2013-04-07-13-系统建模与动力学分析-电系统.ppt

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1、系统建模与动力学分析系统建模与动力学分析学 时 数：48学 分：3任 课 教 师：连峰工 作 单 位：电信学院综合自动化研究所办公室地点：西一楼117室办公室电话：82663948-801电电 系系 统统n电压电压：在导体中产生电流流动所需要的电动势，单位是伏特（伏特（V）n电荷电荷：电荷是电流对时间的积分，单位是库仑库仑（C），1库仑是1秒钟内1安培电流输送的电荷值，即n在米制单位制中，1库仑是在1V/m电场中所受到N力的电荷值，或n电流电流：表示电荷的流动率，电流的单位是安培（安培（A）。如果dqC电荷在dt时间内穿过给定的截面，此时电流i为电电 系系 统统n1安培的电流是每秒输送1库伦的

2、电荷，或n如正电荷流是从左向右（或负电荷流从右向左），则电流流动是从左向右。n电流源和电压源电流源和电压源n电流源表示一能源，它产生一规定的电流，一般是时间的函数，而与电源的端电压无关。n电流源一般包括晶体管 和设计成恒电流的功率 供给装置。图示为一直 流恒定的电流源。电电 系系 统统n电压源是一种能源，它供给一规定电压，一般是时间的函数，是完全与电流独立的。n电压源一般包括有旋转的发电机、电池和电子系统供给恒电压的功率供给装置。n电压源和电流源的电路符号如图所示。n一个电池可以由一个纯 电压源和一个内点阻来 代表，后者要考虑其热 损失。电电 系系 统统n三类基本电路元件n电阻电阻：定义为使电

3、流发生单位变化所需要的电压变化。n线性电阻的电阻R可以由下式给出n其中eR是电阻两端的电压，i是通过电阻的电流。电阻的单位是欧姆（）。电电 系系 统统n电阻的倒数称为电导电导，单位是西门子（S）。n电阻不能用任何形式贮存电能，它能把电能耗散为热。n真实的电阻不可能是线性的，其总是存在着某些电容和电感效应。n电容元件电容元件：电容定义为使单位电压变化所需要的电荷值的变化。电容是在两个板间对于一定的端电压能储存的电荷值的一种度量。电电 系系 统统n电容器的电容C可由下式给出n其中q是电荷的贮存量，ec是电容的端电压。电容的单位是法拉（F）n由于i=dq/dt和ec=q/c，因此电电 系系 统统n一

4、个纯电容能贮存能量并能重新释放所有的能量，但实际的电容总是存在各种损失。这些能量损失可用功率系数来表示。n功率系数功率系数：交流电压每周能量的损失与每周储存的能量之比。因此，功率系数希望是小的数值。n电感元件电感元件：n围绕一个运动的电荷或电流，周围存在着一个感应区域，称为磁场磁场。n如果有一个回路在一个随时间而变化的磁场中，而回路将产生感应电动势感应电动势。电电 系系 统统n感应电压与电流变化率（每秒 电流的变化）之比定义为电感电感。n电感效益可分为自感自感和互感互感。n自感是单个线圈的性质，它是当由线圈电流引起的磁场耦合线圈本身时产生的。感应电压的大小正比于耦合电路的磁通量的变化率。n如果

5、电路不包含铁磁体元件（例如铁心），磁通量 变化率正比于di/dt。电电 系系 统统n自感应或简单感应L是感应电压eL V和电流变化率（每秒电流的变化）di/dt A/s 之间的比例常数。n电感的单位是亨利（H）。当1安培每秒的变化率将感应1伏特电动势时，此电路就具有1亨利电感。n对于电感线圈，有电电 系系 统统n由于大量的电感线圈是金属导线线圈，它们总是具有一定的电阻。由电阻存在而引起的能量损失用品质系数Q表示。n品质系数：表示储存与消散能量的比率。一个高Q值一般表示电感线圈含有小的电阻值。n互感表示电感线圈之间的影响，这是由于它们的磁场之间的相互作用而引起的。n当两个电感线圈中任一个有1安培

