2jie
0. 核心基础:特征方程与根
所有响应的暂态分量(自由分量)形式都由特征根决定。
- 特征方程:s2+2αs+ω02=0
- 特征根:s1,2=−α±α2−ω02
1. 零输入响应 (ZIR)
- 条件:无外加激励(y(∞)=0),仅有初始储能(y(0+)=0)。
- 物理过程:放电过程,最终归零。
- 通用边界条件:
- y(0+)=已知初值
- y′(0+)=已知初值导数
| 阻尼状态 | 条件 | 零输入响应公式 yzi(t) |
|---|
| 过阻尼 | α>ω0 | A1es1t+A2es2t |
| 临界阻尼 | α=ω0 | (A1+A2t)e−αt |
| 欠阻尼 | α<ω0 | e−αt[B1cos(ωdt)+B2sin(ωdt)] |
注:系数 A1,A2 或 B1,B2 需代入 t=0 时的 y(0+) 和 y′(0+) 求解。
2. 零状态响应 (ZSR)
- 条件:初始储能为零(y(0+)=0,y′(0+)=0),仅有外加阶跃激励。
- 物理过程:充电/建立过程,最终趋于稳态值 y(∞)。
- 通用形式:
yzs(t)=y(∞)+暂态分量
| 阻尼状态 | 条件 | 零状态响应公式 yzs(t) |
|---|
| 过阻尼 | α>ω0 | y(∞)+A1es1t+A2es2t |
| 临界阻尼 | α=ω0 | y(∞)+(A1+A2t)e−αt |
| 欠阻尼 | α<ω0 | y(∞)+e−αt[B1cos(ωdt)+B2sin(ωdt)] |
特别注意:虽然公式结构和全响应一样,但在计算系数时,必须使用零状态条件:
- y(0+)=0
- y′(0+)=0 (对于电容电压 uC 和电感电流 iL)
3. 全响应 (Full Response)
- 条件:既有初始储能,又有外加激励。
- 解法:通常采用 “稳态 + 暂态” 的数学分解法,而不是分别求 ZIR 和 ZSR 再叠加。
通用公式结构:
y(t)=y(∞)+yh(t)
其中 y(∞) 是稳态值(直流激励下为常数),yh(t) 是齐次解(暂态项)。
详细公式对照表
| 阻尼状态 | 特征根情况 | 全响应公式 y(t) |
|---|
| 过阻尼 | 两个不等实根 s1,s2 | y(∞)+A1es1t+A2es2t |
| 临界阻尼 | 两个相等实根 −α | y(∞)+(A1+A2t)e−αt |
| 欠阻尼 | 共轭复根 −α±jωd | y(∞)+e−αt[B1cos(ωdt)+B2sin(ωdt)] |
| 无阻尼 | 纯虚根 ±jω0 | y(∞)+B1cos(ω0t)+B2sin(ω0t) |
4. 极速解题指南:如何求系数?
无论求哪种响应,核心都在于求出待定系数 (A1,A2 等)。
统一解题步骤(三步走):
- 确定初值:
- 求 y(0+):由换路定则得。
- 求 y′(0+):
- 若求 uC,则 uC′(0+)=iC(0+)/C。
- 若求 iL,则 iL′(0+)=uL(0+)/L。
- 确定稳态值:
- 求 y(∞):电容开路、电感短路求直流分量。
- 列二元一次方程组:
将 t=0 代入通解公式及其导数公式。
以“过阻尼”为例演示:
假设通解为 y(t)=y(∞)+A1es1t+A2es2t
- 方程 1 (代入 t=0):
y(0+)=y(∞)+A1+A2
- 方程 2 (求导后代入 t=0):
y′(t)=s1A1es1t+s2A2es2t
⇒y′(0+)=s1A1+s2A2
联立解出 A1,A2 即可。
对于零输入响应,只需令 y(∞)=0。
对于零状态响应,只需令 y(0+)=0,y′(0+)=0。