Рефетека.ру / Физика

Контрольная работа: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Содержание


1. Возникновение переходных процессов и законы коммутации

2. Способы получение характеристического уравнения

3. Особенности переходных процессов в цепях с одним реактивным элементом

4. Переходные процессы в цепях с двумя разнородными реактивными элементами

5. Временные характеристики цепей

6. Расчет реакции линейной цепи на входное воздействие произвольного вида с применением временных характеристик цепи

Список используемых источников


1. Возникновение переходных процессов и законы коммутации


Для изучения темы реферата необходимо знать расчет установившихся режимов, т.е. таких, когда все токи и напряжения либо постоянные, либо периодически повторяющиеся функции времени, но в любой схеме могут происходить подключения и отключения ветвей (происходит коммутация). Обозначают коммутацию: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. В линейных цепях коммутация считается идеальной, т.е.:

1) ключ представляет собой либо разрыв, либо провод;

2) длительность перехода из одного состояния в другое равна нулю. Момент времени сразу после коммутации обозначают Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях либо Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, а момент времени непосредственно перед коммутацией соответственно обозначают Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. После коммутации цепь стремится под действием источников схемы прийти к новому установившемуся режиму, но для этого ей требуется время. Процессы, происходящие в цепи после коммутации, называются переходными процессами.

Почему этот переход не может произойти мгновенно? Дело в том, что в цепи имеются элементы L и C, в которых запасается определенная величина энергии WL=LКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях2/2 и WC=Cu2/2 соответственно. В новом установившемся режиме будет другой запас энергии, и, т.к. скорость изменения энергии есть подводимая к элементу мощность, получается, что требуется конечное время на изменение этого запаса энергии (т.к. источников бесконечной мощности в реальной цепи нет). Из выражения для WL и WC и того факта, что в цепях не развивается бесконечная мощность, вытекают два фундаментальных условия, без которых невозможно рассчитать ни один переходной процесс – это законы коммутации.

Получим их:

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,


т.к. PКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, L - конечное число, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхL - конечное число, то Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях - скачка быть не может. Отсюда вытекает один из законов коммутации: ток в индуктивности не может измениться скачком, поэтому при коммутации: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. Дифференцируя dWC/dt, приходим ко 2-ому закону коммутации: напряжение на ёмкости не может измениться скачком, поэтому при коммутации: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. Т.к. Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях = LКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхL, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, то можно использовать и такие функции: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

Про остальные величины, в том числе и про скорость изменения любых токов и напряжений при коммутации заранее ничего не известно и их приходится рассчитывать. Т.к. и форма изменения токов и напряжений неизвестна, приходится использовать самые общие выражения: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. Тогда уравнения, описывающие цепь после коммутации, оказываются дифференциальными. В линейной цепи – это линейные дифференциальные уравнения (ЛДУ). Существуют различные методы решения таких уравнений, и соответственно различают различные методы расчета переходных процессов.


2 Способы получение характеристического уравнения


Классический метод

Классический метод основан на решении ЛДУ методом вариации произвольных постоянных. Любая система ЛДУ может быть сведена к одному уравнению n –ого порядка. В цепях по схеме после коммутации порядок определяется так: n = n L + n C – nОК – nОС , где n L – число L; n C – число C; nОК – число особых контуров, т.е. таких, которые состоят только из емкостей и источников ЭДС; nОС – число особых сечений (в простейшем случае, это узлы схемы, к которым подключены только ветви с источником тока или с индуктивностями).

Решение уравнения представляют в виде суммы частного решения неоднородного уравнения (ЛНДУ) и общего решения линейного однородного дифференциального уравнения (ЛОДУ). Частное решение определяется видом правой части уравнения. В цепях в правой части уравнения стоят источники энергии схемы после коммутации. Физический смысл частного решения уравнения в цепях – это новый установившийся режим, к которому будет стремиться схема после коммутации под действием источников. Поэтому частное решение ЛНДУ называют принужденной составляющей режима. Общее решение ЛОДУ физического смысла не имеет. В противоположность принужденной составляющей, его называют свободной составляющей переходного процесса. Свободная составляющая записывается в виде суммы слагаемых, число и вид которых определяются корнями характеристического уравнения.

После записи решения необходимо рассчитать произвольные постоянные, вошедшие в выражение общего решения. Это можно сделать, если известны начальные условия. Начальные условия – это значения искомой функции времени и необходимого числа её производных по времени в начале переходного процесса, т.е. при t=0.

