动态电路理论体系 之 “拉普拉斯变换/复频域分析法”


拉普拉斯变换法是一种化简复杂的微分运算的方法,可以方便地求解高阶微分电路的电气量的解。拉屎变换通过把微分运算关系,转化成拉氏算子s(微分算子)的四则运算关系,使复杂的微分方程求解过程,转化为通过对算子s的加减乘除。最后只需把复频域计算结果从复频域拉氏反变换为时域解,即可得出高阶微分电路方程的时域解。


一、运算电路的构建步骤

1.电阻支路

    时域:阻抗R

    运算支路:阻抗R

2.电容支路

    时域:电容C,Uc(0₋)

    运算支路:

          “阻抗1/sC”串联“电压源Uc(0₋)/s”

附加电压源与Uc(0₋)同方向

    即附加电压源“推动”电容“泄放”初值

3.电感支路

    时域:电感L,I˪(0₋)

    运算支路: “阻抗sL”串联“电压源L·I˪(0₋)”

附加电压源与I˪(0₋)反方向

    即附加电压源“推动”电流向I˪(0₋)流动


4.互感的运算形式(如图)

①互感的两个支路各有一个运算阻抗和两个附加电压源,分别代表运算自感以及两侧支路的初始电流

②自感附加电压源

❶大小等于“自感×本侧初始电流”

❷方向与本侧电流初始方向相同

③互感附加电压源

❶大小等于“互感×对侧初始电流”

❷方向判断方法:

  如果两侧电流加强磁场,互感附加源方向与本侧电流相同;如果两侧电流减弱磁场,互感附加源方向与本侧电流相反。


5.独立电源的运算形式

    根据电源的时域函数,将电源拉氏变换

    不改变电源属性:电压源还是电压源,电流源还是电流源

    常见形式有:

①直流电源F(t)=Kε(t)→U(s)=K/s

②冲激电源F(t)=Kδ(t)→U(s)=K

③函数波形电源F(t)→F(s)

    例如:F(t)=Ke⁻ᵃᵗ→F(s)=K/(s+a)

                F(t)=Kt    →F(s)=K/s²

 

6.受控源的运算形式

    受控源的输出值,是将某个电气量乘以相应的比例系数,在运算电路中并不改变这种形式。

    因此只需将相应的“运算电气量”乘以受控源的比例系数即可。

注:变压器和回转器可以看做特殊的受控源,与受控源同理。


二、运算电路中电气量的求解

1.运算电路中电气量的方程,仅需根据电路的拓扑结构,直接列写方程并求解即可。

2.运算电路中,由于方程含有s项,计算可能非常繁琐。因此在化简求解方程时,可以采用“初等行变换”来简化求解方程组的步骤。考试时求解过程仅需写在草稿纸上,试卷上直接写“解得电气量”的象函数即可。


三、拉氏反变换


㈠象函数F(s)有理分式的裂项

⒈ 真分式需要通过分离常数化成假分式

⒉ 假分式需要通过分母的表达式,将一个分式拆成几个分式的和,称作有理函数的裂项

①首先将分母因式分解

  分解成多个因式的乘积

②根据分母的所有因式,进行裂项有理化

  ❶单重一次因式:(s-p₁)

有理化:K₁/(s-p₁)

K₁=(s-p₁)F(s)|ₛ₌ₚ₁

  ❷多重一次因式:(s-p₂)ᴷ

有理化: K₁/(s-p₁)ᴷ+K₂/(s-p₁)ᴷ⁻¹+... +Kₖ/(s-p₁)

  例如:(s+2)²  →  K₁/(s+2)²+K₂/(s+2)

          K₁=(s+2)²F(s)| ₛ₌₋₂

          K₂=d[(s+2)²F(s)]/ds | ₛ₌₋₂

  ❸单重二次因式:(s²-2αs+ω²)

  i. 使用计算器强行因式分解,

    解方程得到共轭复根: p₁, ₂=-α±jω

      (s-p₁)(s-p₂)=(s-(-α+jω))(s-(-α-jω))

      有理化:K₁/(s-p₁)+K₂/(s-p₂)

  ii. K₁=(s-p₁)F(s) | ₛ₌ₚ₁, K₂=(s-p₂)F(s) | ₛ₌ₚ₂

      K₁, ₂=|K|∠(±θ)

  iii. f(t)=2|K|e⁻ᵃᵗcos(ωt+θ)

  注:二次因式也可以使用配方法直接硬凑



㈡拉氏反变换的对应关系(如图)

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