二阶电路的暂态过程

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  二阶电路 用二阶微分方程描述的电路,二阶电路一般含有两个储能元件。
  图示电路中,二阶电路的暂态过程时开关接通。求二阶电路的暂态过程 RLC串联电路的零输入响应。

二阶电路的暂态过程

  列二阶电路的暂态过程后KVL方程      二阶电路的暂态过程

  将元件方程

二阶电路的暂态过程

  代入得描述二阶电路的暂态过程的二阶常系数线性齐次微分方程

二阶电路的暂态过程

  两个初始条件

二阶电路的暂态过程

  二阶电路的暂态过程的二阶常系数线性齐次微分方程定解  二阶电路的暂态过程

  由于电路为零输入响应,因此二阶电路的暂态过程的强制分量(特解)为零,即二阶电路的暂态过程

  下面求齐次微分方程通解
  特征方程及特征根为

二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程

  令二阶电路的暂态过程代入上式,得到两个特征根

二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程

  上式表明,特征根二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程决定于电路参数(RLC)。而电路参数可任意取值,所以二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程可为相异实根、二重根或共轭复根。相应的,方程通解将具有不同的函数形式。

  1.二阶电路的暂态过程,即电路参数满足二阶电路的暂态过程

  此时二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程为两个相异负实根(设RLC均为正值)。方程通解为

二阶电路的暂态过程

  其中A1和A2须通过初始条件确定

二阶电路的暂态过程

  解得


二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程

  将A1、A2代入得响应

二阶电路的暂态过程  二阶电路的暂态过程

  根据电容、电感的元件方程,考虑到二阶电路的暂态过程可得

二阶电路的暂态过程

二阶电路的暂态过程

  由于电路中无独立电源,所以响应二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程均为零输入响应,因而只含自由分量。
二阶电路的暂态过程时RLC串联电路零输入响应波形如下——过阻尼过程

二阶电路的暂态过程

  2.二阶电路的暂态过程,即电路参数满足二阶电路的暂态过程

  此时二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程为一对共轭复数,它们分别写成

二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程

  式中,二阶电路的暂态过程

  方程通解为

二阶电路的暂态过程

  其中A二阶电路的暂态过程须由初始条件确定:

二阶电路的暂态过程

  解得

二阶电路的暂态过程

  代入得响应

二阶电路的暂态过程

  根据元件方程,得

        二阶电路的暂态过程

         二阶电路的暂态过程

         二阶电路的暂态过程

        二阶电路的暂态过程

  下图画出了二阶电路的暂态过程时RLC串联电路零输入响应二阶电路的暂态过程i二阶电路的暂态过程的波形图——欠阻尼过程

二阶电路的暂态过程

  3.二阶电路的暂态过程,即电路参数满足二阶电路的暂态过程

  此时二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程为两个相等负实根,即特征方程存在二重根

二阶电路的暂态过程

  方程通解为

二阶电路的暂态过程

  其中A1、A2须由初始条件确定:

二阶电路的暂态过程

  解得

二阶电路的暂态过程

  代入通解得

二阶电路的暂态过程

  以及

二阶电路的暂态过程

二阶电路的暂态过程

  由于二阶电路的暂态过程属于临界状态。此时电阻R称为临界电阻。临界情形仍是非振荡情形。
  例1.图(a)所示电路,设二阶电路的暂态过程。求二阶电路的暂态过程的单位阶跃特性二阶电路的暂态过程

二阶电路的暂态过程  二阶电路的暂态过程

  解:设二阶电路的暂态过程A。列写关于二阶电路的暂态过程的微分方程。根据KCL,得

二阶电路的暂态过程    (1)

  根据KVL,得

二阶电路的暂态过程    (2)

  将式(2)对时间求导,再将式(1)代入求导后的方程,得

二阶电路的暂态过程    (3)

  代入已知数

二阶电路的暂态过程    (4)

  由零状态电路得初始条件:

二阶电路的暂态过程    (5)

  下面求满足方程(4)和初始值(5)的解答。
  图 (a)所示电路在二阶电路的暂态过程作用下存在稳态解。二阶电路的暂态过程的稳态分量为二阶电路的暂态过程。为求自由分量须写出方程(4)的特征方程并求出特征根

二阶电路的暂态过程

二阶电路的暂态过程  (6)

二阶电路的暂态过程为一对共轭复根,故二阶电路的暂态过程自由分量形式为

二阶电路的暂态过程    (7)

  二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程相加便是方程(4)的通解

二阶电路的暂态过程    (8)

  由初始条件式(5)确定B二阶电路的暂态过程

二阶电路的暂态过程

  解得

二阶电路的暂态过程    (9)

  将二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程代入式(8)得到满足方程(4)及初始值(5)的解,即响应二阶电路的暂态过程

二阶电路的暂态过程A 二阶电路的暂态过程    (10)

  因为电路为零状态,二阶电路的暂态过程二阶电路的暂态过程,可以用单位阶跃函数表示二阶电路的暂态过程时的情况。这样二阶电路的暂态过程的统一表达式是

二阶电路的暂态过程A  (11)

  上述二阶电路的暂态过程是在单位阶跃电流源作用下产生的响应,故二阶电路的暂态过程的单位阶跃特性二阶电路的暂态过程的变化规律与二阶电路的暂态过程相同,但二阶电路的暂态过程无量纲。即

二阶电路的暂态过程    (12)

二阶电路的暂态过程的波形如图 (b)所示。

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