Bài giảng Lý thuyết mạch điện - Chương 10: Phép biến đổi Laplace
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 1
ÒCHƯƠNG 10
PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACE
Ò DẪN NHẬP
Ò PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACE
♦ Phép biến đổi Laplace
♦ Phép biến đổi Laplace ngược
Ò CÁC ĐỊNH LÝ CƠ BẢN CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACE
Ò ÁP DỤNG VÀO GIẢI MẠCH
Ò CÁC PHƯƠNG PHÁP TRIỂN KHAI HÀM P(S)/Q(S)
♦ Triển khai từng phần
♦ Công thức Heaviside
Ò ĐỊNH LÝ GIÁ TRỊ ĐẦU VÀ GIÁ TRỊ CUỐI
♦ Định lý giá trị đầu
♦ Định lý giá trị cuối
Ò MẠCH ĐIỆN BIẾN ĐỔI
♦ Điện trở
♦ Cuộn dây
♦ Tụ điện
__________________________________________________________________________________________
_____
10.1 DẪN NHẬP
Phép biến đổi Laplace, một công cụ toán học giúp giải các phương trình vi phân, được
sử dụng đầu tiên bởi Oliver Heaviside (1850-1925), một kỹ sư người Anh, để giải các mạch
điện.
So với phương pháp cổ điển, phép biến đổi Laplace có những thuận lợi sau:
* Lời giải đầy đủ, gồm đáp ứng tự nhiên và đáp ứng ép, trong một phép toán.
* Không phải bận tâm xác định các hằng số tích phân. Do các điều kiện đầu đã được đưa vào
phương trình biến đổi, là phương trình đại số, nên trong lời giải đầy đủ đã chứa các hằng số.
Về phương pháp, phép biến đổi Laplace tương tự với một phép biến đổi rất quen
thuộc: phép tính logarit
(H 10.1) cho ta so sánh sơ đồ của phép tính logarit và phép biến đổi Laplace
Lấy logarit
logarit của các
số
Các con số
Nhân chia trực tiếp
Cộng các số
Lấy logarit ngược
Tổng logarit
Kết quả các
phép tính
Pt vi tích
của các số
Pt sau
________________________________________________
Biến đổi
phân
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 2
Biến đổi Laplace
Phép giải cổ điển
Đk đầu Phép tính đại số
Đk đầu
Biến đổi Laplace ngược
lãnh vực thời gian
Lãnh vực tần số
(H 10.1)
Để làm các phép tính nhân, chia, lũy thừa . . . của các con số bằng phép tính logarit ta
thực hiện các bước:
1. Lấy logarit các con số
2. Làm các phép toán cộng, trừ trên logarit của các con số
3. Lấy logarit ngược để có kết quả cuối cùng.
Thoạt nhìn, việc làm có vẻ như phức tạp hơn nhưng thực tế, với những bài toán có
nhiều số mã, ta sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian vì có thể sử dụng các bảng lập sẵn (bảng
logarit) khi biến đổi. Hãy thử tính 1,43560,123789 mà không dùng logarit.
Trong bài toán giải phương trình vi tích phân dùng phép biến đổi Laplace ta cũng thực
hiện các bước tương tự:
1. Tính các biến đổi Laplace của các số hạng trong phương trình. Các điều kiện đầu được đưa
vào
2. Thực hiện các phép toán đại số.
3. Lấy biến đổi Laplace ngược để có kết quả cuối cùng.
Giống như phép tính logarit, ở các bước 1 và 3 nhờ sử dụng các bảng lập sẵn chúng ta
có thể giải quyết các bài toán khá phức tạp một cách dễ dàng và nhanh chóng.
10.2 PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACE
10.2.1 Phép biến đổi Laplace
Hàm f(t) xác định với mọi t>0. Biến đổi Laplace của f(t), được định nghĩa
∞
L
[f(t)] = F(s)= f(t).e−stdt
(10.1)
∫
0
s có thể là số thực hay số phức. Trong mạch điện s=σ+jω
Toán tử
L
thay cho cụm từ 'biến đổi Laplace của"
Điều kiện đủ để f(t) có thể biến đổi được là
∞ f(t) .e−δtdt < ∞
(10.2)
∫
0
δ là số thực, dương.
Điều kiện này hầu như được thỏa đối với những hàm f(t) gặp trong mạch điện. Vì e-δt
là hàm mũ giảm khi t tăng nên khi nhân với |f(t)| ta cũng được kết quả tương tự.
