background image

Zadanie 4 

Wyznacz opis stanowy obwodu przedstawionego na rys.4.1. 
 
 
 

L

 

i

L

 

i

R

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.4.1 

 

Rozwiązanie 

Opis stanowy układu liniowego ma postać: 
 
 
 

(4.1) 

gdzie: 
 

 

 

(4.2) 

jest macierzą stanu, 
 
 

(4.3) 

jest wektorem stanu, jego składowe 

n

,

i

x

i

K

1

;

=

 to zmienne stanu, n jest rzędem obwodu a 

 

(4.4) 

to wektor źródłowy. Wektor 
 
 

(4.5) 

jest wektorem pochodnych zmiennych stanu. Zależność (4.1) przedstawia n równań 
następującej postaci : 

 

( )

( )

( )

t

b

x

a

x

a

x

a

t

x

t

b

x

a

x

a

x

a

t

x

t

b

x

a

x

a

x

a

t

x

n

n

nn

n

n

n

n

n

n

n

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

K

M

K

K

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

2

1

1

2

12

1

11

1

d

d

d

d

d

d

 (4.6) 

 
Cechą charakterystyczną równań (4.6) jest to, że po lewej stronie każdego równania 
występuje pochodna zmiennej stanu, w każdym równaniu innej, po prawej stronie mogą 

C

 

e

 

u

C

 

i

C

 

R

2

 

R

1

 

( )

t

t

b

Ax

x

+

=

d

d

[ ]

n

n

ij

a

×

=

A

[

]

T

1

n

x

K

=

x

( )

( )

[

]

T

1

t

b

t

b

n

K

=

b

T

1

d

d

d

d

d

d





=

t

x

t

x

t

n

K

x

 

2

background image

występować wszystkie zmienne stanu z odpowiednimi współczynnikami oraz elementy 
wektora źródłowego. 
Obwód z rys.4.1 jest układem drugiego rzędu. Jako zmienne stanu przyjęte zostają: napięcie 
na kondensatorze 

( )

t

C

u

 oraz prąd płynący przez cewkę 

( )

t

i

L

. W przypadku prostych 

obwodów, takich jak przedstawiony na rys.4.1, równania stanu można sformułować 
posługując się prawami Kirchhoffa oraz zależnościami elementarnymi.  
Prądowe prawo Kirchoffa dla każdego z dwóch węzłów obwodu ma postać: 

0

=

+

+

L

C

R

i

i

i

Wielkość 

( )

t

i

L

 jest zmienną stanu, 

( )

t

C

i

 - pochodną zmiennej stanu. Z równania należy 

zatem wyeliminować tylko prąd 

( )

t

i

R

 zastępując go wyrażeniem zależnym wyłącznie od 

zmiennych stanu oraz ewentualnie prądu 

( )

t

i

C

. Podstawiając: 

2

R

u

i

C

R

=

 

otrzymuje się zależność, która nie zawiera żadnych wielkości obwodowych poza zmiennymi 
stanu oraz pochodną jednej z nich. Jest to zatem równanie stanu w nieuporządkowanej jeszcze 
formie. 
 
 

0

d

d

0

2

=

+

+

=

+

+

L

C

C

L

C

R

i

t

u

C

R

u

i

i

i

 
 
Wynikiem uporządkowania ostatniego równania zgodnie z formatem zależności (4.6) jest 
pierwsze z równań stanu: 
 
 

C

i

CR

u

t

u

L

C

C

=

2

d

d

 
 
W celu wyznaczenia drugiego równania stanu sformułowane zostaje napięciowe prawo 
Kirchhoffa dla prawego oczka obwodu z rys.4.1. 
 
 

0

d

d

1

=

R

i

e

t

i

L

u

L

L

C

 
 
Jest to równanie stanu, które wymaga uporządkowania zgodnie z zależnością (4.6). 
 
 

L

e

i

L

R

L

u

t

i

L

C

L

=

1

d

d

 
 
Poszukiwany opis stanowy to: 
 

L

e

i

L

R

L

u

t

i

C

i

CR

u

t

u

L

C

L

L

C

C

=

=

1

2

d

d

d

d

 
 
 
 
 
 
lub w postaci macierzowej: 

 

3

background image

 
 
 
 
 
 

 
 
Zadanie 5 

rzedstawiony jest obwód dynamiczny zawierający cewki i kondensatory. 

