Lineer Olmayan Elektrik Devrelerinde Optimum Dinamik

UDK: 621,8.028
LineerOlmayan Elektrik Devrelerinde Optimum Dinamik Kararlılık
yazan:
Necdet ŞEN
Enek. Y. Müh.
ÖZET:
SUMMARY:
Dinamik bir sistemin kurulması ve çalış
masında karşılaşılan en önemli problem, sis
tem performansının en iyi olmast ve bu du
rumda kararlı kalabilmesidir. Bu yazıda genel
koşullardaki bir sistemin optimum dinamik
kararlılığı için gerekli matematik bağıntılar
araştırılmıştır. Lineerolmayan BLCM devrele
ri örnek olarak alınmış ve kanonik vektör
matris sistem denklemleri fonksiyonel bi
çimde yapılmıştır. Yeni bir tip Liapunov
Fonksiyonati tanımlanarak Pontryagin ve Ha
milton Jacobi Denklemleri devrenin kapalı
çevre modelinin optimum kararlılığı araştı
rılmıştır.
in the desing and operation of a dynami
cal system, the most important problem is
the optimum system performance whllst ma
intaining system •stabüity. The author in
vestigated the necessary mathematical rela
tionships for optimum
dynamical
stability
under general conditUms. A non linear BLCM
netıoork is given as an example and, the cano
nical matrix vector equations are presented
in functional from. A nem type of Liapunov
functional has been
devised. Further, the
stability of a closeloop model of a nonhne
ar nettoork is optimized by the Pontryagin
Prindple and Hamilton Jacobi Eguations.
Sembollerin tanıtım sırası:
K
U_
t
D
V
V,
V
W
H,
P
1,2
durum vektörü
kaynak vektörü
türev
zaman
akım ve gerilim kaynakları vektörü
topolojik ağaç dalları ve bağları İl
giyi belirten ve elemanları ± 1,0 olan
topolojik transformasyon matrisi
LJapunov skaler fonksiyonu
skaler potansiyel fonksiyonu
İM vektörün iç çarpımı
gradyen operatörü
L ve C glftTnıı.nin.rımn köşegen mat
risleri köşegen olan matrisleri
Hamilton ve Lagrangian fonksiyon
ları
Raylelgh kayıp fonksiyonu
toplam kayıp fonksiyonu
çarpan vektör (Lagrage çarpanları
vektörü gibi)
topolojik ağacın bağ ve dallarını gös
teren İndisler.
gibi bir diferansiyel denklem ile belirtilebilirler.
Genelleştirilmiş devreler teorisi bakımından x
durum vektörünün bileşenleri, devrenin lineer
grafmdan seçilen normal topolojik ağaçtaki ma
ximum sayıdaki kapasitanslann gerilimleri ve
bu ağacın bağlarındaki masdmum sayıdaki in
düktanslann akımları, u vektörünün bileşenleri
ise, sistemi uyaran bağımsız akım ve gerilim
kaynakları vektörleri olup [1, 2, 3],
ito
(2)
«M
biçimlerinde yazılabilirler, Genel tipten lineer
olmayan bir RLCM devresinin çeşitli biçimlerde
devre denklemlerini geliştirmek mümkündür (Pa
rametrlk Analiz [2, 3], Hamilton Lagrange Jacobi [9] gibi)
Buradaki düşüncemiz dinamik kararlılık du
rumunu ve onun optimumlaştırılması olup, Lia
punov Kararlılık Teoremine devineceğimizden, bu
teoremin dayandığı temel kavram olan enerji dü
şüncesinden hareket edeceğiz [4,5].
Giriş:
Zaman değişkenli lineerolmayan sistemler
genel olarak vektörmatris gösterilimi ile kano
nik biçimde
* = £(«(*).üW )
lfr
(D
Kirchhoff Denklemleri, Potansiyel Fonksiyonu
ve Topolojisi:
Kirdhhoff'un Akım ve Gerilim Postülalann
dan hareketle [1, 2], (3) denklemlerini yazmak
mümkündür.
Mühendisliği 156
(3)
Bu denklanı çok değişkenli bir fonksiyon düşün
cesi ile [8], (4) gibi bir iççarpımın integrali olan
bir skaler fonksiyon olarak yazılabilir.
