1、 69 实验十实验十 二阶电路响应及其状态轨迹二阶电路响应及其状态轨迹 一、一、 实验目的：实验目的： 1 研究 RLC 串联电路的零输入响应和阶跃响应。 2 利用状态轨迹分析零输入和零状态响应。 3 测量临界阻尼电阻的两个 R 值。 4 研究欠阻尼时，元件参数对和固有频率的影响。 二、二、 实验电路如图实验电路如图 101 所示所示 图 101 三、三、 实验原理实验原理 （一）含有两个独立贮能元件，能用二阶微分方程描述的电路称为二阶电 路。当输入信号为零，初始状态不为零时，所引起的响应称为零输入响应。 当初始状态为零，输入信号不为零时所引起的响应称为零状态响应，如其 输入信号为阶跃信号，则
2、称为阶跃响应，如其输入信号为冲激信号，则称 为冲激响应。 电容 C 上的初始电压和流过电感 L 的电流均为零， 这时当正脉冲作用 于电路图 101 时，二极管 D 导通， 1RiP UU，等效电路如图 102 所 示，图 102 中， L r为电感线圈的电感量为 50mH 时，对应的直流电阻， 在可变电感箱上能直接对应读出。 70 图 102 按图示电容电压的参考方向，可以写出： 0)0( 0 )( 0)0( 0)0( ) 1 ()( )( )( )( 2 2 2 C C L C iPC C L C u tdt tdu i u Utu dt tdu CrR dt tud LC 当电容上的电压为
3、 iPC Uu ) 0(， 流过电感 L 的电流0)0()0( iiL， 此时负脉冲作用于图 101，二极管 D 截止，这时等效电路如图 103 所 示， 图 103 按图示电容电压的参考方向，可以写出： 71 0)0( )0( )2(0)( )( )( )( 21 2 2 C iPC C C L C u Uu tu dt tdu CrRR dt tud LC 式(1)和(2)都是常系数、线性、二阶的微分方程，求解这两个方程，便可得 到零状态响应和零输入响应的)(tuC。由微分方程的理论可知， 式（1）的特征方程为： 01)( 2 2 CsrRLCs L 其特征根为： ) 3( 1 ) 2 (
4、 2 2 0 2 11 222 2, 1 LCL rR L rR s LL 式（2）的特征方程为： 01)( 21 2 CsrRRLCs L 其特征根为： )4( 1 ) 2 ( 2 2 0 2 22 22121 2, 1 LCL rRR L rRR s LL 1欠阻尼，振荡充放电过程 （1）由式（3）可见，当 01 ， 即 C L rR L 2 2 ， L r C L R 2 2 则式(3)可以写成： 112, 1 js 式中： 72 L rR L 2 2 1 ，称为阻尼常数 2 1 2 01 ，称为有衰减时的振荡角频率 LC 1 0 ，称为无衰减时的谐振(角)频率 2, 1 s为特征根，也
5、称为电路的固有频率 可见， 1 ， 1 ， 0 ， 2, 1 s均是仅与电路结构和元件参数有关，完全表征 了 RLC 串联电路的属性。 （2）由式（4）可见，当 02 ， 即 C L rRR L 2 21 ， 12 2Rr C L R L 则式(4)可以写成： 222, 1 js 式中： L rRR L 2 21 2 ，称为阻尼常数 2 2 2 02 ，称为有衰减时的振荡角频率 LC 1 0 ，称为无衰减时的谐振(角)频率 有了固有频率，对于阶跃信号激励（零状态响应） ，式(1)的解为： )5()sin(1 11 1 0 1 teUu t iPC 73 式中， 1 11 1 tg 流过电感 L
6、 的电流i为： )6(sin )( )( 1 1 1 te L U dt tdu Cti tiPC 对于零输入响应，式(2)的解为： )7()sin( 22 2 0 2 teUu t iPC 式中， 2 21 2 tg 流过电感 L 的电流i为： )8(sin )( )( 2 2 2 te L U dt tdu Cti tiPC 式（5） 、 （6） 、 （7） 、 （8）表达式可以看出，电容上的 C u和流过电感的 L i的波形将呈现衰减振荡的形状，在整个过程中，它们将周期性的改变方 向， 储能元件 L 和 C 也将周期性地交换能量。 在示波器上观察到的 C u和 L i 波形如图 104(
