信号与系统郑君里版专业知识

信号与系统郑君里版专业知识2.1LTI连续系统的响应一、微分方程的经典解微分方程的经典解：y(t)(完全解)=yh(t)(齐次解)+yp(t)(特解）齐次解是齐次微分方程yh(t)的函数形式由上述微分方程的特征根确定。特解的函数形式与激励函数的形式有关。齐次解的函数形式仅与系统本身的特性有关，而与激励f(t)数形式无关，称为系统的固有响应或自由响应；特解的函数形式由激励确定，称为强迫响应。全响应＝齐次解(自由响应)＋特解(强迫响应)齐次解：写出特征方程，求出特征根（自然频率或固有频率）。根据特征根的特点，齐次解有不同的形式。一般形式（无重根）：特解：根据输入信号的形式有对应特解的形式，用待定系数法确定。在输入信号为直流和正弦信号时，特解就是稳态解。用初始值确定积分常数。一般情况下，n阶方程有n个常数，可用个n初始值确定。为特征根[例2.1.1]描述某系统的微分方程为y”(t)+5y’(t)+6y(t)=f(t)，求（1）当f(t)=2，t≥0；y(0)=2，y’(0)=-1时的全解；（2）当f(t)=，t≥0；y(0)=1，y’(0)=0时的全解。解:(1)特征方程为+5λ+6=0其特征根λ1=–2，λ2=–3。齐次解为由表2-2可知，当f(t)=2时，其特解可设为将其代入微分方程得解得P=1于是特解为全解为：其中待定常数C1,C2由初始条件确定。y(0)=C1+C2+1=2，y’(0)=–2C1–3C2–1=–1解得C1=3，C2=–2最后得全解（2）齐次解同上。当激励f(t)=时，其指数与特征根之一相重。由表知：其特解为yp(t)=(P1t+P0)代入微分方程可得P1=所以P1=1但P0不能求得。全解为将初始条件代入，得：y(0)=(C1+P0)+C2=1，y’(0)=–2(C1+P0)–3C2+1=0解得C1+P0=2C2=–1最后得微分方程的全解为上式第一项的系数C1+P0=2，不能区分C1和P0，因而也不能区分自由响应和强迫响应。二、关于0-和0+初始值1、0－状态和0＋状态0－状态称为零输入时的初始状态。即初始值是由系统的储能产生的；0＋状态称为加入输入后的初始状态。即初始值不仅有系统的储能，还受激励的影响。从0－状态到0＋状态的跃变当系统已经用微分方程表示时，系统的初始值从0－状态到0＋状态有没有跳变决定于微分方程右端自由项是否包含(t)及其各阶导数。如果包含有(t)及其各阶导数，说明相应的0－状态到0＋状态发生了跳变。0＋状态的确定已知0－状态求0＋状态的值，可用冲激函数匹配法。求0＋状态的值还可以用拉普拉斯变换中的初值定理求出。各种响应用初始值确定积分常数在经典法求全响应的积分常数时，用的是0＋状态初始值。在求系统零输入响应时，用的是0－状态初始值。在求系统零状态响应时，用的是0＋状态初始值，这时的零状态是指0－状态为零。2、冲激函数匹配法目的：用来求解初始值，求（0＋）和（0－）时刻值的关系。应用条件：如果微分方程右边包含δ（t）及其各阶导数，那么（0＋）时刻的值不一定等于（0－）时刻的值。原理：利用t＝0时刻方程两边的δ（t）及各阶导数应该平衡的原理来求解（0＋）①m≤n，则设②m>n，则设将y(t)及其各阶导数带入原方程，求出C0….Cm;对y(t)及各阶导数求（0－，0＋）的积分.[例2.1.2]：描述某系统的微分方程为y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2f’(t)+6f(t)，已知y(0-)=2，y’(0-)=0，f(t)=u(t)，求y(0+)和y’(0+)。解：将输入f(t)=u(t)代入上述微分方程得y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2δ(t)+6u(t)列式得：代入原方程得a=2，b=0由上可见，当微分方程等号右端含有冲激函数（及其各阶导数）时，响应y(t)及其各阶导数中，有些在t=0处将发生跃变。但如果右端不含时，则不会跃变。从0-到0+积分得：得：三、零输入响应和零状态响应1、定义：（1）零输入响应：没有外加激励信号的作用，只有起始状态所产生的响应。（2）零状态响应：不考虑起始时刻系统储能的作用，由系统外加激励信号所产生的响应。LTI的全响应：y(t)=yx(t)+yf(t)2、零输入响应（1）即求解对应齐次微分方程的解①特征方程的根为n个单根当特征方程的根(特征根)为n个单根(不论实根、虚根、复数根)λ1，λ2，…，λn时，则yx(t)的通解表达式为② 特征方程的根为n重根当特征方程的根(特征根)为n个重根(不论实根、虚根、复数根)λ1=λ2=…=λn时，yx(t)的通解表达式为:（2）求yx(t)的基本步骤①求系统的特征根，写出yx(t)的通解表达式。