Moser bu denldemlerl yararken devreyi eleman
ter olarak düşünmüş, ve tünel dlyot devrelerine
uygulamıştı. Gerçekte bu denklemleri geniş ola
rak ele alıp saf kapasltans özçevreleri ve öz
indüktans kesitleri için ve yine bağımlı kaynak
lan da İşe karıştırarak yazmak mümkün olabi
lir. (8) den hareketle (1) tipindeki denklemler
(9) dakl gibi yazılabilir.
(9)
(4)
"Uİıt.*J
Bu bağıntıya dikkat edilirse Moser'in [6] lineer
olmayan devreler için elemanter devre düşünce
siyle klasik biçimde yazdığı (5) deki P ( v c , ' )
potansiyel fonksiyonunun benzeridir.
(5)
k(iı)
O
(10)
burada
O
olarak yazılabilir. Denge konumunun kararlılığı
düşünülerek lineerolmayan bir RLCM devre
sinin potansiyel fonksiyonu
ı
o
(4) ıntegrali ile tanımlanan fonksiyon bir çiz
gizel integral olup yola bağU değildir ve bağım
sız V2 ve ij değişkenleri cinsinden genel olarak
(6) daki gibi yazılabilir.
(6)
Amacımız denge konumundaki kararlılık duru
munu aramak olduğuna göre zorlanmamış bir
sistemde (u = 0) yukardaki potansiyel fonksi
yonu topolojik olarak (7) deki gibi tekrar yazı
labilir.
C1C
0
0
W
y
J
i.
Burada bağımlı kaynaklan pasiv elemanların
akım ve gerilim fonksiyonları ile belirttiğimizi
kabul ediyoruz. (7) denklemlerine dikkat edilirse
akım vektörünün bileşenlerine göre gradyeni
Kirchhoff'un Akım ve Gerilimler Kanunu olarak
ortaya çıkar. Böylece (1) denklemlerine benze
terek kolayca (8) elde edilir.
durumuna gelir. Bu denklemin sag tarafının bi
rinci terimi reaktif elemanların ikinci terimi ise
direnç sınıfından olan (girator, ideal transfor
matör, NIC ve alçak frekans bölgesine küple di
renç elemanları gibi modellendirilen tüb ve tran
sisitorlar) devre elemanlarına aittir. Bu İntegral
terim Hamllton Lagrange dinamlğindeki Ray
leigh kayıp fonksiyonlarının aynıdır (toplam ka
yıp fonksiyonu) [9].
Liapunov Fonksiyonunun Seçilişi [4, 5] :
V (x, t) Liapunov Fonksiyonu skaler bir fonk
siyon olup x.;^0 olmak üzere pozitivdefinit bir
fonksiyondur. V(0) = 0 d i r . Liapunov 2ci meto
duna göre eğer bu fonksiyonun birinci zaman
türevi x^;0 olmak üzere negatif ise (1) deki
gibi tanımlanan dinamik bir sistem aslmptotik
olarak kararlıdır.
Genel tip bir RLCM devresinin u = 0 alına
rak Tellegen Teoremi [11] uygulanırsa devrenin
akım ve gerilimleri arasında (12) deki gibi iç
çarpım bağıntısı elde edilir.
Bu denklem kolayca (13) durumuna getirilebilir*
UfcA
veya
(8)
(13)
Elektrik Mühendisliği 156
17
Bu denklem Hamilton Lagrange Denklemlerin
den bulunabilen sonucun aynıdır* ve
gibi yazılabilir (u = 0 olmak üzere).
^(Kinetik enerji) +
(14)
—(Potansiyel enerji) = — (Toplam kayıplar)
Bu son iki sonuç birbirlerinin aynı olup, denile
bilir ki (13) deki sağ tarafın integrali pozitifde
finlt olduğu zaman bir Liapunov fonksiyonu el
de edilir.
Eğer sistemde bağımsız kaynaklar yoksa ve
•. "(X, t) matrisi pozltifdefinit ise ve yine direnç
lerin •î^rekterlstikleri ile reaktif elemanların de
poladıkla: enerji fonksiyonlarının karekteristik
leri artan fonksiyonlar iseler sisteme tamamen
kararlıdır gözü ile bakılabilir.
Optünumlaştırma [7,12] :
(1) deki gibi tanımlanan bir sistemde u(t)
vektörü, bir kapalıçevre kontrol sisteminin gi
riş, vektörü olsun. Bu, devre düşüncesi ile, 'ba
ğımlı kaynakların var, bağımsızların sıfır ol
ması anlamına gelir (bir osilatör devresi gibi).
