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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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)t1h(t)t0.21

某系统的冲激响应为 h(t) = e−5tu(t),输入为阶跃 x(t) = 1·u(t)。求 t = 0.4 s 时的输出 y(0.4)。

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0.4 s
y(0.4) =
2.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)0.8244

脉冲串的高度为 4,脉宽 0.8 ms,周期 2 ms。求第 2 次谐波(频率 1000 Hz)的幅值 c2。

A = 4τ = 0.8 msT = 2 ms
c2 =
3.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

用部分分式法求 F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 5)) 对应的 f(t),并计算 f(0.75)。

F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 5))t = 0.75 s
f(0.75) =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 11y′ + 30y = 0,初始条件 y(0) = 9,y′(0) = 7,并求 y(0.1)。

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 9y′(0) = 7t = 0.1 s
y(0.1) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)2?

某系统的传递函数为 G(s) = 64/(s² + 8s + 32),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 64/(s² + 8s + 32)
%OS = %
6.阶跃响应困难
k = 5000 N/mc = 190 N·s/mm = 20 kgF = 10 Nx(t)

质量 m = 20 kg 的物体挂在弹簧 k = 5000 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 190 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 = 10 N。 求位移最大的时刻 tp。

m = 20 kgk = 5000 N/mc = 190 N·s/mF = 10 N
tp = s
7.伯德图与裕度中等
vin​L = 20 mHC = 2.2 µFR = 10 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 10 Ω 两端,其中 L = 20 mH,C = 2.2 µF。 求品质因数 Q。

R = 10 ΩL = 20 mHC = 2.2 µF
Q =
8.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))。 求给出 4 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))GM = 4 dB
K =

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(0.4) = 0.1729

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)。

与阶跃的卷积

y(t) = 1·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (1/5)·(1 − e−5t)

求值

y(0.4) = 0.2·(1 − e−2) = 0.1729

答案

y(0.4) = 0.1729
2.卷积与线性时不变系统

答案: c2 = 0.7484

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)|。

占空比

D = 0.8/2 = 0.4

谐波幅值

c2 = (2·4/(2π))·|sin(2π·0.4)| = 0.7484

答案

c2 = 0.7484
3.拉普拉斯变换

答案: f(0.75) = 4.154

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)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 50/(1·5) = 10
B = 50/((−1)·4) = −12.5
C = 50/((−5)·(−4)) = 2.5

逆变换

f(t) = 10 − 12.5·e−t + 2.5·e−5t

求值

f(0.75) = 10 − 12.5·e−0.75 + 2.5·e−5·0.75 = 4.154

答案

f(0.75) = 4.154
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.1) = 8.46

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

s²Y − 9s − 7 + 11(sY − 9) + 30Y = 0
Y(s) = (9s + 106)/((s + 5)(s + 6))

部分分式

A = 61/1 = 61
B = 52/(−1) = −52

结果

y(t) = 61·e−5t − 52·e−6t
y(0.1) = 8.46

答案

y(0.1) = 8.46

检验:y(0) = A + B = 9。

5.阶跃响应

答案: %OS = 4.321 %

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 = 32 → ωₙ = 5.657 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5.657) = 0.7071

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3.142 = 4.321 %

答案

%OS = 4.321 %
6.阶跃响应

答案: tp = 0.2083 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = √(k/m) = √(5000/20) = 15.81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 190/(2·√(5000·20)) = 0.3004

结果

ωd = 15.08 rad/s
tp = π/ωd = 0.2083 s

答案

tp = 0.2083 s
7.伯德图与裕度

答案: Q = 9.535

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/√(0.02·2.2 × 10⁻⁶) = 4767 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 758.7 Hz

品质因数

BW = R/L = 10/0.02 = 500 rad/s = 79.58 Hz
Q = ω₀/BW = 4767/500 = 9.535

答案

Q = 9.535
8.伯德图与裕度

答案: K = 772.3

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。

相位穿越

(ω/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8.485 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 81)) = K/(8·9·(8 + 9)) = K/1224

所需增益

1224/K = 104/20 = 1.585
K = 1224/1.585 = 772.3

答案

K = 772.3

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems