电路原理电路原理 (3).ppt

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1、动态电路的方程及其初始条件动态电路的方程及其初始条件7.1一阶电路和二阶电路的阶跃响应一阶电路和二阶电路的阶跃响应7.7一阶电路的零输入响应一阶电路的零输入响应7.2一阶电路和二阶电路的冲激响应一阶电路和二阶电路的冲激响应7.8*一阶电路的零状态响应一阶电路的零状态响应7.3卷积积分卷积积分7.9*一阶电路的全响应一阶电路的全响应7.4状态方程状态方程7.10*二阶电路的零输入响应二阶电路的零输入响应7.5二阶电路的零状态响应和全响应二阶电路的零状态响应和全响应7.6动态电路时域分析中的几个问题动态电路时域分析中的几个问题7.11*首首 页页本章重点本章重点第第7 7章章 一阶电路和二阶电路一

2、阶电路和二阶电路的时域分析的时域分析2.一阶和二阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的概念及求解；l 重点重点3.3.一阶和二阶电路的阶跃响应概念及求一阶和二阶电路的阶跃响应概念及求解。解。1.1.动态电路方程的建立及初始条件的确定；动态电路方程的建立及初始条件的确定；返 回。1 1.动态电路动态电路 7.1 7.1 动态电路的方程及其初始条件动态电路的方程及其初始条件 当动态电路状态发生改变时（换路）需要当动态电路状态发生改变时（换路）需要经历一个变化过程才能达到新的稳定状态。这经历一个变化过程才能达到新的稳定状态。这个变化过程称为电路的过渡过程。个变化过程称为电路的过渡过程。下 页上 页

3、特点返 回例例0ti过渡期为零过渡期为零电阻电路电阻电路下 页上 页返 回i=0 ,uC=Usi=0 ,uC=0 k接通电源后很长时间接通电源后很长时间，电容充电完毕，电路，电容充电完毕，电路达到新的稳定状态：达到新的稳定状态：k未动作前未动作前，电路处于稳定状态：，电路处于稳定状态：电容电路电容电路下 页上 页k+uCUsRCi(t=0)+-(t)+uCUsRCi+-前一个稳定状态前一个稳定状态过渡状态过渡状态新的稳定状态新的稳定状态t1USuct0?i有一过渡期有一过渡期返 回uL=0,i=Us/Ri=0 ,uL=0 k接通电源后很长时间接通电源后很长时间，电路达到新的稳定，电路达到新的稳

4、定状态，电感视为短路：状态，电感视为短路：k未动作前未动作前，电路处于稳定状态：，电路处于稳定状态：电感电路电感电路下 页上 页k+uLUsRi(t=0)+-L(t)+uLUsRi+-前一个稳定状态前一个稳定状态过渡状态过渡状态新的稳定状态新的稳定状态t1US/Rit0?uL有一过渡期有一过渡期返 回下 页上 页(t)+uLUsRi+-k未动作前未动作前，电路处于稳定状态：，电路处于稳定状态：uL=0,i=Us/Rk断开瞬间断开瞬间i=0 ,uL=工程实际中在切断电容或电感电路时工程实际中在切断电容或电感电路时会出现过电压和过电流现象。会出现过电压和过电流现象。注意k(t)+uLUsRi+-返

5、 回过渡过程产生的原因过渡过程产生的原因 电路内部含有储能元件电路内部含有储能元件 L、C，电路在换路时，电路在换路时能量发生变化，而能量的储存和释放都需要一定的能量发生变化，而能量的储存和释放都需要一定的时间来完成。时间来完成。电路结构、状态发生变化电路结构、状态发生变化换路换路支路接入或断开支路接入或断开电路参数变化电路参数变化下 页上 页返 回应用应用KVL和电容的和电容的VCR得：得：若以电流为变量：若以电流为变量：2 2.动态电路的方程动态电路的方程下 页上 页(t 0)+uCUsRCi+-例例RC电路电路返 回：若以电感电压为变量若以电感电压为变量：下 页上 页(t 0)+uLUs

6、Ri+-RL电路电路返 回有源有源 电阻电阻 电路电路 一个动一个动态元件态元件一阶一阶电路电路下 页上 页结论 含有一个动态元件电容或电感的线性电含有一个动态元件电容或电感的线性电路，其电路方程为一阶线性常微分方程，称路，其电路方程为一阶线性常微分方程，称一阶电路。一阶电路。返 回二阶电路二阶电路下 页上 页(t 0)+uLUsRi+-CuCRLC电路电路应用应用KVL和元件的和元件的VCR得得：含有二个动态元件的线性电路，其电路方程含有二个动态元件的线性电路，其电路方程为二阶线性常微分方程，称二阶电路。为二阶线性常微分方程，称二阶电路。返 回一阶电路一阶电路一阶电路中只有一个动态元件一阶电

