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1、第4章 动态电路的时域分析学习指导与题解一、基 本 要 求1明确过渡过程的含义，电路中发生过渡过程的原因及其实。2熟练掌握换路定律及电路中电压和电流初始值的计算。3能熟练地运用经典分析RC和RL电路接通或断开直流电源时过渡过程中的电压和电流。明确RC和RL电路放电和充电时的物理过程与过渡过程中电压电流随时间的规律。4明确时间常数、零输入与零状态、暂态与稳态、自由分量与强制分量的概念，电路过渡过程中的暂态响应 与稳态响应。5熟练掌握直流激励RC和RL一阶电路过渡过程分析的三要素法。能分析含受控源一阶电路的过渡过程。6明确叠加定理在电路过渡过程分析中的应用，完全响应中零输入响应与零状态响应的分解方
2、式。掌握阶跃函数和RC，RL电路阶跃响应的计算。7明确RLC电路发生过渡过程的物理过程，掌握RLC串联二阶电路固有频率的计算和固有响应与固有频率的关系，以及振荡与非振荡的概念。会建立RLC二阶电路描述过渡过程特性的微分方程。明确初始条件与电路初始状态的关系和微分方程的解法。会计算RLC串联二阶电路在断开直流电源时过渡过程中的电压和电流。了解它在接通直流电源时电压和电流的计算方法。二、学 习 指 导电路中过渡过程的分析，是本课程的重要内容。教学内容可分如下四部分：1过渡过程的概念； 2换路定律； 3典型电路中的过渡过程，包括RC和RL一阶电路和RLC串联二阶电路过渡过程的分析； 4叠加定理在电路
3、过渡过程分析中的应用。 着重讨论电路过渡过程的概念，换路定律，RC和RL一阶电路过渡过程中暂态响应与稳态响应和时间常数的概念，计算一阶电路过渡过程的三要素法，完全响应是的零输入响应和零状态响应，阶跃响应，以及RLC串联二阶电路过渡过程的分析方法。现就教学内容中的几个问题分述如下。（一） （一） 关于过渡过程的概念与换路定律1 1 关于过渡过程的概念电路从一种稳定状态转变到另一种稳定状态所经历的过程，称为过渡过程。电路过渡过程中的电压和电流，是随时间从初始值按一定的规律过渡到最终的稳态值。产生过渡过程的原因，是由于含有储能元件（电容C、电感L以及耦合电感元件）的电路发生换路工作状态突然改变时引起
4、的。因此，“换路”是产生过渡过程的外因，而内因是电路是含有储能元件，其实质是由于电路是储能元件能量的释放与储存不能突变的缘故。电路是的过渡过程，就是换路后电路的能量转换过程。所以，电路产生过渡过程的充分必要的条件是：含有储能元件的电路，发生换路（如t=0时刻换路）之后，即t0时储能元件的能量必须发生神化,电路是才能产生能量转换的过程.如果电路换路之后，储能元件的能量不发生变化，意味着换路后立即到达稳态，电路就不发生五家渠市过程了。2 2 换路定律若t=0时刻换路，t=0_表示换路前最后的瞬间,t=0表示换路后最初瞬间。电压和电流的初始值就是t=0时的数值，用u(0)和表示。如果换路时刻电容电流
5、和电感电压都是有限值，则换路时刻电容电压和电感电流不能跃变，即,这就是换路定律。关于换路定律应该明确的是：（1）适用于换路定律的电量，只有电容电压和电感电流，其它电量是不适用换路定律的。因为电容电压和电感受电流是电路的状态变量，决定电路的储能状态，即=，。因此，储能不能跃变，必然是电容电压和电感受电流不能跃变。而电路中的其它电量，如电容电流、电感电压、电阻电压和电流等，过都是非状态变量，在换路时刻是可以跃变的。 （2）换路定律适用电路的条件是，换路时刻电路中的电容电流和电感电压均为有限值，否则换路定律不能应用。这是由电容和电感元件的基本性质所决定的。即伏安特性为因t=0时刻电容电流为有限值，上