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 3
Thí dụ, với hàm f(t)=tn, dùng qui tắc Hospital, người ta chứng minh được
tne−δt = 0, δ > 0
lim
t→∞
Với n=1, ta có
∞
1
t.e−δtdt = , δ > 0
δ2
∫
0
Với giá trị khác của n, tích phân trên cũng xác định với δ ≠ 0
n
Có những hàm dạng eat không thỏa điều kiện (10.2) nhưng trong thực tế với những
kích thích có dạng như trên thì thường đạt trị bảo hòa sau một khoảng thời gian nào đó.
at2
⎧
⎪
e
,0 ≤ t ≤ t0
t > t0
Thí dụ
v(t)=
⎨
⎪
K
,
⎩
v(t) trong điều kiện này thỏa (10.2)
Ta nói toán tử biến đổi hàm f(t) trong lãnh vực thời gian sang hàm F(s) trong lãnh
L
vực tần số phức. Hai hàm f(t) và F(s) làm thành một cặp biến đổi
Thí dụ 10.1
Tìm biến đổi Laplace của hàm nấc đơn vị
1 ,t ≥ 0
0 ,t < 0
∞
⎧
⎨
⎩
u(t) =
∞
1
1
s
L
[u(t)] = e−stdt = − e−st
=
∫
0
0
s
V
s
Nếu
f(t)=Vu(t) ⇒
L
[Vu(t)] =
Thí dụ 10.2
Tìm biến đổi Laplace của f(t) = e-at, a là hằng số
∞
L
[e-at ] = e−at e−stdt = ∞ e−(a+s)tdt
∫
∫
0
0
∞
1
1
= −
e−(a+s)t
=
0
s+ a
s+ a
Kết quả của 2 thí dụ trên cho một bảng nhỏ gồm 2 cặp biến đổi
f(t)
F(s)
u(t)
1
s
1
e-at
s+ a
Bằng cách tính biến đổi của một số hàm quen thuộc, ta sẽ xây dựng được một bảng
dùng để tra sau này.
10.2.2 Phép biến đổi Laplace ngược
Phép biến đổi Laplace ngược được định nghĩa
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 4
σ1 +j∞
1
st
f(t) =
L
−1F(s)=
F(s)e ds
(10.3)
∫
σ1 −j∞
2πj
Đây là tích phân đường, lấy dọc theo đường thẳng đứng s=σ1, từ -j∞ đến +j∞
jω
+j∞
σ1
σ
-j∞
(H 10.2)
Do tính độc nhất của phép biến đổi Laplace, ta không sử dụng định nghĩa (10.3) để
xác định f(t) mà ta thường dùng kết quả của những cặp biến đổi để xác định f(t) khi đã có F(s)
10.3 CÁC ĐỊNH LÝ CƠ BẢN CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI
LAPLACE
10.3.1 Biến đổi của một tổ hợp tuyến tính
Cho 2 hàm f1(t) và f2(t), với các hằng số a, b. F1(s) và F2(s) lần lượt là biến đổi Laplace
của f1(t) và f2(t). Ta có:
L
[af1(t) + bf2(t)] = a F1(s) + b F2(s)
(10.4)
Thật vậy
∞
L
[af1(t) + bf2(t)] = [af1(t) + bf2(t)]e−stdt
∫
0
∞
∞
= a f1(t)e-stdt + b f2(t)e-stdt
∫
∫
0
0
⇒
L
[af1(t) + bf2(t)] = a F1(s) + b F2(s)
Thí dụ 10.3
Tìm biến đổi Laplace của cosωt và sinωt
Từ công thức Euler
ejωt + e−jωt
ejωt − e−jωt
cosωt =
và sinωt =
2
2j
Ap dụng (10.4) và dùng kết quả ở thí dụ 10.2
ejωt + e−jωt
1
1
1
s
L[cosωt] =
L
[
] = [
+
] =
s2 + ω2
2
2 s− jω s+ jω
s
L
[cosωt] =
s2 + ω2
Tương tự:
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 5
ejωt − e−jωt
1
1
1
ω
L[sinωt] =
L
[
] =
[
−
] =
2j
2j s− jω s+ jω s2 + ω2
ω
L[sinωt] =
s2 + ω2
10.3.2 Biến đổi của e-atf(t)
∞
∞
L
[e-at f(t)] = e−at f(t)e−stdt = f(t)e−(a+s)tdt = F(s+ a)
∫
∫
0
0
L
[e-atf(t)] = F(s+ a)
(10.5)
Khi hàm f(t) nhân với e-at, biến đổi Laplace tương ứng e-at f(t) có được bằng cách thay
F(s) bởi F(s+a)
Thí dụ 10.4
Tìm biến đổi Laplace của e-atcosωt và e-atsinωt
Chỉ cần thay s bởi s+a trong các các kết quả biến đổi của hàm sinωt và cosωt ở trên.