6、每秒的电流变化时，对另一个电感线圈感应产生1伏特的电动势，则它们间的互感M是1亨利。电路的基本定律电路的基本定律n欧姆定律欧姆定律：电路中的电流正比于作用在电路上的总电动势，反比于电路中的总电阻。n其中i是电流（A），e是电动势（V）而R是电阻（）。n串联电路串联电路。串联电阻的合成电阻是各分电阻之和。n并联电路并联电路。并联电阻的合成电阻的倒数是各分电阻的倒数之和。n串联和并联电阻的合成电阻电路的基本定律电路的基本定律n例：研究图3-8（c）所示的电路在点A和B之间的合成电阻。n在此电路中，R1和R3是并联，R2和R4是并联。并由这两并联电阻组成串联电路。电路的基本定律电路的基本定律n例题A

7、-3-2。求图3-33中所给定电路的A和B点间的电阻。n此电路等价于下图所示的电路。n因为R1=R4，R2=R3，在点C和D 之间电压是相等的，因此电阻R5 无电流通过。n电阻R5在点A和B之间对总电阻值 无作用，故它可从电路中移去。于是电路的基本定律电路的基本定律n例题A-3-4。求图3-37所示电路的A与B点间的合成电阻，它是由无限多电阻连接成II形所组成。n设点A和B间的合成电阻为R0。把前三个电阻与其它电阻分离开来。n因为电路是由无限多电阻合成，前三个电阻对合成电阻值无影响。n因此在点C和D间的合成电阻同样是R0。n点A和B间的电阻可求得为电路的基本定律电路的基本定律n基尔霍夫电流定律

8、（节点定律）基尔霍夫电流定律（节点定律）n节点是指在一个电路中有三个或更多个导线连接在一起的点。n基尔霍夫电流定律（节点定律）基尔霍夫电流定律（节点定律）说明所有进入和流出一节点的电流的代数和等于零。也即进入一节点的电流和等于同一节点流出的电流和。n右图可用基尔霍夫电流定律表示为电路的基本定律电路的基本定律n基尔霍夫电压定律（环路定律）基尔霍夫电压定律（环路定律）：在任何瞬时在电路中绕任何环路的电压代数和是零。也即绕环路电压降值之和等于电压升值之和。n电压的升值发生在从负极到正极通过一电动势源；或与电流流动相反的方向通过一电阻。n电压的降值发生在从正极到负极通过一电动势源；或与电流流动方向同向

9、通过一电阻。n如图例所示电路的基本定律电路的基本定律n具有两个或更多个环路的电路。n可同时使用基尔霍夫电流定律和电压定律。第一步写出电流方程式以决定每一导线的电流方向。第二步是决定我们在每一环路中所遵循的方向。n在右图中，假定电流方向如图所示。n在A点：n对于左环路：n对于右环路：电路的基本定律电路的基本定律n首先从前面三个方程式中消去i3，其后解i1和i3，得n对于环路使用循环的电流来写方程式对于环路使用循环的电流来写方程式。n在此方法中，我们假设有一 循环电流存在于每一环路中。电路的基本定律电路的基本定律n应用基尔霍夫电压定律于电路，得方程式n对于左环路：n对于右环路：n通过电阻R2的净电

10、流是i1和i2之间的差。对i1，i2解n上解证实了i3=i2-i1。电路的基本定律电路的基本定律n建立数学模型和电路分析n获得数学模型的节点法获得数学模型的节点法。应用基尔霍夫电流定律于电路中每一个节点，写出方程式。n例3-1。图3-17所示的电路，假设在t=0时接通开关S，这样把E=12V作为电路的输入。求电压eA(t)和eB(t)，其中eA和eB分别是A点和B点处的电压。假设电容无初始充电。n选择节点D作为参考点（eD=0）n在节点A电路的基本定律电路的基本定律n因此n在点B，i3等于Cd(eB-eD)/dt=CdeB/dt。因此n电压eA(t)和eB(t)可以由以上方程式决定为时间的函数

11、。n当2R1=R2=R3，R3C=1时，可得电路的基本定律电路的基本定律n令x=eB-8，上式可写为n上述方程式的解可用 求得。将其代入上式为n因此可得nK由初始条件决定。因为电容器无初始充电，电路的基本定律电路的基本定律n注意：和 。那么，对于t8，我们近似认为eA(t)=eB(t)=8V。因此，对于t8，R3无功率耗散。功率连续不断地由电阻R1和R2所耗散。n获得数学模型的环路法获得数学模型的环路法。n首先要标明未知电流，并任意假定电流绕环路的方向。然后应用基尔霍夫电压定律写出方程式。n例3-2。假定在图3-18的电路中开关S在t0时是切断的，在t=0时是接通的。这里只包含有一个环路。任意

