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文檔簡介
第3章動態(tài)電路分析3.1動態(tài)元件3.2電路變量初始值的計算3.3一階電路的零輸入響應(yīng)3.4一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)3.5一階電路的完全響應(yīng)3.1動態(tài)元件3.1.1電容元件電容元件是電能存儲器件的理想化模型。電容器是最常用的電能存儲器件。在兩片金屬極板中間填充電介質(zhì),就構(gòu)成一個簡單的實際電容器,如圖3.1所示。
圖3.1電容器
應(yīng)用庫伏關(guān)系(即電荷量與其端電壓之間的關(guān)系)表征電容器的外特性,經(jīng)模型化處理,可以建立起電容元件的模型。電容元件的定義是:一個二端元件,如果在任意時刻,其庫伏關(guān)系能用q-u平面上的曲線確定,就稱其為電容元件(簡稱電容)。若曲線為通過原點的一條直線,且不隨時間變化,如圖3.2(b)所示,則稱為線性非時變電容。本書只討論線性非時變電容元件,它的電路符號如圖3.2(a)所示。圖3.2線性非時變電容元件
在電容上電壓、電荷的參考極性一致時,由圖3.2(b)可知,電荷量q與其端電壓u的關(guān)系為
q(t)=Cu(t)(3―1)
式中C稱為電容元件的電容量,單位為法(F),
1法=106微法(μF)=1012皮法(pF)。符號C既表示電容元件,也表示元件的參數(shù)。在電路分析中,一般關(guān)心的是電容元件的伏安關(guān)系和儲能關(guān)系。若設(shè)電容端電壓與通過的電流采用關(guān)聯(lián)參考方向,則有(3―2)
對上式從-∞到t進行積分,并設(shè)u(-∞)=0,可得(3―3)
式(3―2)和(3―3)分別稱為電容元件伏安關(guān)系的微分形式和積分形式。設(shè)t0為初始時刻。如果從t=t0時開始觀察電壓,式(3―3)可改寫為(3―4)
稱為電容元件的初始電壓。由下面討論可知,u(t0)反映了電容在初始時刻的儲能狀況,故也稱為初始狀態(tài)。在電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)的條件下,電容元件的吸收功率為式中(3―5)(3―6)
對上式從-∞到t進行積分,可得t時刻電容上的儲能為計算過程中認(rèn)為u(-∞)=0。
綜上所述,關(guān)于電容元件有下面幾個主要結(jié)論:
(1)伏安關(guān)系的微分形式表明:任何時刻,通過電容元件的電流與該時刻電壓的變化率成正比。如果端電壓為直流電壓,則電流i=0,電容相當(dāng)于開路。因此電容有隔直流的作用。如果電容電流i為有限值,則du/dt也為有限值,這意味著此時電容端電壓是時間t的連續(xù)函數(shù),它是不會躍變的。(2)伏安關(guān)系的積分形式表明:任意時刻t的電容電壓與該時刻以前電流的“全部歷史”有關(guān)?;蛘哒f,電容電壓“記憶”了電流的作用效果,故稱電容為記憶元件。與此不同,電阻元件任意時刻t的電壓值僅取決于該時刻的電流的大小,而與它的歷史情況無關(guān),因此電阻為無記憶元件。
(3)由式(3―7)可知,任意時刻t,恒有wC(t)≥0,故電容元件是儲能元件。
例1圖3.3(a)所示電容元件,已知電容量C=0.5F,其電流波形如圖3.3(b)所示。求電容電壓u和儲能,并畫出它們的波形。圖3.3例1用圖圖3.3例1用圖
解由圖3.3(b)所示的電流波形,可寫出根據(jù)式(3―3),電容伏安關(guān)系的積分形式為
其波形如圖3.3(C)所示。由式(3―7),電容元件儲能為其波形如圖3.3(d)所示。3.1.2電感元件電感元件是存儲磁場能器件的理想化模型。我們知道,用導(dǎo)線繞制的電感線圈,如圖3.4所示,通以電流i后會產(chǎn)生磁通φ,在其周圍空間建立磁場,磁場中存儲有磁場能。設(shè)電感線圈有N匝,磁通φ與線圈的每一匝均全部交鏈,則稱ψ=Nφ為磁鏈,單位為韋伯(Wb)。應(yīng)用韋安關(guān)系(即線圈磁鏈與其電流之間的關(guān)系)表征電感線圈的外特性,經(jīng)模型化處理,得到電感元件模型。
