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数学振荡阶段怎么写的

2025-04-30 22:48:41
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关于数学振荡阶段的描述,通常涉及二阶线性系统的动态行为。以下是关键内容的整理:

一、二阶线性系统的传递函数

对于形如

$$T_2 frac{d^2r(t)}{dt^2} + 2zeta T frac{dr(t)}{dt} + r(t) = r(t)$$

的振荡环节,其传递函数为:

$$G(S) = frac{C(S)}{R(S)} = frac{1}{T_2 S^2 + 2zeta T S + 1}$$

其中,$zeta$为阻尼比,$T$为时间常数。

二、RC振荡电路的数学表达

对于RC振荡电路,其微分方程为:

$$L frac{d^2U_c}{dt^2} + R frac{dU_c}{dt} + U_c = U_r$$

通过拉普拉斯变换,可得到特征方程:

$$s^2 + frac{R}{L}s + frac{1}{LC} = 0$$

设特征根为:

$$s = -frac{R}{2L} pm jomega_n$$

其中,$omega_n = frac{1}{sqrt{LC}}$为自然频率,$zeta = frac{R}{2L}$为阻尼比。

三、振荡阶段的数学描述

通解形式

根据特征根的性质,系统响应可表示为:

$$U_c(t) = e^{-frac{R}{2L}t} left( A cos(omega_d t) + B sin(omega_d t) right)$$

其中,$omega_d = omega_n sqrt{1-zeta^2}$为阻尼角频率,$A$和$B$由初始条件确定。

稳态与暂态

- 稳态:

当$t to infty$时,$e^{-frac{R}{2L}t} to 0$,系统达到稳态值$U_{c,infty} = frac{U_r}{1+zeta^2}$。

- 暂态:包含指数衰减项$e^{-frac{R}{2L}t}$,描述系统响应的动态过程。

四、相位特性

当$zeta = 0$时,系统为 纯谐振荡,相位滞后为$-90^circ$;

当$0 < zeta < 1$时,系统为 阻尼振荡,相位滞后为$-arccos(zeta)$;

当$zeta = 1$时,系统为 临界阻尼,无振荡(过冲后平稳)。

五、示例

对于$R=2Omega$,$L=1mu H$的RC电路,自然频率$omega_n = 100pi rad/s$,若$zeta = 0.7$,则阻尼角频率$omega_d = 60pi rad/s$,响应可具体计算为:

$$U_c(t) = e^{-t} left( A cos(60pi t) + B sin(60pi t) right)$$

以上内容综合了二阶系统理论及RC振荡电路的数学模型,涵盖振荡阶段的传递函数、微分方程、通解形式及相位特性。