12、选择电流绕环路的方向，可得方程式为电路的基本定律电路的基本定律n在开关S刚接通的瞬时，感应线圈中的电流不能瞬时由零变到有限值，因此i(0)=0。n令x=i-E/R，则上式简化为n假设其有一指数解电路的基本定律电路的基本定律nK由初始条件决定。根据i(0)=(0)可得n因此，电流i(t)为n右图表示了一种类型的 i(t)与t的关系曲线。电路的基本定律电路的基本定律n例3-3。在上例中，假设对于t0时又重新切断。求对于t=0时电流i(t)n对于t1t=0时，电路方程式和解是n在t=t1时，开关切断，电路方程式变为电路的基本定律电路的基本定律n方程式的解可以写为n其中在t=t1时的初始条件为n常数K

13、可由初始条件决定电路的基本定律电路的基本定律n例3-4。图3-21是由一个电容、一个电阻和一个电池组成的电路。电容被充电到12V，并在t=0时开关接通电阻。求电流的时间函数i(t)。n对于t0，n注意n因此电路的基本定律电路的基本定律n上式两边对时间求导数，得n它的解可以写为n根据初始条件可得K=-12/R电路的基本定律电路的基本定律n惠斯顿电桥惠斯顿电桥n图3-22(pp124)所示为一惠斯顿电桥，它是由四个电阻，一个电池（或直流低压电源）和一个电流计所组成。电阻Rx是一个未知电阻。电阻R1和R2是一比例桥臂，它们可以做成相等。电池和电流计的位置可以交换。电路的基本定律电路的基本定律n惠斯顿

14、电桥图中有三个环路，设每一环路的电流为i1，i2，i3。n惠斯顿电桥的平衡条件是通过电流计的电流为零。n如果电桥是平衡的，则有电路的基本定律电路的基本定律n具有互感线圈的电路具有互感线圈的电路n例3-5。图3-26的系统表示由一对互感线圈在同一磁场下耦合的两个电路的网络。假设在t=0时接通开关S，在电容中无初始充电，求系统数学模型。n假定循环电流i1和i2如图所示。此时对于电路1（左环路），有n对于电路2（右环路），有电路的基本定律电路的基本定律n整理这两个方程式，并注意q1(0)=0，因此有n最终可得系统的数学模型n注意：如果一数学模型包含有积分微分方程式，我们可以微分等式两边而得到微分方程

15、式。n微分方程组的解可以表示为具有未定常数的指数函数形式。此常数可代入初始条件求得。电路的基本定律电路的基本定律n小结小结n欧姆定律n串联电路和并联电路n基尔霍夫电流定律（节点定律）n基尔霍夫电压定律（环路定律）n建立数学模型和电路分析n节点法和环路法n惠斯顿电桥n具有互感线圈的电路功功 率率 和和 能能n对两线端元件，输入功率是流入该元件能量的速率。n因为电压是每单位电量中的能量(e=dW/dq)和电流是电量流动的速率(i=dq/di)，有n如果e和i是随时间而变，此时功率P变成时间的函数。n通过时间间隔 输入到元件中的总能量值是功功 率率 和和 能能n由电阻消耗的能量n单位时间内由电阻耗散

16、或消耗的能量是n耗散的能量变为热。电阻是一个元件的不可逆耗散功率的能量的一种度量。n贮存于电容器中的能量。n当有一电压作用于极板两端时，由于在电容器的极板间具有一电场，因此电容器就贮存能量。功功 率率 和和 能能n输送电荷dq通过一势差（电压）e所作的功是edq。通过时间间隔 贮存于电容器中的能量值是n电容是度量元件以分离电荷形式或以一电场的形式来贮存能量的能力。n存贮于电感器中的能量存贮于电感器中的能量。n通过时间间隔 贮存于电感器中的能量值是功功 率率 和和 能能n功率的产生和功率的消耗功率的产生和功率的消耗n电流通过电池从低电压点流向高电压点（电压上升的方向和电流流动的方向是相同的，它表