電感元件的定義為:一個二端元件,如果在任意時刻,其韋安關(guān)系能用ψ-i平面上的曲線確定,就稱其為電感元件。若曲線是通過原點的一條直線,且不隨時間變化,如圖3.5(b)所示,則稱為線性非時變電感。本書只討論線性非時變電感元件,其電路符號如圖3.5(a)所示。
圖3.4電感線圈圖3.5線性非時變電感元件
設(shè)磁通φ與電流i的參考方向滿足右手螺旋定則,由圖3.5(b)可知,磁鏈與電流的關(guān)系為
ψ(t)=Li(t)(3―8)
式中L為電感元件的電感量,單位為享(H)。電感元件簡稱電感,電路符號如圖3.5(a)所示。符號L既表示電感元件,也表示元件參數(shù)電感量。
變化的電流會產(chǎn)生變化的磁鏈,變化的磁鏈將在電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。習(xí)慣上,規(guī)定電動勢的實際方向由“-”極指向“+”極,這與電動勢在電路中的物理作用相一致,即在電動勢作用下,將正電荷從低電位點移至高電位點。設(shè)電感元件的電流i、電壓u與感應(yīng)電動勢e的參考方向一致,且電流i與磁鏈的參考方向符合右手螺旋定則,如圖3.4(a)所示,則根據(jù)電磁感應(yīng)定律,其感應(yīng)電動勢為(3―9)
而感應(yīng)電壓(3―10)
該式稱為電感元件伏安關(guān)系的微分形式。對式(3―10)取積分,并設(shè)i(-∞)=0,可得電感元件伏安關(guān)系的積分形式(3―11)設(shè)t0為初始觀察時刻,可將式(3-11)改寫為(3―12)
稱為電感元件的初始電流,或稱為初始狀態(tài),因為由下面討論可知,它反映了電感在t0時刻的儲能狀況。在電感上電壓、電流采用關(guān)聯(lián)參考方向時,電感元件的吸收功率為式中(3―13)(3―14)
對上式從-∞到t進行積分,并認(rèn)為i(-∞)=0,求得電感元件的儲能為(3―15)
關(guān)于電感元件,我們有以下幾個主要結(jié)論:
(1)由伏安關(guān)系的微分形式可知:任何時刻,電感元件的端電壓與該時刻電流的變化率成正比。
(2)由伏安關(guān)系的積分形式可知:任意時刻t的電感電流與該時刻以前電壓的“全部歷史”有關(guān),所以,電感電流具有“記憶”電壓的作用,它是一種記憶元件。
(3)式(3―15)表明,電感元件也是儲能元件,將從外部電路吸收的能量,以磁場能形式儲存于元件的磁場中。3.1.3電容、電感的串聯(lián)和并聯(lián)圖3.6(a)是電路C1與C2相串聯(lián)的電路,兩電容的端電流為同一電流i。根據(jù)電容元件VAR的積分形式,有(3―16)由KVL,得端口電壓(3―17)圖3.6電容串聯(lián)
式中或?qū)憺?3―18)
上式中C為電容C1與C2相串聯(lián)時的等效電容。由式(3―17)畫出其等效電路如圖3.6(b)所示。同理可得,若有n個電容Ck(k=1,2,…,n)相串聯(lián),其等效電容為(3―19)
由式(3―17)可得
將該關(guān)系代入式(3―16)得兩電容電壓與端口電壓的關(guān)系為(3―20)
電容C1與C2相并聯(lián)的電路如圖3.7(a)所示,兩電容的端電壓為同一電壓u。根據(jù)電容VAR的微分形式,有(3―21)由KCL,得端口電流為(3―22)式中圖3.7電容并聯(lián)
稱為電容C1與C2并聯(lián)時的等效電容。由式(3―22)畫出相應(yīng)的等效電路如圖3.7(b)所示。同理,若有n個電容Ck(k=1,2,…,n)相并聯(lián),可推導(dǎo)其等效電容為(3―23)
由式(3―22)可知將上式代入式(3―21),得兩電容電流與端口電流的關(guān)系為(3―24)
圖3.8(a)是電感L1與L2相串聯(lián)的電路,流過兩電感的電流是同一電流i。根據(jù)電感VAR的微分形式和KVL,有(3―25)