7、路中只有一个动态元件,描述描述电路的方程是一阶线性微分方程。电路的方程是一阶线性微分方程。描述动态电路的电路方程为微分方程；描述动态电路的电路方程为微分方程；动态电路方程的阶数通常等于电路中动动态电路方程的阶数通常等于电路中动态元件的个数。态元件的个数。二阶电路二阶电路二阶电路中有二个动态元件二阶电路中有二个动态元件,描述描述电路的方程是二阶线性微分方程。电路的方程是二阶线性微分方程。下 页上 页结论返 回高阶电路高阶电路电路中有多个动态元件，描述电路中有多个动态元件，描述电路的方程是高阶微分方程。电路的方程是高阶微分方程。动态电路的分析方法动态电路的分析方法根据根据KVL、KCL和和VCR建

8、立微分方程；建立微分方程；下 页上 页返 回复频域分析法复频域分析法时域分析法时域分析法求解微分方程求解微分方程经典法经典法状态变量法状态变量法数值法数值法卷积积分卷积积分拉普拉斯变换法拉普拉斯变换法状态变量法状态变量法付氏变换付氏变换本章本章采用采用 工程中高阶微分方程应用计算机辅助分析求解工程中高阶微分方程应用计算机辅助分析求解。下 页上 页返 回稳态分析和动态分析的区别稳态分析和动态分析的区别稳态稳态动态动态换路发生很长时间后状态换路发生很长时间后状态微分方程的特解微分方程的特解恒定或周期性激励恒定或周期性激励下 页上 页直流时直流时返 回 t=0与与t=0的概念的概念认为换路在认为换路

9、在t=0时刻进行时刻进行0 换路前一瞬间换路前一瞬间 0 换路后一瞬间换路后一瞬间3.3.电路的初始条件电路的初始条件初始条件为初始条件为 t=0时时u，i 及其各阶导数及其各阶导数的值。的值。下 页上 页注意0f(t)00t返 回图示为电容放电电路，电容原先带有电压图示为电容放电电路，电容原先带有电压Uo,求求开关闭合后电容电压随时间的变化。开关闭合后电容电压随时间的变化。例例解解 下 页上 页明确R+CiuC(t=0)返 回t=0+时刻时刻iucC+-电容的初始条件电容的初始条件0下 页上 页当当i()为有限值时为有限值时返 回q(0+)=q(0)uC(0+)=uC(0)换路瞬间，若电容电

10、流保持为有限值，换路瞬间，若电容电流保持为有限值，则电容电压（电荷）换路前后保持不变。则电容电压（电荷）换路前后保持不变。q=C uC电荷电荷守恒守恒下 页上 页结论返 回电感的初始条件电感的初始条件t=0+时刻时刻0下 页上 页当当u为有限值时为有限值时iLuL+-返 回L(0)=L(0)iL(0)=iL(0)磁链磁链守恒守恒 换路瞬间，若电感电压保持为有限值，换路瞬间，若电感电压保持为有限值，则电感电流（磁链）换路前后保持不变。则电感电流（磁链）换路前后保持不变。下 页上 页结论返 回L(0+)=L(0)iL(0+)=iL(0)qc(0+)=qc(0)uC(0+)=uC(0)换路定律换路定

11、律电容电流和电感电压为有限值是换路定电容电流和电感电压为有限值是换路定律成立的条件。律成立的条件。换路瞬间，若电感电压保持换路瞬间，若电感电压保持为有限值，则电感电流（磁链）为有限值，则电感电流（磁链）换路前后保持不变。换路前后保持不变。换路瞬间，若电容电流保持换路瞬间，若电容电流保持为有限值，则电容电压（电荷）为有限值，则电容电压（电荷）换路前后保持不变。换路前后保持不变。换路定律反映了能量不能跃变。换路定律反映了能量不能跃变。下 页上 页注意返 回电路初始值的确定电路初始值的确定(2)由换路定律由换路定律 uC(0+)=uC(0)=8V(1)由由0电路求电路求 uC(0)uC(0)=8V(

12、3)由由0+等效电路求等效电路求 iC(0+)iC(0)=0 iC(0+)例例1求求 iC(0+)电电容容开开路路下 页上 页电容用电容用电压源电压源替代替代注意返 回iL(0+)=iL(0)=2A例例 2t=0时闭合开关时闭合开关k,求求 uL(0+)先求先求应用换路定律应用换路定律:电电感感用用电电流流源源替替代代解解电感电感短路短路下 页上 页iL+uL-L10VS14+-由由0+等效电路求等效电路求 uL(0+)注意返 回求初始值的步骤求初始值的步骤:1.1.由换路前电路（稳定状态）求由换路前电路（稳定状态）求uC(0)和和iL(0)；2.2.由换路定律得由换路定律得 uC(0+)和和