17、示产生电功率）n电流i通过电阻从高电压点流向低电压点（电压上升的方向和电流流动方向是相反的，它表示耗散电功率）n电能和热能单位的换算电能和热能单位的换算(pp133)。n相似系统相似系统n有相同的数学模型但在物理上是有区别的系统称为相似系统。相似系统相似系统n相似系统感念的特点相似系统感念的特点n描述一物理系统的方程式的解可以在任何其它场合直接应用于相似系统。n由于一种类型的系统比另一种可能容易用实验处理，因此，对于所要建立和研究的机械系统（或液压系统、气动系统等），我们可以用建立和研究其电模拟来代替。n机械机械-电相似电相似。对机械系统有两种电模拟力力-电压相电压相似似和力力-电流相似电流相

18、似。n力力-电压相似电压相似相似系统相似系统n研究图3-30(a)所示的机械系统 和图3-30(b)所示的电系统。前 者的系统方程式是n而对于电系统的方程式是n表示成电荷q，最后方程式为相似系统相似系统n比较上述两个方程式，可以看到两个系统的微分方程式具有相同的形式。因此这两个系统是相似系统相似系统。n在微分方程中对应位置所占有的项称为相似量相似量。n这种相似量称为力力电压相电压相似似（或质量质量电感相似电感相似）机械系统电系统力F（力矩T）电压e质量m（惯性矩J）电感L粘性摩擦系数b电阻R弹簧常数k电容的倒数1/C位移x（角位移）电荷q速度v（角速度w）电流i相似系统相似系统n力力电流相似电

19、流相似n研究图3-30(a)所示的机械系统 和图3-30(b)所示的电系统。前 者的系统方程式是n对于电系统应用基尔霍夫电流定律n其中相似系统相似系统n因此，电系统的方程式可以写为n由于磁通量与电压的关系为n把电系统的方程式表示为磁通量，可得n因此，这两系统称为力力电电流相似流相似（或质量质量电容相似电容相似）机械系统电系统力P（力矩T）电流 i质量m（惯性矩J）电容 C粘性摩擦系数b电阻的倒数 1/R弹簧常数k电感的倒数 1/L位移x（角位移）磁通量速度v（角速度w）电压 e相似系统相似系统n例题A-3-18。求图3-53(a)和(b)所示系统的数学模型，并证明它 们是相似系统。n对于图3-

20、53(a)所示的机械系统 的运动方程式是n对于图3-53(b)所示的电系统，环路电压方程式是相似系统相似系统n把上式表示成电荷q1和q2，前两个方程式可以写为n它构成电系统的数学模型。n通过比较，可知这两个系统是建立在力电压相似基础上的。相似系统相似系统n例题A-3-19。使用力电压相似，求图3-54所示机械系统的电相似。n机械系统的运动方程是n采用力电压相似，对于一个相似 电系统的方程式可以写为相似系统相似系统n把 和 代入最后两方程式中，得n这两个方程是环路电压方程式，所希望的相似电系统如图所示，其中第一个方程对应该图的左 半边，第二个方程对应该图的 右半边。相似系统相似系统n例题A-3-

21、20。使用力用力电流电流相似，求图3-54所示机械系统的电相似。n机械系统的运动方程是n采用力力电流电流相似，对于一个相似 电系统的方程式可以写为相似系统相似系统n把 和 代入最后两方程式中，得n这两个方程是节点方程式节点方程式，所希望的相似电系统如图 所示，其中第一个方程对 应该图的左半边，第二个 方程对应该图的右半边。运算放大器运算放大器n什么是放大器什么是放大器n用右图所示的装置来考虑放大器的概念放大器的概念。它是一种具有输入端子1-1，输出端子2-2，电源端子以及接地端子的装置。n在电源端子与接地端子之间接有直流电源。n若在输入端子1-1间加有 微弱的电信号，从输出端 子2-2得到比输

22、入信号功率 更大的信号时，则称此装 置为放大器放大器。运算放大器运算放大器n放大器的定义：放大器的定义：利用输入信号控制直流电源的电能，用与其输入信号成比例增大的变化量作为输出的装置。n注意：输入信号增大为输出信号，其能量是由直流电源供给的。n注意与变压器变压器区分，变压器没有放大功率的作用，放大器的输入功率输出功率，输出功率的放大部分由直 流电源能量提供。n放大器可分为电压放大器、电流放大器、功率放大器、运算方法器等。运算放大器运算放大器n放大器性能的表示方法放大器性能的表示方法。n增益与分贝增益与分贝n放大率的定义是输入信号与输出信号之比，除放大率外，也常用增益增益，其常以分贝（分贝（dB