稱為電感L1與L2串聯(lián)時的等效電感。由式(3―26)畫出相應(yīng)的等效電路如圖3.8(b)所示。同理,若有n個電感Lk(k=1,2,…,n)相串聯(lián),可推導(dǎo)其等效電感為(3―26)式中(3―27)由式(3―26)可知圖3.8電感串聯(lián)
將該關(guān)系代入式(3―25),求將兩電感上電壓與端口電壓間的關(guān)系為(3―28)即串聯(lián)電感上電壓的大小與其電感值成正比。
圖3.9(a)是電感L1與L2相并聯(lián)的電路,兩電感上具有同一電壓u。根據(jù)電感元件VAR的積分形式和KCL,有(3―29)(3―30)式中
稱為電感L1和L2相并聯(lián)的等效電感。由式(3―30)畫出其等效電路如圖3.9(b)所示。同理可得,若有n個電感Lk(k=1,2,…,n)相并聯(lián),其等效電感為或?qū)懗?3―31)(3―32)
由式(3―30),得圖3.9
將上述關(guān)系代入式(3―29),得兩電感中的電流與端口電流的關(guān)系為(3―33)3.2電路變量初始值的計算3.2.1換路定律動態(tài)電路在一定條件下工作于相應(yīng)的一種狀態(tài)。如果條件改變,例如電源的接入或斷開、開關(guān)的開啟或閉合、元件參數(shù)的改變等,電路會由原來狀態(tài)過渡到一種新的穩(wěn)定狀態(tài)(簡稱穩(wěn)態(tài))。這種狀態(tài)變化過程稱為過渡過程或暫態(tài)過程,簡稱暫態(tài)。引起過渡過程的電路結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)的突然變化,統(tǒng)稱為換路。
設(shè)t=0時電路發(fā)生換路,并把換路前一瞬間記為0-,換路后一瞬間記為0+。根據(jù)電容、電感元件的伏安關(guān)系,t=0+時的電容電壓uC和電感電流iL可分別表示為
如果在無窮小區(qū)間0-<t<0+內(nèi),電容電流iC和電感電壓uL為有限值,那么上式中的積分項結(jié)果為零,從而有uC(0+)=uC(0-)iL(0+)=iL(0-)
此結(jié)論稱為換路定律。它表明換路瞬間,若電容電流iC和電感電壓uL為有限值,則電容電壓uC和電感電流iL在該處連續(xù),不會發(fā)生躍變。(3―35)3.2.2變量初始值的計算如果電路在t=0時發(fā)生換路,根據(jù)換路定律,在換路瞬間uC和iL不發(fā)生躍變,其初始值uC(0+)和iL(0+)分別由uC(0-)和iL(0-)確定。但是,換路時其余電流、電壓,如iC、uL、iR、uR則可能發(fā)生躍變。這些變量的初始值可以通過計算0+等效電路求得。電路變量初始值的具體計算方法是:
(1)計算uC(0-)和iL(0-),并由換路定律確定uC、iL的初始值為
uC(0+)=uC(0-),iL(0+)=iL(0-)(2)畫出0+等效電路用電壓為uC(0+)的電壓源代替電容元件,用電流為iL(0+)的電流源代替電感元件,獨立電源取t=0+時的值,這樣得到的直流電阻電路,稱為0+等效電路。
(3)求解0+等效電路,確定其余電流、電壓的初始值。
例2電路如圖3.10(a)所示。已知t<0時,電路已處穩(wěn)態(tài)。在t=0時,開關(guān)S開啟,求初始值i1(0+)、iC(0+)和u2(0+)。解(1)計算電容電壓uC(0-)。由于開關(guān)開啟前電路已處于穩(wěn)態(tài),uC不再變化,故
,電容可視為開路,其電路如圖3.10(b)所示,由該圖可得圖3.10例2電路
根據(jù)換路定律有(2)畫出0+等效電路。用電壓等于uC(0+)=6V的電壓源代替電容元件,畫出0+等效電路如圖3.10(C)所示。
(3)計算初始值。由0+等效電路,可得
容易驗證,電流i1、iC和電壓u2在換路瞬間都發(fā)生了躍變。
例3如圖3.11(a)所示電路,t<0時,開關(guān)S處在位置1,電路已達穩(wěn)態(tài)。在t=0時,開關(guān)切換至位置2,求初始值iR(0+)、iC(0+)和uL(0+)。
圖3.11例3電路
