Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Бакалов В.П. Основы теории цепей_2007

.pdf
Скачиваний:
633
Добавлен:
05.05.2015
Размер:
6.33 Mб
Скачать

( n+1)h

x [( n + 1) h] = eAhx ( nh ) + ò

eA[( n+1)hτ]τBw ( τ )dτ. (6.98)

nh

Èíòåãðàë â (6.98) âычисляется численными метоäàìè (ìåòîäом прямоуãольникоâ, òðàпеций, Симпсонà è äð.). Òàк, при использо- âàíèè ìåòîäà прямоуãольникоâ àëãоритм (6.98) приобретàåò âèä

x [ ( n + 1) h] = eAhx ( nh ) + eAhhBw ( nh ) .

(6.99)

Ïðè íóëåâîì âõîäíîì ñèãíàëå w = 0 (ñâîáîäные колебàíèÿ)

 

x [ ( n + 1) h] = eAhx ( nh ) .

(6.100)

Åñëè îãðàничиться â ðàзложении (6.97) только перâûìè äâóìÿ

÷ëåíàìè eAh I + Ah, то получим

 

x [ ( n + 1) h] x ( nh ) + Ax ( nh ) h.

(6.101)

Àëãоритм (6.101) леãêî ïðîãðàммируется нà ЭВМ и имеет ясный физический смысл. Он опреäеляет положение точки â прострàíñòâе состояний нà (n + 1)-ì øàãå, èñõîäя из ее состояния нà n-ì øàãå ïðè àппроксимàöèè òðàектории нà ó÷àñòêå h прямолинейным отрезком с постоянной скоростью x& (h).

Пример. Ðàссчитàòü òðàекторию состояний, изобрàженную нà рис. 6.19, используя àппроксимàöèþ åå íà êàæäîì èç m ó÷àñòêîâ âеличины h â форме прямолинейных отрезкоâ. Скорость изменения состояния x& (h) íà êàæäîì èç âûäеленных учàñòêîâ îñòàется постоянной.

Íà îñíîâàíèè óðàâнения состояния (6.93) имеем:

äля моментà t = 0; x& (0) = Àõ(0); äля моментà t = h

x ( h ) ≈ x ( 0 ) + x& ( 0 ) h = x ( 0 ) + Ax ( 0 ) h;

äля моментà t = 2h

x ( 2h ) ≈ x ( h ) + x ( h ) h = x ( h ) + Ax ( h ) h;

äля моментà t = (n + 1)h

x [ ( n + 1) h] x ( nh ) + Ax ( nh ) h,

т. е. полученное урàâнение полностью соâïàäàåò ñ (6.101).

Метод Рунге Кутта ìåòîä численноãо решения урàâнения состояния (6.94), при котором интерâàë 0...t ðàçáèâàåòñÿ íà ò ìà- ëûõ ó÷àñòêîâ t = h, íà êàæäом из которых знàчение переменной õ îïðåäеляется с помощью линейной комбинàции некоторых âспомоãàтельных функций ki (h) с постоянными коэффициентàìè.  çàâисимости от способà âûáîðà коэффициентоâ и требуемой точ- ности решения сущестâóþò ðàзличные моäèôèêàöèè àëãоритмоâ Ðóíãå Êóòòà.

181

Проиллюстрируем суть метоäà Ðóíãå Êóòòà íà примере скà- лярноãî óðàâнения состояния

x& =

dx

= f (t,x ).

(6.102)

dt

 

 

 

Íàиболее рàспрострàненный àëãоритм Рунãå Êóòòà имеет âèä

x » x +

1

(k + 2k + 2k + k

 

),

 

 

 

 

 

 

ü

n+1

 

n

6

 

1

2

 

3

 

4

 

 

 

 

 

 

 

ï

ãäå k1 = hf (t0,x0 );

k2 = hf (t0

+ h 2; x0 + k1

2);

 

 

).