s+ a
L
[e-at cosωt] =
(s+ a)2 + ω2
ω
L
[e-atsinωt] =
(s+ a)2 + ω2
Thí dụ 10.5
6s
Tìm f(t) ứng với
F(s)=
s2 + 2s+ 5
Viết lại F(s) , sao cho xuất hiện dạng F(s+a)
6(s+ 1)- 6
6s
(s+ 1)2 + 22 (s+ 1)2 + 22
Dùng kết quả của thí dụ 10.4 với a = 1 và ω = 2
F(s)=
=
(s+ 1)
(s+ 1)2 + 22
2
F(s)= 6
- 3
(s+ 1)2 + 22
⇒
f(t) =
L
-1[F(s)]=6e-tcos2t - 3e-tsin2t
10.3.3 Biến đổi của f(t-τ)u(t-τ)
f(t-τ) là Lhàm f(t) trễ τ đơn vị thời gian. (Lưu ý là f(t)=0 khi t<0 nên f(t-τ)=0 khi t<τ)
[f(t − τ).u(t − τ)] = f(t − τ).u(t − τ)e-stdt = f(t − τ).e-stdt
∞
∞
∫
∫
0
τ
Đổi biến số: x= t-τ
[f(t − τ).u(t − τ)] = f(x).e-s(τ+x)dx = e-sτ f(x)e-sxdx
∞
∞
L
L
∫
∫
0
τ
[f(t − τ).u(t − τ)] = e-sτF(s)
(10.6)
Hãy so sánh (10.5) và (10.6)
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 6
* Ở (10.5), F(s+a) biểu thị sự chuyển dịch của F(s) từ s đến s+a trong lãnh vực tần số tương
ứng với nhân hàm f(t) với e-at trong lãnh vực thời gian.
* Ở (10.6), f(t-τ) biểu thị sự chuyển dịch của hàm f(t) từ t đến t-τ trong lãnh vực thời gian
tương ứng với nhân F(s) với e-sτ trong lãnh vực tần số.
Thí dụ 10.6
Tìm biến đổi của f(t)=e-3tu(t-2)
Viết lại f(t):
f(t)= e-3(t-2)-6u(t-2) = e-6e-3(t-2) u(t-2)
1
Vì
L
L
L
[e-3tu(t)]=
s+ 3
e-2s
s+ 3
e-2s
Nên
[e-3(t-2)u(t-2)]=
[e-3tu(t-2)]= e-6(
)
s+ 3
10.3.4 Định lý kết hợp (Convolution theorem)
Đây là định lý dùng để tìm biến đổi ngược y(t) của tích 2 hàm F(s)và G(s)
t
y(t)=
L
-1[G(s).F(s)]= g(τ)f(t − τ)dτ
(10.7)
∫
0
Tích phân trong biểu thức được gọi là kết hợp hai hàm g(t) và f(t), ký hiệu:
g(t)*f(t) = t g(τ)f(t − τ)dτ
(10.8)
∫
0
Thí dụ 10.7
Tìm kết hợp 2 hàm e-t và e-2t
Dùng (10.8)
t
e-t * e-2t = e-τ .e−2(t−τ)dτ
∫
0
t
= e− 2t eτdτ
∫
0
e-t * e-2t = e-t - e-2t
Thí dụ 10.8
1
-1
Xác định
L
[
]
(s2 + 1)2
1
Dùng định lý kết hợp với F(s)=G(s)=
Ta được f(t)=g(t)=sint
s2 + 1
1
-1
L
[
]=
L
-1[F(s).G(s)]
(s2 + 1)2
= g(t)*f(t) =sint*sint
t
= sinτ.sin(t − τ)dτ
∫
0
Ap dụng công thức biến đổi lượng giác rồi lấy tích phân, ta được
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 7
1
1
-1
L
[
]= [sint-tcost]
(s2 + 1)2
2
10.3.5 Biến đổi của đạo hàm
Ò Đạo hàm bậc 1
∞
Ldf(t)
=
f(t)e−stdt
d
∫
0
dt
dt
Lấy tích phân từng phần
Đặt
u = e-st
⇒ du = -s e-st
dv=df(t) ⇒ v = f(t)
∞
Ldf(t) =e−stf(t) + s f(t)e−stdt
∞
∫
0
0
dt
Vì
e−stf(t) =0, số hạng thứ nhất ở vế phải = - f(0+)
lim
t→∞
Ldf(t) = sF(s) - f(0+)
(10.9)
dt
f(0+) là giá trị của f(t) khi t → 0+
Ò Đạo hàm bậc 2
df 2(t)
dt 2
df(t) ⎫
L
=
L⎨⎧
d
⎡
⎢
⎤
⎬
⎥
dt dt
⎣
⎦
⎩
⎭
df(t)
dt
df(0+ )
dt
⎤
= sL⎡⎢
−
⎥
⎣
⎦