13、 iL(0+)。3.3.画画0+等效电路。等效电路。4.4.由由0+电路求所需各变量的电路求所需各变量的0+值。值。b.b.电容（电感）用电压源（电流源）替代。电容（电感）用电压源（电流源）替代。a.a.换路后的电路换路后的电路（取（取0+时刻值，方向与原假定的电容电压、电时刻值，方向与原假定的电容电压、电感电流方向相同）。感电流方向相同）。下 页上 页小结返 回iL(0+)=iL(0)=iSuC(0+)=uC(0)=RiSuL(0+)=-RiS求求 iC(0+),uL(0+)例例3解解下 页上 页S(t=0)+uLiLC+uCLRiSiC返 回例例4求求k闭合瞬间各支路电流和电感电压闭合瞬间

14、各支路电流和电感电压解解下 页上 页由由0电路得电路得：由由0+电路得电路得：iL+uL-LS2+-48V32CiL2+-48V32+uC返 回12A24V+-48V32+-iiC+-uL求求k闭合瞬间流过它的电流值闭合瞬间流过它的电流值解解确定确定0值值给出给出0等效电路等效电路下 页上 页例例5iL+20V-10+uC1010返 回7.2 7.2 一阶电路的零输入响应一阶电路的零输入响应换路后外加激励为零，仅由动换路后外加激励为零，仅由动态元件初始储能产生的电压和态元件初始储能产生的电压和电流。电流。1.1.RC电路的零输入响应电路的零输入响应 uR=Ri零输入响应零输入响应下 页上 页i

15、S(t=0)+uRC+uCR返 回特征根特征根特征方程特征方程RCp+1=0则则下 页上 页代入初始值代入初始值 uC(0+)=uC(0)=U0A=U0返 回下 页上 页或或返 回tU0uC0I0ti0令令 =RC ,称称为一阶电路的时间常数为一阶电路的时间常数电压、电流是随时间按同一指数规律衰减的函数；电压、电流是随时间按同一指数规律衰减的函数；连续连续函数函数跃变跃变响应与初始状态成线性关系，其衰减快慢与响应与初始状态成线性关系，其衰减快慢与RC有关有关;下 页上 页表明返 回时间常数时间常数 的大小反映了电路过渡过程时间的长短的大小反映了电路过渡过程时间的长短 =RC电压初值一定：电压初

16、值一定：C 大大（R一定一定）W=Cu2/2 储能大储能大物理含义物理含义下 页上 页返 回a.U0 0.368U0 0.135U0 0.05U0 0.007U0 t0 2 3 5U0 U0 e-1 U0 e-2 U0 e-3 U0 e-5 下 页上 页注意返 回 t2 t1 t1时刻曲线的斜率等于时刻曲线的斜率等于U0tuc0t1t2次切距的长度次切距的长度下 页上 页返 回b.时间常数时间常数 的几何意义：的几何意义：能量关系能量关系电容不断释放能量被电阻吸收电容不断释放能量被电阻吸收,直到全部消耗完毕直到全部消耗完毕.设设 uC(0+)=U0电容放出能量：电容放出能量：电阻吸收（消耗）能

17、量：电阻吸收（消耗）能量：下 页上 页uCR+C返 回例例1图示电路中的电容原充有图示电路中的电容原充有24V电压，求电压，求k闭合后，闭合后，电容电压和各支路电流随时间变化的规律。电容电压和各支路电流随时间变化的规律。解解这是一个求一阶这是一个求一阶RC 零输入响应问题，有：零输入响应问题，有：+uC45Fi1t 0等效电路等效电路下 页上 页i3S3+uC265Fi2i1返 回+uC45Fi1分流得：分流得：下 页上 页返 回下 页上 页例例2求求:(1)图示电路图示电路k闭合后各元件的电压和电流随闭合后各元件的电压和电流随时间变化的规律，时间变化的规律，(2）电容的初始储能和最终时电容的

18、初始储能和最终时刻的储能及电阻的耗能。刻的储能及电阻的耗能。解解这是一个求一阶这是一个求一阶RC 零输入响应问题，有：零输入响应问题，有：u(0+)=u(0)=20V返 回u1（0-）=4VuSC1=5F+-iC2=20Fu2（0-）=24V250k+下 页上 页返 回下 页上 页初始储能初始储能最终储能最终储能电阻耗能电阻耗能返 回2.2.RL电路的零输入响应电路的零输入响应特征方程特征方程 Lp+R=0特征根特征根 代入初始值代入初始值A=iL(0+)=I0t 0下 页上 页iLS(t=0)USL+uLRR1+-iL+uLR返 回连续连续函数函数跃变跃变电压、电流是随时间按同一指数规律衰减

