信号与系统教案第5章连续系统的s域分析.ppt

第五章 连续系统的s域分析,5.1 拉普拉斯变换一、从傅里叶变换到拉普拉斯变换二、收敛域三、(单边)拉普拉斯变换5.2 拉普拉斯变换的性质5.3 拉普拉斯变换逆变换5.4 复频域分析一、微分方程的变换解二、系统函数三、系统的s域框图四、电路的s域模型,点击目录，进入相关章节,第五章 连续系统的s域分析,频域分析以虚指数信号ejt为基本信号，任意信号可分解为众多不同频率的虚指数分量之和。使响应的求解得到简化。物理意义清楚。但也有不足：（1）有些重要信号不存在傅里叶变换，如e2t(t);（2）对于给定初始状态的系统难于利用频域分析。在这一章将通过把频域中的傅里叶变换推广到复频域来解决这些问题。本章引入复频率 s=+j,以复指数函数est为基本信号，任意信号可分解为不同复频率的复指数分量之和。这里用于系统分析的独立变量是复频率 s，故称为s域分析。所采用的数学工具为拉普拉斯变换。,5.1 拉普拉斯变换,一、从傅里叶到拉普拉斯变换,有些函数不满足绝对可积条件，求解傅里叶变换困难。为此，可用一衰减因子e-t(为实常数）乘信号f(t)，适当选取的值，使乘积信号f(t)e-t当t时信号幅度趋近于0，从而使f(t)e-t的傅里叶变换存在。,相应的傅里叶逆变换 为,f(t)e-t=,Fb(+j)=f(t)e-t=,令s=+j,d=ds/j，有,5.1 拉普拉斯变换,双边拉普拉斯变换对,Fb(s)称为f(t)的双边拉氏变换（或象函数），f(t)称为Fb(s)的双边拉氏逆变换（或原函数）。,二、收敛域,只有选择适当的值才能使积分收敛，信号f(t)的双边拉普拉斯变换存在。使 f(t)拉氏变换存在的取值范围称为Fb(s)的收敛域。下面举例说明Fb(s)收敛域的问题。,5.1 拉普拉斯变换,例1 因果信号f1(t)=et(t)，求其拉普拉斯变换。,解,可见，对于因果信号，仅当Res=时，其拉氏变换存在。收敛域如图所示。,收敛域,收敛边界,5.1 拉普拉斯变换,例2 反因果信号f2(t)=et(-t)，求其拉普拉斯变换。,解,可见，对于反因果信号，仅当Res=时，其拉氏变换存在。收敛域如图所示。,5.1 拉普拉斯变换,例3 双边信号求其拉普拉斯变换。,求其拉普拉斯变换。,解,其双边拉普拉斯变换 Fb(s)=Fb1(s)+Fb2(s),仅当时，其收敛域为 Res的一个带状区域，如图所示。,5.1 拉普拉斯变换,例4 求下列信号的双边拉氏变换。f1(t)=e-3t(t)+e-2t(t)f2(t)=e-3t(t)e-2t(t)f3(t)=e-3t(t)e-2t(t),解,Res=2,Res=3,3 2,可见，象函数相同，但收敛域不同。双边拉氏变换必须标出收敛域。,5.1 拉普拉斯变换,通常遇到的信号都有初始时刻，不妨设其初始时刻为坐标原点。这样，t0时，f(t)=0。从而拉氏变换式写为,称为单边拉氏变换。简称拉氏变换。其收敛域一定是Res，可以省略。本课程主要讨论单边拉氏变换。,三、单边拉氏变换,简记为F(s)=f(t)f(t)=-1F(s)或 f(t)F(s),5.1 拉普拉斯变换,四、常见函数的拉普拉斯变换,1、(t)1，-,2、(t)或1 1/s，0,3、指数函数e-s0t,-Res0,cos0t=(ej0t+e-j0t)/2,sin0t=(ej0t e-j0t)/2j,5.1 拉普拉斯变换,4、周期信号fT(t),特例：T(t)1/(1 e-sT),5.1 拉普拉斯变换,五、单边拉氏变换与傅里叶变换的关系,Res0,要讨论其关系，f(t)必须为因果信号。,根据收敛坐标0的值可分为以下三种情况：（1）0-2；则 F(j)=1/(j+2),5.1 拉普拉斯变换,（2）0=0，即F(s)的收敛边界为j轴，,如f(t)=(t)F(s)=1/s,=()+1/j,（3）0 0，F(j)不存在。例f(t)=e2t(t)F(s)=1/(s 2),2；其傅里叶变换不存在。