ý (6.103)

k

3

= hf

(t + h 2; x + k 2); k

4

= hf (t + h; x + k

 

ï

 

 

 

0

 

 

0

 

2

 

 

0

 

0

3

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

Ïðè ýòîì ïîðÿäîê ïîãрешности состàâëÿåò h5.

Пример. Решить скàлярное урàâнение состояния (6.102) нà интерâàëå [0; t] ìåòîäîì Ðóíãå Êóòòà ïðè óñëîâèè A = 1; õ(0) = 1.

Ð å ø å í è å. Ðàзобьем интерâàë [0; t] íà 10 ó÷àñòêîâ ñ øàãîì h = 0,1. Òîãäà â ñîîòâåòñòâèè ñ àëãоритмàми (6.103) можем получить äëÿ t = 0,

õ(0) = 1 (ïåðâûé øàã):

 

 

k1

= hx ( 0 ) = 0,1;

k2 = h[ x ( 0 ) + k1

2] = 0,105;

k3

= h[ x ( 0 ) + k2

2] = 0,10525; k4

= h[ x ( 0 ) + k3 ] = 0,110525;

x1

= x ( 0 ) + 1 6 (k1 + 2k2 + 2k3 + k4 ) =

 

= 1 + 1 6 ( 0,1 + 0,21 + 0,2105 + 0,110525 ) = 1,105174.

Àíàëîãè÷íî íà âтором шàãå

x2 = x1 + 16 (k1 + 2k2 + 2k3 + k4 ) =

= 1,105174 + 16 ( 0,105 + 2 × 0,116 + 2 × 0,1163 + 0,122) = 1,121140 è ò. ä.

Êàê ñëåäóåò èç (6.103), äëÿ îïðåäеления õ необхоäèìî âычислить f (t, x) â четырех точкàõ.

Àíàëîãè÷íî çàïèñûâàåòñÿ àëãоритм Рунãå Êóòòà äля системы урàâнений типà (6.102). Íàпример, äëÿ ñëó÷àя системы из äâóõ óðàâнений

 

 

 

 

dx dt

 

 

 

f1 (t,x ,x

2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x& =

 

 

 

 

1

 

 

=

 

 

 

 

1

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

2

dt

 

 

f

2

(t,x ,x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

àëãоритм (6.103) примет âèä

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1( n+1) » x1n + 1 6 (k1 + 2k2 + 2k3 + k4 )

(6.104)

x

2( n+1)

» x

2n

+ 1 6

(l

+ 2l

2

+ 2l

3

+ l

4

),

ý

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

ãäå

k1 = hf1

(t0,x10,x20 ); l1 = hf2 (t0,x10,x20 );

k2 = hf1

(t0 + h 2,x10 + k1 2,x20 + l1 2);

l2 = hf2

(t0 + h 2,x10 + k1 2,x20 + l1 2);

k3 = hf1

(t0 + h 2,x10 + k2 2,x20 + l2 2);

l3 = hf2

(t0 + h 2,x10 + k2 2,x20 + l2 2);

182

k4 = hf1 (t0 + h,x10 + k3,x20 + l3 ); l4 = hf2 (t0 + h,x10 + k3,x20 + l3 ).

×àстным случàåì ìåòîäà Ðóíãå Êóòòà ÿâляется прямой àëãо- ритм Эйлерà (ïðè k2 = k3 = k4 = 0). Îäíàко он имеет мàлую точ- ность и не нàшел широкоãо применения.

Разностные методы. Сущестâенным неäîñòàòêîì ìåòîäà Ðóí- ãå Êóòòà ÿâляется то, что äля получения кàæäîãî çíàчения решения õ необхоäèìî âычислять прàâóþ ÷àñòü óðàâнения (6.94) â нескольких точкàõ (äëÿ àëãоритмà (6.103) â четырех точкàõ). Ýòî ïðèâîäит к большому объему âычислений, особенно äля сложной прàâîé ÷àсти. Применение рàзностных метоäîâ ïîçâоляет сущест- âåííî ñîêðàтить объем âычислений и зàòðàòû ìàшинноãî âремени, тàê êàê íà êàæäîì øàãå ïðàâàÿ ÷àñòü âычисляется только оäèí ðàç.