解(1)求uC(0-)和iL(0-)。由于t<0時電路已處于穩(wěn)態(tài),故有iC=0,電容視為開路;uL=0,電感視為短路。t=0-時電路如圖3.11(b)所示,由圖可得(2)畫出0+等效電路。根據(jù)換路定律有iL(0+)=iL(0-)=4AuC(0+)=uC(0-)=12V
用電壓uC(0+)=12V的電壓源代替電容元件,用電流iL(0+)=4A的電流源代替電感元件,并注意換路后開關(guān)S處于位置2,畫出0+等效電路如圖3.11(C)所示。(3)由圖3.11(C)電路可知,所求電流和電壓的初始值為3.3一階電路的零輸入響應(yīng)3.3.1一階RC電路的零輸入響應(yīng)圖3.12(a)所示一階RC電路,t<0時已處于穩(wěn)態(tài),電容電壓為uC(0-)=Us。t=0時,開關(guān)S由位置1切換至位置2,根據(jù)換路定律,電容元件的初始電壓U0=uC(0+)=uC(0-)=Us,其初始儲能為。換路后,電容儲能通過電阻R放電,在電路中產(chǎn)生零輸入響應(yīng)。
隨著放電過程的進行,電容初始儲能逐漸被電阻消耗,電路零輸入響應(yīng)則從初始值開始逐漸衰減為零。按圖3.12(a)中指定的電流、電壓參考方向,寫出換路后電路的KVL方程為將電容元件伏安關(guān)系
代入上式,得圖3.12一階RC電路的零輸入響應(yīng)
該式是一階齊次微分方程,解的一般形式為
uC=Aept
(3―37)
式中A為待定系數(shù),由方程的初始條件確定。p是齊次微分方程的特征根。對式(3―37),令t=0+,并考慮初始條件uC(0+)=U0,可得
A=uC(0+)=U0
由特征方程
RCp+1=0
求出特征根為于是,求得式(3―36)微分方程的解為(3―38)
電路中的放電電流和電阻R上的電壓分別為(3―39)(3―40)
由上可知,在t<0時電路已經(jīng)處于穩(wěn)態(tài)。換路后,隨時間t的增加,RC電路中的電流、電壓由初始值開始按指數(shù)規(guī)律衰減,電路工作在暫態(tài)過程之中。直至t→∞,暫態(tài)過程結(jié)束,電路達到新的穩(wěn)態(tài)。時間常數(shù)τ的大小反映了電路暫態(tài)過程的進展速度。τ愈大,電路零輸入響應(yīng)衰減愈慢,暫態(tài)過程進展就愈慢。實際上,該電路的暫態(tài)過程就是RC電路的放電過程,在電容初始電壓一定時,電容量C愈大,電容中存儲電荷愈多,放電時間就愈長;電阻R愈大,則放電電流愈小,也會延長放電時間。因此,RC電路中的時間常數(shù)τ與R、C的乘積成正比關(guān)系。
對式(3―38),分別令t=τ,3τ和5τ,并考慮到U0=uC(0+),可求得
uC(τ)=uC(0+)e-1=0.368uC(0+)uC(3τ)=uC(0+)e-3=0.05uC(0+)uC(5τ)=uC(0+)e-5=0.007uC(0+)3.3.2一階RL電路的零輸入響應(yīng)一階RL電路如圖3.13(a)所示。t<0時,開關(guān)S處于位置1,電路已達穩(wěn)態(tài),電感中流過電流
。在t=0時,開關(guān)由位置1切換至位置2,通過電感元件的初始電流
,電感初始儲能為。換路后,在電感初始儲能的作用下,電路產(chǎn)生零輸入響應(yīng)。圖3.13一階RL電路的零輸入響應(yīng)
根據(jù)KVL,列出換路后的電路方程為即(3―41)
這是一個一階齊次微分方程,應(yīng)用式(3―36)方程相同的求解方法,得到電感電流iL為(3―42)
電感L和電阻R上電壓分別為畫出零輸入響應(yīng)iL、uL和uR的波形如圖3.13(b)所示。
綜上所述,一階電路的零輸入響應(yīng)是由電路初始儲能所產(chǎn)生,并且隨著時間的增長,均從初始值開始按指數(shù)規(guī)律衰減變化。如果用yx(t)表示零輸入響應(yīng),并記初始值為yx(0+),那么,一階電路的零輸入響應(yīng)可統(tǒng)一表示為(3―43)
