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电路十拉普拉斯变换

(1)根据换路前电路的工作状态,计算电感电流初始值 和电容电压初始值 ;
(2)作出换路以后复频域的等效电路,即运算电路(注意附加电源的值和方向);
(3)应用线性网络一般分析方法(结点法、回路法、支路法、电路定理、等效变换等)列写运算形式的电路方程,求出响应的象函数 或 等;
(4)用部分分式展开法对象函数取反变换,求出时域响应 或 等。
2.正确地画出复频域等效电路模型。注意附加电源的大小和方向,注意一些常见信号的象函数的记忆。
3.正确地计算出响应的象函数。在求解象函数时,由于复频率 是以符号形式存在,在复频域求解响应的过程有时比较繁琐,这是该方法的不足之处。
13.3典型例题
13.3.1拉普拉斯变换的定义及性质
例13-1已知 如图13-1所示,求其拉氏变换的象函数。
本题中周期为 ,于是得到
例13-4求 的拉氏变换式。
解题指导:任意函数与 的乘积的象函数的求解可利用拉普拉斯变换的频移特性。
解应用频移特性,先求
所以:
13.3.2拉普拉斯反变换
例13-5已知下列象函数 。导:仅含有两个单实根的情况。
(2)解题指导:包含了两个重根的情况。
13.2重点、难点分析
13.2.1本章重点
拉普拉斯变换的核心问题是把以 为变量的时间函数 与以复频率 为变量的复变函数 联系起来,也就是把时域问题通过数学变换后成为频域问题,把时间函数的线性常系数微分方程化为复变函数的代数方程,在求出待求的复变函数后,再作相反的变换,就得到待求的时间函数。所以,本章重点为:
为一对共轭复数,设 , ,

13.1.4线性动态电路的拉氏变换分析法——运算法(即复频域分析法)
1.元件的伏安关系及运算电路如表13-2所示附表13-2。
表13-2元件的伏安关系及运算电路
元件
时域形式
频域形式1
频域形式2
R
L
C
M
在分析时,注意以下几点:
(1)式中各元件的电压、电流均为关联的参考方向;
(3)解题指导:象函数乘以 ,相当于时域中发生了时移 。
例13-6已知象函数 。求其原函数 。
解题指导:当包含有共轭复根时,往往用配方法做比较简单。
解象函数可变换为
其原函数为
例13-7求 的拉氏反变换。
解题指导:当所给出的有理分式不是真分式时,应先用长除法进行处理,变成真分式,然后再进行求解。
解所给函数 不是真分式,用长除法,得
1.拉普拉斯变换求解线性动态电路的概念;
2.拉普拉斯变换的定义及其基本性质;
3.拉普拉斯反变换的部分分式展开法;
4.元件伏安关系及电路定律的复频域形式;
5.运用拉普拉斯变换分析计算线性电路的过渡过程。
13.2.2本章难点
前面我们学习了用经典法求线性电路的动态过程的方法,学习了用相量法求正弦激励下线性电路的稳态过程的方法,而拉普拉斯变换却能求得电路的全响应、全过程,因此,它是全面分析线性电路的一种有力工具。拉普拉斯变换法在解决一些电路分析的具体问题时比较简便,如避开了在 作用下的电感电流和电容电压的跃变问题,但其物理意义没有经典法明显。在学习本章内容的同时,注意与前面所学内容相比较,注意它们之间的联系。
第十三章拉普拉斯变换
13.1基本概念
13.1.1拉普拉斯变换的定义
一个定义在 区间的函数 ,它的拉普拉斯变换式 定义为
式中 为复数, 称为 的象函数, 称为 的原函数。式中积分下限取 ,把上述定义式作如下变形:
可见,对拉普拉斯变换的定义,已自动计及 时 可能包含的冲激。
13.1.2拉普拉斯变换的基本性质
解题指导:首先正确地写出函数的时域表达式,然后利用拉普拉斯变换的时移性质来求。
解由题图得函数的时域表达式为
其象函数为
例13-2求图13-2(a)所示三角脉冲电流的象函数。
解题指导:本题可利用拉普拉斯变换的时域微分性质,先写出三角脉冲电流的微分信号及其象函数,再进行求解。
解对电流 求导,波形如题图13-2(b)所示。则
设 ,则有下表中性质。
表13-1拉普拉斯变换的基本性质
序号
性质名称
时域
复频域
1
线性
2
尺度变换
3
时移性
4
频移性
5
时域微分
6
时域积分
7
复频域微分
8
初值定理
9
终值定理
10
时域卷积
11
复频域卷积
13.1.3拉普拉斯反变换
对于简单的象函数可在拉氏变换表中查出它的原函数,表中没有的可按反变换基本公式求出,即 ,但此式涉及到计算一个复变函数的积分,一般比较复杂。电路响应的象函数通常可表示为两个实系数的 的多项式之比,即 的一个有理分式
(2)附加电源的极性与初始值参考方向相同;
(3)由互感引起的附加电源除了与初始值有关外,还和同名端有关。
2.基尔霍夫定律的运算形式如表13-3所示见附表13-3。
表13-3基尔霍夫定律的运算形式
名称
时域形式
运算形式
3.用运算法分析动态电路的步骤
复频域的基尔霍夫定律和各种元件伏安关系都是线性代数方程,与直流电路中的相应方程一一对应。因此,在线性直流电路中建立的各种分析方法、定理可推广用于复频域电路模型。具体步骤如下:
式中 和 为正整数,且 。
若 时,先将其化简成真分式,然后用部分分式展开,将复杂变换式分解为许多简单变换式之和,然后分别查表即可求得原函数。
1. 具有 个单实根时
式中:

2. 具有重根时
设 除了 个重根外,其它均为单根,共有 个根。
式中:

3. 具有共轭根时
若 有复数根,一定是一对共轭根。设有 个单根,其中两个为一对共轭根, , 。
于是得到
根据拉普拉斯的微分性质 ,即得
例13-3已知周期函数 ,周期为 ,试求其拉氏变换式。
解题指导:这是一个周期函数的象函数的求解问题。可利用拉普拉斯变换的时移特性。
解求周期函数的拉氏变换,可以应用时移特性。用 , ,…分别表示第一周、第二周的波形,则
根据时移特性,若:
则:
根据上式,首先求第一个周期波形的拉氏变换式。由拉氏变换定义可得:
应用拉普拉斯变换分析线性电路的瞬态,须经过三个过程:(1)从时域到复频域的变换,即对电路的输入取拉普拉斯变换,给出相应的复频域电路;(2)在复频域对电路列方程和应用电路定理,求出相应的象函数;(3)从复频域到时域的变换,求出响应的时域表达式。用拉氏变换法求解线性电路的响应时,要注意以下几点:
1.初始状态的确定。对于复杂的电路,往往不能正确地计算出动态元件的初始值。
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