Все начальные условия делят на две группы:

- независимые начальные условия, это Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхL(0) и uC(0), которые находятся по законам коммутации, с помощью вычисленных ранее Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхL(0-) и uC(0-) в схеме до коммутации;

- все остальные начальные условия – зависимые. Их приходится искать из цепи после коммутации в переходном режиме по законам Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений при t=0 с помощью независимых начальных условий. Имея необходимое число начальных условий и рассматривая решение и его производные по времени в момент Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, получают систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) из которой находят произвольные постоянные.

В соответствии с изложенным, порядок расчета переходного процесса классическим методом может быть таким:

1) рассматривают установившийся режим схемы до коммутации и находят Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхL(0-) и uC (0-);

2) рассматривают цепь после коммутации в новом установившемся режиме и находят принужденную составляющую переходного процесса;

3) тем или иным способом получают характеристическое уравнение и находят его корни в соответствии с которыми определяют вид свободной составляющей;

4) записывают решение в виде суммы принужденной и свободной составляющих.Если характеристическое уравнение n – ого порядка, то формируется система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) n - ого порядка, включающая (n-1) производную решения. Переписывают СЛАУ для Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях;

5) рассматривают цепь после коммутации в переходном режиме; рассчитывают необходимые начальные условия (ННУ);

6) подставляют ННУ в СЛАУ при Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях и находят произвольные постоянные;

7) записывают полученное решение.


Способы получения характеристического уравнения

Существуют различные способы получения характеристического уравнения.

Если цепь описывается всего одним уравнением, то его алгебраизируют: d/dt заменяют на p, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхdt заменяют на 1/p, правую часть обращают в ноль и получают характеристическое уравнение.

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Если режим в цепи описывается системой из нескольких уравнений, то методом подстановки их сводят к одному и поступают точно также как описано выше (обычно так не делает).


Универсальный способ

Систему уравнений по законам Кирхгофа для цепи после коммутации алгебраизируют и составляют определитель системы, и приравняв его к нулю, получают характеристическое уравнение.

Воспользуемся этим способом.

Пусть схема после коммутации имеет вид:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, ,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Если в схеме нет управляемых источников и взаимных индуктивностей, то проще всего поступить так: в схеме после коммутации все источники заменить их внутренним сопротивлением, вместо индуктивности L написать pL, вместо емкости C написать Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

а) Если в полученной схеме нет ветви без сопротивления, томожно разомкнуть любую ветвь полученной пассивной схемы и относительно точек разрыва записать выражение для нахождения Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

б) Если в полученной схеме есть ветви без сопротивления, то размыкать надо именно ту ветвь, в которой ищется переходный ток или напряжение и относительно точек разрыва записывают Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

Характеристическое уравнение имеет вид:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


Для рассмотренного выше примера получим:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Выражение для свободной составляющей содержит столько слагаемых, сколько есть корней, а слагаемые имеют такой вид:

а) каждому простому вещественному корню Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях соответствует слагаемое Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

Если два корня, то процесс апериодический.

б) двум комплексно-сопряженным корням: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях и Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях соответствует A1ePx1 t +A2ePx2 t, где A1, A2 – получаются комплексными числами, причем комплексно-сопряженными числами. Поэтому с помощью формулы Эйлера этот результат можно записать в другом виде (где не будет j): Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

По этому выражению не очень удобно строить графики. Используя формулы тригонометрии его можно преобразовать (либо в sin, либо в cos): Ce-Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхt sin(Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхct+Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях1)=De-Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхt cos(Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхc t+Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях2) – затухающий во времени гармонический процесс – колебательный процесс.

в) среди корней есть m одинаковы[ (если таких корней два, то переходный процесс называется критическим).


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях;

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Пример: Дано: E=40В, R1 =R2=400 Ом, L=5Гн, C=5 мкФ. Найти Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


1) В схеме до коммутации стоит постоянный источник, следовательно, ток в установившемся режиме постоянный.

t<0

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


Если источник ЭДС синусоидальный, то эту часть задачи решают символическим методом.

2) Рассчитывают новый установившийся режим, находят принужденную составляющую.


tКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Видно, что после коммутации в схеме есть только постоянный источник ЭДС и поэтому в принужденном режиме – постоянный ток.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


3) получают характеристическое уравнение


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


4) записывают решение

5) определяют начальные условия

Для схемы после коммутации записывают систему уравнений по законам Кирхгофа. Число этих уравнений больше, чем число неизвестных, однако при t=0, известны все iL(0) и uC(0), поэтому при добавлении этих независимых условий из полученной при t=0 системы можно найти все остальные зависимые начальные условия, например, методом подстановки.

