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)t22h(t)t12

脉冲 x(t) = 2(0 ≤ t < 2 s)与 h(t) 做卷积,h(t) 是一个三角形,从 t = 0 时的 2 线性下降到 t = 1 s 时的 0。求 y(t) = x(t) ∗ h(t) 下的面积 Ay。

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 2, h(1) = 0
Ay =
2.卷积与线性时不变系统困难
x(t)t (ms)2485−5

三角波在 −5 和 +5 之间线性上升和下降,周期 T = 4 ms。求它在 750 Hz 处的傅里叶分量幅值 c3。

±5T = 4 msf = 750 Hz
c3 =
3.拉普拉斯变换中等
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16−182

用配方法求 F(s) = (2s + 33)/(s² + 2s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(0.75)。

F(s) = (2s + 33)/(s² + 2s + 5)t = 0.75 s
f(0.75) =
4.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

某系统满足 y″ + 3y′ + 2y = 2·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(0.25)。

y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.25 s
y(0.25) =
5.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 62/(s² + 8s + 62),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 62/(s² + 8s + 62)
ζ =
6.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 20))。求使阶跃响应有 25 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 25 %
K =
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40 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 = 40 Hz
φ = °
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 + 9)(s + 10))。 求给出 20 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))GM = 20 dB
K =

3溶液

1.卷积与线性时不变系统

答案: Ay = 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)。

输入的面积

∫x dt = 2·2 = 4
∫h dt = ½·1·2 = 1

输出的面积

Ay = 4·1 = 4

答案

Ay = 4
2.卷积与线性时不变系统

答案: c3 = 0.4503

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 = 250 Hz → k = 3

振幅

c3 = 8·5/(π²·3²) = 0.4503

答案

c3 = 0.4503
3.拉普拉斯变换

答案: f(0.75) = 7.37

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)。

配方

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

匹配分子

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (31/2)·2/((s + 1)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−t·(2·cos 2t + 15.5·sin 2t)
f(0.75) = e−0.75·(2·cos(2·0.75) + 15.5·sin(2·0.75)) = 7.37

答案

f(0.75) = 7.37
4.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = 5.902

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 + 3s + 2)·Y(s) = 6s + 18 + 8/s
Y(s) = (6s² + 18s + 8)/(s(s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 8/(1·2) = 4
B = −4/((−1)·1) = 4
C = −4/((−2)·(−1)) = −2

结果

y(t) = 4 + 4·e−t − 2·e−2t
y(0.25) = 5.902

答案

y(0.25) = 5.902

检验:y(0) = A + B + C = 6。

5.阶跃响应

答案: ζ = 0.508

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 = 62 → ωₙ = 7.874 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7.874) = 0.508

结果

ζ = 0.508

答案

ζ = 0.508
6.阶跃响应

答案: K = 613.6

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) = K/(s² + 20s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 0.4037

增益

ωₙ = 20/(2ζ) = 24.77 rad/s
K = ωₙ² = 613.6

答案

K = 613.6
7.伯德图与裕度

答案: φ = −14.11 °

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 = 40/159.2 = 0.2513

相位

φ = − atan(0.2513) = −14.11°

答案

φ = −14.11°
8.伯德图与裕度

答案: K = 171

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/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9.487 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 81)·√(ω² + 100)) = K/(9·10·(9 + 10)) = K/1710

所需增益

1710/K = 1020/20 = 10
K = 1710/10 = 171

答案

K = 171

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