式中,τ為電路時間常數(shù)。具體地說,對于一階RC電路,τ=R0C;對于一階RL電路,τ=L/R0。其中R0是零輸入電路中斷開動態(tài)元件后所得二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。
例4圖3.14(a)電路,已知Us=30V,Rs=R1=3Ω,R2=2Ω,R3=4Ω,C=4.5F。t<0時電路已處于穩(wěn)態(tài),t=0時開關(guān)S開啟。試求:(1)電路零輸入響應(yīng)uC、i1和i3;(2)驗證整個放電過程中各電阻消耗的總能量等于電容的初始儲能。圖3.14例4電路
解(1)t<0時電路已處于穩(wěn)態(tài),電容C可視為開路,故有由換路定律,得uC(0+)=uC(0-)=8V
畫出0+等效電路如圖(b)所示,由圖可知由于換路后放電電路的等效電阻為故電路時間常數(shù)
根據(jù)式(3―43),其零輸入響應(yīng)為(2)電容元件初始儲能3.4一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)3.4.1一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)圖3.15(a)電路,t<0時已處于穩(wěn)態(tài),電容電壓
uC(0-)=0。t=0時,開關(guān)S由位置2切換至位置1,電壓源開始對電容充電。圖3.15一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)
列出換路后電路的KVL方程,可得或者寫成(3―44)
這是非齊次微分方程,其解由齊次解和特解兩部分組成,即
其中齊次解uCh是式(3―44)相應(yīng)的齊次方程的通解,因式(3―44)的齊次微分方程與式(3―36)相同,由上一節(jié)可知式中A為待定常數(shù),τ=RC為電路的時間常數(shù)。
特解uCp是滿足非齊次微分方程的一個特殊解。在直流激勵時,我們用t=∞時的響應(yīng)值作為微分方程的特解。此時,電路已達穩(wěn)態(tài),電容視為開路,可將電路等效為直流電路,其響應(yīng)是直流電流或電壓,因此,特解是一常量。令uCp=K,代入式(3―44),得因此
式(3―44)的完全解為(3―45)代入初始條件uC(0+)=0,有
確定待定常數(shù)A=-Us,將它代入式(3―45)求得零狀態(tài)電壓響應(yīng)(3―46)
零狀態(tài)電流響應(yīng)為(3―47)
畫出uC和i的波形分別如圖3.15(b)、(C)所示。它們均按指數(shù)規(guī)律變化,同樣經(jīng)過(3~5)τ時間后,可以認(rèn)為暫態(tài)過程已基本結(jié)束。暫態(tài)過程進展的速度也取決于電路時間常數(shù)τ,它愈大,暫態(tài)過程進展愈慢。電路進入新的穩(wěn)態(tài)后,電容視為開路,電流i(∞)=0,電壓uC(∞)=Us。3.4.2一階RL電路的零狀態(tài)響應(yīng)圖3.16(a)電路,開關(guān)S置于2,已知電感電流
iL(0-)=0。t=0時,開關(guān)由位置2切換至位置1。換路后,在電壓源激勵下,電路產(chǎn)生零狀態(tài)響應(yīng),實際上是RL電路的充電過程。圖3.16一階RL電路的零狀態(tài)響應(yīng)
由KVL得或者(3―48)應(yīng)用式(3―44)相同的求解方法,求得(3―49)
式中,τ=L/R為RL電路的時間常數(shù)。電感和電阻元件上電壓分別為(3―50)(3―51)3.5一階電路的完全響應(yīng)
計算電路完全響應(yīng)與計算零狀態(tài)響應(yīng)一樣,都可通過求解電路的微分方程解決。在兩種情況下,電路微分方程相同,解的表達式也相同,只是電路初始儲能或初始條件不同,方程解中待定常數(shù)A值不同而已。若用y(t)表示方程變量,則完全響應(yīng)可表示為
(3―52)