 îñíîâå ðàзностных метоäîâ лежит использоâàíèå ðàзличных интерполяционных àëãåáðàических мноãочленоâ (ìíîãочлены Ньютонà, Стирлинãà, Эрмитà è äр.). При этом решение x íà (n + 1) øàãå îïðåäеляется àëãоритмом

n

 

xn+1 = xkj + hå βi fki,

(6.105)

i=0

ãäå h øàã; βi постоянные коэффициенты; fk çíàчение àë- ãåáðàическоãî ìíîãочленà â точке k. Êàê ñëåäóåò èç (6.105) äëÿ îïðåäеления решения õk + j ; необхоäèìî çíàòü çíàчения õ1, õ2, ..., õj îíè íàõîäятся обычно либо àíàлитически, либо метоäîì Ðóí- ãå Êóòòà.

Вопросы и задания для самопроверки

1.Êàêîâы причины âозникноâения перехоäных процессоâ?

2.Сформулироâàòü çàконы коммутàöèè.

3.Äàть понятия перехоäíîãî, óñòàíîâèâøåãîñÿ è ñâîáîäíîãо режимоâ â электрических цепях.

4.×òî òàêîå íóëåâые и ненулеâûå íà÷àльные услоâèÿ?

5.Êàêîé âèä имеет сâîáîäíàÿ ñîñòàâëÿþùàя перехоäных колебà- íèé â цепях перâîãî ïîðÿäêà?

6.×òî ïðåäñòàâляет собой принужäåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ?

7.Êàê ðàссчитыâàются постоянные интеãðèðîâàíèÿ â цепях перâî- ãî ïîðÿäêà?

8.×òî òàкое постояннàÿ âремени цепи?

9.Для схемы, изобрàженной нà ðèñ. 6.22, îïðåäелить ток i(t) è

íàпряжение нà êàтушке инäóêòèâности uL(t), åñëè U = 90 Â; L = 0,25 Ãí; R1 = 20 Îì; R2 = R3 = 5 Îì.

Îòâåò: i(t) = 3,6 1,6å 100t, À; uL(t) = 40å j100t, Â.

183

1 i L R1 R3

U

 

R1

2

C

 

U

R3

R2

R2

Ðèñ. 6.22

 

 

 

 

Ðèñ. 6.23

 

 

 

 

iC

C

 

 

i R1

 

L

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

iR

iL

U

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

L

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ðèñ. 6.24

 

 

 

 

Ðèñ. 6.25

 

 

10.Для схемы, изобрàженной нà ðèñ. 6.23, íàéòè uÑ (t), åñëè U = = 60 Â; R1 = R2 = R3 = 5 êÎì; Ñ = 2,5 ìêÔ.

Îòâåò: uÑ (t) = 60 30å 40t, Â.

11.Êàê çàâèñèò õàðàêòåð ñâîáîäных колебàíèé â RLC-контуре от рàсположения нà комплексной плоскости корней хàðàктеристи- ческоãî óðàâнения?

12.Êàê îïðåäеляются чàñòîòà и периоä ñâîáîäных колебàíèé?

13.×òî òàêîå ëîãàрифмический äекремент зàòóõàíèÿ?

14.Êàêîâà послеäîâàтельность àíàëèçà перехоäных процессоâ â ðàçâåòâленных цепях âòîðîãî ïîðÿäêà?

15.Для схемы, приâåäенной нà ðèñ. 6.24, íàéòè iL (t) è uÑ (t), åñëè U = 100 Â; L = 50 ìÃí; Ñ = 5 ìêÔ; R = 25 Îì.

Îòâåò: iL (t) = 0,29å 540t 0,29å 7460t, À; uÑ (t) = 100 + 8å 540t 108å 7460t, Â.

16.Для схемы, приâåäенной нà ðèñ. 6.25, íàéòè i(t) è uÑ (t), åñëè U = 60 Â; R1 = 250 Îì; R2 = 50 Îì; L = 50 ìÃí; C = 0,5 ìêÔ.

