Tính chất và ý nghĩa vật lý của đáp ứng – Đáp ứng ép đối với est
Đáp ứng tự nhiên Đáp ứng tự nhiên là nghiệm của phương trình vi phân bậc 2 thuần nhất, tương ứng với trường hợp không có tín hiệu vào (nguồn ngoài). Dạng của đáp ứng tự nhiên tùy thuộc vào nghiệm của phương trình đặc trưng, tức tùy thuộc các ...
Đáp ứng tự nhiên
Đáp ứng tự nhiên là nghiệm của phương trình vi phân bậc 2 thuần nhất, tương ứng với trường hợp không có tín hiệu vào (nguồn ngoài). Dạng của đáp ứng tự nhiên tùy thuộc vào nghiệm của phương trình đặc trưng, tức tùy thuộc các thông số của mạch. Tính chất của đáp ứng tự nhiên xác định dễ dàng nhờ vị trí của nghiệm của phương trình đặc trưng trên mặt phẳng phức.
Gọi α và β là 2 số thực, cho biết khoảng cách từ nghiệm lần lượt đến trục ảo và trục thực.
Ta có các trường hợp sau:
Phương trình đặc trưng có nghiệm thực, phân biệt s1,2= α1, α2
Với trị thực của α, đáp ứng có dạng mũ (H 5.10)
Tùy theo α>0, α=0 hay α<0 mà dạng sóng của đáp ứng là đường cong tăng theo t, đường thẳng hay đường cong giảm theo t.
Phương trình đặc trưng có nghiệm phức s1,2=-α ±jβ
- Nếu đôi nghiệm phức nằm ở 1/2 trái của mặt phẳng (α và β ≠ 0), đáp ứng là dao động tắt dần (H 5.11)
- Nếu là nghiệm ảo (α=0 và β ≠ 0), đáp ứng là một dao động hình sin (H 5.11)
- Nếu đôi nghiệm phức nằm ở 1/2 phải của mặt phẳng (α và β ≠ 0), đáp ứng là dao động biên độ tăng dần (H 5.11)
Phương trình đặc trưng có nghiệm kép
Thí dụ 5.9
Khảo sát phương trình đặc trưng của mạch RLC nối tiếp.
Khi R thay đổi vẽ quỹ tích nghiệm s trên mặt phẳng phức
Đáp ứng tự nhiên là dao động hình sin có biên độ không đổi, R=0 có nghĩa là công suất không tiêu tán thành nhiệt nên năng lượng tích trữ ban đầu không mất đi mà được chuyển hóa và trao đổi qua lại giữa tụ điện (điện trường) và cuộn dây (từ trường).
* α=ω0 s1=s2=-α yn(t)=(k1+k2t)e-αt
Đáp ứng có giá trị tắt dần tới hạn hay phi tuần hoàn.
* α>ω0 s1,2=a<0 (2 nghiệm âm phân biệt trên trục thực)
Đáp ứng tự nhiên tắt dần không dao động, nghĩa là R có trị khá lớn đủ để ngăn chận sự trao đổi năng lượng giữa L và C.
Đáp ứng ép
Đáp ứng ép của một mạch chính là nghiệm riêng của phương trình có vế 2, nó tùy thuộc cả tín hiệu vào và các thành phần trong mạch điện.
Một trường hợp đặc biệt ảnh hưởng đến đáp ứng ép là khi một số hạng của F(t) có cùng dạng của yn(t). Lúc đó yf(t) được nhân với t. Về phương diện vật lý, điều này có nghĩa là mạch buộc phải đáp ứng như khi không có tín hiệu vào hay nói cách khác mạch bị kích thích theo một trong những cách vận chuyển tự nhiên của nó. Nói nôm na là mạch đáp ứng nhạy hơn bình thường và điều này được biểu thị một cách toán học bằng cách nhân với thừa số t.
Lưu ý là năng lượng tích trữ ban đầu chỉ ảnh hưởng đến độ lớn (các hằng số tích phân) chứ không ảnh hưởng đến dạng của yn(t). Mặt khác, các hằng số tích phân cũng tùy thuộc vào nguồn kích thích và các thành phần trong mạch. Chính vì những lý do này mà người ta chỉ xác định các hằng số tích phân sau khi có kết quả cuối cùng (đáp ứng đầy đủ). Tóm lại, khi tính toán đáp ứng của một mạch, các hằng số tích phân được xác định dựa trên đáp ứng đầy đủ y(t)=yn(t)+yf(t) và các điều kiện ban đầu.
Ngoài ra, xét đến ảnh hưởng của đáp ứng của mạch theo diễn tiến thời gian, người ta chia đáp ứng của một mạch ra 2 thành phần: Thành phần chuyển tiếp (giao thời, transient time) và thành phần thường trực (steady state).
- Thành phần chuyển tiếp yt(t): triệt tiêu sau một khoảng thời gian.
- Thành phần thường trực yss(t): còn lại sau khi thành phần chuyển tiếp triệt tiêu.
Nếu các nghiệm của phương trình đặc trưng đều ở 1/2 mặt phẳng trái hở và đáp ứng ép không triệt tiêu khi t →∞ thì
yt(t) = yn(t)
yss(t) = yf(t)
Trong phân giải mạch điện, một trường hợp đặc biệt cần quan tâm, đó là những mạch với tín hiệu vào có dạng hàm mũ est, s là hằng số độc lập với t. Chúng ta sẽ xét ngay dưới đây trường hợp này
Với x(t) và y(t) lần lượt là kích thích và đáp ứng, phương trình mạch điện có dạng tổng quát
H(s) được gọi là hàm số mạch, giữ vai trò rất quan trọng trong bài toán giải mạch.
Quan sát (5.15) ta sẽ thấy H(s) là tỉ số của 2 đa thức theo s có bậc là bậc của đạo hàm và các hệ số chính là các hệ số tương ứng của 2 vế của phương trình mạch điện. Vì vậy, khi có phương trình mạch điện ta có thể viết ngay ra hàm số mạch.
Thí dụ 5.9 Tìm đáp ứng vo(t) của mạch (H 5.15), cho i(t)=e-t.
Thông số s trong hàm số mạch có thể là số thực hay phức. Trong thực tế tín hiệu vào thường là một hàm thực theo t. Tuy nhiên tính đáp ứng đối với một hàm phức cũng rất hữu ích vì từ đó chúng ta có thể suy ra đáp ứng đối với tín hiệu là hàm thực từ định lý sau đây:
" Nếu yf(t) là đáp ứng đối với tín hiệu phức x(t), đáp ứng đối với phần thực của x(t) chính là phần thực của yf(t) và đáp ứng đối với phần ảo của x(t) là phần ảo của yf(t)"
* Trở lại thí dụ 5.9. Xét trường hợp kích thích có dạng x(t)= cosωt
