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−5tu(t) 加到 h(t) = e−2tu(t) 的系统上。求 t = 2 s 时的输出 y(2)。

x(t) = 4·e−5tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)0.5124

方波在 4 和 0 之间切换,周期 T = 1 ms(每个电平各占半个周期)。求它在 3000 Hz 处的傅里叶分量幅值 c3。

0 … 4T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

求 F(s) = (2s + 9)/(s² + 8s + 16) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = (2s + 9)/(s² + 8s + 16)t = 0.25 s
f(0.25) =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 7y′ + 10y = 0,初始条件 y(0) = 1,y′(0) = 1,并求 y(0.2)。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 1t = 0.2 s
y(0.2) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)3

某系统的传递函数为 G(s) = 147/(s² + 3s + 49),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 147/(s² + 3s + 49)
ωn = rad/s
6.阶跃响应困难
t (s)y(t)14.3 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 4.3 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 4.3 %
ζ =
7.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.010.1110100−60−40−20020ω (rad/s)ω = 0.5

求 G(s) = 60/((s + 3)(s + 5)) 在 ω = 0.5 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 60/((s + 3)(s + 5))ω = 0.5 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)−270−180−900ω180​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 158/(s(s + 2)(s + 9))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 158/(s(s + 2)(s + 9))
ω180 = rad/s

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(2) = 0.02436

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−(5 − 2)τ dτ = 4(e−2t − e−5t)/(3)

求值

y(2) = 4·(0.01832 − 4.54 × 10⁻⁵)/(3) = 0.02436

答案

y(2) = 0.02436
2.卷积与线性时不变系统

答案: c3 = 0.8488

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 = 1000 Hz → k = 3000/1000 = 3

振幅

c3 = 4·2/(3π) = 0.8488

答案

c3 = 0.8488
3.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 0.8277

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

部分分式

2s + 9 = 2(s + 4) + 1
F(s) = 2/(s + 4) + 1/(s + 4)²

逆变换

f(t) = 2·e−4t + t·e−4t
f(0.25) = (2 + 1·0.25)·e−4·0.25 = 0.8277

答案

f(0.25) = 0.8277
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 0.9728

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 − 1s − 1 + 7(sY − 1) + 10Y = 0
Y(s) = (s + 8)/((s + 2)(s + 5))

部分分式

A = 6/3 = 2
B = 3/(−3) = −1

结果

y(t) = 2·e−2t − e−5t
y(0.2) = 0.9728

答案

y(0.2) = 0.9728

检验:y(0) = A + B = 1。

5.阶跃响应

答案: ωn = 7 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 = 49 → ωₙ = 7 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7) = 0.2143

结果

ωₙ = 7 rad/s

答案

ωn = 7 rad/s
6.阶跃响应

答案: ζ = 0.7077

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)。

阻尼比

ζ = −ln(0.043)/√(π² + ln²(0.043)) = 3.147/√(9.87 + 9.901) = 0.7077

答案

ζ = 0.7077
7.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 11.88 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(j0.5)| = 60/(√(0.5² + 3²)·√(0.5² + 5²)) = 60/(3.041·5.025) = 3.926

结果

20·log₁₀(3.926) = 11.88 dB

答案

|G(jω)| = 11.88 dB
8.伯德图与裕度

答案: ω180 = 4.243 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。

相位穿越

(ω/2)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4.243 rad/s

答案

ω180 = 4.243 rad/s

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