信号与系统:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

卷积与线性时不变系统

离散卷积
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
连续卷积
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
长度与和
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
起点、终点与面积
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
阶跃输入到 e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
一阶系统
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
一阶递推
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
正弦信号通过 h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
傅里叶级数的幅值
方波 ±A:4A/(kπ),k 为奇数;三角波 ±A:8A/(π²k²),k 为奇数;脉冲串:A·D 和 (2A/(kπ))|sin kπD|

方法

  1. 画出两个信号,标明各自在哪里非零。
  2. 把 h 翻转并滑动:对每个输出时刻,找出两个信号的重叠范围。
  3. 只在该重叠范围内相乘并求和(离散),或相乘并积分(连续)。
  4. 检验结果:输出从起始时间之和开始,到结束时间之和结束,其面积或和等于输入面积或和的乘积。

2练习题

1.卷积与线性时不变系统中等
x(t)t44h(t)t11

脉冲 x(t) = 4(0 ≤ t < 4 s)与 h(t) 做卷积,h(t) 是一个三角形,从 t = 0 时的 1 线性下降到 t = 1 s 时的 0。求 y(t) = x(t) ∗ h(t) 下的面积 Ay。

x(t) = 4, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 1, h(1) = 0
Ay =
2.卷积与线性时不变系统困难
5cos(40t)h(t) = 2e−20t​u(t)y(t)

输入 x(t) = 5·cos(40t) 加到 h(t) = 2·e−20tu(t) 的系统上。求稳态输出的幅值 Ym。

h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 5cos(40t)
Ym =
3.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = 9/(s² + 13s + 40)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−5t + B·e−8t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = 9/(s² + 13s + 40)
A =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

某系统满足 y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t),y(0) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 10。用拉普拉斯变换求 y(0.25)。

y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.25 s
y(0.25) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 88/(s² + 5s + 88),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 88/(s² + 5s + 88)
tp = s
6.阶跃响应困难
k = 400 N/mc = 14 N·s/mm = 0.5 kgF = 20 Nx(t)

质量 m = 0.5 kg 的物体挂在弹簧 k = 400 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 14 N·s/m(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。在静止平衡状态下,突然施加恒力 F = 20 N。 求最大位移 xmax,单位 mm。

m = 0.5 kgk = 400 N/mc = 14 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.伯德图与裕度中等
vin​L = 50 mHC = 4.7 µFR = 5 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 5 Ω 两端,其中 L = 50 mH,C = 4.7 µF。 求中心(谐振)频率 f0,单位为 Hz。

R = 5 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF
f0 = Hz
8.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 16/(s(s + 2))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 16/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: Ay = 8

连续卷积:y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ。把 h 翻转,平移到位置 t,对重叠部分的乘积积分。对因果信号,积分从 0 到 t。有用的结论:y 的面积等于 x 的面积乘以 h 的面积;若 x 持续时间从 t₁ 到 t₂,h 从 t₃ 到 t₄,则 y 持续时间从 t₁ + t₃ 到 t₂ + t₄。对于 h(t) = e−atu(t) 和高度为 A 的阶跃,y(t) = (A/a)(1 − e−at)。

输入的面积

∫x dt = 4·4 = 16
∫h dt = ½·1·1 = 0.5

输出的面积

Ay = 16·0.5 = 8

答案

Ay = 8
2.卷积与线性时不变系统

答案: Ym = 0.2236

冲激响应与傅里叶级数:冲激响应 h(t) 完全描述一个线性时不变系统:对于 y′ + a·y = b·x,h(t) = b·e−atu(t);对于 y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n],h[n] = b·aⁿu[n]。正弦信号 cos ωt 通过系统时,增益为 |H(jω)|,相位为 ∠H(jω),其中 H 是 h 的傅里叶变换。周期信号是频率为 k/T 的各次谐波之和:幅值 ±A 的方波只含奇次谐波,幅值为 4A/(kπ);峰值为 A 的三角波的谐波幅值为 8A/(π²k²);高度为 A、占空比为 D 的脉冲串,其平均值为 A·D,谐波为 (2A/(kπ))·|sin(kπD)|。

频率响应

H(jω) = 2/(20 + jω)

输入频率处的增益

|H(j40)| = 2/√(20² + 40²) = 0.04472
Ym = 5·0.04472 = 0.2236

答案

Ym = 0.2236
3.拉普拉斯变换

答案: A = 3

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

分解分母

s² + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

遮盖法

乘以 (s + 5) 并令 s = −5:B 项消失。

A = 9/(s + 8) |s = −5 = 9/3 = 3

答案

A = 3
(B = −3,所以 f(t) = 3·e−5t − 3·e−8t)
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = 10.52

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

(s² + 9s + 18)·Y(s) = 3s + 27 + 540/s
Y(s) = (3s² + 27s + 540)/(s(s + 3)(s + 6))

部分分式

A = 540/(3·6) = 30
B = 486/((−3)·3) = −54
C = 486/((−6)·(−3)) = 27

结果

y(t) = 30 − 54·e−3t + 27·e−6t
y(0.25) = 10.52

答案

y(0.25) = 10.52

检验:y(0) = A + B + C = 3。

5.阶跃响应

答案: tp = 0.3475 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 88 → ωₙ = 9.381 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9.381) = 0.2665

结果

ωd = 9.381·√(1 − 0.2665²) = 9.042 rad/s → tp = π/ωd = 0.3475 s

答案

tp = 0.3475 s
6.阶跃响应

答案: xmax = 58.35 mm

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = √(k/m) = √(400/0.5) = 28.28 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 14/(2·√(400·0.5)) = 0.495

结果

xst = F/k = 20/400 m = 50 mm
%OS = 16.7 %
xmax = 50·(1 + 0.167) = 58.35 mm

答案

xmax = 58.35 mm
7.伯德图与裕度

答案: f0 = 328.3 Hz

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·4.7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 328.3 Hz

答案

f0 = 328.3 Hz
8.伯德图与裕度

答案: ωc = 3.758 rad/s

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

增益穿越

ω⁴ + 4ω² − 256 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·256))/2 = 14.12
ωc = 3.758 rad/s

答案

ωc = 3.758 rad/s

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