7、a)和(b)所示， 74 （a） （b） 图 104 注意：示意图中的 1 和 2 ，在示波器观察时用)( 1 msT和)( 2 msT表示。 2过阻尼，非振荡充放电过程 （1）由式（3）可见，当 01 ，即 C L rR L 2 2 ， L r C L R 2 2 固有频率 LCL rR L rR s LL 1 ) 2 ( 2 222 2, 1 为两个不相等的负实数，电容电压 c u为 )9(1)( 1 )( 21 12 21 tStS iPc eses ss Utu 流过电感 L 的电流i为： 75 )10()( )()( 21 21 21 21 21 tStSiP tStSiPt ee
8、ssL U ee ss ssCU dt du Cti 零状态响应 c u和i随时间的变化曲线如图 105 所示，为非振荡波形。 图 105 （2）由式（4）可见，当 02 ，即 C L rRR L 2 21 ， 12 2Rr C L R L 固有频率 LCL rRR L rRR s LL 1 ) 2 ( 2 22121 2, 1 为两个不相等的负实数，电容电压 c u为 )11()()( 21 12 12 tStSiP c eses ss U tu 流过电感 L 的电流i为： )12()()( 21 12 21tStSiPt ee ss ssCU dt du Cti 因为 LC ss 1 21
9、 代入（12）式得 76 )13()( )( )( 21 12 tStSiP ee ssL U ti 零输入响应 c u和i随时间的变化曲线如图 106 所示，为非振荡波形。 图 106 3临界阻尼，非振荡充放电过程 （1）由式（3）可见，当 01 ，即 C L rR L 2 2 ， L r C L R 2 2 固有频率 121 ss为两个相等的负实数， 电容电压 c u为： )14()1 (1)( 1 1 t iPc etUtu 流过电感 L 的电流i为： )15()( 1t iPt te L U dt du Cti 响应 c u和i随时间的变化曲线与过阻尼时的零状态响应的相似，仍为非振 荡
10、波形。 77 （2）由式（4）可见，当 02 ，即 C L rRR L 2 21 ， 12 2Rr C L R L 固有频率 221 ss为两个相等的负实数， 电容电压 c u为： )16()1 ()( 2 2 t iPc etUtu 流过电感 L 的电流i为： )17()( 2t iPt te L U dt du Cti 响应 c u和i随时间的变化曲线与过阻尼时的零输入响应的相似，仍为非振 荡波形。 （二） 对于图 101 所示的二阶电路， 如果选用电容上的电压 C u和流过电 感的电流 L i作为变量，则可以写成两个一阶微分方程组，称为状态方程。 (状态方程的求解过程见附录) 按图 10
11、1 所示，示波器的 CH1 接在电阻 2 R上(实验只为流过电感的 电流 L i)，CH2 接在电容 C 上，为保证参考方向正确，要求 2 Y反相。有的 示波器将垂直移动旋钮拨出，有的示波器直接按一下 2 Y反相健） 。由李沙 育图形，可见如图 107 所示波形。要求在图中说明：(1)原点？(2)零状 态？(3)零输入？(4)两个稳态之间的值？ 78 图 107 四、四、 实验内容实验内容 1欠阻尼 按实验线中图 101 接线， 200 1 R，mHL50，FC05. 0， 200 2 R，方波频率取 f=100Hz，由于函数信号发生器只能提供正、负 交替的矩形波， 故在实验中串联一个开关二极
12、管削去矩形波的负脉冲部分， 以获得所需的方波，方波幅值取 3V(即 UR1=3V)，电阻R1的接入是为了在 二极管截止时给 RLC 串联电路构成一个闭合回路， 这样才能观察到电路的 零输入响应、零状态响应和状态轨迹。示波器的接法如图所示。 画出一个周期内的响应)(tuC、)(ti的波形图和状态轨迹，精确标出 有关的结构参数，并把它们绘在坐标纸上。( 1 ， 2 为选做)。 2临界阻尼 观察)(tuC、)(ti的波形和状态轨迹。调节电阻箱电阻值，找出临界阻 79 尼时的两个电阻 R 值。 画图时， 可以固定其中的一个观察响应)(tuC、)(ti 的波形图和状态轨迹（画出示意图） 。 3过阻尼 取
13、KR20 2 ，其它参数不变和条件不变，观察响应)(tuC、)(ti的波 形图和状态轨迹（画出示意图） 。 要求：为了避免同学使用一组数据作理论计算，做欠阻尼时， 2 R都取 200，而 L r对于每个电感箱都是不同的，要求如实记下，然后代入公式， 用计算机作出理论曲线，计算出 1 ， 2 ， 1 ， 2 ， 1 ，和 2 及状态轨 迹，并与实验结果比较，得出相结论。 五、思考题五、思考题 1 如果要使零输入和零状态响应的固有频率相等，应当如何设计电路？ 2 如果输入信号的角频率等于网络的固有频率，是否会存在正弦稳态响 应？ 3 当 C L rR L 2(过阻尼时)，输入为不等于固有频率的正弦
14、信号， 其响应是否仍为正弦？ 4 请你说出本实验中的零输入响应和零状态响应的条件？ 5 如果矩形脉冲的频率提高（如 2KHz） ，所观察到的波形仍然是零输入 和零状态响应吗？ 六、实验仪器六、实验仪器 1 双踪示波器 2 函数信号发生器 3 开关二极管 4 可变电阻箱 5 可变电容箱 6 可变电感箱 80 附录：状态空间法附录：状态空间法 分析动态电路除了上面介绍的经典方法外，在现代电路理论中还有另 一种重要的方法状态空间法。 状态是现代系统理论中的一个基本概念， 所谓状态是指给定输入下确定系统全部性状所需的最小量的信号的集合。 换言之，若已知某给定时刻的状态，则它们和该时刻开始的任意输入一起
15、 就能完全确定系统在以后任何时刻的性状。状态变量就是组成状态的这些 最少量的信息，显然，状态变量是一组独立变量，它们在任何时刻的值组 成在该时刻的状态。系统的初始状态提供了分析系统今后性状的一组独立 的初始条件。由状态变量组成的一组独立的一阶微分方程称为系统的状态 方程。因此若已知状态变量在 t0时的值，而且已知自 t0开始的外加输入， 则我们能唯一确定 tt0后系统的全部性状。 若系统的状态由 n 个状态变量组成，则称该系统为 n 阶系数。n 阶系 统所有状态的全体组成的集合称为 n 维状态空间，其中每一维表示一个状 态变量。系统在每一时刻的状态可以用状态空间中的一个点来表示，随着 时间的变
16、化， 点在状态空间中移动而形成一条轨迹， 此轨迹称为状态轨迹。 三阶系统的状态空间可用一个三维空间来表示，而二阶系统的状态空间可 用一个平面来表示。 在电路理论研究的系统是电路，电路的状态由电路中储能元件的储能 情况所决定。在线性定常电路中，通常选电容电压 vc和电感电流 iL为状态 变量， 在非线性或时变电路中， 则宜选电容上的电荷 qc和电感中的磁链 L 为状态变量。 电路的状态变量数目即电路阶数也称为电路的复杂度。假定电路中电 容的个数为 NC，电感的个数为 NL，独立的纯电容回路(由电容或电容和独 立电压源构成的回路)个数为 Cc，独立的纯电感割集(由电感或电感和独立 电流源构成的割集
17、)个数为 KL，则电路的复杂度 n 为 n=Nc+NL-Cc-KL 对于含有受控源的电路，电路的复杂度没有明确的计算公式，但其状态方 程的一般形式为 Xf X U t , (1) 式中， X=x1 x2，xn为 n 维状态向量，其中 x1,x,，x即状态变量； =u1u， u为m维输入向量， 其中u1,u, u 即输入(独立电源)； 81 f(, ,)为非线性向量函数。 对于线性定常电路，状态方程具有如下形式 X =AX+BU (2) 式中 A 为 nn 阶方程，B 为 nm 阶矩阵，A、B 皆是系数矩阵，由电路 的拓扑结构和元件参数值共同决定。 状态空间法的优点不仅在于编写 n 个独立的一阶