19、的函数；电压、电流是随时间按同一指数规律衰减的函数；下 页上 页表明返 回响应与初始状态成线性关系，其衰减快慢与响应与初始状态成线性关系，其衰减快慢与L/R有关有关;下 页上 页令令 称为一阶称为一阶RL电路时间常数电路时间常数 =L/R时间常数时间常数 的大小反映了电路过渡过程时间的长短的大小反映了电路过渡过程时间的长短L大大 W=LiL2/2 起始能量大起始能量大R小小 P=Ri2 放电过程消耗能量小放电过程消耗能量小放电慢，放电慢，大大 大大过渡过程时间长过渡过程时间长 小小过渡过程时间短过渡过程时间短物理含义物理含义电流初值电流初值iL(0)一定：一定：返 回响应与初始状态成线性关系，

20、其衰减快慢与响应与初始状态成线性关系，其衰减快慢与L/R有关有关;令令 称为一阶称为一阶RL电路时间常数电路时间常数 =L/R时间常数时间常数 的大小反映了电路过渡过程时间的长短的大小反映了电路过渡过程时间的长短L大大 W=LiL2/2 起始能量大起始能量大R小小 P=Ri2 放电过程消耗能量小放电过程消耗能量小放电慢，放电慢，大大 大大过渡过程时间长过渡过程时间长电流初值电流初值iL(0)一定：一定：能量关系能量关系电感不断释放能量被电阻吸收电感不断释放能量被电阻吸收,直到全部消耗完毕。直到全部消耗完毕。设设 iL(0+)=I0电感放出能量：电感放出能量：电阻吸收（消耗）能量：电阻吸收（消耗

21、）能量：下 页上 页iL+uLR返 回iL(0+)=iL(0)=1 AuV(0+)=10000V 造成造成V损坏。损坏。例例1t=0时时,打开开关打开开关S，求求uv。电压表量程：电压表量程：50V解解下 页上 页iLS(t=0)+uVL=4HR=10VRV10k10ViLLR10V+-返 回例例2t=0时时,开关开关S由由12，求求电感电压和电流。电感电压和电流。解解下 页上 页t 0返 回下 页上 页i+uL6 66Ht 0iLS(t=0)+24V24V6H3 34 44 46 6+uL2 212返 回一阶电路的零输入响应是由储能元件的初值引一阶电路的零输入响应是由储能元件的初值引起的响应

22、起的响应,都是由初始值衰减为零的指数衰减都是由初始值衰减为零的指数衰减函数。函数。iL(0+)=iL(0)uC(0+)=uC(0)RC电路电路RL电路电路下 页上 页小结返 回一阶电路的零输入响应和初始值成正比，一阶电路的零输入响应和初始值成正比，称为零输入线性。称为零输入线性。衰减快慢取决于时间常数衰减快慢取决于时间常数 同一电路中所有响应具有相同的时间常数。同一电路中所有响应具有相同的时间常数。下 页上 页小结 =R C =L/RR为与动态元件相连的一端口电路的等效电阻。为与动态元件相连的一端口电路的等效电阻。RC电路电路RL电路电路返 回7.3 7.3 一阶电路的零状态响应一阶电路的零状

23、态响应 解答形式为：解答形式为：1.1.RC电路的零状态响应电路的零状态响应零状态响应零状态响应非齐次方程特解非齐次方程特解齐次齐次方程方程通解通解下 页上 页非齐次线性常微分方程非齐次线性常微分方程返 回与输入激励的变化规律有关，为电路的稳态解与输入激励的变化规律有关，为电路的稳态解变化规律由电路参数和结构决定变化规律由电路参数和结构决定的通解的通解通解（自由分量，暂态分量）通解（自由分量，暂态分量）特解（强制分量）特解（强制分量）的特解的特解下 页上 页返 回全解全解uC(0+)=A+US=0 A=US由初始条件由初始条件 uC(0+)=0 定积分常数定积分常数 A下 页上 页所以所以返

24、回-USuCuC“USti0tuC0电压、电流是随时间按同一指数规律变化的函电压、电流是随时间按同一指数规律变化的函数；电容电压由两部分构成：数；电容电压由两部分构成：连续连续函数函数跃变跃变稳态分量（强制分量）稳态分量（强制分量）暂态分量（自由分量）暂态分量（自由分量）下 页上 页表明+返 回响应变化的快慢，由时间常数响应变化的快慢，由时间常数 RC决定；决定；大，大，充电慢，充电慢，小充电就快。小充电就快。响应与外加激励成线性关系；响应与外加激励成线性关系；能量关系能量关系电容储存能量：电容储存能量：电源提供能量：电源提供能量：电阻消耗能量：电阻消耗能量：电源提供的能量一半消耗在电阻上，一