Rozwiązanie 

jest najmniejszą liczbą warunków początkowych niezbędnych do 

 

Rys.5.1 

Dla obwodów zawierających niezależne źr

ęciowe i prądowe oraz elementy R, L i C 

 

(5.1) 

dzie: n jest rzędem obwodu, n

L

ie, n

C

 – liczbą kondensatoró

ierwszym przybliżeniem rzędu 

Na rys.5.1 p
Wyznacz rząd tego obwodu. 

Rząd obwodu 
jednoznacznego określenia stanu obwodu w dowolnej chwili.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ódła napi

(bez źródeł sterowanych) rząd obwodu jest równy liczbie cewek i kondensatorów obecnych w 
obwodzie pomniejszonej o liczbę pętli CE (pętli zawierających wyłącznie kondensatory oraz 
idealne źródła napięciowe) oraz liczbę przekrojów LJ (przekrojów zawierających wyłącznie 
gałęzie z cewkami oraz idealnymi źródłami prądowymi).  

g

w w 

 – liczbą cewek w obwodz

CE

LJ

C

L



+

=

L

e

i

u

L

R

L

C

CR

t

i

t

L

C

L

C

0

1

d

d

d

1

2

 u

1

1

d

n

n

n

n

n

L

7

 

+

=

u

j

9

 

C

i

7

 

L

5

 

3

 

e

8

 

R

2

 

C

4

 

L

6

 

u

3

 

i

i

6

 

5

 

4

 

R

1

 

obwodzie, n

LJ

 – liczbą przekrojów LJ a n

CE

 – liczbą pętli CE. 

Przedstawiony obwód zawiera 2 kondensatory oraz 3 cewki. P
obwodu jest liczba 5 (suma cewek i kondensatorów. Rząd obwodu ulega jednak obniżeniu o 
liczbę pętli CE oraz liczbę przekrojów LJ. Na rys.5.2 przedstawione zostały znalezione pętle 
CE oraz przekroje LJ. 
 
 

 

4

background image

 

 

u

j

C

e

L

R

R

C

L

L

u

i

i

i

1

 

7

 

 
 
 

6

 

7

 

 
 

6

 

9

 

8

 

 
 
 
 

3

 

4

 

3

 

 

2

 

 

5

 

4

 

5

 

 
 
 
 

 

Rys.5.2. Znalezione w obwodzie pętle CE oraz przekroje LJ. 

W obwodzie jest jedna pętla CE, oznaczona kolorem czerwonym na rys.5.2 oraz jeden 

oraz dla przekroju LJ – prą

Pierwsze równanie pozwala na wyznaczen

ęć na kondensatorach u

3

 lub u

4

 

adanie 6 

rzedstawiony jest obwód dynamiczny zawierający cewki i kondensatory. 

 

przekrój LJ oznaczony na niebiesko na rys.5.2. Można sformułować zatem dwa równania. Dla 
pętli CE – napięciowe prawo Kirchhoffa: 

dowe prawo Kirchhoffa 

4

8

3

0

ie jednego z napi

7

6

9

5

=

+

u

e

u

0

=

+

+

+

i

i

j

i

jeżeli znamy wartość drugiego. Jeden z warunków początkowych dla napięć na 
kondensatorach staje się zbyteczny a rząd obwodu obniża się o 1. Drugie równanie pozwala 
na obliczenie jednego z prądów cewek: i

5, 

i

6

 lub i

7

 gdy znamy wartości dwóch pozostałych. 

Jeden z warunków początkowych dla prądów staje się niepotrzebny a rząd obwodu ulega 
obniżeniu o 1. Rząd obwodu wynosi zatem 3.  
 
 

Z

Na rys.6.1 p
Wyznacz opis stanowy tego obwodu. Jako zmienne stanu przyjmij prąd cewki 

L

i

 oraz 

napięcia na kondensatorach: 

1

C

 i 

2

C

u

 
 
 
 
 

 

5

background image

 

Rys.6.1 

Rozwiązanie 

problemu zostanie zastosowana następująca koncepcja wyznaczania opisu 

a o wartościach napięć  źródłowych 

2. 

 sposób obwodu rezystancyjnego względem prądów 

3. 

ależności: 

 

(6.1) 

4.  podzielenie równań przez C lub odpowiednio L, co kończy formułowanie równań 

Realizacja punktu 1 polega na zastąpieniu kondensatorów C

1

 oraz C

2

 idealnymi źródłami 

 

j

C

C

L

u

i

R

R

R

R

R

Do rozwiązania 
stanowego. Kolejność postępowania jest następująca:  

