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)t0.21

某系统的冲激响应为 h(t) = e−5tu(t),输入为阶跃 x(t) = 4·u(t)。求 t = 1.2 s 时的输出 y(1.2)。

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 1.2 s
y(1.2) =
2.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)510201−1

方波在 +1 和 −1 之间切换,周期 T = 10 ms(每个电平各占半个周期)。求它在 100 Hz 处的傅里叶分量幅值 c1。

±1T = 10 msf = 100 Hz
c1 =
3.拉普拉斯变换中等
ReIm−5−10−15−20−25−30−35

F(s) = (s + 34)/(s² + 10s + 21)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−3t + B·e−7t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (s + 34)/(s² + 10s + 21)
A =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t),y(0) = 6,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 4。用拉普拉斯变换求 y(0.5)。

y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.5 s
y(0.5) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 2/(s² + 3s + 4),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 2/(s² + 3s + 4)
ts = s
6.阶跃响应困难
R(s)+60s(s + 4)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 60/(s(s + 4))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 60/(s(s + 4))
ts = s
7.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.010.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 0.5

求 G(s) = 1596/((s + 7)(s + 19)) 在 ω = 0.5 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 1596/((s + 7)(s + 19))ω = 0.5 rad/s
|G(jω)| = dB
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 + 6)(s + 9))。 求给出 2 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(1.2) = 0.798

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) = 4·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (4/5)·(1 − e−5t)

求值

y(1.2) = 0.8·(1 − e−6) = 0.798

答案

y(1.2) = 0.798
2.卷积与线性时不变系统

答案: c1 = 1.273

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 = 100/100 = 1

振幅

c1 = 4·1/(1π) = 1.273

答案

c1 = 1.273
3.拉普拉斯变换

答案: A = 7.75

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 + 21 = (s + 3)(s + 7)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 7)

遮盖法

乘以 (s + 3) 并令 s = −3:B 项消失。

A = (s + 34)/(s + 7) |s = −3 = 31/4 = 7.75

答案

A = 7.75
(B = −6.75,所以 f(t) = 7.75·e−3t − 6.75·e−7t)
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 5.475

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

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 20/s
Y(s) = (6s² + 36s + 20)/(s(s + 1)(s + 5))

部分分式

A = 20/(1·5) = 4
B = −10/((−1)·4) = 2.5
C = −10/((−5)·(−4)) = −0.5

结果

y(t) = 4 + 2.5·e−t − 0.5·e−5t
y(0.5) = 5.475

答案

y(0.5) = 5.475

检验:y(0) = A + B + C = 6。

5.阶跃响应

答案: ts = 2.667 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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2) = 0.75

结果

ζωₙ = 1.5 → ts ≈ 4/1.5 = 2.667 s

答案

ts = 2.667 s
6.阶跃响应

答案: ts = 2 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) = 60/(s² + 4s + 60): ωₙ = 7.746 rad/s, ζ = 0.2582

调节时间

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

答案

ts = 2 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)| = 21.56 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)| = 1596/(√(0.5² + 7²)·√(0.5² + 19²)) = 1596/(7.018·19.01) = 11.97

结果

20·log₁₀(11.97) = 21.56 dB

答案

|G(jω)| = 21.56 dB
8.伯德图与裕度

答案: K = 643.4

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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7.348 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

所需增益

810/K = 102/20 = 1.259
K = 810/1.259 = 643.4

答案

K = 643.4

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