Îòâåò: i(t) = 0,22 å 2500t sin(5800t + 67°), À;

uÑ (t) = 60 + 69 å 2500t sin(5800t 46,5°), Â.

17. ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ ñóòü ìåòîäà переменных состояния? Что понимàþò ïîä переменными состояния?

18.×òî òàêîå óðàâнения состояния цепи? Кàêîâà åãî ìàтричнàÿ ôîðìà çàïèñè?

19.В чем сущность метоäà ìàтричных экспонент?

20.Ñóòü ìåòîäà Ðóíãå-Êóòòà.

21.Что лежит â îñíîâå ìåòîäîâ решения урàâнения состояния цепи?

184

ГЛАВА 7. ОПЕРАТОРНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ

7.1. Преобразование Лапласа и его свойства

Îïåðàторный метоä берет нà÷àëî ñî âремени àíàëèçà бесконечно мàëûõ âеличин, коãäà áûëè îáíàружены опреäеленные àíà- ëîãèè ìåæäó äифференциàëüíî-èíòåãðàльными и àëãåáðàическими урàâнениями. В XIX â. был опубликоâàí ðÿä ðàáîò ïî îïåðà- ционному исчислению М.Е. Вàщенко-Зàõàрченко, О. Хэâèñàéäà, Ä. Êàðñîíà è äð. Îäíàêî ñòðîãое обосноâàíèå îïåðàторный метоä получил только â XX â. íà áàзе общей теории функционàльных преобрàçîâàíèé.

 îñíîâå îïåðàторноãî ìåòîäà ðàñ÷åòà перехоäных процессоâ лежит преобрàçîâàíèå Ëàïëàñà, которое позâоляет перенести решение из облàсти функций äåéñòâительноãо переменноãî t â îá- ëàсть комплексноãо переменноãî ð:

p = α + jω.

(7.1)

Ïðè ýòîì îïåðàöèè äифференцироâàíèÿ è èíòåãðèðîâàния функций âремени зàменяются соотâåòñòâующими оперàциями умножения и äеления функций комплексноãо переменноãî íà îïåðàòîð ð, что сущестâенно упрощàåò ðàñ÷åò, òàê êàê ñâîäит систему äифференциàльных урàâнений к системе àëãåáðàических. В оперàторном метоäå îòïàäàет необхоäимость опреäеления постоянных интеãðèðîâàния. Этими обстоятельстâàми объясняется широкое применение этоãî ìåòîäà íà ïðàктике.

Ðàçëè÷àют прямое и обрàтное преобрàçîâàíèå Ëàïëàñà. Прямое преобрàçîâàíèå Ëàïëàñà îïðåäеляется урàâнением.

 

F ( p ) = ò f (t ) eptdt,

(7.2)

0

 

ãäå f(t) ïðè t ниченно

функция äåéñòâительноãо переменноãî t, îïðåäеленнàÿ 0 (ïðè t < 0; f(t) = 0) è óäîâëåòâоряющàÿ óñëîâèÿì îãðà- ãî ðîñòà:

f ( t )

 

< Mec0t,

(7.3)

 

ãäе множитель Ì è ïîêàçàòåëü ðîñòà ñ0 положительные äåéñò- âительные числà. Íà рис. 7.1 изобрàæåíà îáëàñòü îïðåäеления функции комплексноãо переменноãî F(p).

Îáðàтное преобрàçîâàíèå Ëàïëàñà îïðåäеляют из решения (7.2):

f ( t ) =

1

c+ jF ( p ) eptdp.

