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)t4h(t)t1

输入 x(t) = 4·e−1tu(t) 加到 h(t) = e−2tu(t) 的系统上。求 t = 0.5 s 时的输出 y(0.5)。

x(t) = 4·e−1tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0.5 s
y(0.5) =
2.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)5102010−10

三角波在 −10 和 +10 之间线性上升和下降,周期 T = 10 ms。求它在 500 Hz 处的傅里叶分量幅值 c5。

±10T = 10 msf = 500 Hz
c5 =
3.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

求 F(s) = (4s + 16)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = (4s + 16)/(s² + 10s + 25)t = 0.25 s
f(0.25) =
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″ + 9y′ + 20y = 0,初始条件 y(0) = 10,y′(0) = 13,并求 y(0.1)。

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 10y′(0) = 13t = 0.1 s
y(0.1) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 22/(s² + 7s + 22),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 22/(s² + 7s + 22)
ωn = rad/s
6.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 4 N·s/mm = 2 kgF = 50 Nx(t)

质量 m = 2 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 4 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 = 50 N。 求位移的百分比超调量 %OS。

m = 2 kgk = 100 N/mc = 4 N·s/mF = 50 N
%OS = %
7.伯德图与裕度中等
vin​R = 470 ΩL = 10 mHvout​

图中所示的RL 高通滤波器有R = 470 Ω, L = 10 mH。输入为3.7 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 470 ΩL = 10 mHf = 3.7 kHz
φ = °
8.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 4/(s(s + 1))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 4/(s(s + 1))
PM = °

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(0.5) = 0.9546

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)。

卷积积分

y(t) = 4e−2t∫₀ᵗ e−(1 − 2)τ dτ = 4(e−2t − e−1t)/(−1)

求值

y(0.5) = 4·(0.3679 − 0.6065)/(−1) = 0.9546

答案

y(0.5) = 0.9546
2.卷积与线性时不变系统

答案: c5 = 0.3242

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)|。

谐波次数

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 5

振幅

c5 = 8·10/(π²·5²) = 0.3242

答案

c5 = 0.3242
3.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 0.8595

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分式

4s + 16 = 4(s + 5) + −4
F(s) = 4/(s + 5) − 4/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 4·e−5t − 4·t·e−5t
f(0.25) = (4 − 4·0.25)·e−5·0.25 = 0.8595

答案

f(0.25) = 0.8595
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.1) = 10.08

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 − 10s − 13 + 9(sY − 10) + 20Y = 0
Y(s) = (10s + 103)/((s + 4)(s + 5))

部分分式

A = 63/1 = 63
B = 53/(−1) = −53

结果

y(t) = 63·e−4t − 53·e−5t
y(0.1) = 10.08

答案

y(0.1) = 10.08

检验:y(0) = A + B = 10。

5.阶跃响应

答案: ωn = 4.69 rad/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 = 22 → ωₙ = 4.69 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4.69) = 0.7462

结果

ωₙ = 4.69 rad/s

答案

ωn = 4.69 rad/s
6.阶跃响应

答案: %OS = 63.84 %

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) = √(100/2) = 7.071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(100·2)) = 0.1414

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 63.84 %

答案

%OS = 63.84 %
7.伯德图与裕度

答案: φ = 63.68 °

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。

转折频率

ωc = R/L = 470/0.01 = 47000 rad/s
fc = 7480 Hz → f/fc = 3700/7480 = 0.4946

相位

φ = 90° − atan(0.4946) = 63.68°

答案

φ = 63.68°
8.伯德图与裕度

答案: PM = 28.02 °

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 + 1ω² − 16 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·16))/2 = 3.531
ωc = 1.879 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(1.879/1) = −152°
PM = 180° + ∠L = 28.02°

答案

PM = 28.02°

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