理论教育 如何求RLC串联电路的网络函数及应用网孔电流法求解 - 例12-28

如何求RLC串联电路的网络函数及应用网孔电流法求解 - 例12-28

时间:2023-07-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:如RLC串联电路,设激励源电压为US,若以电容两端电压UC为响应,可以求得它的网络函数为式中,的特征根为其中,。图12-21例12-27图解应用网孔电流法,可得两个网孔分别得到:整理得将上式写成矩阵形式其行列式为特征方程的根有一个极点为由此可得,当k<2R时,极点p<0;当k>2R时,极点p>0。例12-28图12-22所示电路,给定的网络函数H为,求电路中的L和C。

如何求RLC串联电路的网络函数及应用网孔电流法求解 - 例12-28

前面已讨论了拉普拉斯变换在电路分析、传递函数和求解线性微积分方程方面的应用,除此以外,拉普拉斯变换在信号处理和控制系统等领域也有很多应用,下面简要介绍网络稳定性判别(Network Stability Criterion)和网络综合生成(Network Synthesis)。

当t→∞时,电路的冲激响应h(t)收敛到一个有限值,则该电路是稳定的,否则,电路就是不稳定的。电路稳定的数学表达式为 

因冲激响应h(t)的拉普拉斯变换是电路的网络函数H(s),而H(s)的一般表达式与极点关系为

可见,若要电路稳定,则H(s)必须满足两个条件:第一,分子多项式N(s)的次数必须小于分母多项式D(s)的次数;否则为长除法,会得到

式(12-80)中的R(s)是长除法的余项,它的次数小于D(s)的次数,而这种情况下式(12-80)H(s)的逆变换不满足式(12-78)的稳定条件;第二,式(12-79)中H(s)的所有极点必须有负的实部,或者说,所有的极点都必须位于s平面的左半部。因为式(12-79)的拉普拉斯逆变换为

可见,要使随时间增加而减小,每个极点pi必须是正的,也就说极点s=-pi处于s平面的左半平面内。

一个电路,若只是由无源元件和独立电源构成的,则该电路是稳定的。如RLC串联电路,设激励源电压为US(s),若以电容两端电压UC(s)为响应,可以求得它的网络函数为

式(12-82)中,的特征根为

其中,

因为R、L、C总是大于零的,所以两个极点处于s平面的左半部分,说明电路总是稳定的。若R=0,则α=0,电路成为不稳定的,但这种情况只有理论上的可能,是不会发生的,因为R总不可能真正为零。

若是有源电路,或是受控无源电路,就可能是非稳定的,因为它们有能量提供给电路元件。振荡器就是一个非稳定电路的典型例子,它的网络函数为

所以,振荡器的输出为正弦波。因此,可根据电路的网络函数H(s)就可以判断该电路是否稳定。

网络综合生成是给定网络函数,设计一个适当的电路网络满足该网络函数的过程。在网络分析技术中,是对给定的网络求其网络函数;而网络生成技术则是反过来,对给定的网络函数,求与其相应的电路网络。

要注意的是,网络分析的结果只有一个,而网络生成的答案却有许多不同的结果,也许没有结果,因为可以有多种电路来表示同一个网络函数的形式。

例12-27 确定使图12-21所示电路稳定的k值。

图12-21 例12-27图

解 应用网孔电流法,可得两个网孔分别得到:

整理得(www.daowen.com)

将上式写成矩阵形式

行列式

特征方程的根有一个极点为

由此可得,当k<2R时,极点p<0;当k>2R时,极点p>0。所以,当k<2R时,电路稳定;当k>2R时,电路不稳定。电路稳定的条件为k<2R。

例12-28 图12-22(a)所示电路,给定的网络函数H(s)为,求电路中的L和C。

图12-22 例12-28图

解 图12-22(a)所示电路在s域中的等效电路如图12-22(b)所示。图中R和C并联等效阻抗为

利用分压原理,有

所以有

比较可得

可见有许多不同的R、L、C能满足上述要求。所以,需要指定某个元件的值,才能确定另外两个元件的值。

若假设R=5Ω,则可求得

若假设R=1Ω,则可求得

一般将取R=1Ω的设计,认为是归一化的设计。

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