poznámka k řešitelnosti uvedené soustavy rovnic Řešitelnost soustavy lineárních rovnic je určena tzv. Frobeniovou větou. Soustava má řešení tehdy a jenom tehdy, pokud hodnost h S matice soustavy A, v tomto případě 0 1 1 hod hod h S A a hodnost h rozšířené matice soustavy A [A, b], zde 9 0 1 1 hod hod h A

jsou shodné. Podmínka h S h je splněna, soustava tedy řešení má. Pokud by h S h, uvažovaná soustava by řešení neměla. Jestliže dále h S h n, kde n je počet neznámých (zde n ), existuje řešení jediné. Pokud však h S h n existuje mnoho řešení. V našem konkrétním případě tedy řešení existuje a je jediné. Řešení soustavy algebraických rovnic Často používaným efektivním způsobem je aplikace tzv. Cramerova pravidla. Jestliže matice soustavy A má plnou hodnost (je regulární, její determinant je nenulový), má soustava jednoznačné řešení, které můžeme postupně pro jednotlivé proměnné vyjádřit jako podíl i /, kde det A a i je determinant matice, která vznikne z matice A záměnou i-tého sloupce sloupcem pravých stran rovnic b. 1 det A 110 1 0 1 9 0 0 110 110 1 1 S1 S 1 1 9 110 110 0 9 100 110 00 110 S 0,0 A 0,1 A 0, A Proudy v jednotlivých větvích pak jsou 1 S1 0,0 A S 0,1 A S1 S 0,0 0,1 0,9 A S S1 0, 0,0 0,07A S S 0,1 0, 0,10A 0, A S ZS - Analýza elektrického obvodu

Napětí na jednotlivých rezistorech vypočteme pomocí Ohmova zákona 1 1 1 0,0,V 0 0,1,700V 0,9,97V 1 ( 0,07) 0,10V ( 0,10),00V 10 0,,0V Záporná znaménka u proudů a jsou způsobena opačnou volbou orientace jejich působení (špatně původně odhadnutý směr proudových šipek) ve schématu. Z toho vychází i orientace napětí a. Poznámka k výpočtu inverzní matice nverzní matice A -1 je taková čtvercová matice, pro kterou platí A -1 A A A - 1 E, kde E je jednotková matice (jedničky na hlavní diagonále, ostatní prvky nulové). Pro každou čtvercovou regulární matici A (det A 0) existuje právě jediná A -1 adj A / det A. Matice adj A je tzv. adjungovaná matice, je sestavená z algebraických doplňků matice A (prvek na pozici (i, j) této matice dostaneme jako determinant matice vzniklé vypuštěním i-tého řádku a j-tého sloupce transponované matice A T vynásobený koeficientem ( 1) ij ). V našem případě 9 1 1 adj A 1 det A 110 1 0 0,0 0,00 0,0 1 adj A A 0,00 0,0 0,01, det A 0,0 0,01 0,0 Výpočet inverzní matice pro nejčastější případ rozměru matice je proto zcela triviální (záměna prvků ležících na hlavní diagonále a inverze znaménka prvků ostatních, vše děleno determinantem). eterminant čtvercových matic rozměru a je možné vyjádřit tzv. Sarrusovým pravidlem. Sarrusovo pravidlo však neplatí(!) pro matice s větším počtem řádků (a sloupců), pro výpočet jejich determinantů je nutné použít rozvoj podle libovolného řádku nebo sloupce. nverzní matici lze vypočítat i jiným než výše uvedeným způsobem (často tzv. Gaussovou eliminací). ZS - Analýza elektrického obvodu