2
df(0+ )
dt
L df (t) = s2F(s)- sf(0+ ) -
(10.10)
dt 2
df(0+ )
dt
df(t)
dt
Trong đó
là giá trị của
khi t → 0+
Ò Đạo hàm bậc n
Từ kết quả trên, ta suy ra trường hợp đạo hàm bậc n
n
df(0+ )
df n-1(0+ )
dt n-1
L d f(t) = snF(s) - sn-1f(0+) - sn-2
-...-
(10.11)
dt n
dt
10.3.6 Biến đổi của tích phân
∞[ f(t)dt ]e−stdt
t
t
⎡
⎤
L ⎢
∫
f(t)dt = ∫0 ∫0
0
⎥
⎦
⎣
t
Đặt
u= f(t)dt ⇒du = f(t)
∫
0
1
dv=e-stdt ⇒ v= − e−st
s
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 8
e−st
s
1
s
t f(t)dt
+
∞ f(t)e−stdt
0
t
∞
⎡
⎣
⎤
L ⎢ f(t)dt = −
∫
∫
∫
⎥
⎦
0
0
0
Khi
và
t → ∞ e-st → 0
t f(t)dt
= 0 nên số hạng thứ nhất của vế phải triệt tiêu
∫
0
t = 0
t
1
⎡
⎣
⎤
L ⎢ f(t)dt = F(s)
(10.12)
∫
⎥
0
⎦
s
t
Khi áp dụng vào mạch điện, thời gian thường xác định từ - ∞ đến t, như vậy
chia làm 2 phần
f(t)dt có thể
∫
-∞
t
0
t
f(t)dt =
f(t)dt + f(t)dt
∫
∫
∫
-∞
-∞
0
0
Số hạng thứ nhất của vế phải là hằng số và ta đặt f -1(0+)= f(t)dt
∫
-∞
Hệ thức (10.12) có thể viết lại cho trường hợp tổng quát nhất:
F(s) f−1(0+ )
t
⎡
⎣
⎤
L ⎢ f(t)dt =
+
(10.13)
∫
⎥
⎦
-∞
s
s
10.3.7 Biến đổi của tf(t)
Lấy đạo hàm hệ thức (10.1), đồng thời hoán chuyển các toán tử lấy đạo hàm và tích
phân, ta được:
∞
∞
dF(s)
d
=
[
f(t)e−st
]
dt =
- tf(t)e−st
]
dt
∫
∫
0
0
ds
ds
Vế phải của hệ thức chính là
L
[-tf(t)]
dF(s)
Vậy
L
[tf(t)]= −
(10.14)
ds
Thí dụ 10.9
Tìm biến đổi của hàm tu(t) và tcosωt
1
f(t)=u(t) ⇒ F(s)=
s
d 1
1
−
[tu(t)=] =
( )=
L
ds s s2
s
f(t) = cosωt ⇒ F(s)=
s2 + ω2
d
s
s2 − ω2
(s2 + ω2 )2
⎡
⎣
⎤
L
[tcosωt] = −
=
2
2
⎢
⎥
⎦
ds
s + ω
Dựa vào các định lý cơ bản ta có được một số cặp biến đổi. Kết hợp các định lý này
với định nghĩa của phép biến đổi ta có thêm một số cặp biến đổi thông dụng.
Bảng 1 dưới đây cho biến đổi của một số hàm
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 9
10.4 ÁP DỤNG VÀO GIẢI MẠCH
Để áp dụng biến đổi Laplace vào bài toán giải mạch, ta có thể thực hiện theo một
trong hai cách:
- Viết phương trình vi tích phân của mạch điện, dùng biến đổi Laplace ta được các
phương trình đại số.
- Biến đổi mạch sang lãnh vực tần số nhờ biến đổi Laplace, viết các phương trình đại
số cho mạch.
10.4.1 Giải phương trình vi tích phân
Dưới đây là một số thí dụ cho thấy cách áp dụng biến đổi Laplace vào giải mạch.
Thí dụ 10.10
Mạch RC nối tiếp (H 10.3), khóa K đóng ở t=0. Xác định i(t), cho tụ tích điện ban đầu
với điện tích q0
Bảng 1
STT
1
2
f(t)
δ(t)
u(t)
F(s)
1
1
s
3
4
t
1
s2
1
t n−1
, n nguyãn
sn
(n − 1)!
5
6
eat
1
s- a
1
(s- a)2
teat
t n−1
7
8
9
1
eat , n nguyãn
(s- a)n
(n − 1)!
