电路的拉普拉斯变换分析法.ppt

第7章电路的拉普拉斯变换分析法 7 1拉普拉斯变换的定义 7 2拉普拉斯变换的基本性质 7 3拉普拉斯反变换 7 4复频域电路 7 5电路的拉普拉斯变换分析法 7 1拉普拉斯变换的定义 拉普拉斯变换 简称拉氏变换 是求解常系数线性微分方程的工具 设一个变量t的函数f t 在任意区间能够满足狄利赫利条件 一般电子技术中处理的函数都满足这一条件 拉氏正变换 f t 原函数 F S f t 的象函数 积分下线0 后面讨论中写成0 拉氏正变换 例 用定义求f t 象函数 其中a为实数 且a 0 解 根据拉氏变换的定义 0 称为收敛域 拉氏反变换 拉氏正变换拉氏反变换 拉氏变换对 由F s 到f t 的变换称为拉普拉斯反变换 简称拉氏反变换 下面来讨论一些常见函数的拉普拉斯变换 工程中常见的函数 除少数例外 有下列两类 1 t的指数函数 2 t的正整幂函数 许多常用的函数如阶跃函数 正弦函数 衰减正弦函数等 都可由这两类函数导出 7 1 1指数函数 a为常数 由定义可得的拉普拉斯变换为 由此可导出一些常用函数的变换 1 单位阶跃函数e t a 0 2 正弦函数sinwte t 故有 3 余弦函数coswte t 故有 4 衰减正弦函数 故有 5 衰减余弦函数 与衰减正弦函数相类似可得 6 双曲线正弦函数shbte t 故有 7 双曲线余弦函数chbte t 与双曲线正弦函数相类似可得 由定义可得的拉普拉斯变换为 设 则 亦即 依次类推 则得 当n 1时 有 7 1 3冲激函数Ad t 冲激函数的定义 可得 对于单位冲激函数来说 可令上式A 1 即得 书中表7 1给出了一些常见函数的拉普拉斯变换 拉氏变换法的实质就是将微分方程经数学变换转变成代数方程 然后进行代数运算 再将所得的结果变换回去 它和应用对数计算数的乘除相类似 不同的只是在对数运算中变换的对象是数 而在拉氏变换中变换的对象是函数 2 对于常用的阶跃函数 冲激函数 指数函数及一些超越函数等经变换以后 可转换成为简单的初等函数 拉氏变换法的优点 1 求解过程得以简化 又同时给出微分方程的特解及齐次方程的通解 而且初始条件能自动包含在变换式中 对于换路起始时有突变现象的问题处理更方便 7 2拉普拉斯变换的基本性质 拉普拉斯变换有许多重要性质 利用这些基本性质可以方便地求出一些较为复杂函数的象函数 同时通过这些基本性质可以将电路在时域内的线性常微分方程变换为复频域内的线性代数方程 从而得到复频域中的等效电路 7 2 1线性特性 若f1 t F1 s f2 t F2 s 则 a1 a2为任意常数 证明 求函数的象函数 例 解 7 2 2尺度变换 若f t F s 则f1 at a为大于零的实数 证明 令x at 7 2 3时间变换 若f t F s 证明 令 t0为常数 则 例 解 求图中所示的锯齿波的拉普拉斯变换 由线性性质 时间平移特性还可以用来求取有始周期函数 t 0时呈现周期性的函数 在t 0范围函数值为零 的拉普拉斯变换 f t 为有始周期函数 其周期为T f1 t f2 t 分别表示函数的第一周期 第二周期 的函数 由于是周期函数 因此f2 t 可看成是f1 t 延时一个周期构成的 f3 t 可看成是f1 t 延时二个周期构成的 依此类推则有 根据平移特性 若 则 f t 为有始周期函数 其周期为T 拉普拉斯变换等于第一周期单个函数的拉普拉斯变换乘以周期因子 例 求图中半波正弦函数的拉普拉斯变换 解 先求第一个半波f1 t 的拉普拉斯变换 有始正弦函数的拉普拉斯变换为 故根据时间平移特性可得 半波正弦周期函数的拉普拉斯变换为 7 2 4频率平移特性 若f t