. Řešení úlohy v prostředí MATLABu S použitím standardních funkcí MATLABu lze maticovou rovnici A S b velmi snadno vyřešit. Řešení hledáme ve tvaru S A -1 b, tedy jako násobení (zleva!) vektoru b inverzní maticí A -1. Alternativou je i tzv. dělení zleva S A \ b, které MATLAB nabízí. Jedná se však pouze o formální variantu téhož v jiném syntaktickém zápisu. (Podle názoru autora tohoto textu je toto označení poněkud zavádějící, v matematice neexistuje dělení maticí nebo vektorem, pouze násobení maticí inverzní. V tomto smyslu je i tato matlabovská funkce konstruována, vychází pouze vstříc uživatelům, pro které je tento syntaktický zápis přijatelnější.) Obr.. : vě různé varianty řešení v MATLABu S výhodou lze řešení úkolu zapsat do skriptu, který je pak možné opakovaně volat. Jednoduchým způsobem je tak možné provést analýzu obvodu pro různé hodnoty zadaných parametrů. Příklad možného skriptu je na obr.. vedený skript je rozdělen na několik částí. V první části jsou zadávány hodnoty odporů jednotlivých rezistorů a napětí stejnosměrných zdrojů. V druhé části je proveden vlastní výpočet. Pomocí příkazu disp je realizován výstup textu na obrazovku. % Vypocet napetovych a proudovych pomeru pomoci smyckovych proudu % Aplikace Kirchhoffovych zakonu clear all, close all, clc format compact, format short disp(' Vypocet napetovych a proudovych pomeru v elektrickem obvodu') disp(' Aplikace Kirchhoffovych zakonu metoda smyckovych proudu ') disp(' Parametry obvodu ') ZS - Analýza elektrického obvodu 7

% Zadane parametry obvodu 1, 0,, 1,, 10 disp('************ ') 1,, 1, % Naplneni matic soustavy % matice soustavy A[1, -, -; -,, -; -, -, ]; % vektor pravych stran b[-1; -; ]; % eseni soustavy rovnic sinv(a)*b; disp(' Vypoctene hodnoty :') 1s(1), -s(), s(1)-s(), -s(1)s() s()-s(), s() disp('************ ') 11*1, *, *, *, *, * disp(' Konec prikladu') Obr. : Příklad možného skriptu Stručné shrnutí, hlavní zásady Při práci v MATLABu rozlišujeme malá a velká písmena. Jednotlivé příkazy jsou odděleny čárkou, středníkem nebo novým řádkem. Středník potlačuje zobrazení vypočtených hodnot na obrazovce počítače. Prvky matice se zadávají do hranatých závorek po řádcích, jednotlivé prvky jsou na řádku odděleny mezerou nebo čárkou, řádky jsou navzájem odděleny středníkem. Chceme-li opakovat výpočet a případně také měnit vstupní parametry, je vhodné pro tyto účely vytvořit skript. Pro řešení soustavy lineárních algebraických rovnic je vhodné její maticové vyjádření. Řešitelnost soustavy lineárních algebraických rovnic je určena tzv. Frobeniovou větou. Často používaným způsobem řešení soustavy lineárních algebraických rovnic je použití Cramerova pravidla. ZS - Analýza elektrického obvodu

Otázky a úkoly o Jak se změní proud 1 rezistorem 1 jestliže se změní jeho odpor na polovinu? o Jak se změní napětí 1 při této změně? o Jak se změní výkonové zatížení tohoto rezistoru? o Sledujte všechny tyto změny jestliže se odpor rezistoru 1 mění v rozsahu 1 až 10 Ω. Závislosti vyjádřete tabulkou a grafem. o Vyšetřete, jak se změní poměry v obvodu, jestliže dojde k přerušení rezistoru. o Vyšetřete, jak se změní poměry v obvodu, jestliže se odpory všech rezistorů změní na polovinu. o Jak se změní proudy v obvodu, jestliže se změní všechna napájecí napětí na dvojnásobek? Ověřte váš předpoklad. o Klaďte si podobné otázky a váš předpoklad vždy ověřte výpočtem. o ealizujte obvod s reálnými rezistory a srovnejte teoretický výpočet s měřením. o Aplikujte výše popsaný přístup na jiný elektrický obvod. JaJ, TL FM MT Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/..00/07.07 eflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. ZS - Analýza elektrického obvodu 9