1- eat
- a
s(s- a)
1
1
(s− a)(s− b)
ω
(eat − ebt )
a− b
10
11
12
13
14
15
Sinωt
s2 + ω2
Cosωt
s
s2 + ω2
Sin(ωt+θ)
Cos(ωt+θ)
e-at Sinωt
e-at Cosωt
ssinθ + ωcosθ
s2 + ω2
scosθ − ωsinθ
s2 + ω2
ω
(s+ a)2 + ω2
s+ a
(s+ a)2 + ω2
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 10
16
Sinhωt
Coshωt
ω
s2 − ω2
17
s
s2 − ω2
18
19
20
sF(s)-f(0+)
df(t)
dt
d2f(t)
df(0+ )
s2F(s) - sf(0+) -
dt 2
dt
df n-1(0+ )
dt n-1
dn f(t)
snF(s) - sn-1f(0+) - sn-2 df(0 ) -...-
+
dt n
dt
F(s) f−1(0+ )
t
21
22
f(t)dt
+
∫
−∞
s
s
e-sτF(s)
f(t − τ).u(t − τ)
23
24
af1(t) + bf2(t)
e-at f(t)
tf(t)
a F1(s) + b F2(s)
F(s+ a)
25
dF(s)
−
ds
* Khi sử dụng bảng 1, phải nhân f(t) với u(t), nói cách khác, f(t) thỏa điều kiện là f(t)=0 khi t<0
Phương trình mạch điện
t idt + Ri = Vu(t)
(1)
1
∫
−∞
C
Lấy biến đổi Laplace các số hạng pt (1)
1
L
[
t idt ] +
L
[Ri] =
L
[Vu(t)]
(2)
(3)
∫
−∞
C
(H 10.3)
1 I(s) f−1(0+ )
V
s
[
+
] + RI(s)=
C s
s
Với f-1(0+)= 0 idt = q0
∫
−∞
q0 có dấu (+) ở bản trên của tụ, cùng dấu với điện tích tích bởi nguồn V nên có trị
dương
Pt (3) được viết lại
I(s) q0
+
V
+ RI(s)=
(4)
(5)
Cs Cs
s
1
V − q0/C
⇒
I(s)=
R
s+ 1/RC
Dùng bảng 1 lấy biến đổi Laplace ngược để được i(t)
t
⇒
i(t)=
e−
V − q0/C
RC
R
Dạng sóng của i(t)
(H 10.4)
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 11
Thí dụ 10.11
Mạch RL nối tiếp (H 10.5), khóa K đóng ở t=0. Xác định i(t), cho mạch không tích trữ năng
lượng ban đầu
Phương trình mạch điện
di
Ri + L
= Vu(t)
(1)
dt
Lấy biến đổi Laplace các số hạng pt (1)
V
RI(s)+ L[sI(s) - i(0+ )] =
(2)
s
(H 10.5)
Mạch không tích trữ năng lượng ban đầu nên i(0+)=0
V
1
V
1
⇒
I(s)=
=
R
L
s (sL+ R)
s(s+ )
L
(3)
Dạng của I(s) không có trong bảng 1.
Viết lại I(s) sao cho gồm tổng của các hàm đơn giản
V
L
1
A
s
B
I(s)=
=
+
(4)
R
R
s(s+ )
s+
L
L
A, B là 2 hằng số cần xác định
Qui đồng mẫu số vế 2, cân bằng 2 vế, ta được:
R
R
A(s + ) + Bs A + (A + B)s
L
L
=
R
R
s(s+ )
s(s+ )
L
L
R
V
V
R
A
=
⇒ A=
L
L
V
A+B=0 ⇒ B = - A= −
R
Thay A và B vào (4)
V 1
1
I(s)=
( −
R s
)
R
L
s+
R
L
−
i(t) = (1− e t ) , t ≥ 0
V
⇒
R
10.4.2 Mạch điện biến đổi
Trong chương 6, với khái niệm vectơ pha, ta đã biến đổi mạch điện từ lãnh vực thời
gian sang lãnh vực tần số và viết các phương trình đại số cho mạch.
Tương tự , với phép biến đổi Laplace, ta cũng biến đổi mạch điện từ lãnh vực thời
gian sang lãnh vực tần số phức (s), kể cả các loại nguồn kích thích khác nhau và ta có lời giải
đầy đủ thỏa các điều kiện đầu.
Ò Điện trở
VR=Ri(t) ⇒ VR(s)=RI(s) ⇒ ZR(s)=R và YR(s)=1/R
(10.15)
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 12
(H 10.6)
Ò Cuộn dây
t
di L (t)
dt
1
L
vL(t)=L
Hay iL(t) =
vL (t)dt
∫
−∞
Biến đổi Laplace tương ứng
VL(s)=L[sIL(s)-iL(0+)]
VL (s) Li L (0+)
⇒
IL(s) =
+
(10.16a)
(10.16b)
sL
sL
hay
sLIL(s) = VL(s)+L iL(0+)
Biểu thức (10.16a) cho mạch biến đổi (H 10.7b)
Biểu thức (10.16b) cho mạch biến đổi (H 10.7c)
(a)
(b)
(c)
(H 10.7)
Ò Tụ điện
iC(t)=C
t
dvC (t)
1
hay vC(t)=
iC (t)dt
∫
−∞
dt
C
Biến đổi của vC(t)
1 Ic (s) q(0+)
VC(s)= [
+
]
C
s
s
q(0+)
C
Với vC (0+) =