При решении надо выразить значения токов и напряжений в момент t=0, их производные по времени в момент t=0 через параметры элементов схемы и независимые начальные условия.

Например, для нашей задачи:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


В нашей задаче для расчета Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях надо найти 2 начальных условия, т.к. имеем 2 корня характеристического уравнения и 2 произвольные постоянные, поэтому надо знать Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхR(0) и Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхR(0).

Из (1):


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Из (3):


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


6) расчет произвольных постоянных

В нашем случае:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


При Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Тогда из (1) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Из (3)Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях(2)Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Ответ: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, А.


3. Особенности переходных процессов в цепях с одним реактивным элементом


В таких цепях характеристическое уравнение будет первого порядка. Получить это уравнение можно, например, так:

По способу Zвх(p)=0, при этом схемы могут иметь вид:

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Рис (1) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Рис (2) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


Видно, что корень характеристического уравнения получается отрицательным, т.е. с течением времени свободная составляющая Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

Ясно, что в разных схемах различными получаются величина А, величина Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, но свободная составляющая всегда будет иметь вид затухающей экспоненты. Для таких функций вводятся специальная характеристика.

Постоянная времени цепи (τ) – есть интервал времени, за который амплитуда свободной составляющей уменьшается в e раз.

Воспользовавшись этим определением, можно найти τ таким образом так как Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, то


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


В цепи: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

т.е. τ зависит только от параметров рассматриваемой цепи (τ не зависит от начальных условий и напряжений источника).

Используя понятие τ, можно условно ввести понятие длительности переходного процесса. Так как Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, то

t τ

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

0,36 0,05 0,004

В соответствие с этой таблицей принимают, что переходный процесс длится Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. К концу этого времени график переходного процесса практически сливается с принужденной составляющей.

Если известен график переходного процесса, из него можно найти τ.

Проще всего сделать так: на глаз определить, где кончается переходный процесс.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Длительность переходного процесса делят на Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. Это и будет τ.

- Из графика переходного процесса вычитают принужденную составляющую. Это будет график свободной составляющей. Задаются моментом времени t1 и находят из графика xсв(t1). Делят эту величину на e и получают xсв(t1+ τ). Находят на графике эту величину, из нее определяют время t2 и затем находят τ как τ = t2 - t1


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


- τ есть величина под касательной к графику переходного процесса. Подкасательная – это проекция на ось времени от точки, в которой проведена касательная до точки пересечения этой касательной с асимптотой.

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Пример: Дано: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. Найти i(t), uc(t)


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


1) t<0

i(0_)=0, uc(0_)=0,

2) t→∞

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,


Должен существовать переходной процесс, в течении которого от источника энергия передается к конденсатору, а по проводам идет ток, заряжающий конденсатор.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


3) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

4) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях; Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


5) Расчет начальных условий.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Тогда из Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхполучают Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


6) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Пример: Дано: Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. Найти Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


1) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


2) Расчет принужденной составляющей.

В данном случае принужденный режим есть синусоидальный ток, поэтому расчет проведем символическим методом.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Переходят к мгновенному значению:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

3) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях; Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

4) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

5) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

6) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

7) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


График проще всего построить по этапам:

1) принужденная составляющая;

2) exp соответствует свободной составляющей суммы этих графиков.


4. Переходные процессы в цепях с двумя разнородными реактивными элементами


В этих цепях характеристическое уравнение имеет второй порядок, следовательно, будет два корня и две произвольные постоянные в свободной составляющей. Самое главное это то, что у квадратного уравнения есть 3 типа корней (вещественные различные, вещественные одинаковые и пара комплексно-сопряжённых), поэтому вид свободных составляющих в разных цепях получается различным. Рассмотрим возможные варианты на простейших примерах.

Пример:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

1) iL(0_) = 0, uc(0_)=0,

2) i пр = 0, uR пр = iпрR = 0

uC пр = E, uL пр = 0

3) Будем искать ток в цепи. Тогда надо иметь два начальных условия: i(0) и i΄(0).

Для цепи после коммутации:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


В данной схеме все 3 способа получения характеристического уравнения имеют одинаковую трудоёмкость.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


В зависимости от величины подкоренного выражения получаются разные типы корней.

Если Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, то подкоренное выражение равно нулю, и следовательно получим Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях. Из выражения (*) видно, что это получается при некотором «критическом» значении сопротивления Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.

