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)t0.52h(t)t1

脉冲 x(t) = 2(0 ≤ t < 0.5 s,其他时刻为零)加到 h(t) = e−1tu(t) 的系统上。求脉冲结束之后 t = 1.5 s 时的输出 y(1.5)。

x(t) = 2, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 1.5 s
y(1.5) =
2.卷积与线性时不变系统困难
u[n]3+y[n]−0.5·z⁻¹+

某系统满足 y[n] = −0.5·y[n − 1] + 3·x[n],初始状态为静止。输入为单位阶跃 x[n] = u[n]。求 y[3]。

y[n] = −0.5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3.拉普拉斯变换中等
ReIm−5−10−15−20−25−30

F(s) = (s + 27)/(s² + 6s + 5)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−t + B·e−5t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (s + 27)/(s² + 6s + 5)
A =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

某系统满足 y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 5(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.2)。

y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.2 s
y(0.2) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 28/(s² + 8s + 28),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 28/(s² + 8s + 28)
tp = s
6.阶跃响应困难
k = 800 N/mc = 54 N·s/mm = 2.5 kgF = 20 Nx(t)

质量 m = 2.5 kg 的物体挂在弹簧 k = 800 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 54 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 = 2.5 kgk = 800 N/mc = 54 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.伯德图与裕度中等
vin​L = 50 mHC = 0.22 µFR = 50 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 50 Ω 两端,其中 L = 50 mH,C = 0.22 µF。 求 −3 dB 带宽 BW,单位为 Hz。

R = 50 ΩL = 50 mHC = 0.22 µF
BW = Hz
8.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 288/(s(s + 8))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 288/(s(s + 8))
PM = °

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(1.5) = 0.2895

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)。

脉冲结束时的输出

y(0.5) = (2/1)(1 − e−0.5) = 0.7869

脉冲结束后的衰减

y(1.5) = 0.7869·e−1·1 = 0.2895

答案

y(1.5) = 0.2895
2.卷积与线性时不变系统

答案: y[3] = 1.875

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)|。

迭代

y[0] = 3
y[1] = 1.5
y[2] = 2.25
y[3] = 1.875

结果

y[3] = 3·(1 − (−0.5)4)/(1 − (−0.5)) = 1.875

答案

y[3] = 1.875
3.拉普拉斯变换

答案: A = 6.5

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 + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)

遮盖法

乘以 (s + 1) 并令 s = −1:B 项消失。

A = (s + 27)/(s + 5) |s = −1 = 26/4 = 6.5

答案

A = 6.5
(B = −5.5,所以 f(t) = 6.5·e−t − 5.5·e−5t)
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 1.451

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

Y(s) = 120/(s(s + 2)(s + 6))

部分分式

A = 120/(2·6) = 10
B = 120/((−2)·4) = −15
C = 120/((−6)·(−4)) = 5

出量

y(t) = 10 − 15·e−2t + 5·e−6t
y(0.2) = 1.451

答案

y(0.2) = 1.451
5.阶跃响应

答案: tp = 0.9069 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 = 28 → ωₙ = 5.292 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5.292) = 0.7559

结果

ωd = 5.292·√(1 − 0.7559²) = 3.464 rad/s → tp = π/ωd = 0.9069 s

答案

tp = 0.9069 s
6.阶跃响应

答案: xmax = 27.32 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) = √(800/2.5) = 17.89 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 54/(2·√(800·2.5)) = 0.6037

结果

xst = F/k = 20/800 m = 25 mm
%OS = 9.262 %
xmax = 25·(1 + 0.09262) = 27.32 mm

答案

xmax = 27.32 mm
7.伯德图与裕度

答案: BW = 159.2 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/√(0.05·2.2 × 10⁻⁷) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz

带宽

BW = R/L = 50/0.05 = 1000 rad/s = 159.2 Hz

答案

BW = 159.2 Hz
8.伯德图与裕度

答案: PM = 26.49 °

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 + 64ω² − 82944 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·82944))/2 = 257.8
ωc = 16.06 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(16.06/8) = −153.5°
PM = 180° + ∠L = 26.49°

答案

PM = 26.49°

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