là điện thế do tụ tích điện ban đầu
vC (0+)
1
VC(s)=
Ic (s) +
(10.17a)
(10.17b)
sC
s
Hay Ic (s) = sCVC (s) - CvC (0+)
vC (0+)
Đặt
V (s) = VC (s) −
1
s
V1(s)
1
Biến đổi tổng trở của tụ là: ZC(s)=
=
IC (s) sC
Biểu thức (10.17a) cho mạch biến đổi của tụ (H 10.8b)
Biểu thức (10.17b) cho mạch biến đổi của tụ (H 10.8c)
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 13
(a)
(b)
(c)
(H 10.8)
Thí dụ 10.12
Xác định i(t) khi t>0 của mạch (H 10.9a). Cho i(0)=4A và v(0)=8V
(a)
(H 10.9)
(b)
Mạch biến đổi cho bởi (H 10.11b)
(2/s + 3)+ 4− 8/s
I(s)=
3+ s+ 2/s
2s+ (4s- 8)(s- 3)
=
(s2 + 3s+ 2)(s+ 3)
4s2 + 6s- 24
(s+ 1)(s+ 2)(s+ 3)
=
Triển khai I(s)
13
20
3
I(s)=−
+
−
s+ 1 s+ 2 s+ 3
Suy ra, khi t>0
i(t)=-13e-t+20e-2t- 3e-3t
A
Thí dụ 10.13
Xác định v(t) của mạch (H 10.10a). Cho i(0)=1A và v(0)=4V
(a)
(b)
(H 10.10)
Viết phương trình nút cho mạch biến đổi (H 10.10b)
V
4
V
1 sV
4
+
+
+
−
= 0
3s s 24 24
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 14
4s− 24
(s+ 2)(s+ 4)
v(t)=-16e-2t+20e-4t
16
20
⇒
V(s)=
= −
+
s+ 2 s+ 4
và
V
10.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRIỂN KHAI HÀM P(s)/Q(s)
Trong phân giải mạch điện bằng phép biến đổi Laplace, kết quả đạt được là một hàm
theo s có dạng P(s)/Q(s) , trong đó P(s) và Q(s) là các đa thức.
Nếu P(s)/Q(s) có dạng trong bảng 1 thì ta có ngay kết quả biến đổi Laplace ngược.
Trong nhiều trường hợp ta phải triển khai P(s)/Q(s) thành tổng các hàm đơn giản hơn và có
trong bảng.
Gọi m và n là bậc của P(s) và Q(s)
Có 2 trường hợp
* m≤n, có thể triển khai ngay P(s)/Q(s)
* m>n, ta phải thực hiện phép chia để được
P(s)
Q(s)
P (s)
=A 0 + A 1s+ .....+ A m−nsm−n
+
(10.18)
1
Q1(s)
P1(s) và Q1(s) có bậc bằng nhau và ta có thể triển khai P1(s)/Q1(s)
10.5.1. Triển khai từng phần
Ò Trường hợp 1
Q(s)=0 có nghiệm thực phân biệt s1 , s2, . . . sn.
P(s)
K1
K 2
K n
=
+
+..... +
(10.19)
(10.20)
Q(s) s- s1 s- s2
s- sn
Ki (i= 1, 2,. . . ., n) là các hằng số xác định bởi:
P(s)
Ki = (s− si )
Q(s)
s=s
i
Thí dụ 10.14
Triển khai hàm I(s)=
s− 1
, xác định i(t)=
L
-1[I(s)]
s2 + 3s+ 2
Phương trình s2+3s+2=0 có 2 nghiệm s1=-2 và s2=-1
K1
K 2
s− 1
s2 + 3s+ 2
P(s)
I(s)=
=
+
s+ 2 s+ 1
K1 = (s+ 2)
= 3
Q(s)
s=-2
P(s)
Q(s)
2
K 2 = (s+ 1)
= -2
s=-1
3
I(s)=
−
s+ 2 s+ 1
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 15
⇒
i(t)= 3e-2t-2e-t
Ò Trường hợp 2
Q(s)=0 có nghiệm đa trùng bậc r
P(s)
P(s)
(s- si )r
K1
K 2
(s- si )2
K r
(s- si )r
=
=
+
+..... +
(10.21)
Q(s)
s- si
Để xác định K1, K2, . . . Kr, ta xét thí dụ sau:
Thí dụ 10.15
P(s)
Q(s)
s+ 2
Triển khai
P(s)
=
(s+ 1)2
K1
K 2
(s+ 1)2
=
+
(1)
(2)
Q(s) s+ 1
Nhân 2 vế phương trình (1) với (s+1)2
s+2=(s+1)K1+K2
Cho s=-1, ta được K2=1
Nếu ta cũng làm như vậy để xác định K1 thì sẽ xuất hiện các lượng vô định
Để xác định K1, lấy đạo hàm theo s phương trình (2)
1+0=K1+0 ⇒ K1=1
Tóm lại
P(s)
1
1
=
+
(s+ 1)2
Q(s) s+ 1
Và i(t) = e-t + te-t
Với Q(s)=0 có nghiệm kép, một hằng số được xác định nhờ đạo hàm bậc 1.
Suy rộng ra, nếu Q(s)=0 có nghiệm đa trùng bậc r, ta cần các đạo hàm từ bậc 1 đến
bậc r-1.