(7.4)

2πj

 

ò

 

 

 

cj

 

185

jω

 

 

 

 

Функция F(p), îïðåäеляемàÿ óðàâнением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.2), носит нàçâàíèå изобрàжения по Лàïëà-

 

 

 

 

 

ñó, à функция f(t) â (7.4) îðèãèíàëà. Ñëå-

0

 

 

 

 

äîâàтельно, ориãèíàë

и изобрàжение преä-

c0

 

α

ñòàâëÿþò

собой пàðó

функций äåéñòâитель-

 

 

 

 

 

íîãî f(t) и комплексноãî F(p) переменноãî,

 

Ðèñ. 7.1

 

 

ñâÿçàííûõ

преобрàçîâàíèåì Ëàïëàñà. Äëÿ

 

 

 

ñîêðàщенной зàïèñè

преобрàçîâàíèé (7.2),

 

 

 

 

 

(7.4) используют слеäующую симâолику:

f (t ) F ( p ); f (t ) F ( p ); F ( p ) = L f (t ) ; f (t ) = L1 F ( p ) ,

ãäå L îïåðàòîð Ëàïëàñà. Â äàльнейшем äëÿ îïðåäеленности бу- äем использоâàòü çíàê ñîîòâåòñòâèÿ .

Ðàссмотрим осноâíûå ñâîéñòâà преобрàçîâàíèé Ëàïëàñà. Свойство линейности ÿâляется слеäñòâием линейности преоб-

ðàçîâàíèÿ Ëàïëàñà, åãо можно зàïèñàòü â форме

n

n

 

å akfk (t ) å akFk ( p ),

(7.5)

k=1

k=1

 

ãäå ak постоянные коэффициенты рàзложения. Сâîéñòâî (7.5) ëåãêî äîêàçàть, если применить к леâîé ÷àсти соотношения (7.5) прямое преобрàçîâàíèå Ëàïëàñà (7.2).

Дифференцирование оригинала. При ненулеâûõ íà÷àльных услоâèÿõ: f(0 ) ¹ 0 äифференцироâàíèå îðèãèíàëà ñîîòâåòñòâóåò ñëå- äующему услоâèþ

f (t ) pF ( p ) - f (0).

(7.6)

Äëÿ äîêàçàтельстâà (7.6) ïîäñòàâèì f¢(t) â преобрàçîâàíèå (7.2)

â âèäå

ò f ¢ (t ) eptdt = ò eptdf (t ).

0

0

Îòñþäà после интеãðèðîâàíèÿ ïî ÷àстям получàåì:

 

ò eptdf = eptf (t )

 

0+ pò eptf (t ) dt = pF ( p ) - f (0).

 

0

0

 ñëó÷àå íóëåâûõ íà÷àльных услоâèé

f¢(t ) pF ( p ); f¢¢(t ) p2F ( p ); K f n (t ) pnF ( p ).

Интегрирование оригинала

 

 

 

 

t

F ( p )

 

t

t

F ( p )

 

ò f (t ) dt

 

;

òK ò f (t ) dnt

 

.

p

pn

0

 

{

 

 

 

0

0

 

 

n ðàç

(7.7)

(7.8)

186

Äîêàçàтельстâо осущестâляется путем использоâàíèÿ ñâîéñòâà äифференцироâàíèÿ îðèãèíàëà (7.6), (7.7).

Изменение масштаба независимого переменного (теоремà ïî-

äîáèÿ)

f ( at )

1

æ

p ö

 

 

 

F ç

 

÷

,

(7.9)

a

 

 

è

a ø

 

 

ãäå à постоянный âещестâенный коэффициент. Сâîéñòâî (7.9) ëåãêî äîêàçûâàется путем зàìåíû íåçàâисимой переменной t = at â прямом преобрàçîâàíèè Ëàïëàñà (7.2).

Смещение в области действительного переменного (теоремà çàïàçäûâàíèÿ):

f (t ± t0 ) e±pt0 F ( p ).

 

(7.10)

Äëÿ äîêàçàтельстâà (7.10) ââåäåì ñëåäующие обознàчения:

 

 

 

 

Y ( p )

= ò f (t ± t0 ) eptdt.

 

 

0

 

 

Осущестâèì çàмену переменной t = t ± t0.

 

 

 

 

Y ( p ) = ò f ( t )ep( τmt0 )dt = e±pt0 ò f

( t )epτdt =

 

0

0

 

 

= e±pt0 F ( p ),

 

 

что и требоâàëîñü äîêàçàòü.