18、微分方程要比编写一 个 n 阶高阶微分方程(传统方法所要求的)容易得多，更重要的是，对于非 线性或时变电路，状态空间法是最有效的方法。因为联立的一阶非线性微 分方程组比一个高阶的非线性微分方程更便于采用数值方法和编程上机， 以及更利于进行其它动态特性的分析。 求解一阶微分方程的数值计算方法种类很多，这里只介绍一种最简单 的逐步法，它极容易编成计算机程序。 考虑一般形式的状态方程 X (t)= x dt (t)=f(X(t),U(t),t) (3) 式中 X(t)为 n 维状态向量，U(t)为 m 维输入向量。对于某一个时间 t1,X(t1) 可看成 n 维状态空间中的一个状态点，对于所有的时间
19、 t,X(t)便对应于 n 维状态空间中的一条状态曲线状态轨迹。 此外， 我们把X (t)= x dt (t) 看作状态轨迹上各点的速度(对应于所有的时间 t)， 现在从 t=0 时开始讨论， 若初 X(0)及初始输入向量 U(0)已知，则式(3)给出了初始速度X (0)= x dt (0)。我们用简单的逐步法来近似计算状态轨迹。只要所取的时间间隔t 足够小，则在此很短的时间间隔(0，t)内速度= x dt (t)近似为定值，于 是对应的这一段轨迹可近似为一个直线段。由此可得 XtX t ()( ) 0 x dt (0)= f(X(0),U(0),0) 即 82 X(t) X(0) + x d
20、t (0)t=X(0)+f(X(0),U(0),0)t 在第二个时间间隔(t，2t)内，也作同样的处理，即 x dt (t)=f(X(t),U(t),t) 因此 X(2t) X(t)+f(X(t),U(t),t)t 依次进行上述计算步骤，可得 X(R+1)t X(Rt)+f(X(Rt),U(Rt),Rt)t R=1,2,N (4) 显然，计算所得结果的精度取决于t 的大小，当t0 时，将趋向于精 确结果。在实际应用中，t 的选值取决于得需的精度，计算中有效数的 位数、问题中涉及的常数值以及计算运算时间。 同样，把逐步法应用于线性定常动态电路时，可得出类似的迭代计算 公式 X(R+1)t X(R
21、t)+AX(Rt),BU(Rt)t R=1,2,N (5) 图（一） 下面仍以 RLC 串联电路为例简单说明状态空间法的应用。图（一）所 示电路中，电容个数和电感个数为 NC=N1=1,无纯电容回路和纯电感割集， 即 Cc=K1=0,于是电路的复杂度 n=NC+N1-Cc-K1=1+1-0-0=2,即电路的阶数或 状态变量数目为 2。 我们选电容电压 vc和电感电流 iL(=i)为状态变量，可得 出如下状态方程 dv dtc i di dtL R L i L v c L L Ls 0 1 0 11 电路的初始状态 vc(0)及 iL(0)提供了确定积分常数所需的一组独立初始条 件。把状态方程写
22、成矩阵形式。则有 83 s L c L c v L i v L R L C dt di dt dv 1 0 1 1 0 （6） 比较式(6)和式(2)，可得 s L c L c vU L B L R L C A dt di dt dv l v x x X i v x x X 1 0 1 1 0 2 1 2 1 当采用逐步法进行数值计算时，可由式(5)得到下面的迭代计算式 )7(, 2 , 1 )( 1 0 )( )( 1 1 0 )( )( ) 1( ) 1( NR ttRv L tRi tRv L R L C tRi tRv tRi tRv S L c L c L c 二阶电路的状态空间可用一个平面来表示，在阶跃电压 V0 U(t)激励下， 初始状态为零的 RLC 串联电路在过阻尼及欠阻尼时的状态轨迹分别示于 图（二）(a)和(b) （a） （b） 图（二）