1.  zastąpienie kondensatorów źródłami napięci

równych napięciom na kondensatorach (są to zmienne stanu) oraz zastąpieniu cewek 
źródłami prądu o wartościach prądów  źródłowych równych prądom płynącym przez 
cewki (są to też zmienne stanu) 
rozwiązanie otrzymanego w ten
kondensatorów oraz napięć na cewkach 
wprowadzenie do otrzymanych równań z

 
 
 

stanu 

napięciowymi o napięciach  źródłowych: 

1

C

 i 

2

C

u

 oraz zastąpieniu cewki L idealnym 

źródłem prądowym o prądzie  źródłowym 

L

i

.

rowadzi to do otrzymania obwodu 

rezystancyjnego przedstawionego na rys.6.2. 
Otrzymany obwód zostanie rozwiązany wzglę

 P

dem prądów płynących przez źródła napięciowe 

zastępujące kondensatory: 

1

C

 oraz 

2

C

 i napięcia panującego na zaciskach źródła prądowego 

zastępującego cewkę 

L

u

Zastos

ana będzie metoda superpozycji. Wyniki analiz 

poszczególnych obwodów, w których obecne są kolejno różne  źródła będą oznaczane 
górnymi indeksami. 
 

ow

 

u

t

L

u

t

C

i

L

L

C

C

d

d

=

=

i

u

d

d

1

 

2

 

3

 

L

 

 

1

 

C1

 

2

 

C2

 

 

4

 

5

 

 

6

background image

i

u

j

u

i

R

R

R

R

R

i

u

 

C1

 

C1

 

 
 

C2

 

 
 

2

 

 

C2

 

 

 
 

1

 

4

 

 

L

 

L

 

 

5

 

 

3

 

 
 
 
 
 
 

Rys.6.2. Obwód rezystancyjny otrzymany po wprowadzeniu źródeł 

 

ierwszym analizowanym obwodem będzie przedstawiony na rys.6.3. Powstał on przez 

z rys.6.3 prąd płynie tylko przez opornik R

1

. Jest to prąd źródłowy j. Prądy w 

 

 (6.2) 

Płynący przez opornik R

1

 prąd źródła powoduje powstanie napięcia, które jest równe napięciu 

 

 (6.3) 

zastępujących kondensatory oraz cewkę 

P
usunięcie źródeł zastępujących kondensatory i cewkę oraz pozostawienie w obwodzie jedynie 
źródła prądowego  j. Usunięcie z obwodu źródeł napięciowych związane jest ze zwarciem 
zacisków tych źródeł, usunięcie  źródła prądowego wymaga pozostawienia jego zacisków 
rozwartych.  
W obwodzie 
obu gałęziach, w których znajdowały się kondensatory są równe 0.  

1

1

)

(

)

(

0

0

2

1

=

=

C

C

i

i

na zaciskach usuniętego źródła prądowego. Jego wartość wynika z prawa Ohma. 

1)

(

1

R

j

u

L

=

 

7

background image

i

C2

(1)

 

u

L

(1)

 

j

 

R

2

 

R

1

 

i

C1

(1)

 

R

3

 

R

4

 

R

5

 

Rys.6.3. Pierwszy z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

W drugim z analizowanych obwodów pozostawione zostanie źródło napięciowe 

. Inne 

źródła zostają usunięte. Otrzymany w ten sposób obwód przedstawiony jest na rys.6.4. 

1

C

u

u

C1

 

i

C1

(2)

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

u

L

(2)

 

i

C2

(2)

 

R

5

 

Rys.6.4. Drugi z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

W obwodzie z rys.6.4 źródło 

 wywołuje przepływ prądu przez opornik R

1

C

u

2

. Jego wartość 

wynika z prawa Ohma. 

 

2

1

2

1

R

u

i

C

)

(

C

=

 (6.4) 

Drugi z prądów w gałęziach z kondensatorami to 

 

0  (6.5) 

2

2

=

)

(

C

i

Ponieważ przez rezystory R

1

 oraz R

4

 nie płynie prąd, napięcia na ich zaciskach są równe 0. 

