Il problema si risolve descrivendo il sistema con
le sue equazioni di stato e determinando il bacino di attrazione dell'unico
stato di equilibrio stabile.
Nel caso in esame, il bacino di attrazione può
essere ottenuto con grande precisione determinando, per mezzo di un semplice
package di simulazione, le varietà stabili di due equilibri sella.
EQUAZIONI DI STATO:
Le due equazioni di stato si scrivono immediatamente
ricordando le leggi del condensatore e dell'induttore:
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corrente nel condensatore |
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tensione sull'induttore |
Nel caso specifico, tenendo conto che la tensione
d'ingresso di un amplificatore operazionale è praticamente nulla,
si ha:
Ma, d'altra parte, un amplificatore operazionale
non assorbe corrente, per cui i=x2+(-x2-x1/R)=-x1/R
e quindi:
EQUILIBRI E LORO
STABILITA':
L'isoclina |
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è data da: |
mentre l'isoclina |
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è data da tre rette verticali nel piano di
stato (vedi Fig.2) |
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X1"=0 |
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La prima di queste tre rette sta sempre nel semipiano
sinistro, mentre la terza sta sempre nel semipiano destro.
Per tutti i valori dei parametri esistono pertanto
tre equilibri: uno nel secondo quadrante, uno nell'origine ed uno nel quarto
quadrante.
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Fig.2:
Isocline
(---) e (---),
equilibri e verso delle traiettorie.
Gli equilibri S1 e S2
sono selle mentre l'origine è un fuoco o un nodo stabile. |
Indicata con v=f(i)
la caratteristica del BNL, e ricordando che i=-x1/R
,
lo Jacobiano del sistema può essere scritto nel modo seguente:
La traccia dello Jacobiano è quindi negativa
in tutti e tre gli equilibri, mentre il determinante (f '/ RLC)
risulta negativo nel primo e nel terzo stato di equilibrio e positivo nell'origine.
Si può, pertanto, concludere che l'origine
è un fuoco o un nodo stabile (a seconda del valore
dei parametri) e che gli altri due equilibri sono selle.
QUADRO DELLE TRAIETTORIE
E BACINO DI ATTRAZIONE DELL'ORIGINE:
Poichè la funzione di Bendixon
non cambia segno in tutto lo spazio di stato (essendo pari a -1/RC)
non esistono cicli limite.
Tenuto anche conto dell'inclinazione (facilmente
determinabile) degli autovettori associati alle selle, si può inferire
che il quadro delle traiettorie è come mostrato in Fig.3,
dove sono riportate due possibili alternative.
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Fig. 3: Collegamenti
sella-fuoco, varietà stabili delle selle e bacino di attrazione
dell'origine |
Nel quadro di Fig.3a
esistono due collegamenti sella-fuoco e il bacino di attrazione dell'origine
è delimitato dalle varietà stabili delle due selle.
Nel quadro di Fig.3b
esiste invece un solo collegamento sella-fuoco e il bacino di attrazione
dell'origine è delimitato dalla varietà stabile di una sola
delle due selle.
Se si ipotizza che entrambi i quadri siano possibili,
significa che al variare di qualche parametro si deve passare dal primo
al secondo quadro con continuità. Ciò implica che la varietà
instabile della sella S1 debba avvicinarsi sempre di
più al variare del parametro alla sella S2, fino
ad andare in contatto con S2 per un particolare valore
del parametro. Per questo valore del parametro si ha un collegamento sella-sella
(biforcazione) che, ovviamente, sparisce non appena il parametro viene
ulteriormente variato, dando così luogo al secondo quadro.
Se si perturba la sola tensione x1
sul condensatore, le perturbazioni che danno luogo a transitori che convergono
verso l'equilibrio stabile sono quindi tutte quelle contenute nel segmento.
Analogamente, se si perturba la sola corrente x2,
le perturbazioni ammissibili stanno sul segmentodi
Fig.3.
Tuttavia, se le perturbazioni di tensione dx1e
di corrente dx2sono
contemporanee, può accadere che la conseguente traiettoria perturbata
tenda verso l'origine anche sedx1edx2sono
molto grandi (perchè il bacino di attrazione non è limitato).
Perturbazioni esterne al bacino di attrazione non sono "sopportabili" dalla
rete poichè danno luogo a traiettorie che tendono all'infinito lungo
le varietà instabili delle selle.
Nel caso interessi valutare il bacino di
attrazione dell'origine, si potrebbe pensare di usare il criterio di La
Salle che, come è noto, fornisce una stima per difetto del bacino
di attrazione.
Nel caso in esame, l'applicazione del
criterio di La Salle non è tuttavia semplice (dal punto di vista
analitico). E' pertanto preferibile ricorrere all'uso di un opportuno package
di simulazione, con il quale il problema può essere risolto in modo
esatto senza grandi difficoltà. Infatti, poichè la frontiera
del bacino di attrazione è costituita dalle varietà stabili
delle selle, essa può essere determinata simulando il sistema all'indietro
nel tempo (cioè integrando le equazioni di stato dopo averle cambiate
di segno) a partire dai punti 1', 1", 2' e 2" nel caso di Fig.3a, e 2'
e 2" nel caso di Fig.3b.
Tali punti si possono facilmente trovare
spostandosi di poco dai punti di sella S1 e
S2
lungo gli autovettori stabili.
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