在直流電源激勵下,該式中微分方程特解yp(t)為常量,是t→∞,電路達到穩(wěn)態(tài)時的響應(yīng)值,稱為穩(wěn)態(tài)值,記為y(∞),齊次解yh(t)是含待定常數(shù)的指數(shù)函數(shù)。設(shè)完全響應(yīng)初始值為y(0+),則由式(3―52)可得y(0+)=y(∞)+A,故有
A=y(0+)-y(∞)
將A代入式(3―52),得(3―53)
該式是一階電路在直流電源作用下計算完全響應(yīng)的一般公式。公式中的初始值y(0+)、穩(wěn)態(tài)值y(∞)和時間常數(shù)τ稱為三要素,故式(3―53)也稱為三要素公式,應(yīng)用三要素公式求電路響應(yīng)的方法稱為三要素法。
響應(yīng)初始值y(0+)可以利用0+等效電路求出。當(dāng)t=∞時,電路已達穩(wěn)態(tài),電容視為開路,電感視為短路,可將原一階電路等效成直流電路,分析該電路求得響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)。時間常數(shù)τ=R0C(一階RC電路),或者τ=L/R0(一階RL電路)。這里R0是電路斷開動態(tài)元件后,所得有源二端網(wǎng)絡(luò)的戴維南或諾頓等效電路中的等效電阻。
例5圖3.17(a)所示RC電路,當(dāng)t=0時開關(guān)S閉合,已知電容電壓的初始值uC(0+)=U0,求t≥0+時的電壓uC(t)。圖3.17RC電路的完全響應(yīng)
解開關(guān)閉合后,電容電壓uC由電流源Is和電容的初始狀態(tài)共同作用產(chǎn)生,故為完全響應(yīng)。由于初始值uC(0+)=U0,穩(wěn)態(tài)值uC(∞)=RIs和時間常數(shù)τ=RC,代入三要素公式求得完全響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)暫態(tài)響應(yīng)(3―54)
此式表明完全響應(yīng)uC由兩部分組成,其一是電路微分方程的齊次解,它隨時間t的增加按指數(shù)規(guī)律衰減,當(dāng)t→∞時趨近于零,稱為暫態(tài)響應(yīng);其二是微分方程的特解,也是t→∞時穩(wěn)定存在的響應(yīng)分量,稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。式(3―54)也可改寫為零輸入響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng)(3―55)
式中第一項是獨立源為零時,由初始狀態(tài)產(chǎn)生的響應(yīng),故為零輸入響應(yīng);第二項是初始狀態(tài)為零時,由獨立源激勵產(chǎn)生的響應(yīng),故為零狀態(tài)響應(yīng)。說明完全響應(yīng)等于零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)的疊加,這樣分解能清楚地看出激勵與響應(yīng)之間的因果關(guān)系。而分解成穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)則求解較方便,同時也體現(xiàn)了電路的不同工作狀態(tài)。具體地,在換路后,電路將經(jīng)歷(3~5)τ時間的暫態(tài)過程,然后進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。
uC的波形如圖3.17(b)所示,圖中假設(shè)U0>RIs。
例6圖3.18(a)電路,開關(guān)S在位置1時,電路已處于穩(wěn)態(tài)。t=0時,開關(guān)由位置1切換至位置2。試求t≥0+時電壓u(t)的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)。
圖3.18例6電路
解先用三要素法計算零輸入響應(yīng)ux和零狀態(tài)響應(yīng)uf,然后將ux、uf疊加求出完全響
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