23、）为单位。n分贝原来是为比较输出功率Wo与输入功率Wi而采用的单位，其定义如下n在放大器方面，多采用电压增益。在下图的放大器模型中，输入电压为Vi，从输入端子向右侧看，输入电阻为Ri，输入电流为Ii，输出电压、输出电流、负载电阻分别取为Vo、Io、RL时，则输入输出功率分别为运算放大器运算放大器n当Ri=RL时，n则电压放大率用dB表示为n用dB表示电压增益的优点n（1）可将大范围的电压比用较小的数值表示n（2）放大器多级联接时，将各级的电压增益dB值相加就可求得总增益。运算放大器运算放大器n保持输入信号的振幅或者输出信号的振幅一定，将改变频率时的增益变化称为增益频率特性增益频率特性。n理想放

24、大器对所有频率的增益是一定的，一般放大器的增益频率特性是很复杂的形状。n右图表示表示增益频率特性 的一例，一般将频率特性划 分为低频低频、中频中频、高频高频三个 区来考虑。在这些区域边界 的频率中，将低方称为低频低频 截止频率截止频率，高方称为高频截高频截 止频率止频率。截止频率一般指的 是相对频率降低3dB的频率。运算放大器运算放大器n运算放大器的设计和应用运算放大器的设计和应用n运算放大器是构成模拟计算机运算部分的重要部件，还可作为一般的各种放大、有源滤波器、模拟数字变换、调频、稳定电源等多种用途。n运算放大器的原理运算放大器的原理n运算放大器有2个输入端子以及 1个输出端，在-侧的输入端

25、子加 有输入信号时，获得反相形状的 放大输出；在+侧的输入端子加 有输入信号时，获得同相形状的 放大输出。运算放大器运算放大器n运算放大器的定义：运算放大器的定义：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端高阻抗输入端的高增益高增益直接耦合电压放大单元。n直接利用运算放大器高增益特性的应用较少，它通常与反馈电路组合使用。n运算放大器原理运算放大器原理n运算放大器的电压增益为Avo，流入放大器的电流为零，即 假定输入阻抗Zi为无穷大，利用基尔霍夫电流定律运算放大器运算放大器n即n又因为n将此式代入上式，消去vin所以运算放大器运算放大器n如果AVO充分大，下式成立n最终可得n上式

26、称为运算原理（加法器）运算原理（加法器），即对2个输入电压v1、v2，输出电压vo只根据与运算放大器外部连接的阻抗Z1、Z2、Zf之比来决定。运算放大器运算放大器n其更一般的形式为n上式当 ，条件越接近则越正确，运算精度也越高。n运算放大器的基本用法运算放大器的基本用法n（a）非反相放大器非反相放大器 在+侧输入端子加入 输入信号的使用方法运算放大器运算放大器n由上图可得n由于n所以n此时的增益令为AfN，则运算放大器运算放大器n如果n则得n（b）反相放大器）反相放大器 在-侧输入端子加入 输入信号的使用方法n由右图可得运算放大器运算放大器n增益AfI为n 时，则可简化为n（c）减法器）减法器

27、运算放大器运算放大器n因此，如果下式成立n最终可得n上式即为运算放大器的减法特性，若连接两个输入端子的外部电阻不能平衡，则可能出现不能正常工作。n（d）微分器）微分器运算放大器运算放大器n如右图所示，流过电容器CD的电流为iC时n在运算放大器的输入电流为零的条件下，下式成立n因此n如果 ，则运算放大器运算放大器n最终可得n可见其将输入信号微分可得输出信号。n（e）积分器）积分器n如右图所示n当 时，可得运算放大器运算放大器n将上式积分，则得作业：习题：B-3-9习题：B-3-11习题：B-3-19习题：B-3-20运算放大器运算放大器n运算放大器的应用实例n实际的反相放大器原理实际上必须考虑补偿（偏置）电压的影响。通常在+侧输入端子接入电阻RS，让补偿电压的效果最小来选择此电阻值。n右图表示有补偿电压VIS时 运算放大器的等效电路，考 虑此图中RS的选择方法。n通过输出端子，Rf、VIS、rid、RS到接地的电流通路可写为运算放大器运算放大器n通过输出端子，Rf、RS到接地的电流通路可写为n所以n将上式代入，最终可得n由于 ，整理可得运算放大器运算放大器n当n可得下式n上式即等效为理想的反相放大器。运算放大器运算放大器n为使补偿电压的影响最小的运算放大器应用例n实际的非反相放大器n实际的加法器