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2.4零输入响应和零状态响应.doc
§ 2.1 引言
一.系统数学模型的时域表示
时域分析方法:不涉及任何变换,直接求解系统的微分、积分方程式,这种方法比较直观,物理概念比较清楚,是学习各种变换域方法的基础。
本课程中我们主要讨论输入、输出描述法。
系统分析过程
经典法:前面电路分析课里已经讨论过,但与((t)有关的问题有待进一步解决—— h(t);
卷积积分法: 任意激励下的零状态响应可通过冲激响应来求。(新方法)
本章主要内容
线性系统完全响应的求解;
冲激响应h(t)的求解;
卷积的图解说明;
卷积的性质;
零状态响应:
§2.2 微分方程的式的建立与求解
主要内容
复习求解系统微分方程的经典法
物理系统的模型
微分方程的列写
n 阶线性时不变系统的描述
求解系统微分方程的经典法
一.物理系统的模型
许多实际系统可以用线性系统来模拟。
若系统的参数不随时间而改变,则该系统可以用线性常系数微分方程来描述。
二.微分方程的列写
根据实际系统的物理特性列写系统的微分方程。
对于电路系统,主要是根据元件特性约束和网络拓扑约束列写系统的微分方程。
元件特性约束:表征元件特性的关系式。例如二端元件电阻、电容、电感各自的电压与电流的关系以及四端元件互感的初、次级电压与电流的关系等等。
网络拓扑约束:由网络结构决定的电压电流约束关系,
KCL,KVL。
例2-2-1
求并联电路的端电压 与激励 间的关系。
解答
电阻
电感
电容
根据KCL
代入上面元件伏安关系,并化简有
这是一个代表RCL并联电路系统的二阶微分方程。
例2-2-2 机械位移系统,质量为m的刚体一端由弹簧
牵引,弹簧的另一端固定在壁上。刚体与地面间的摩擦力为 ,外加牵引力为 ,其外加牵引力 与刚体运动速度V(t) 间的关系可以推导出为
这是一个代表机械位移系统的二阶微分方程。
两个不同性质的系统具有相同的数学模型,都是线性常系数微分方程,只是系数不同。对于复杂系统,则可以用高阶微分方程表示。
三.n 阶线性时不变系统的描述
一个线性系统,其激励信号 与响应信号 之间的关系,可以用下列形式的微分方程式来描述
若系统为时不变的,则C,E均为常数,此方程为常系数的n阶线性常微分方程。
阶次:方程的阶次由独立的动态元件的个数决定。
四.求解系统微分方程的经典法
分析系统的方法:列写方程,求解方程。
求解方程时域经典法就是:齐次解+特解。
经典法
齐次解:由特征方程→求出特征根→写出齐次解形式
注意重根情况处理方法。
例2-2-3
解答
系统的特征方程为
特征根
因而对应的齐次解为
特 解:根据微分方程右端函数式形式,设含待定系数的特解函数式→代入原方程,比较系数定出特解。
例2-2-4
给定微分方程式
如果已知: 分别求两种情况下此方程的特解。
解答
将此式代入方程得到
等式两端各对应幂次的系数应相等,于是有
联解得到
所以,特解为
(2)
这里,B是待定系数。 代入方程后有:
全 解:齐次解+特解,由初始条件定出齐次解 。
例2-2-5
解答
(1)列写电路的微分方程
根据电路形式,列回路方程
列结点电压方程
(2)求系统的完全响应
系统的特征方程
特征根
齐次解
特解
方程右端自由项为
代入式(1)
要求系统的完全响应为
(3)
换路前
由于电容两端电压和电感中的电流不会发生突变,
因而有
(4)
求得
要求的完全响应为
我们一般将激励信号加入的时刻定义为t=0 ,响应为 时的方程的解,初始条件
初始条件的确定是此课程要解决的问题。
几种典型激励函数相应的特解
激励函数e(t) 响应函数r(t)的特解
§2.3 起始点的跳变
电容电压的突变
电感电流的突变
冲激函数匹配法确定初始条件
一.起始点的跳变
说明
对于一个具体的电网络,系统的 状态就是系统中储能元件的储能情况;
一般情况下换路期间电容两端的电压和流过电感中的电流不会发生突变。这就是在电路分析中的换路定则:
但是当有冲激电流强迫作用于电容或有冲激电压强迫
作用于电感, 状态就会发生跳变。
当系统用微分方程表示时,系统从 状态有没有跳变取决于微分方程右端自由项是否包含 及其各阶导数项。
1.电容电压的突变
由伏安关系
当有冲激电流或阶跃电压作用于电容时:
例2-3-1
2.电感电流的突变
冲激电压或阶跃电流作用于电感时:
例2-3-2
三.冲激函数匹配法确定初始条件
配平的原理:t =0 时刻微分方程左右两端的δ(t)及各阶导数应该平衡(其他项也应该平衡,我们讨论初始条件,可以不管
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