Кіріспе

Басқару жүйелері теориясында, 1930 жылдары Николай Митрофанович Крылов және Николай Боголюбов әзірлеген, ал Ральф Коченбургер кеңейткен функцияны сипаттау (DF) әдісі – белгілі бір сызықтық емес басқару мәселелерін талдауға арналған шамамен есептеу әдісі. Ол квази-сызықтылыққа негізделген, яғни зертенетін сызықтық емес жүйенің кіріс толқын формасының амплитудасына байланысты сызықтық уақыт инварианты (LTI) беру функциясымен жуықтауы. Белгілі бір анықтама бойынша, нақты LTI жүйесінің беру функциясы кіріс функциясының амплитудасына тәуелді болмайды, себебі LTI жүйесі сызықтық қасиетке ие. Осылайша, амплитудаға тәуелділік сызықтық емес жүйенің ерекше мінез-құлқының маңызды ерекшеліктерін анықтауға бағытталған сызықтық жүйелер отбасын құрайды. Функцияны сипаттау – сызықтық емес жүйелерді жобалаудың аз ғана кеңінен қолданылатын әдістерінің бірі және өнеркәсіптік процестерді басқару, сервомеханизмдер және электрондық осцилляторлар сияқты жабық циклді басқару құрылғыларындағы шекті циклдерді талдау үшін стандартты математикалық құрал ретінде кеңінен қолданылады.

Әдіс

Үздіксіз емес (бірақ бөлікше-үздіксіз) сызықтық емес кері байланыс (мысалы, қанығу күшейткіші немесе өлі аймақ әсері бар элемент) баяу, тұрақты сызықтық жүйемен каскадталған кезде қарастырылады. Сызықтық емес элементке кері байланыс ұсынылатын үздіксіз аймақ сызықтық жүйенің шығысының амплитудасына байланысты. Сызықтық жүйенің шығыс амплитудасы төмендегенде, сызықтық емес элемент басқа бір үздіксіз аймаққа өтуі мүмкін. Мұндай бір үздіксіз аймақтан екіншісіне ауысу мерзімді тербелістерді тудыруы мүмкін. Функцияны сипаттау әдісі, баяу жүйенің барлық энергияны бір жиілікке шоғырландыратын төмен өткізгіш немесе жолақты өткізгіш сүзгі сияқты әрекет етеді деп есептеу арқылы осы тербелістердің сипаттамаларын (мысалы, негізгі жиілігін) болжауға тырысады. Шығыс толқыны бірнеше режимге ие болса да, бұл әдіс жиілік және мүмкін амплитуда сияқты қасиеттер туралы түсінік бере алады; осы жағдайда функцияны сипаттау әдісі кері байланыс жүйесінің сырғалмалы режимін сипаттау ретінде қарастырылуы мүмкін. Бұл төмен өткізгіш ережесін пайдаланып, жүйе жауабы синусоидалық толқын формаларының бір отбасымен сипатталуы мүмкін; осы жағдайда жүйе синустық кіріс сипаттамалық функциясы (SIDF) арқылы сипатталады, ол A амплитудасы және жиілігі бар синусоидалық толқыннан тұратын кіріске жүйе жауабын береді. Бұл SIDF – сызықтық жүйелерді сипаттау үшін қолданылатын трансферт функциясының модификациясы. Квазисызықтық жүйеде кіріс синусоидалық толқын болған кезде, шығыс сол жиіліктегі синусоидалық толқын болады, бірақ масштабталған амплитудамен және фазалық ығысымен беріледі. Көптеген жүйелер шамамен квазисызықтық болып табылады, себебі кіріске жауап таза синусоидалық толқын болмаса да, шығыстағы энергияның көп бөлігі кіріс жиілігімен сәйкес келеді. Бұл жүйелердің ішкі төмен өткізгіш немесе жолақты өткізгіш қасиеттері болуынан, гармоникалардың табиғи түрде әлсіреуінен немесе осы мақсатта сыртқы сүзгілердің қосылуынан туындауы мүмкін. SIDF техникасының маңызды қолданысы – синусоидалық электронды осцилляторлардағы тербеліс амплитудасын бағалау. Деңгейлік кіріс және Гаусс шуы кірісі үшін DF сияқты функцияларды сипаттаудың басқа түрлері де қолданылады. Жүйенің толық сипаттамасы болмаса да, DF көбінесе басқару және тұрақтылық туралы нақты сұрақтарға жауап беруге жеткілікті. DF әдістері салыстырмалы түрде әлсіз сызықтықсыз жүйелерді талдау үшін ең қолайлы. Сонымен қатар, жоғары реттік синусоидалық кіріс сипаттамалық функциялары (HOSIDF) синусоидалық кірістің кіріс жиілігінің гармоникаларындағы сызықтық емес жүйелер класының жауабын сипаттайды. HOSIDF – жауабында сызықтық емес ерекшеліктері маңызды жүйелер үшін SIDF-тің кеңейтілген түрі.

Қақпақтар

Функцияны сипаттау әдісі жүйелердің кең класы үшін лайықты дәлдікте нәтижелер бере алса да, кейбіреулері үшін мүлдем дұрыс емес болуы мүмкін. Мысалы, егер жүйе сызықтық емес функцияның жоғары гармоникаларын күшейтсе, әдіс сәтсіздікке ұшырауы мүмкін. Мұндай мысалдарды Цыпкин банг-банг жүйелері үшін келтірген. Осыған ұқсас мысал – бұл Шмитт триггерінен кейін келетін инверттеуші интегратордан тұратын, және интегратордың шығысы Шмитт триггерінің кірісіне кері байланыс беретін жабық циклді осциллятор. Шмитт триггерінің шығысы тіктөртбұрышты толқын болады, ал интегратордың (одан кейін) шығысы үшбұрышты толқын болады, оның шыңдары тіктөртбұрышты толқынның өзгеруімен сәйкес келеді. Осы екі осциллятор сатысының әрқайсысы сигналды шамамен 90 градусқа қалыптастырады (өзінің кірісіне қатысты). Егер осы тізбекке DF-талдау жүргізсек, Шмитт триггерінің кірісіндегі үшбұрышты толқын негізгі (синус толқынымен) алмастырылады, ол триггерден өту кезінде 90 градустан кем фазалық өзгеріске әкеледі (өйткені синус толқыны үшбұрышты толқынға қарағанда ертерек іске қосылады), сондықтан жүйе сол (жай) тәсілде тербелмейтіндей болады. Сонымен қатар, егер Айзерманның немесе Калманның болжамдарына сәйкес жағдайлар орындалса, функцияны сипаттау әдісімен периодтық шешімдер жоқ, бірақ жасырылған периодтық тартымдылықтары бар қарсы мысалдар белгілі. Функцияны сипаттау әдісіне қарсы мысалдарды үзіліссіз динамикалық жүйелер үшін құрастыруға болады, егер тынығу сегменті болжамдалған шекті циклдарды жойса. Сондықтан функцияны сипаттау әдісін қолдану үшін қосымша негіздеме қажет.