Ò Trường hợp 3
Q(s)=0 có nghiệm phức liên hợp s=α ± jω
P(s)
P(s)
=
(10.22)
(10.23)
Q(s) (s- α - jω)(s- α + jω)
P(s)
K
K *
Q(s) (s- α - jω) (s- α + jω)
Các hằng số K xác định bởi
=
+
P(s)
Q(s)
K = (s− α + jω)
= Ae−jθ
,
s=α−jω
P(s)
Q(s)
Và
K* = (s− α − jω)
= Ae+jθ
(10.24)
s=α+jω
Thí dụ 10.16
P(s)
1
Triển khai I(s)=
=
s2 + 4s+ 5
Q(s)
Q(s)=0 có 2 nghiệm -2 ± j
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 16
P(s)
K
K *
I(s)=
=
+
Q(s) (s+ 2+ j) (s- 2- j)
P(s)
Q(s)
1
1
K = (s+ 2+ j)
= j = ej90°
2
2
s=−2−j
P(s)
Q(s)
1
1
K* = (s+ 2− j)
= −j = e− j90°
2
2
s=−2+j
j1/2
j1/2
I(s)=
−
s+ 2+ j s+ 2- j
ejt − e− jt
1
⇒
i(t)= j [e(−2−j )t − e(−2+j )t ]=e−2t[
]
2
2j
Hay i(t)=e-2tsint A
10.5.2 Công thức Heaviside
Tổng quát hóa các bài toán triển khai hàm I(s)=P(s)/Q(s), Heaviside đưa ra công thức
cho ta xác định ngay hàm i(t), biến đổi ngươc của I(s)
10.5.2.1 Q(s)=0 có n nghiệm phân biệt
P(s)
P(s)est
Q(s)
n
-1
i(t)=
L
-1[I(s)] =
L
[
] = (s − s )
(10.25)
(10.26)
∑
j
Q(s)
j=1
s=sj
Hoặc
n
P(s )
j
st
j
i(t) =
e
∑
j=1 Q'(sj )
Trong đó sj là nghiệm thứ j của Q(s)=0
Thí dụ 10.17
Giải lại thí dụ 10.14 bằng công thức Heaviside
s− 1
I(s)=
, xác định i(t)=
L
-1[I(s)]
s2 + 3s+ 2
Phương trình s2+3s+2=0 có 2 nghiệm s1=-2 và s2=-1
Q(s)= s2+3s+2 ⇒ Q’(s) = 2s+3
Ap dụng công thức (10.26)
n
P(s )
P(−2)
P(−1)
j
st
j
− 2t
− t
i(t) =
e
=
e
+
e
∑
j=1 Q'(sj )
i(t)= 3e-2t-2e-t A
Q'(−2)
Q'(−1)
⇒
10.5.2.2 Q(s)=0 có nghiệm đa trùng bậc r
dr -nR(s )
tn−1
r
P(s)
Q(s)
1
i(t)=L
-1[I(s)] =
L
[
] = es t
(10.27)
j
-1
j
∑
n=1 (r - n)! (n − 1)! dsr -n
s = sj
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 17
sj là nghiệm đa trùng bậc r
P(s)
R(s) =
(s− sj )r
(10.28)
j
Q(s)
Thí dụ 10.18
Giải lại thí dụ 10.15 bằng công thức Heaviside
P(s)
s+ 2
(s+ 1)2
I(s)=
=
Q(s)
Q(s)=0 có nghiệm kép, r=2, sj=-1
Ap dụng công thức (10.27)
s+ 2
Với
R(s) =
(s+ 1)2 = s+ 2
j
(s+ 1)2
1 t0 d(s+ 2) 1 t1
i(t) = e−t[
i(t) = e-t + te-t A
+
(s+ 2)] ; s = −1
1! 0! ds
0!1!
Và
Thí dụ 10.19
Cho mạch điện (H 10.11), tụ C tích điện đến V0=1V và khóa K đóng ở t=0. Xác định
dòng i(t)
t idt = 0
di
dt
Ri + L
+
∫
−∞
Lấy biến đổi Laplace
L[sI(s)-i(0+)]+RI(s)+
1
[I(s)+q(0+)]=0
Cs
Dòng điện qua cuộn dây liên tục nên
i(0+)= i(0-)=0
q(0+): điện tích ban đầu của tụ:
q(0+ )
Vo
1
=
= −
Cs
s
s
(Để ý dấu của điện tích đầu trên tụ ngược chiều
điện tích nạp bởi dòng i(t) khi chạy qua mạch)
Thay giá trị đầu vào, sắp xếp lại
1
1
I(s) =
=
s2 + 2s+ 2 (s+ 1)2 + 1
⇒
i(t)=L
-1[I(s)]=e-tsint.u(t)
Thí dụ 10.20
Cho mạch (H 10.12), khóa K đóng ở t=0 và mạch không tích trữ năng lượng ban đầu.