Napięcie na rozwartych zaciskach źródła prądowego 

L

i

 jest równe napięciu  źródłowemu 

1

C

u

 

8

background image

 

 (6.6) 

1

2

C

)

(

L

u

u

=

u

C2

 

i

C1

(3

)

 

 
 

i

C2

(3)

 

 

R

2

 

 
 

R

4

 

R

 

 

R

5

 

R

3

 

 
 

u

L

(3)

 

 
 

Rys.6.5. Trzeci z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

Trzeci z analizowanych obwodów zawierający jedynie źródło 

 przedstawiony jest na 

rys.6.5. W obwodzie z rys.6.5 źródło 

 wywołuje przepływ prądu przez oporniki R

2

C

u

2

C

u

4

 oraz 

R

5

. Jego wartość wynika z prawa Ohma. 

 

5

4

2

3

2

R

R

u

i

C

)

(

C

+

=

 (6.7) 

Drugi z prądów w gałęziach z kondensatorami to 

 

0  (6.8) 

3

1

=

)

(

C

i

Ponieważ przez rezystory R

1

R

2

 oraz R

3

 nie płynie prąd, napięcia na ich zaciskach są równe 0. 

Napięcie na rozwartych zaciskach źródła prądowego 

L

i

 jest równe napięciu panującemu na 

zaciskach rezystora R

4

. Wynosi ono: 

 

5

4

4

2

4

3

2

3

R

R

R

u

R

i

u

C

)

(

C

)

(

L

+

=

=

 (6.9) 

Ostatni z analizowanych obwodów zawierający jedynie źródło prądowe 

L

i

 przedstawiony 

jest na rys.6.6. Prąd  źródła 

L

i

  płynie przez rezystor R

3

, połączony szeregowo ze źródłem, 

następnie przez równoległe połączenie oporników R

4

 oraz R

5

, przez bezoporową zworę 

łączącą zaciski rezystora R

2

 i przez opornik R

1

. Prądy w gałęziach, w których były 

umieszczone kondensatory wynoszą: 

 

 (6.10) 

L

)

(

C

i

i

=

4

1

i na podstawie zależności obowiązującej dla dzielnika prądowego: 

 

5

4

4

4

2

R

R

R

i

i

L

)

(

C

+

=

 (6.11) 

 

9

background image

 

i

L

 

i

C1

(4)

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

u

L

(4)

 

i

C2

(4)

 

R

5

 

Rys.6.6. Czwarty z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

 

Napięcie na źródle prądowym 

L

i

 wynosi zgodnie z napięciowym prawem Kirchhoffa: 

 





+

+

+

=

1

5

4

5

4

3

4

R

R

R

R

R

R

i

u

L

)

(

L

 (6.12) 

Podsumowanie otrzymanych wyników analizy czterech układów dla trzech poszukiwanych 
wielkości, przedstawionych przez zależności (6.2) ÷ (6.12) prowadzi do następujących 
wzorów: 





+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

=

+

+

+

=

1

5

4

5

4

3

5

4

4

2

1

1

4

3

2

1

5

4

4

5

4

2

4

2

3

2

2

2

1

2

2

2

1

4

1

3

1

2

1

1

1

1

0

0

0

0

R

R

R

R

R

R

i

R

R

R

u

u

R

j

u

u

u

u

u

R

R

R

i

R

R

u

i

i

i

i

i

i

R

u

i

i

i

i

i

L

C

C

)

(

L

)

(

L

)

(

L

)

(

L

L

L

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

C

L

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

C

 (6.13) 

Uwzględnienie zależności (6.1) prowadzi do równań stanu: 

 

(

)

(

)

(

)

L

R

R

R

R

R

R

i

L

R

R

R

u

L

u

L

R

j

t

i

C

R

R

R

i

C

R

R

u

t

u

C

i

R

C

u

t

u

L

C

C

L

L

C

C

L

C

C

1

1

d

d

d

d

1

d

d

1

5

4

5

4

3

5

4

4

2

1

1

2

5

4

4

2

5

4

2

2

1

2

1

1

1





+

+

+

+

+

+

=

+

+

=

=

 (6.14) 

 
Postać macierzowa tych równań to: 

 

10

background image

(

)

(

)

(

)

+





+

+

+

+

+

+

=

L

R

j

i

u

u

L

R

R

R

R

R

R

L

R

R

R

L

C

R

R

R

C

R

R

C

R

C

t

i

t

u

t

u

L

C

C

L

C

C

1

2

1

1

5

4

5

4

3

5

4

4

2

5

4

4

2

5

4

1

2

1

2

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

d

d

d

d

d

d

 (6.15) 

 
 

 

11