25、半电源提供的能量一半消耗在电阻上，一半转换成电场能量储存在电容中。转换成电场能量储存在电容中。下 页上 页表明返 回例例t=0时时,开关开关S闭合，已知闭合，已知 uC(0)=0，求求(1)电容电容电压和电流电压和电流,(2)uC80V时的充电时间时的充电时间t。解解(1)(1)这是一个这是一个RC电路零电路零状态响应问题，有：状态响应问题，有：(2)(2)设经过设经过t1秒秒，uC80V下 页上 页返 回下 页上 页返 回下 页上 页返 回例例1t=0时时,开关开关S打开，求打开，求t 0后后iL、uL的变化规律。的变化规律。解解这是这是RL电路零状态响应问题，先化简电路，有：电路零状态响应

26、问题，先化简电路，有：下 页上 页返 回7.4 7.4 一阶电路的全响应一阶电路的全响应电路的初始状态不为零，同时又有外电路的初始状态不为零，同时又有外加激励源作用时电路中产生的响应。加激励源作用时电路中产生的响应。1.1.全响应全响应全响应全响应下 页上 页特解特解 uC =US返 回由初始值定由初始值定A下 页上 页强制分量强制分量(稳态解稳态解)自由分量自由分量(暂态解暂态解)返 回uC-USU0暂态解暂态解uCUS稳态解稳态解U0uc全解全解全响应全响应 =强制分量强制分量(稳态解稳态解)+自由分量自由分量(暂态解暂态解)着眼于电路的两种工作状态着眼于电路的两种工作状态物理概念清晰物理

27、概念清晰下 页上 页返 回全响应全响应 =零状态响应零状态响应 +零输入响应零输入响应着眼于因果关系着眼于因果关系便于叠加计算便于叠加计算下 页上 页零输入响应零输入响应零状态响应零状态响应返 回零状态响应零状态响应零输入响应零输入响应tuc0US零状态响应零状态响应全响应全响应零输入响应零输入响应U0下 页上 页返 回例例1 t=0 时时 ,开关开关k打开，求打开，求t 0后的后的iL、uL。解解 这是这是RL电路全响应问题，电路全响应问题，有：有：零输入响应：零输入响应：零状态响应：零状态响应：全响应：全响应：下 页上 页iLS(t=0)+24V0.6H4+uL8返 回或求出稳态分量：或求

28、出稳态分量：全响应：全响应：代入初值有：代入初值有：62AA=4例例2t=0时时 ,开关开关K闭合闭合，求求t 0后的后的iC、uC及电及电流源两端的电压。流源两端的电压。解解这是这是RC电路全响电路全响应问题，有：应问题，有：下 页上 页稳态分量：稳态分量：返 回下 页上 页返 回3.3.三要素法分析一阶电路三要素法分析一阶电路令令 t=0+其解答一般形式为：其解答一般形式为：下 页上 页返 回 分析一阶电路问题转为求解电路的三分析一阶电路问题转为求解电路的三个要素的问题。个要素的问题。用用0+等效电路求解等效电路求解用用t的稳态的稳态电路求电路求解解下 页上 页直流激励时：直流激励时：A注

29、意返 回例例1已知：已知：t=0 时合开关，求换路后的时合开关，求换路后的uC(t)解解tuc2(V)0.6670下 页上 页1A213F+-uC返 回例例2解解三要素为：三要素为：下 页上 页三要素公式三要素公式返 回三要素为：三要素为：下 页上 页返 回例例3已知：已知：t=0时开关由时开关由12，求换路后的求换路后的uC(t)解解三要素为三要素为：下 页上 页返 回下 页上 页例例4已知：已知：t=0时开关闭合，求换路后的电流时开关闭合，求换路后的电流i(t)。+1H0.25F52S10Vi解解三要素为：三要素为：返 回下 页上 页返 回0 t 0.2s下 页上 页返 回下 页上 页返

30、回7.5 7.5 二阶电路的零输入响应二阶电路的零输入响应uC(0+)=U0 i(0+)=0已知：已知：1.1.二阶电路的零输入响应二阶电路的零输入响应以电容电压为变量：以电容电压为变量：电路方程：电路方程：以电感电流为变量：以电感电流为变量：下 页上 页RLC+-iuc返 回7.5 7.5 二阶电路的零输入响应二阶电路的零输入响应uC(0+)=U0 i(0+)=01.1.二阶电路的零输入响应二阶电路的零输入响应特征方程：特征方程：电路方程：电路方程：以电容电压为变量时的以电容电压为变量时的初始条件：初始条件：uC(0+)=U0i(0+)=0以电感电流为变量时的以电感电流为变量时的初始条件：初

