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)t24h(t)t35

脉冲 x(t) = 4(0 ≤ t < 2 s,其他时刻为零)加到冲激响应为 h(t) = 5(0 ≤ t < 3 s,其他时刻为零)的系统上。求 t = 0.5 s 时的输出 y(0.5)。

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 0.5 s
y(0.5) =
2.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)510201−1

三角波在 −1 和 +1 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。

±1T = 10 msf = 500 Hz
c5 =
3.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.6f(0.6) = ?

求 F(s) = (2s + 26)/(s² + 6s + 9) 对应的 f(t),并计算 f(0.6)。

F(s) = (2s + 26)/(s² + 6s + 9)t = 0.6 s
f(0.6) =
4.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−5−61

某系统由微分方程 y″ + 9y′ + 18y = 2u′ + 3u 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 = 0.1 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.1)。

y″ + 9y′ + 18y = 2u′ + 3ut = 0.1 s
g(0.1) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)2tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 62/(s² + 4s + 31),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 62/(s² + 4s + 31)
tp = s
6.阶跃响应困难
R(s)+90s(s + 12)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 90/(s(s + 12))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 90/(s(s + 12))
ts = s
7.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

求 G(s) = 1512/((s + 12)(s + 18)) 在 ω = 4 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 1512/((s + 12)(s + 18))ω = 4 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) = K/(s(s + 3)(s + 9))。 求给出 2 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(0.5) = 10

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, 0.5] → 长度 0.5 s

积分

y(0.5) = 4·5·0.5 = 10

答案

y(0.5) = 10

y(t) 是梯形:从 0 上升,保持在 40,并在 t = 5 s 时回落到 0。

2.卷积与线性时不变系统

答案: c5 = 0.03242

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 = 8·1/(π²·5²) = 0.03242

答案

c5 = 0.03242
3.拉普拉斯变换

答案: f(0.6) = 2.314

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 + 9 = (s + 3)²

部分分式

2s + 26 = 2(s + 3) + 20
F(s) = 2/(s + 3) + 20/(s + 3)²

逆变换

f(t) = 2·e−3t + 20·t·e−3t
f(0.6) = (2 + 20·0.6)·e−3·0.6 = 2.314

答案

f(0.6) = 2.314
4.拉普拉斯变换

答案: g(0.1) = 0.9056

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) = (2s + 3)/(s² + 9s + 18)

部分分式

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = −1, B = 3

冲激响应

g(t) = −e−3t + 3·e−6t
g(0.1) = 0.9056

答案

g(0.1) = 0.9056
5.阶跃响应

答案: tp = 0.6046 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 = 31 → ωₙ = 5.568 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5.568) = 0.3592

结果

ωd = 5.568·√(1 − 0.3592²) = 5.196 rad/s → tp = π/ωd = 0.6046 s

答案

tp = 0.6046 s
6.阶跃响应

答案: ts = 0.6667 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) = 90/(s² + 12s + 90): ωₙ = 9.487 rad/s, ζ = 0.6325

调节时间

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.6667 s

答案

ts = 0.6667 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)| = 16.24 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(j4)| = 1512/(√(4² + 12²)·√(4² + 18²)) = 1512/(12.65·18.44) = 6.483

结果

20·log₁₀(6.483) = 16.24 dB

答案

|G(jω)| = 16.24 dB
8.伯德图与裕度

答案: K = 257.4

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/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5.196 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 81)) = K/(3·9·(3 + 9)) = K/324

所需增益

324/K = 102/20 = 1.259
K = 324/1.259 = 257.4

答案

K = 257.4

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