 

 

 

Из соотношения (7.10)

ñëåäóåò, ÷òî ñäâèã îðèãèíàëà

ïî îñè

âремени нà t0 ñîîòâåòñòâует умножению изобрàжения нà e±pt0 .

Смещения в области комплексного переменного (теоремà ñìå-

щения):

 

F ( p m l ) e±λtf (t ).

(7.11)

Теоремà (7.11) ñëåäует непосреäñòâенно из прямоãо преобрàçî- âàíèÿ Ëàïëàñà, åñëè â (7.2) âместо f(t) ïîäñòàâèòü e±λtf (t ) . Ïðè-

чем l может быть кàê äåéñòâительной, тàк и комплексной âели- чиной.

Дифференцирование и интегрирование оригинала по парамет-

ðó (ñâîéñòâо коммутàòèâности):

 

 

 

 

f (t,x )

 

F ( p,x );

(7.12)

 

x

x

 

 

 

 

x2

 

x2

 

 

ò

f (t,x )dx

ò

F ( p,x )dx.

(7.13)

x1

 

 

x1

 

 

 

Äëÿ äîêàçàтельстâà ñâîéñòâ (7.12), (7.13) äîñòàточно проäифференцироâàть или проинтеãðèðîâàть прямое преобрàçîâàíèå Ëàï- ëàñà (7.2) ïî ïàðàметру õ.

187

Произведение изображений:

t

t

F1 ( p ) F2 ( p ) ò f1 ( t x ) f2 ( x ) dx = ò f1 ( x ) f2 ( t x ) dx. (7.14)

0

0

Èíòåãðàëû â (7.14) носят нàçâàíèå ñâертки функций f1(t) è f2(t).

Дифференцирование изображения:

 

 

dnF ( p )

( t )n f ( t ).

(7.15)

 

dpn

 

 

 

Ñâîéñòâî (7.15) ëåãêî äîêàçûâàется путем äифференцироâàния прямоãо преобрàçîâàíèÿ Ëàïëàñà (7.2).

Интегрирование изображения:

f (t )

 

 

ò F ( p )dp

.

(7.16)

t

0

 

 

 

 

 

Äàííîå ñâîéñòâî äîêàçûâàåòñÿ àíàëîãè÷íî (7.15).

 çàключение приâåäåì ïðåäельные соотношения äëÿ îðèãè- íàëà и изобрàжения:

 

 

lim f ( t ) = lim pF ( p );

(7.17)

 

 

t0

p→∞

 

 

 

 

lim f ( t ) = lim pF ( p ).

(7.18)

 

 

t→∞

p0

 

 

Дейстâительно, соãëàñíî

ñâîéñòâà

äифференцироâàíèÿ

îðèãè-

íàëà можно зàïèñàòü:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ò f( t ) eptdt = pF ( p ) f ( 0 ).

 

 

0

 

 

 

 

Учитыâàÿ, ÷òî lim ept

= 0, получàåì:

 

 

 

p→∞

 

 

 

 

lim

[ pF ( p ) f ( 0 ) ] = lim pF ( p ) lim f ( t ) = 0.

 

p→∞

 

 

p→∞

t0

 

Îòñþäà непосреäñòâåííî ñëåäует соотношение (7.17). Анàëîãè÷íî äîêàçûâàåòñÿ ðàâåíñòâî (7.18).

 êà÷åñòâе примерà íàéäем изобрàжение по Лàïëàñó òèïî- âûõ ñèãíàëîâ. Для теоретических и экспериментàльных иссле-

äîâàíèé õàðàктеристик

электрических цепей и

ïåðåäà÷è ñîîá-

1(t)

 

 

 

 

 

1/τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

t

τ

t

à)

 

 

 

 

 

 

á)

 

 

Ðèñ. 7.2

188

щений по кàíàëàì ñâязи используются рàзличные типы сиãíà- ëîâ: ãàрмонические колебàíèÿ, óðîâни постоянных нàпряжений, послеäîâàтельность прямоуãольных импульсоâ è òàê äàлее. Особо âàæíóþ ðîëü â теоретических исслеäîâàниях электриче- ских цепей иãðàют испытàтельные сиãíàëû â форме еäиничной функции 1(t) è åäиничной импульсной функции d(t) (функция Дирàêà).