6、式中的积分项为零。同理，因t=0时刻电感电压为有限值，上式中的积分项为零。否则，如果换路时刻电容电流和电感电压不是的限值，电容电压和电感电流可能跃变。如图4-1（a）所示电路，时刻开关K闭合，则，电容电压发生强制跃变，必然换路时刻电容电流，为非有限值；又如图4-1（b）所示电路，时刻进行换路，输入电感元件L，电感电流发生强制跃变，必然换路时刻电感电压为，为非有限值。由此可见，换路时刻电容电流和电感电压为非有限值，则电容电压和电感电流可能发生跃变，换路定律不能应用。 图 4-1 电容电压和电感电流的强制跃变3初始值与电路我们所讨论的RC和RL以及RLC电路都是适用换路定律的。这类电路换路后电路的
7、初始值，对于电容电压和电感电流而言，求出和后，便可按换路定律求出和电路时，视为电压源，视为电流源。4稳太值与稳态电路过渡过程结束后，电路中的电压和电流的最终值，就是新的稳定状态的数值，即稳态值。稳态值一般作出过渡过程结束后的稳态电路来求出。如直流电源激励的稳态电路，称为直流稳态电路，这时电路中电容相当于开路，这时按相量法计算出稳态值。5电路过渡过程分析的目的与立法电路中过渡过程分析的目的，主要是研究过渡过程中电压和电流的变化规律。它与动态电路换路后的结构和储能元件的性质、数目及初始储能等有关，由列出和求解描述电路动态过程的微分方程的解来确定。电路过渡过程的分析方法，有经典法和变换域分析法。经典
8、分析法是在时域以待支路的电压或电流为变量，列出电路换路后的微分方程，并直接求解满足初始条件微分方程的解答，得出时间函数的电压电流，本章就是采用这种方法来分析过渡过程问题的，这换域分析法是应用拉普拉斯变换方法来求解电路过渡过程中的电压和电流，这种方法将在第十三章介绍。（二）关于RC和RL一阶电路过程的分析1典型RC和RL一阶电路含有一个独立储能元件的电路，动态特性是用一阶微分方程来描述，称为一阶电路。如图4-2（a），（b）所示RC和RL串联电路是典型的一阶电路。其它的一阶电路，可以应用戴维南定理等效化简为典型的一阶电路。2直流RC和RL一阶电路的微分方程如果RC和RL电路的激励源是直流电源，称
9、为直流一阶电路。为了分析RC和RL一阶电路过渡过程中电压和电流的变化规律，需根据KVL，KCL和元件VAR列出时电 图 4-2 典型RC和RL一阶电路路的微分方程。如图4-2(a)所示电路，以为变量，时电路的微分方程为这是常系数线性非齐次一阶微分方程。齐次微分方程是电路换路后过渡过程中的电容电压随时间变化的规律，就是满足初始条件微分方程的解。又如图12-2(b)所示RL电路，以为变量，时电路的微分方程为这是常系数线性非齐次一阶微分方程。齐次微分方程是电路换路后过渡过程中的电流随时间变化的规律，就是满足初始条件微分方程的解。电路的初始条件，由初始状态来确定。3过渡过程是的暂态响应与稳态响应（1）
10、如图12-2（a）所示RC电路，初始状态，且时的，是以为变量常系数一阶非齐次方程的解，包含齐次微分方程的通解，和非齐次微分方程的特解。故微分方程的全解为根据初始条件，确定积分常数K。当时，则上式为故最后解出过渡过程中的电容电压为 上式等号右边第一项，按指数规律衰减，当时为零，故称为暂态响应，又称自由分量；第二项，是与激励电源形式相同，而与时间无关的恒定值，当时，故称为稳态响应，又称为强制分量，由此可见，过渡过程中的电容电压可以解为：暂态响应与稳态响应之和。在工程上，RC电路电容放电过程中的电容电压为 电容放电电压是从初始值按指数规律衰减为零，就是指数规律衰减的因子。RC电路当电容充电过程中的电