Если же R > Rкр то подкоренное выражение положительно, и получим два вещественных различных корня. Если R < Rкр, под корнем будет отрицательное число, и получим пару комплексно сопряжённых корней.

1) R > Rкр (два вещественных различных корня) и тогда решение для тока запишется в виде:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,


и при t = 0 получаем два уравнения для расчёта произвольных постоянных:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Из (1): Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, и подставляя в (2): Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

График проще построить по частям (принуждённая составляющая и каждое слагаемое свободной составляющей, а затем сложить).


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Говорят, что это апериодический процесс.

Аналогично можно получить выражения и графики для напряжения на электродах:

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


2) R = Rкр

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях при Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Графики имеют в этом случае точно такой же вид, как и в предыдущем случае, но в первом случае процессы идут медленнее, чем во втором. Этот случай называется критическим переходным процессом.


3) R < Rкр

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,


т.е. при α→ 0 ωc стремится к резонансной частоте данной цепи.

Решение запишется в виде:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях (классический метод)

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

(1) в (2): Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

(1)/(3): Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, из (3) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Видно, что в данном случае свободная составляющая представляет собой затухающую во времени синусоиду. Такой переходной процесс называется колебательным или периодическим, и график его проще построить так: симметрично относительно принуждённой составляющей строим график амплитуды свободной составляющей (график огибающей процесса), дальше в график огибающей вписывают синусоиду с её начальной фазой и периодом свободных колебаний.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях - коэффициент затухания,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях - частота свободных колебаний.

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Рассматривать цепи более высокого порядка смысла нет, потому что у любого уравнения корни могут быть трёх видов, а для каждого типа корней мы свободную составляющую уже получили.


5. Временные характеристики цепей


Ранее мы рассматривали частотные характеристики, а временные характеристики описывают поведение цепи во времени при заданном входном воздействии. Таких характеристик всего две: переходная и импульсная.


Переходная характеристика

Переходная характеристика - h(t) - есть отношение реакции цепи на входное ступенчатое воздействие к величине этого воздействия при условии, что до него в цепи не было ни токов, ни напряжений.

Ступенчатое воздействие имеет график:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

1(t) – единичное ступенчатое воздействие.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Иногда используют ступенчатую функцию, начинающуюся не в момент «0»:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Для расчёта переходной характеристики к заданной цепи подключают постоянный ЭДС (если входное воздействие – напряжение) или постоянный источник тока (если входное воздействие – ток) и рассчитывают заданный в качестве реакции переходный ток или напряжение. После этого делят полученный результат на величину источника.


Пример: найти h(t) для uc при входном воздействии в виде напряжения.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


1) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

2) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

3) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Пример: ту же задачу решить при входном воздействии в виде тока


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


1) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

2) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

3) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Импульсная характеристика

Импульсная характеристика - g(t) – есть отношение реакции цепи на входное воздействие в виде дельта - функции к площади этого воздействия при условии, что до подключения воздействия в схеме не было ни токов, ни напряжений.

δ(t) – дельта-функция, дельта-импульс, единичный импульс, импульс Дирака, функция Дирака. Это есть функция:

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Рассчитывать классическим методом g(t) крайне неудобно, но так как δ(t) формально является производной Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, то найти её можно из соотношения g(t)=h(0)δ(t) + dh(t)/dt.

Для экспериментального определения этих характеристик приходится действовать приближённо, то есть создать точное требуемое воздействие невозможно.

На вход падают последовательность импульсов, похожих на прямоугольные:


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


tф – длительность переднего фронта (время нарастания входного сигнала);

tи – длительность импульса;

К этим импульсам предъявляют определённые требования:

а) для переходной характеристики:


- tпаузы должно быть таким большим, чтобы к моменту прихода следующего импульса переходный процесс от окончания предыдущего импульса практически заканчивался;

- tи должно быть таким большим, чтобы переходный процесс, вызванный возникновением импульса, тоже практически успевал заканчиваться;

- tф должно быть как можно меньше (так, чтобы за tср состояние цепи практически не менялось);

- Xm должна быть с одной стороны такой большой, чтобы с помощью имеющейся аппаратуры можно было бы зарегистрировать реакцию цепи, а с другой: такой маленькой, чтобы исследуемая цепь сохраняла свои свойства. Если всё это так, регистрируют график реакции цепи и изменяют масштаб по оси ординат в Xm раз (Xm =5В, ординаты поделить на 5).