31、始条件：i(0+)=0uC(0+)=U0下 页上 页返 回2.2.零状态响应的三种情况零状态响应的三种情况过阻尼过阻尼临界阻尼临界阻尼欠阻尼欠阻尼特征根：特征根：下 页上 页返 回下 页上 页返 回U0tuc设设|P2|P1|下 页上 页0电容电压电容电压返 回t=0+ic=0 ,t=ic=0ic0 t=tm 时时ic 最大最大tmic下 页上 页tU0uc0电容和电感电流电容和电感电流返 回U0uctm2tmuLic0 t 0，t tm i 减小减小,uL 0t=2 tm时时 uL 最大最大下 页上 页RLC+-t0电感电压电感电压返 回iC=i 为极值时，即为极值时，即 uL=0 时的时的

32、 tm 计算如下计算如下:由由 duL/dt 可确定可确定 uL 为极小时的为极小时的 t.下 页上 页返 回能量转换关系能量转换关系0 t tm uC减小减小，i 减小减小.下 页上 页RLC+-RLC+-tU0uCtm2tmuLiC0返 回uc 的解答形式：的解答形式：经常写为：经常写为：下 页上 页共轭复根共轭复根返 回0下 页上 页，的的关系关系返 回t=0 时时 uc=U0uC=0：t=-，2-.n-t-2-20U0uC下 页上 页返 回t=0 时时 uc=U0uC=0：t=-，2-.n-t-2-20U0uCt-2-20U0uC iC uL=0：t=，+，2+.n+ic=0：t=0，

33、2 .n，为为 uc极值点，极值点，ic 的极值点为的极值点为 uL 零点零点。下 页上 页返 回能量转换关系：能量转换关系：0 t t -t 0+电路的微分方程电路的微分方程(b)求通解求通解(c)求特解求特解(d)全响应全响应=强制分量强制分量+自由分量自由分量上 页返 回上 页3.3.求二阶电路全响应的步骤求二阶电路全响应的步骤(a)列写列写t 0+电路的微分方程电路的微分方程(b)求通解求通解(c)求特解求特解(d)全响应全响应=强制分量强制分量+自由分量自由分量7.7 7.7 一阶电路和二阶电路的阶跃响应一阶电路和二阶电路的阶跃响应1.1.单位阶跃函数单位阶跃函数l 定义定义t (t

34、)01l 单位阶跃函数的延迟单位阶跃函数的延迟t(t-t0)t001下 页上 页返 回t=0 合闸合闸 i(t)=Is在电路中模拟开关的动作在电路中模拟开关的动作t=0 合闸合闸 u(t)=El 单位阶跃函数的作用单位阶跃函数的作用下 页上 页SUSu(t)u(t)返 回Isku(t)起始一个函数起始一个函数tf(t)0t0延迟一个函数延迟一个函数下 页上 页tf(t)0t0返 回l 用单位阶跃函数表示复杂的信号用单位阶跃函数表示复杂的信号例例 1(t)tf(t)101t0tf(t)0t0-(t-t0)例例 21t1 f(t)0243下 页上 页返 回例例 41t1 f(t)0例例 31t1

35、f(t)0243下 页上 页返 回例例 5t1 02已知电压已知电压u(t)的波形如图，的波形如图，试画出下列电压的波形。试画出下列电压的波形。t1 u(t)022t1 011t 1 01 t1021下 页上 页返 回和和的区别的区别2.2.一阶电路的阶跃响应一阶电路的阶跃响应激励为单位阶跃函数时，电路激励为单位阶跃函数时，电路中产生的零状态响应。中产生的零状态响应。阶跃响应阶跃响应下 页上 页iC +uCRuC(0)=0注意返 回t01it0i下 页上 页tuC10返 回tiC0激励在激励在 t=t0 时加入，时加入，则响应从则响应从t=t0开始。开始。t-t0(t-t0)-t不要写为：不要

36、写为：下 页上 页iC(t-t0)C +uCRt0注意返 回求图示电路中电流求图示电路中电流 iC(t）例例下 页上 页10k10kus+-ic100FuC(0)=00.510t(s)us(V)05k0.5us+-ic100FuC(0)=0等效等效返 回应用叠加定理应用叠加定理下 页上 页5k+-ic100F5k+-ic100F5k+-ic100F阶跃响应为：阶跃响应为：返 回由齐次性和叠加性得实际响应为由齐次性和叠加性得实际响应为：下 页上 页5k+-ic100F5k+-ic100F返 回下 页上 页分段表示为：分段表示为：返 回分段表示为：分段表示为：t(s)iC(mA)01-0.6320

37、.5波形波形0.368下 页上 页返 回2.2.二阶电路的阶跃响应二阶电路的阶跃响应下 页上 页对电路应用对电路应用KCL列结点电流方程有列结点电流方程有已知图示电路中已知图示电路中uC(0-)=0,iL(0-)=0，求单位阶跃求单位阶跃响应响应 iL(t）例例解解返 回iS0.25H0.22FiRiLiC0.5iC下 页上 页代入已知参数并整理得：代入已知参数并整理得：这是一个关于这是一个关于的二阶线性非齐次方程，其解为的二阶线性非齐次方程，其解为特解特解特征方程特征方程通解通解解得特征根解得特征根返 回下 页上 页代代初始条件初始条件阶跃响应阶跃响应电路的动态过程是过阻尼性质的。电路的动态