Xác định i2(t)
Viết pt vòng cho mạch
di1
dt
+ 20i1 − 10i2 = 100u(t) (1)
di2
dt
+ 20i2 − 10i1 = 0
(2)
____________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 18
Lấy biến đổi Laplace, để ý mạch không tích trử năng lượng ban đầu:
100
(s+20)I1(s)-10I2(s)=
(3)
(4)
s
-10 I1(s)+ (s+20)I2(s)=0
Giải hệ (3) và (4)
100
s+ 20
− 10
s
0
1000
s(s2 + 40s+ 300)
I2(s)=
=
s+ 20 − 10
− 10 s+ 20
Triển khai I2(s)
3,33
s
5
1,67
I2(s)=
+
+
s+ 10 s+ 30
⇒ i2(t)= 3,33-5e-10t+1,67e-30t
10.6 ĐỊNH LÝ GIÁ TRỊ ĐẦU VÀ GIÁ TRỊ CUỐI
10.6.1 Định lý giá trị đầu
Từ phép biến đổi của đạo hàm: Ldf(t) = sF(s)-f(0+)
dt
Lấy giới hạn khi s→ ∞
Ldf(t) ] =
[sF(s)-f(0+)]
lim
lim
[
dt
s→∞
s→∞
∞
df(t)
dt
e−stdt
=0
lim
lim
mà
[
Ldf(t) ]=
∫
0
dt
s→∞
s→∞
lim
Vậy
[sF(s)-f(0+)]=0
s→∞
f(0+) là hằng số nên
f(0+)=
lim
sF(s)
(10.29)
s→∞
(10.29) chính là nội dung của định lý giá trị đầu
Lấy trường hợp thí dụ 10.10, ta có:
V − q0/C
1
I(s)=
R
s+ 1/RC
V − q0/C
lim
i(0+)=
sI(s)=
R
s→∞
10.6.2 Định lý giá trị cuối
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 19
Từ phép biến đổi đạo hàm: Ldf(t) = sF(s)-f(0+)
dt
Lấy giới hạn khi s→ 0
∞
df(t)
e−stdt
lim
lim
lim
=
[
Ldf(t) ] =
[sF(s)-f(0+)]
∫
0
dt
dt
s→0
s→0
s→0
∞
df(t)
e−stdt
∞ df(t) = f(∞) -f(0+)
=
0
lim
lim
mà
=
∫
∫
0
dt
s→0
s→0
lim
Vậy f(∞)-f(0+)=
[sF(s)-f(0+)]
s→0
lim
Hay f(∞)=
sF(s)
(10.30)
s→0
(10.30) chính là nội dung của định lý giá trị cuối, cho phép xác định giá trị hàm f(t) ở
trạng thái thường trực.
Tuy nhiên, (10.30) chỉ xác định được khi nghiệm của mẫu số của sF(s) có phần thực
lim
âm, nếu không f(∞)=
f(t) không hiện hữu.
t→∞
Thí dụ, với f(t)=sint thì sin∞ không có giá trị xác định (tương tự cho e∞ ). Vì vậy (10.30)
không áp dụng được cho trường hợp kích kích là hàm sin.
Lấy lại thí dụ 10.13, xác định dòng điện trong mạch ở trạng thái thường trực
V 1
I(s)= ( −
R s s+ R/L
1
)
V
s
V
R
lim
i(∞)=
sI(s)= (1−
) =
R
s+ R/L
s→0
V
R
i(∞)=
BÀI TẬP
ÒÒÒ
10.1 Mạch (H P10.1). Khóa K đóng ở t=0 và mạch không tích trữ năng lượng ban đầu. Xác
định i(t) khi t> 0
10.2 Mạch (H P10.2). Xác định v(t) khi t> 0. Cho v(0)=10V
(H P10.1)
(H P10.2)
10.3 Mạch (H P10.3). Xác định vo(t)
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
_________________________________________Chương 10 Phép biến đổi
Laplace - 20
4V, t < 0
4e−t , t > 0
⎧
⎨
⎩
Cho vi(t) =
10.4 Mạch (H P10.4). Xác định vo(t). Cho vo(0)=4V và i(0)=3A
(H P10.3)
(H P10.4)
10.5 Mạch (H P10.5). Xác định io(t).
10.6 Mạch (H P10.6). Dùng định lý kết hợp xác định vo(t).
(H P10.5)
(H P10.6)
10.7 Mạch (H P10.7) đạt trạng thái thường trực ở t=0- với khóa K ở vị trí 1. Chuyển K sang vị
trí 2, thời điểm t=0. Xác định i khi t>0
(H P10.7)
10.8 Mạch (H P10.8) đạt trạng thái thường trực ở t=0. Xác định v khi t>0
(H P10.8)
10.9 Mạch (H P10.9) đạt trạng thái thường trực ở t=0- Xác định i khi t>0
___________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập
MẠCH
LÝ THUYẾT
Tải về để xem bản đầy đủ
21 trang
24860
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Lý thuyết mạch điện - Chương 10: Phép biến đổi Laplace", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ly_thuyet_mach_dien_chuong_10_phep_bien_doi_laplac.pdf