б) для импульсной характеристики:

tпаузы – требования такие же и к Xm – такие же, к tф требований нет (потому что даже сама длительность импульса tф должна быть такой малой, чтобы состояние цепи практически не менялось. Если всё это так, регистрируют реакцию и изменяют масштаб по оси ординат на площадь входного импульса Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


Итоги по классическому методу

Основным достоинством является физическая ясность всех используемых величин, что позволяет проверять ход решения с точки зрения физического смысла. В простых цепях удаётся очень легко получить ответ.

Недостатки: по мере возрастания сложности задачи быстро нарастает трудоёмкость решения, особенно на этапе расчёта начальных условий. Не все задачи удобно решать классическим методом (практически никто не ищет g(t), и у всех возникают проблемы при расчёте задач с особыми контурами и особыми сечениями).

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


До коммутации Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


Следовательно, по законам коммутации uc1(0) = 0 и uc2(0) = 0, но из схемы видно, что сразу после замыкания ключа: E= uc1(0)+uc2(0).

В таких задачах приходится применять особую процедуру поиска начальных условий.

Эти недостатки удаётся преодолеть в операторном методе.


6. Расчет реакции линейной цепи на входное воздействие произвольного вида с применением временных характеристик цепи


Раньше мы рассматривали два вида входного воздействия:

1) xвх= δ(t)-на входе будет импульсная характеристика g(t);

2) xвх= 1(t)-переходная характеристика h(t).

При произвольном заданном виде входного воздействия, в линейной цепи тоже можно найти реакцию. Для этого годятся и g(t) и h(t) и передаточная функция H(p), но в зависимости от формы входного сигнала, сложности цепи и того математического аппарата, которым располагаешь, более удобно будет применить какую-то одну из этих характеристик.

Рассмотрим применение переходной характеристики h(t):

1) На входе действуют прямоугольным импульсом

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Воспользуемся принципом наложения и представим этот импульс в виде двух скачков Um1(t) и -Um1(t-tu).

Если нам известна переходная характеристика на h(t), то реакция на каждый скачок записывается очень просто Umh(t) и -Umh(t-tu) (h(t)=1-e-t/τ).

Вся реакция определяется сложением этих двух графиков.

Т.е. для 0≤t<tu Uвых(t)=Umh(t), t≥tu Uвых(t)=Umh(t)–Umh(t-tu).

2) Входной сигнал – функция, которая в некоторые моменты времени изменяется скачком, а между этими моментами постоянно.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


И в этом случае задача решается просто: раскладываем входной сигнал на совокупность скачков и записываем для каждого интервала времени свое выражение для реакции:


0≤t<10-3 xвых=5∙h(t)

10-3≤t<2∙10-3 xвых=5∙h(t)+10∙h(t-10-3)

t≥2∙10-3 xвых=5∙h(t)+10∙h(t -10-3) -18∙h(t -2∙10-3).


Все такие задачи решаются с помощью h(t).

1) Входной сигнал в некоторый момент времени имеет скачки, а между

этими моментами времени плавно изменяется по тому-то закону (или вообще плавно изменяется без скачков).


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Представим себе, что этот сложный сигнал приближенно м.б. составлен из нескольких скачкообразных воздействий (первое воздействие имеет амплитуду xвх(0) и возникает в момент t=0, второе воздействие возникает в некоторый момент t1 и имеет амплитуду xвх(t1)-xвх(0)=∆xвх(t1), третий сигнал поступает в момент t2 и имеет амплитуду ∆xвх(t2) и т.д.). Значит можно написать, что для некоторого момента t:


xвх(t)≈xвх(0)1(t)+∑∆xвх(tj)1(t-tj) (*).


В сумме учитывая все те ступеньки, которые возникли до нашего момента времени t. Если ступеньки брать помельче, выражение будет получаться поточнее, но все равно приближенно. Получим теперь точное выражение. В нашем случае:


xвых(t)≈xвх(0)h(t)+∑∆xвх(tj)∙h(t-tj) (**).


Известно, что ∆xвх(tj)/∆tj≈x(tj) и тогда (**) перепишется xвых(t)≈xвх(0)∙h(t)+∑xвх′(tj)∆tjh(t-tj). Уменьшая ∆tj до dtj вместо суммы получим интеграл: (для удобства записи tj→λ)


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Если бы функция имела скачки не только в момент 0, но и в какие-то другие моменты. Пришлось бы для каждого интервала времени в котором функция непрерывна, записывать свои выражения отличающиеся друг от друга наличием реакции на скачки случившиеся до рассмотрения момента времени t.