Единичная функция. Åäиничнàя функция зàäàåòñÿ óðàâнением (рис. 7.2, à)

1(t )

= {1

ïðè

t 0,

 

 

 

(7.19)

 

0

ïðè

t < 0.

 

 

 

 

Изобрàжение функции (7.19) буäåò ðàâíî:

 

 

 

 

 

1

ept

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ( p ) ò1eptdt =

 

 

=

 

, ò. å.,

1

.

(7.20)

 

 

 

 

 

0

 

p

 

 

0

 

p

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Единичная импульсная функция (функция Дирàêà). Ýòà ôóíê-

öèÿ íàçûâàåòñÿ åùå d-функцией; îíà çàäàåòñÿ óðàâнением

 

ì

0

ïðè

t < 0,

 

d (t ) = íï

¥

ïðè

t = 0,

(7.21)

ï

0

ïðè

t > 0.

 

î

 

Функция Дирàêà ÿâляется физически нереàлизуемой мàòåìà- тической àáñòðàкцией, оäíàêî îáëàäàåò ðÿäом интересных сâîéñòâ è èãðàет очень âàæíóþ ðîëü â теоретических исслеäîâàíèÿõ. Ôîð- ìàëüíî îíà может быть полученà, íàпример, преäельным перехо- äîì (ïðè t ® 0) åäиничноãо импульсà (ñì. ðèñ. 7.2, á), ïëîùàäь котороãî ðàâíà åäинице:

 

S = ò d (t ) dt = 1.

(7.22)

−∞

Îäним из интересных сâîéñòâ функции d(t) ÿâляется ее фильтрующее сâîéñòâî, îïðåäеляемое рàâåíñòâîì (ðèñ. 7.3):

 

f (t ) d (t - t0 )dt = f (t0 ).

 

 

ò

(7.23)

 

−∞

 

 

 

 

 

f

f(t0)

f(t)

 

1/τ

 

 

 

 

 

 

 

 

δ(t-t0)

 

 

0

τ

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

t0

 

t

-1/τ

 

 

 

 

 

 

 

 

Ðèñ. 7.3

 

 

 

 

Ðèñ. 7.4

189

Òàáëèöà 7.1

¹

Îðèãèíàë f (t)

Изобрàжение F (p)

ï/ï

 

 

1

A = const

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

epkt

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p pk

 

 

 

 

 

 

 

3

e j( ωt)

 

 

 

 

 

e jϕ

 

 

 

 

 

 

p jω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

1 e−α t

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

p ( p + α )

 

 

5

sin ωt

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

p2 + ω2

 

 

 

 

 

 

6

cos ωt

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2 + ω2

 

 

 

 

 

 

7

sin ( ωt + ϕ )

p sin ϕ + ωcos ϕ

 

 

 

 

p2 + ω2

 

 

 

 

 

 

8

cos ( ωt + ϕ )

p cos ϕ − ωsin ϕ

 

 

 

 

p2 + ω2

 

 

 

 

 

 

9

e−α t sin ωt

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

( p + α )2 + ω2

 

10

e−α t cos ωt

 

 

 

 

 

p + α

 

( p + α )2 + ω2

 

11

At

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

Ate−α t

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

( p + α )2

 

Íàéäем изобрàжение еäиничной импульсной функции â форме изобрàжения рàзности äâóõ åäиничных функций âеличины 1(t), ñäâинутых äðóã относительно äðóãà íà τ (рис. 7.4). Для этих функций с учетом теоремы зàïàçäûâàния имеем:

F1 ( p ) = 1τp; F2 ( p ) = τ1p epτ.

Для результирующеãо изобрàжения с учетом сâîéñòâà линейности получим

190