F s 则 证明 7 2 5时域微分特性 若f t F s 则 证明 由上式应用分部积分法 有 式中 于是可得 应用上式的结果可得 依此类推 可得 如果f t 及其各阶导数的初值为零 则上式变为 例 解 若电容元件C的端电压uC t 的拉氏变换式为UC s 求电容C中电流的象函数IC s 应用微分性质 IC s L iC t L C C sUC s uC 0 CsUC s CuC 0 如果C的端电压初始值uC 0 0 IC s CsUC s 则有 7 2 6时域微分特性 若f t F s 则 证明 对上式进行分部积分 得 0 则 如函数的积分区间不由0开始而是由 开始 则因为 故有 将积分性质广到多重积分 同前面 样 此处的0意味着0 书中表7 2列出了拉普拉斯变换的基本性质 则有 7 3拉普拉斯反变换 利用拉普拉斯变换法对电路进行暂态分析 最终结果必须返回时域 就是说还要进行拉普拉斯反变换 求拉氏反变换最简单的方法是查拉氏变换表 因为变换表中只列出了常用的一些函数 它不可能将一切函数都包括在内 因此 下面介绍一种基本的方法 部分分式法 利用拉普拉斯变换分析电路的暂态过程时所遇到的象函数一般都是s的实系数有理函数 它的结果可表示成两个多项式之比 即 式中的诸系数an bn都是实数 m n都是正整数 如m n时 可以将假分式可分解为多项式与真分式之和 N S 0的根被称为F S 的零点 D S 0的根被称为F S 的极点 为了分解F s 为部分分式 只需讨论D s 0的根 7 3 1D s 0均为单根 即无重根的情况 设m n 因D s 是s的n次多项式 故可分解因式如下 由于D s 无重根 故sn都不相等 F S 写成部分分式的形式为 A1 A2 Ak An为待定系数 称为F s 在各极点处的留数 Ak如何确定 令 将等式的两边乘以 s sk 在求出了部分分式的Ak各值之后 就可以逐项对部分分式求拉氏反变换 得 F s 的原函数为 由此可见 象函数的拉氏反变换 可表示为若干指数函数项之和 例1 解 求的原函数 首先将F s 化为真分式 将分母进行因式分解 将F s 中的真分式写成部分分式 求真分式中各部分分式的系数 于是F s 可展开为 其原函数为 注意 在对假分式进行反变换时 应首先将假分式变为真分式 然后再进行部分分式分解 例 解 求的原函数 先将分母分解因式 得 是一对共轭复数 方法一 由 由于为一对共轭值 A1 A2则也必为共轭值 所以A2可由A1直接求得 于是 对上式逐项求反变换 并加以整理得 方法二 当D s 为二次三项式 且D s 0的根为一对共轭复数时 还可以使用更简便的方法求原函数 即将分母配成二项式的平方 将一对共轭复根作为一个整体来考虑 F s 可配方为 直接查阅拉普拉斯变换表可得 计算步骤大为简化 例 解 求的原函数 象函数F s 不是有理函数 部分分式分解的方法无法直接应用 这时可先将F s 改写成 其中 分别都是有理函数 可用部分分式法分解 根据时间平移性质可知的原函数 就等于F2 s 的原函数再平移2个时间单位的结果 分别求F1 s F2 s 的原函数 于是可得 7 3 2D s 0的根有重根的情况 设m n 设D s 0在s s1处有p阶重根 这时可将F s 写成下面的形式 把F s 展开成部分分式 A2 A3 An p各留数仍可照无重根的情况求取 A12 A13 A1p各留数 不能再采用这种方法 因为这样将使导数分母中出现 0 值 而得不出结果 留数A11的求取 可将等式的两边乘以令s s1 于是 为此 引入辅助函数 对s微分得 显然 同理 依此类推 得一般形式为 确定了系数 就可根据拉普拉斯变换直接 求取原函数 