38、过程是过阻尼性质的。返 回7.87.8*一阶电路和二阶电路的冲激响应一阶电路和二阶电路的冲激响应1.1.单位冲激函数单位冲激函数l 定义定义t(t)10单位脉冲函单位脉冲函数的极限数的极限/21/tp(t)-/2下 页上 页返 回l 单位冲激函数的延迟单位冲激函数的延迟t(t-t0)t00（1）l 单位冲激函数的性质单位冲激函数的性质冲激函数对时间的积分等于阶跃函数冲激函数对时间的积分等于阶跃函数下 页上 页返 回冲激函数的冲激函数的筛分筛分性性 同理同理例例t(t)10f(t)f(0)f(t)在在 t0 处连续处连续f(0)(t)注意下 页上 页返 回uc不是冲激函数不是冲激函数 ,否则否则

39、KCL不成立不成立分二个时间段考虑冲激响应分二个时间段考虑冲激响应电容充电，方程为电容充电，方程为(1)t 在在 0 0+间间例例12.2.一阶电路的冲激响应一阶电路的冲激响应激励为单位冲激函数时，电路中产激励为单位冲激函数时，电路中产生的零状态响应。生的零状态响应。冲激响应冲激响应求单位冲激电流求单位冲激电流激励下的激励下的RC电路的零状态响应。电路的零状态响应。解解注意下 页上 页返 回uC(0)=0iCR(t)C+-uC电容中的冲激电流使电容电压发生跃变。电容中的冲激电流使电容电压发生跃变。0结论(2)t 0+为零输入响应（为零输入响应（RC放电）放电）iCRC+uC下 页上 页返 回u

40、Ct0iCt10下 页上 页返 回例例2求单位冲激电压求单位冲激电压激励下的激励下的RL电路的零状态响应。电路的零状态响应。分二个时间段考虑冲激响应分二个时间段考虑冲激响应解解L+-iLR+-uLiL不是冲激函数不是冲激函数 ,否则否则KVL不成立。不成立。注意0下 页上 页返 回(1)t 在在 0 0+间间方程为方程为求单位冲激电压激励下的求单位冲激电压激励下的RL电路的零状态响应。电路的零状态响应。分二个时间段考虑冲激响应分二个时间段考虑冲激响应(1)t 在在 0 0+间间方程为方程为电感上的冲激电压使电感电流发生跃变。电感上的冲激电压使电感电流发生跃变。结论(2)t 0+RL放电放电Li

41、LR+-uL下 页上 页返 回iLt0uLt10下 页上 页返 回零状态零状态R(t)3.3.单位阶跃响应和单位冲激响应关系单位阶跃响应和单位冲激响应关系单位阶跃响应单位阶跃响应单位冲激响应单位冲激响应h(t)s(t)单位冲激单位冲激(t)单位阶跃单位阶跃(t)激励激励响应响应下 页上 页返 回s(t)(t)先求单位阶跃响应：先求单位阶跃响应：求求:is(t)为单位冲激时电路响应为单位冲激时电路响应uC(t)和和iC(t).例例解解uC(0+)=0 uC()=R =RC iC(0+)=1 iC()=0 再求单位冲激响应再求单位冲激响应,令：令：下 页上 页返 回令令uC(0)=0iCRiS(t

42、)C+-uC0下 页上 页返 回uCRt0iC1t0uCt0冲激响应冲激响应阶跃响应阶跃响应iCt10下 页上 页返 回有限值有限值有限值有限值KVL方程为方程为例例4.4.二阶电路的冲激响应二阶电路的冲激响应RLC+-+-uCiR(t)求单位冲激电压求单位冲激电压激励下的激励下的RLC电路的零状态响应。电路的零状态响应。解解t 在在0至至0间间下 页上 页返 回下 页上 页t0+为零输入响应为零输入响应返 回下 页上 页返 回7.97.9*卷积积分卷积积分1.1.卷积积分卷积积分l定义定义设函数设函数 f1(t),f2(t)t t0后电路的全部性状后电路的全部性状(响应响应)。状态变量状态变

43、量 X(t0)激激 励励 e(t)(tt0)Y(t)(tt0)响应响应注意这里讲的为数最少的变量必须是互相独立的。这里讲的为数最少的变量必须是互相独立的。返 回已知已知:求：求：解解e(0)=10V例例下 页上 页3LCe(t)+iLiC+-uC-uo返 回同理可推广至任一时刻同理可推广至任一时刻t1由由 (1)状态变量和储能元件有关状态变量和储能元件有关 (2)有几个独立的储能元件，就有几个状态变量有几个独立的储能元件，就有几个状态变量 (3)状态变量的选择不唯一。状态变量的选择不唯一。求出求出下 页上 页表明返 回设设 uc、iL 为状态变量为状态变量整理得整理得 每一个状态方程中只含有一

