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)t13h(t)t41

脉冲 x(t) = 3(0 ≤ t < 1 s,其他时刻为零)加到冲激响应为 h(t) = 1(0 ≤ t < 4 s,其他时刻为零)的系统上。求 t = 4.5 s 时的输出 y(4.5)。

x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 4.5 s
y(4.5) =
2.卷积与线性时不变系统困难
10cos(60t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

输入 x(t) = 10·cos(60t) 加到 h(t) = 5·e−20tu(t) 的系统上。求稳态输出相对于输入的相位 φ,单位为度。

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 10cos(60t)
φ = °
3.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

用部分分式法求 F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4))t = 0.1 s
f(0.1) =
4.拉普拉斯变换困难
ReIm−2−4−6−8−10−12−14

某系统由微分方程 y″ + 7y′ + 10y = u′ + 13u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 0.3 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.3)。

y″ + 7y′ + 10y = u′ + 13ut = 0.3 s
g(0.3) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5

某系统的传递函数为 G(s) = 10/(s² + 5s + 20),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 10/(s² + 5s + 20)
σ =
6.阶跃响应困难
R(s)+300s(s + 20)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 300/(s(s + 20))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 300/(s(s + 20))
ts = s
7.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

求 G(s) = 168/((s + 7)(s + 8)) 在 ω = 20 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 168/((s + 7)(s + 8))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 5.4/(s(s + 2))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 5.4/(s(s + 2))
PM = °

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(4.5) = 1.5

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)。

翻转后脉冲的重叠

h(t − τ) 是把 h 的脉冲翻转并平移,使其结束于 τ = t。

τ ∈ [0.5, 1] → 长度 0.5 s

积分

y(4.5) = 3·1·0.5 = 1.5

答案

y(4.5) = 1.5

y(t) 是梯形:从 0 上升,保持在 3,并在 t = 5 s 时回落到 0。

2.卷积与线性时不变系统

答案: φ = −71.57 °

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) = 5/(20 + jω)

输入频率处的相位

φ = −atan(60/20) = −71.57°

答案

φ = −71.57°
3.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 0.2384

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 + 3) + C/(s + 4)
A = 60/(3·4) = 5
B = 60/((−3)·1) = −20
C = 60/((−4)·(−1)) = 15

逆变换

f(t) = 5 − 20·e−3t + 15·e−4t

求值

f(0.1) = 5 − 20·e−3·0.1 + 15·e−4·0.1 = 0.2384

答案

f(0.1) = 0.2384
4.拉普拉斯变换

答案: g(0.3) = 1.417

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)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 13)/(s² + 7s + 10)

部分分式

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 3.667, B = −2.667

冲激响应

g(t) = 3.667·e−2t − 2.667·e−5t
g(0.3) = 1.417

答案

g(0.3) = 1.417
5.阶跃响应

答案: σ = −2.5

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 = 20 → ωₙ = 4.472 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4.472) = 0.559

结果

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2.5

答案

σ = −2.5
6.阶跃响应

答案: ts = 0.4 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)。

闭环传递函数

T(s) = 300/(s² + 20s + 300): ωₙ = 17.32 rad/s, ζ = 0.5774

调节时间

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.4 s

答案

ts = 0.4 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

7.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = −8.681 dB

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。

把各模相乘

|G(j20)| = 168/(√(20² + 7²)·√(20² + 8²)) = 168/(21.19·21.54) = 0.3681

结果

20·log₁₀(0.3681) = −8.681 dB

答案

|G(jω)| = −8.681 dB
8.伯德图与裕度

答案: PM = 45.89 °

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 − 29.16 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·29.16))/2 = 3.758
ωc = 1.939 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(1.939/2) = −134.1°
PM = 180° + ∠L = 45.89°

答案

PM = 45.89°

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