所以F s 对应的原函数 因为 例 解 D s 0有四个根 一个二重根s1 1和s2 0 s3 3两个单根 其中各待定系数分别确定如下 故部分分式可表示为 故得 取反变换得 以上介绍了用部分分式法求拉氏反变换的基本方法 在分析具体问题时 可根据F s 的分母有无重根分别用前述两种方法求各极点的留数 只要这些留数一经求得 就能得出反变换 7 4复频域电路 用拉氏变换分析电路暂态时可不必写出微分方程再进行变换 可先将时域电路变成复频域电路模型 再根据复频域电路直接写出运算形式的电路方程 使计算过程更为简化 根据元件电压 电流的时域关系 可以推导出各元件电压电流关系的运算形式 7 4 1电阻元件 在时域中 有 设 等式两边取拉氏变换 得 时域形式 复频域形式 7 4 2电容元件 在时域中 有 令 对等式取拉氏变换并应用积分性质得 容端电压的象函数 称象电压 由两部分组成 第一部分是电流的象函数 称象电流 与运算形式的容抗 简言容抗 的积 第二部分相当于某阶跃电压的象函数 称为内运算电压源 电容C在复频域中串联形式的电路模型 象电流也由两部分组成 第一部分是sC 称容纳 和象电压UC s 的乘积 第二部分相当于某电流源的象函数 称内运算电流源 电容C在复频域中并联形式的电路模型 7 4 3电感元件 在时域中 有 令L u t U s L i t I s 对上式取拉氏变换 或 感抗 内运算电压源 内运算电流源 串联形式的电路模型 并联形式的电路模型 7 4 4互感元件 在时域中 有 对等式两边取拉氏变换有 互感运算阻抗 附加电压源的方向与电流i1 i2的参考方向有关 附加的电压源 耦合电感元件 复频域形式 7 4 5受控源 线性受控源电路 在时域电路中满足 U1 s I1 s R U2 s U1 s u1 i1R u2 u1 对等式两边取拉氏变换有 线性受控源 受控源的复频域形式 把时域电路变换成它的等效运算电路 复频域电路 以RLC串联电路为例 RLC串联电路 等效运算电路 由等效运算电路可直接写出电路的运算形式的代数方程 即 RLC串联电路的运算阻抗 RLC串联电路的运算导纳 式中 或者 运算形式的欧姆定律 在零值初始条件下 i 0 0 uC 0 0 则有 在画复频域电路时 应注意电路中的电压 电流均用象函数表示 同时元件用运算阻抗或运算导纳表示 且电容电压和电感电流初始值用附加电源表示 例 时域电路 复频域电路 7 5电路的拉普拉斯变换分析法 拉普拉斯变换法把时间函数变换为对应的象函数 把线性电路的求解归结为求解以象函数为变量的线性代数方程 对任一回路 对任一节点 对于复频域电路 两类约束关系为 应用拉氏变换分析线性电路的步骤 4 通过拉氏反变换得出时域中响应电压和电流 2 画出换路后的等值运算电路 3 应用电路分析方法求出响应电压 电流的象函数 1 求出换路前电路中所有电容元件上的初始电压uc 0 和所有电感元件上的初始电流iL 0 例1 解 电路如图所示 开关s闭合前电路处于稳态 在t 0时开关S闭合 求电路中iL及uC 开关闭合前电路已处于稳态 所以 已知 可得运算电路 设回路电流为I1 s I2 s 应用回路电流法 可列出方程为 解得 求其反变换得原函数为 电容上的电压为 一般来说 二阶或二阶以上的电路不用时域分析 而采用复频域法求解更简便 求其反变换得原函数为 解 例2 如图所示电路 电路原处于稳态 t 0时开关S打开 求t 0时的电流i1 t i2 t 电感L1中的初始电流为 i1 0 5A i2 0 0 S打开后 故 运算电路 电流随时间变化的曲线 开关打开时 L1和L2中的电流都被强制为同一电流 其数值为 显然 可见两个电感的电流都