Bu durumda sistemin optimumlaştırılması (örne
ğin mlnimumlaştınlması) istenen Liapunov fonk
siyonu,
(15)
Olarak alınmakla
(16)
performans indeksi fonksiyonu olarak yazılabilir.
Diğer taraftan Pontryagin Prensibindeki düşün
ce ile Hamilton Kanonlk Denklemleri
(17)
yazılır; burada
>. V V(x)
abnarak Pontryagin
Ponksiyonu
(18)
biçiminde olup, Hamllton Jacobl denklemlerine
göre
H=0
(19)
yazılarak optimum Liapunov fonksiyonu için (20)
alınabilir,
^ G O { ( ^ >
(20)
böylece (16) için aranılan performans indeksi
fonksiyonu bulunmuş olur. (9) daki devre denk
lemlerini ve (20) deki sonuç birleştirilirse
18
elde edilir. Bu sonuç (16) da yerine konularak
Lagrange tipi performance indeksi elde edilmiş
olur. Problemin buradan sonrası bilinen bir Var
yasyon Hesabı işlemi durumuna gelmektedir.
Sonsöz ve İrdeleme : Optimumlaştırma işle
minde performans İndeksi fonksiyonalı bir Lag
range tipi olarak düşünülmüştür. Daha ileri bir
çalışma olarak hangi durumlarda performans in
deksinin Bolza tipi performans fonksiyonalı
olarak ele alınıp alınamayacağı düşünülebilir. Ve
yine gürültü kaynakları ve bozucu büyüklükle
rin (1) denkleminde alınmış olduğu durumlarda
problemin Stokastlk Optimumlaştırılması yapıla
bilir.
KAYNAKLAR:
1. Bryant, P. R.: Order of Complexity of Elec
trical Netvvorks, Proc. IEE (London), Part
C (105), pp 174188, June 1959.
2. Kuh, E. S. Rohrer, R. A.: The Stata Va
riable Approack to Network Analysis, Proc.
IEEE, Vol. 53, pp. 672 686, july 1965.
3. Chua, L. O. Rohrer, R. A.: On the Dyna
mlcal Equations of a Clasal of Nonlinear RLC
Networks, IEEE Trans. CT12, No. 4 pp.
475489, Dec. 1965.
4. Hahn, W.: Theory and Applications of Lia
punov*s Direct Method, PrenticeHall, 1963.
5. Kalman, R. E. Bertram, J. E.: Control
System Analysis and Deslgn via the Second
Method of Liapunov, Part I. Trans. ASME
J. Bas. Eng. pp. 371 393, june 1960.
6. Moser, J. K.: On the Differential Equations
of Electrical Circuits, and Global Nature of
the Solutions, Int. Symp. on Nonlln. Mech.
and Nonlinear Diff, Eqns 31 July 4 Aug.
1961, pp. 147154, Editör: S. LefchetzLa
Salle, Academic Press, 1963.
7. Aüıans, M. Falb, P. L.: Optimal Control,
1966, McGrawHill.
8. Fleming, W. A.: Functions of Several Vari
ables, AddisonWesley 1965.
9. Şen, N.: Topologic Hamiltonian Analysis of
Netvrork their Stability investigation by Lia
punov Method IEEE llth. Mldvcest Symp. on
Circuit Theory, May 13 14, 1968, Unlverslty
of Nötre "Dame, Indiana, "U.S.A. Editör. IEEE
CT Grub, pp. 390 398.
10. Şen, N.: Genel Tipten Elektrik Devrelerinin
Durum Denklemleri ve Topolojik Çözümle
ri, Tur. Bil. ve Tek. Araş Ku. (TÜBİTAK)
1. Bil. Kong. Tebliğ, 4 6 Ekim, 1967, Anka
ra Üniversitesi, ve Ba. Bakan. «Bayındırlık
İşleri Dergisi» Cilt. 44 8, 9, sayfa 32 38,
1968.
11. Tellegen, B.D.H.: A General Network The
orem \vith Applications, Philips Res. Rep. 7,
1952.
12. Weaver, L. F. Schultz, D. C: NASA Con
tractor Rep. CR193, Marc 1965, Wash. D.C.
USA.
Elekti ik Mühendisliği 166