44、个状态变量的一每一个状态方程中只含有一个状态变量的一阶导数。对简单电路采用阶导数。对简单电路采用直观编写法。直观编写法。状态方程状态方程下 页上 页2.2.状态方程的列写状态方程的列写3LCe(t)+iLiC+-uC-uo返 回矩阵形式矩阵形式 联立的一阶微分方程组联立的一阶微分方程组 左端为状态变量的一阶导数左端为状态变量的一阶导数 右端含状态变量和输入量右端含状态变量和输入量下 页上 页特点返 回一般形式一般形式下 页上 页返 回电路的输出方程电路的输出方程代数方程代数方程 用状态变量和输入量表示输出量用状态变量和输入量表示输出量一般形式一般形式Y=CX+DV下 页上 页3LCe(t)+i

45、LiC+-uC-uC特点电路中某些感兴趣的量与状态电路中某些感兴趣的量与状态变量和输入量之间的关系变量和输入量之间的关系 返 回下 页上 页例例列出电路的状态方程列出电路的状态方程L1CuS+iL1iS+-uC-R1R2iL2L21212解解对结点对结点列出列出KCL方程方程返 回下 页上 页对回路对回路1和回路和回路2列出列出KVL方程方程把以上方程整理成矩阵形式有把以上方程整理成矩阵形式有返 回下 页上 页若以结点若以结点、的电压作为输出，则有的电压作为输出，则有整理并写成矩阵形式有整理并写成矩阵形式有返 回1.1.动态电路微分方程的阶数与电路结构的关系动态电路微分方程的阶数与电路结构的关

46、系 动态电路微分方程的阶数与电路中所含的独立动态电路微分方程的阶数与电路中所含的独立动态元件的个数相等。动态元件的个数相等。下 页上 页7.117.11*动态电路时域分析中的几个问题动态电路时域分析中的几个问题当一个网络中存在纯电容回路，由当一个网络中存在纯电容回路，由KVL可知其中可知其中必有一个电容电压可由回路中其它元件的电压求必有一个电容电压可由回路中其它元件的电压求出，此电容电压为非独立的电容电压。出，此电容电压为非独立的电容电压。例例返 回下 页上 页当网络中存在纯电感结点，由当网络中存在纯电感结点，由KCL可知其中必可知其中必有一个电感电流可由其它元件的电流求出，此有一个电感电流可

47、由其它元件的电流求出，此电感电流时非独立的。电感电流时非独立的。网络中与独立电压源并联的电容元件，其电压网络中与独立电压源并联的电容元件，其电压uC由由uS决定。决定。网络中与独立电流源串联的电感元件，其网络中与独立电流源串联的电感元件，其iL由由iS决决定。定。返 回 以上四种请况中非独立的以上四种请况中非独立的uC和和iL不能作为状态不能作为状态变量，不含以上四种情况的网络称为常态网络。状变量，不含以上四种情况的网络称为常态网络。状态变量数等于态变量数等于C、L元件总数。含有以上四种情况元件总数。含有以上四种情况的网络称为非常态网络，网络的状态变量数小于网的网络称为非常态网络，网络的状态变

48、量数小于网络中络中C、L元件总数，下面着重讨论常态网络。元件总数，下面着重讨论常态网络。下 页上 页CuS+-uC-R零阶零阶电路电路返 回iSRL2.2.动态电路中初始值的计算动态电路中初始值的计算下 页上 页对于通常电路，初始值由下面关系确定对于通常电路，初始值由下面关系确定在下面情况下在下面情况下 换路后的电路有纯电容构成的回路，或有由电换路后的电路有纯电容构成的回路，或有由电容和独立电压源构成的回路，且回路中各个电容和独立电压源构成的回路，且回路中各个电容上电压值容上电压值uC(0-)的代数和不等于该回路中各个的代数和不等于该回路中各个电压源初始值的代数和。电压源初始值的代数和。返 回上 页换路后的电路有纯电感构成的结点（或割集）或换路后的电路有纯电感构成的结点（或割集）或有由电感和独立电流源构成的结点（或割集），有由电感和独立电流源构成的结点（或割集），且结点上各电感的电流值且结点上各电感的电流值iL(0-)与电流源电流的初与电流源电流的初始值的代数和不等于零，始值的代数和不等于零，在上述两种情况下，求初始值，必须遵循换路在上述两种情况下，求初始值，必须遵循换路前后电路中电荷守恒和磁通链守恒的约束关系，即前后电路中电荷守恒和磁通链守恒的约束关系，即或或 或或返 回