Пример: Есть h(t)=0,5e-500t. Надо найти реакцию цепи на входное воздействие.


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Описывает входное воздействие аналитически. В нашем случае можно считать, что в интервале от 0 до 10-3 Uвх1(t)=a+b∙t:

30=10+b∙10-3; a=10; b=2∙104.

Uвх2(t)=15+A∙e-t/τ ; τ=8∙10-4 ; t/τ=10-3/8∙10-4 ;

Uвх2(t=10-3)=5=15+A∙e-1,25; A≈-30.


Теперь для каждого интервала времени записываем свое выражение:


0≤t<10-3

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


Берем интеграл, приводим подобные члены, строим графики. Но в рамках курса ТОЭ РГРТУ требуется ответ до состояния


t≥10-3

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Применение импульсных характеристик


Известно, что


1) g(t)= Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях-1{H(p)},

2) xвых(p)=xвх(p)H(p),

3) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепяхКлассический метод расчета переходных процессов в линейных цепях=Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Пусть Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

тогда Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях=Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях-1Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях=Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Фактически это есть другая форма интеграла Дюамеля, которая может быть получена используя связь g(t) и h(t). Порядок применения получения выражения такой же, но при численном нахождении интеграла удобней использовать собственно интеграл Дюамеля.


Применение передаточной функции

Если известно H(p) и xвх(t), можно записать изображение xвх(p), вычислить xвых(p)=H(p)xвх(p) и перейти к оригиналу.

Особенно удобно применять H(p)тогда, когда xвх(t) имеет простой вид, позволяющий легко записать изображение xвх(p) либо сразу для всего сигнала, либо разложение его на более простые компоненты и воспользовавшись принципом положения.

Например:


xвх(t)=10e-100t

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях, Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях


Этот входной сигнал можно представить в виде совокупности двух более простых. Тогда

1) Для 0 ≤t<10-2


Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях,


2) Для t≥10-2, t<2∙10-2

Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях

3) Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях.


Теперь умножая на H(p) находим изображающие реакции и затем переходим к оригиналу.

Список используемых источников


1. Основы теории цепей. Учебник для вузов./ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов.-5-е изд. перераб.-М.: Энергоатомиздат, 1989. 528 с.

2. В.П. Попов. Основы теории цепей. Учебник для вузов. -М.: Высшая школа, 1985. 496 с.

3. Теория электрических цепей: Методические указания к лабораторным работам / Рязан. гос. радиотехн. акад.; Сост.: С.М. Милюков, В.П. Рынин; Под ред. В.П. Рынина. Рязань, 2002. 16 с.,2004. 20 с. (№3282, №3624)

4. Электротехника и электроника: Методические указания к расчетно-графической работе / Рязан. гос. радиотехн. акад.; Сост. Г.В. Спивакова. Рязань, 2005. 16 с. (№3665)

5. М.Р. Шебес. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах. М.: Высшая школа, 1990. 528 с.

6. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи: Учеб. для электротехн. спец. вузов. –2-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1986. –352 с.

7. Каплянский А.Е. и др. Теоретические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов. –М.: Высш. шк., 1972. -448 с.

8. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории линейных цепей. Под ред. П.А. Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1976. –544 с.

Похожие работы:

  1. • Расчёт частотных и временных характеристик линейных цепей
  2. • Анализ переходных процессов в электрических цепях
  3. • Расчет переходных процессов в электрических цепях ...
  4. • Операторный метод расчета переходных процессов в линейных ...
  5. • Расчёт переходных процессов в линейных ...
  6. • Теория электрических цепей
  7. • Расчет переходных процессов в линейных ...
  8. • Переходные процессы в несинусоидальных цепях
  9. • Расчет характеристик и переходных процессов в ...
  10. • Основные положения теории переходных процессов в ...
  11. • Расчет переходных процессов в электрических цепях
  12. • Лекции по ТОЭ
  13. • Расчет переходных процессов в линейных цепях с ...
  14. • Исследование переходных процессов в электрических ...
  15. • Переходные процессы в несинусоидальных цепях
  16. • Основные положения теории переходных процессов
  17. • Переходные процессы в линейных цепях
  18. • Методы расчета линейных электрических цепей при ...
  19. • Переходные процессы в линейных цепях
Рефетека ру refoteka@gmail.com