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)t−11h(t)t24

信号 x(t) 仅在 t = −1 s 到 t = 1 s 之间非零,h(t) 仅在 t = 2 s 到 t = 4 s 之间非零。求 y(t) = x(t) ∗ h(t) 结束的时刻 tend。

x: −1 … 1 sh: 2 … 4 s
tend = s
2.卷积与线性时不变系统困难
2cos(5t)h(t) = 2e−5t​u(t)y(t)

输入 x(t) = 2·cos(5t) 加到 h(t) = 2·e−5tu(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) = 2e−5tu(t)x(t) = 2cos(5t)
φ = °
3.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (5s + 4)/(s² + 13s + 40)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−5t + B·e−8t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (5s + 4)/(s² + 13s + 40)
A =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 4y = 0,初始条件 y(0) = 9,y′(0) = −1,并求 y(0.4)。

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 9y′(0) = −1t = 0.4 s
y(0.4) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)2

某系统的传递函数为 G(s) = 28/(s² + 4s + 14),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 28/(s² + 4s + 14)
ωn = rad/s
6.阶跃响应困难
k = 500 N/mc = 50 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

质量 m = 5 kg 的物体挂在弹簧 k = 500 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 50 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 = 5 N。 求阻尼比 ζ。

m = 5 kgk = 500 N/mc = 50 N·s/mF = 5 N
ζ =
7.伯德图与裕度中等
vin​R = 10 kΩC = 100 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 10 kΩ, C = 100 nF。输入为480 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 10 kΩC = 100 nFf = 480 Hz
φ = °
8.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 80/(s(s + 5))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 80/(s(s + 5))
PM = °

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: tend = 5 s

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)。

起点和终点

tstart = −1 + 2 = 1 s
tend = 1 + 4 = 5 s

答案

tend = 5 s

答案

tend = 5 s
2.卷积与线性时不变系统

答案: φ = −45 °

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) = 2/(5 + jω)

输入频率处的相位

φ = −atan(5/5) = −45°

答案

φ = −45°
3.拉普拉斯变换

答案: A = −7

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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

遮盖法

乘以 (s + 5) 并令 s = −5:B 项消失。

A = (5s + 4)/(s + 8) |s = −5 = −21/3 = −7

答案

A = −7
(B = 12,所以 f(t) = −7·e−5t + 12·e−8t)
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.4) = 7.282

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 − 9s − (−1) + 5(sY − 9) + 4Y = 0
Y(s) = (9s + 44)/((s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 35/3 = 11.67
B = 8/(−3) = −2.667

结果

y(t) = 11.67·e−t − 2.667·e−4t
y(0.4) = 7.282

答案

y(0.4) = 7.282

检验:y(0) = A + B = 9。

5.阶跃响应

答案: ωn = 3.742 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 = 14 → ωₙ = 3.742 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3.742) = 0.5345

结果

ωₙ = 3.742 rad/s

答案

ωn = 3.742 rad/s
6.阶跃响应

答案: ζ = 0.5

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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = √(k/m) = √(500/5) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 50/(2·√(500·5)) = 0.5

结果

ζ = 0.5

答案

ζ = 0.5
7.伯德图与裕度

答案: φ = −71.66 °

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 = 1/(RC) = 1/(10000·1 × 10⁻⁷) = 1000 rad/s
fc = 159.2 Hz → f/fc = 480/159.2 = 3.016

相位

φ = − atan(3.016) = −71.66°

答案

φ = −71.66°
8.伯德图与裕度

答案: PM = 31.14 °

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 + 25ω² − 6400 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·6400))/2 = 68.47
ωc = 8.275 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(8.275/5) = −148.9°
PM = 180° + ∠L = 31.14°

答案

PM = 31.14°

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