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)t14h(t)t31

脉冲 x(t) = 4(0 ≤ t < 1 s,其他时刻为零)加到冲激响应为 h(t) = 1(0 ≤ t < 3 s,其他时刻为零)的系统上。求 t = 2.5 s 时的输出 y(2.5)。

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 3 st = 2.5 s
y(2.5) =
2.卷积与线性时不变系统困难
δ[n]2+h[n]−0.8·z⁻¹+

某系统满足 y[n] = −0.8·y[n − 1] + 2·x[n],初始状态为静止。求它的冲激响应样本 h[3]。

y[n] = −0.8y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (5s + 25)/(s² + 4s + 3)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−t + B·e−3t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (5s + 25)/(s² + 4s + 3)
A =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 6y = 0,初始条件 y(0) = 2,y′(0) = 12,并求 y(0.3)。

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 12t = 0.3 s
y(0.3) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 91/(s² + 7s + 91),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) = 91/(s² + 7s + 91)
ts = s
6.阶跃响应困难
+−5 VR = 14 ΩL = 500 mHC = 100 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 14 Ω,L = 500 mH,C = 100 µF,在 t = 0 时接到 5 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电压第一个峰值出现的时间 tp,单位 ms。

R = 14 ΩL = 500 mHC = 100 µFV = 5 V
tp = ms
7.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

求 G(s) = 3094/((s + 13)(s + 17)) 在 ω = 3 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 3094/((s + 13)(s + 17))ω = 3 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 + 1)(s + 3))。 求给出 3 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))GM = 3 dB
K =

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: y(2.5) = 4

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, 1] → 长度 1 s

积分

y(2.5) = 4·1·1 = 4

答案

y(2.5) = 4

y(t) 是梯形:从 0 上升,保持在 4,并在 t = 4 s 时回落到 0。

2.卷积与线性时不变系统

答案: h[3] = −1.024

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)|。

迭代

h[0] = 2
h[1] = −1.6
h[2] = 1.28
h[3] = −1.024

结果

h[3] = 2·(−0.8)3 = −1.024

答案

h[3] = −1.024
3.拉普拉斯变换

答案: A = 10

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 + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 3)

遮盖法

乘以 (s + 1) 并令 s = −1:B 项消失。

A = (5s + 25)/(s + 3) |s = −1 = 20/2 = 10

答案

A = 10
(B = −5,所以 f(t) = 10·e−t − 5·e−3t)
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = 3.373

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 − 2s − 12 + 5(sY − 2) + 6Y = 0
Y(s) = (2s + 22)/((s + 2)(s + 3))

部分分式

A = 18/1 = 18
B = 16/(−1) = −16

结果

y(t) = 18·e−2t − 16·e−3t
y(0.3) = 3.373

答案

y(0.3) = 3.373

检验:y(0) = A + B = 2。

5.阶跃响应

答案: ts = 1.143 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 = 91 → ωₙ = 9.539 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9.539) = 0.3669

结果

ζωₙ = 3.5 → ts ≈ 4/3.5 = 1.143 s

答案

ts = 1.143 s
6.阶跃响应

答案: tp = 22.32 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0.5·1 × 10⁻⁴) = 141.4 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (14/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.5) = 0.09899

结果

ωd = 140.7 rad/s
tp = π/ωd = 22.32 ms

答案

tp = 22.32 ms
7.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 22.56 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(j3)| = 3094/(√(3² + 13²)·√(3² + 17²)) = 3094/(13.34·17.26) = 13.43

结果

20·log₁₀(13.43) = 22.56 dB

答案

|G(jω)| = 22.56 dB
8.伯德图与裕度

答案: K = 8.495

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/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1.732 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

所需增益

12/K = 103/20 = 1.413
K = 12/1.413 = 8.495

答案

K = 8.495

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