,5.2 拉普拉斯变换性质,5.2 拉普拉斯变换性质,一、线性性质,若f1(t)F1(s)Res1,f2(t)F2(s)Res2则 a1f1(t)+a2f2(t)a1F1(s)+a2F2(s)Resmax(1,2),例f(t)=(t)+(t)1+1/s，0,二、尺度变换,若f(t)F(s),Res0，且有实数a0，则f(at),Resa0,5.2 拉普拉斯变换性质,例：如图信号f(t)的拉氏变换F(s)=,求图中信号y(t)的拉氏变换Y(s)。,解：,y(t)=4f(0.5t),Y(s)=42 F(2s),5.2 拉普拉斯变换性质,三、时移（延时）特性,若f(t)F(s),Res0,且有实常数t00,则f(t-t0)(t-t0)e-st0F(s),Res0,与尺度变换相结合,f(at-t0)(at-t0),例1:求如图信号的单边拉氏变换。,解：f1(t)=(t)(t-1)，f2(t)=(t+1)(t-1),F1(s)=,F2(s)=F1(s),5.2 拉普拉斯变换性质,例2:已知f1(t)F1(s),求f2(t)F2(s),解：f2(t)=f1(0.5t)f1 0.5(t-2),f1(0.5t)2F1(2s),f1 0.5(t-2)2F1(2s)e-2s,f2(t)2F1(2s)(1 e-2s),例3:求f(t)=e-2(t-1)(t)F(s)=?,5.2 拉普拉斯变换性质,四、复频移（s域平移）特性,若f(t)F(s),Res0,且有复常数sa=a+ja,则f(t)esat F(s-sa),Res0+a,例1:已知因果信号f(t)的象函数F(s)=,求e-tf(3t-2)的象函数。,解：e-tf(3t-2),例2:f(t)=cos(2t/4)F(s)=?,解cos(2t/4)=cos(2t)cos(/4)+sin(2t)sin(/4),5.2 拉普拉斯变换性质,五、时域的微分特性（微分定理）,若f(t)F(s),Res0,则f(t)sF(s)f(0-)f(t)s2F(s)sf(0-)f(0-),f(n)(t)snF(s),若f(t)为因果信号，则f(n)(t)snF(s),例1:(n)(t)?,例2:,例3:,5.2 拉普拉斯变换性质,六、时域积分特性（积分定理）,若f(t)F(s),Res0,则,例1:t2(t)?,5.2 拉普拉斯变换性质,例2:已知因果信号f(t)如图,求F(s),解：对f(t)求导得f(t)，如图,由于f(t)为因果信号，故,f(0-)=0,f(t)=(t)(t 2)(t 2)F1(s),结论：若f(t)为因果信号，已知f(n)(t)Fn(s)则 f(t)Fn(s)/sn,5.2 拉普拉斯变换性质,七、卷积定理,时域卷积定理 若因果函数 f1(t)F1(s),Res1,f2(t)F2(s),Res2则 f1(t)*f2(t)F1(s)F2(s),复频域（s域）卷积定理,例1：t(t)?,例2：已知F(s)=,例3：,5.2 拉普拉斯变换性质,八、s域微分和积分,若f(t)F(s),Res0,则,例1：t2e-2t(t)?e-2t(t)1/(s+2),t2e-2t(t),5.2 拉普拉斯变换性质,例2：,例3：,5.2 拉普拉斯变换性质,九、初值定理和终值定理,初值定理和终值定理常用于由F(s)直接求f(0+)和f(），而不必求出原函数f(t),初值定理,设函数f(t)不含(t)及其各阶导数（即F(s)为真分式，若F(s)为假分式化为真分式），则,终值定理,若f(t)当t 时存在，并且 f(t)F(s),Res0,00，则,5.2 拉普拉斯变换性质,例1：,例2：,5.3 拉普拉斯逆变换,5.3 拉普拉斯逆变换,直接利用定义式求反变换-复变函数积分，比较困难。通常的方法（1）查表（2）利用性质（3）部分分式展开-结合,若象函数F(s)是s的有理分式，可写为,若mn（假分式）,可用多项式除法将象函数F(s)分解为有理多项式P(s)与有理真分式之和。,5.3 拉普拉斯逆变换,由于L-11=(t)，L-1sn=(n)(t)，故多项式P(s)的拉普拉斯逆变换由冲激函数构成。下面主要讨论有理真分式的情形。,部分分式展开法,若F(s)是s的实系数有理真分式（mn)，则可写为,式中A(s)称为F(s)的特征多项式，方程A(s)=0称为特征方程，它的根称为特征根，也称为F(s)的固有频率（或自然频率）。n个特征根pi称为F(s)的极点。