11、容电压为 电容充电电压是从零按指数规律上升到稳态值就是从零按指数规律增长的因子。电路中的电流则根据电容零件的VAR得出，即（2）如图12-2（b）所示RL电路，若初始状态，且。 时的，是以为变量的非齐次微分方程满足初始条件的解，即 式中，是暂态响应；是稳态响应。 4时间常数（1）在上述RC和RL电路过渡过程中和的暂态响应，含有衰减因子和，e是指数的分母RC和的量纲是时间，单位是秒，它们的数值决定于电路中的参数R，C和R、L均为常数，故称为时间常数，用表示。对于图12-2所示典型一阶电路，RC电路，RL电路。对于非典型一阶电路，时间常数中的R，戴维南等效电路的等效电阻。（2）时间常数是一阶微分方
12、程的特征方程的负倒数。如图12-2（a）所示电路微分方程的特征方程是故特征根为因此，时间常数特征根具有频率的量纲,即秒。由电路的参数R，C确定，反映电路的固有性质，故称为固有频率。（3）时间常数是决定电压过渡过程中电压和电流变化快慢的物理量。其值是过渡过程中暂态响应衰减到初始值36.8%所需的时间。值越大，衰减就越慢，过渡过程就越长；反之，值越小，衰减就越快，则过渡过程就越短。从理论上讲，要经过无限长时间暂态响应才能衰减为零，过渡过程才能结束。但是，在工程一般认为经过（35）的时间，暂态响应已衰减趋于零，过渡过程便结束了。（4）还应指出，对于同一电路时，电路中不同支路的电压和电流暂态响应衰减的
13、时间常数都是相同的。换句话说，一个电路换路后只有一个时间常数。5直流一阶电路分析计算的三要素法由于直流一附上电路换路后在过渡过程中的电压和电流，是从初始值按指数规律衰减到稳态值，或者是从初始值按指数规律上升到稳态值。而指数规律的变化又决定于时间常数。因此，过渡过程中的电压和电流是随时间的变化规律，由初始值、稳态值的时间常数所确定。只要计算出初始值、稳态值和时间常数，则过渡过程中的电压和电流，便可直接由如下三要素公式得出，即 上式中，是暂态响应，是稳态响应。 上式所示三要素公式化，适用于直流激励、有损耗一阶电路，时刻换路，时电路的过渡过程分析。有损耗一阶电路的戴维南等效电阻R是正值，特征根S是一
14、个负数，暂态响应含负指数，随时间作衰减变化。三要素法是一阶电路过渡过程分析的实用计算法，不必列出和求解电路的微分方程，只要直接计算出待求响应变量的初始值、稳态值和电路的时间常数即可，具有简捷方便的优点。因此，在工程实际中具有重要意义。6关于正弦激励一阶电路过渡过程的分析计算步骤，与直流激励一阶电路分析方法相同。如图12-2（a）所示RC电路，时刻换路，接入电源，是开关K闭合时刻电源电压的相位角。经典法分析计算的步骤如下：（1）时以电容电压为变量的微分方程为（2）解微分方程：齐次方程的通解为非齐次微分方程的特解，就是稳态响应，按时稳态电路，用相量法求出。即正弦稳态时RC串联电路的电容电压为式中：
15、是稳态电容电压有效值；是RC 串联电路的阻抗角。解出稳态响应为（3）过渡过程中电容电压为 =（4）确定积分常数K，若，当时刻，上式为（5）最后解出过渡过程中的电容电压为 过渡过程中电容电压的暂态响应，与开关K闭合的时刻有关，由于正弦电源电压接入电路初相角的数值，取决于开关闭合的时刻。当不财的时刻开关闭合时，积分常数K的数值不同。如果当（时刻开关闭合，则积分常数，暂态响应为零，电路称路后立即到达稳态值，没有过渡过程。如果当或时刻开关K闭合，则积分常数为最大值，这时电容两端可能出现过电压。对于正弦电源接入RL电路的分析，按上述同样的步骤进行，可以得出与RC电路类似的结果，读者自行总结。正弦电源激励动态电路过渡过程的分