,5.3 拉普拉斯逆变换,（1）F(s)为单极点（单根）,例1:,5.3 拉普拉斯逆变换,5.3 拉普拉斯逆变换,例2:,5.3 拉普拉斯逆变换,5.3 拉普拉斯逆变换,特例：若F(s)包含共轭复根时(p1,2=j),K2=K1*,f1(t)=2|K1|e-tcos(t+)(t),若写为K1,2=A jB,f1(t)=2e-tAcos(t)Bsin(t)(t),5.3 拉普拉斯逆变换,例3,5.3 拉普拉斯逆变换,5.3 拉普拉斯逆变换,例4：求象函数F(s)的原函数f(t)。,解：A(s)=0有6个单根，它们分别是s1=0，s2=1，s3,4=j1，s5,6=1j1，故,K1=sF(s)|s=0=2，K2=(s+1)F(s)|s=-1=1 K3=(s j)F(s)|s=j=j/2=(1/2)ej(/2),K4=K3*=(1/2)e-j(/2)K5=(s+1 j)F(s)|s=-1+j=,K6=K5*,5.3 拉普拉斯逆变换,（2）F(s)有重极点（重根）,若A(s)=0在s=p1处有r重根，,K11=(s p1)rF(s)|s=p1，K12=(d/ds)(s p1)rF(s)|s=p1,5.3 拉普拉斯逆变换,举例:,5.3 拉普拉斯逆变换,5.4 复频域分析,5.4 复频域系统分析,一、微分方程的变换解,描述n阶系统的微分方程的一般形式为,系统的初始状态为y(0-),y(1)(0-),，y(n-1)(0-)。,思路：用拉普拉斯变换微分特性,若f(t)在t=0时接入系统，则 f(j)(t)s j F(s),5.4 复频域分析,例1 描述某LTI系统的微分方程为 y(t)+5y(t)+6y(t)=2f(t)+6 f(t)已知初始状态y(0-)=1，y(0-)=-1，激励f(t)=5cost(t)，求系统的全响应y(t),解：方程取拉氏变换，并整理得,y(t)，yx(t)，yf(t),s域的代数方程,Yx(s),Yf(s),5.4 复频域分析,y(t)=2e2t(t)e3t(t)-4e2t(t)+,yx(t),yf(t),暂态分量yt(t),稳态分量ys(t),若已知y(0+)=1，y(0+)=9,Yx(s),Yf(s),5.4 复频域分析,二、系统函数,系统函数H(s)定义为,它只与系统的结构、元件参数有关，而与激励、初始状态无关。,yf(t)=h(t)*f(t),H(s)=L h(t),Yf(s)=L h(t)F(s),5.4 复频域分析,例2 已知当输入f(t)=e-t(t)时，某LTI因果系统的零状态响应 yf(t)=(3e-t-4e-2t+e-3t)(t)求该系统的冲激响应和描述该系统的微分方程。,解,h(t)=(4e-2t-2e-3t)(t),微分方程为 y(t)+5y(t)+6y(t)=2f(t)+8f(t),s2Yf(s)+5sYf(s)+6Yf(s)=2sF(s)+8F(s),取逆变换 yf(t)+5yf(t)+6yf(t)=2f(t)+8f(t),5.4 复频域分析,三、系统的s域框图,时域框图基本单元,s域框图基本单元,5.4 复频域分析,X(s),s-1X(s),s-2X(s),例3 如图框图，列出其微分方程,解 画出s域框图,s-1,s-1,F(s),Y(s),设左边加法器输出为X(s)，如图,X(s)=F(s)3s-1X(s)2s-2X(s),s域的代数方程,Y(s)=X(s)+4s-2X(s),微分方程为 y(t)+3y(t)+2y(t)=f(t)+4f(t),再求h(t)?,5.4 复频域分析,四、电路的s域模型,对时域电路取拉氏变换,1、电阻 u(t)=R i(t),2、电感,U(s)=sLIL(s)LiL(0-),U(s)=R I(s),元件的s域模型,5.4 复频域分析,3、电容,I(s)=sCUC(s)CuC(0-),4、KCL、KVL方程,5.4 复频域分析,例4 如图所示电路，已知uS(t)=(t)V，iS(t)=(t)，起始状态uC(0-)=1V，iL(0-)=2A，求电压u(t)。,解 画出电路的s域模型,Us(s)=1/s，Is(s)=1,u(t)=et(t)3tet(t)V,若求ux(t)和uf(t),