③将确定出的积分常数C1，C2，…，Cn代入通解表达式，即得yx(t)。②由于激励为零，所以零输入的初始值：确定积分常数C1，C2，…，Cn3、零状态响应（1）即求解对应非齐次微分方程的解（2）求yf(t)的基本步骤①求系统的特征根，写出的通解表达式yfh(t)。②根据f(t)的形式，确定特解形式，代入方程解得特解yfp(t)④将确定出的积分常数C1，C2，…，Cn代入全解表达式，即得。③求全解，若方程右边有冲激函数（及其各阶导数）时，根据冲激函数匹配法求得，确定积分常数C1，C2，…，Cn几种典型自由项函数相应的特解[例2.1.3]：描述某系统的微分方程为y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2f’(t)+6f(t),已知y(0-)=2，y’(0-)=0，f(t)=u(t)。求该系统的全响应，零输入响应和零状态响应。解：（1）y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2δ(t)+6u(t)利用系数匹配法 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 列式得：y’’(t)=aδ(t)+b，y’(t)=a，y(t)=0代入原方程得a=2，b=0根据微分方程经典求法：齐次解：齐次解形式为：特解,根据特解形式得到:解得B＝3解得全响应为：利用初始值解得：全响应为：瞬态分量稳态分量（2）零输入响应yx(t),激励为0，yx(0+)=yx(0-)=y(0-)=2yx’(0+)=yx’(0-)=y’(0-)=0根据特征根求得通解为：解得系数为代入得（3）零状态响应yf(t)满足y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2δ(t)+6u(t)利用系数匹配法解得：对t>0时，有yf”(t)+3yf’(t)+2yf(t)=6其齐次解为其特解为常数3，于是有根据初始值求得:自由响应＋强迫响应(Natural+forced)零输入响应＋零状态响应(Zero-input+Zero-state)暂态响应+稳态响应(Transient+Steady-state)四．系统响应划分相互关系零输入响应是自由响应的一部分，零状态响应有自由响应的一部分和强迫响应构成。自由响应强迫响应零输入响应零状态响应一．冲激响应1．定义系统在单位冲激信号δ(t)作用下产生的零状态响应，称为单位冲激响应，简称冲激响应，一般用h(t)表示。2.2冲激响应和阶跃响应[例2.2.1]描述某系统的微分方程为y”(t)+5y’(t)+6y(t)=f(t)求其冲激响应h(t)。解：根据h(t)的定义有h”(t)+5h’(t)+6h(t)=δ(t)h’(0-)=h(0-)=0，利用冲激函数匹配法，设：h”(t)=aδ(t)+bh’(t)=ah(t)=0解得：a=1,b=-5h(0+)=h(0-)=0h’(0+)=1+h’(0-)=1微分方程的特征根为故系统的冲激响应为代入初始条件求得C1=1,C2=-1,所以对t>0时，h”(t)+5h’(t)+6h(t)=0，故系统的冲激响应为齐次解。[例2.2.2]描述某系统的微分方程为y”(t)+5y’(t)+6y(t)=f”(t)+2f’(t)+3f(t)，求其冲激响应h(t)。解：根据h(t)的定义有h”(t)+5h’(t)+6h(t)=δ”(t)+2δ’(t)+3δ(t)(1)h’(0-)=h(0-)=0先求h’(0+)和h’(0-)，根据冲激函数匹配法得：h”(t)=aδ”(t)+bδ’(t)+cδ(t)+dh’(t)=aδ’(t)+bδ(t)+ch(t)=aδ(t)+b带入方程求得：a=1，b=-3，c=12，d=-42故h(0+)=–3，h’(0+)=12对t>0时，有h”(t)+6h’(t)+5h(t)=0微分方程的特征根为故系统的冲激响应为所以:h(t)=δ(t)+bh’(t)=δ’(t)-3δ(t)+ch”(t)=δ”(t)-3δ’(t)+12δ(t)+d代入初始条件h(0+)=–3，h’(0+)=12求得C1=3，C2=–6,所以结合式h(t)=δ(t)+b得:系统的输入e(t)=u(t)，其响应为r(t)=g(t)。系统方程的右端将包含阶跃函数u(t)，所以除了齐次解外，还有特解项。我们也可以根据线性时不变系统特性，利用冲激响应与阶跃响应关系求阶跃响应。二．阶跃响应1．定义系统在单位阶跃信号作用下的零状态响应，称为单位阶跃响应，简称阶跃响应，一般用g(t)表示。2．阶跃响应与冲激响应的关系线性时不变系统满足微、积分特性解：s由1转向2后，列写回路方程：R1i(t)+vc(t)=e(t)vc(t)=Li’L(t)+iL(t)R2列写结点方程：i(t)=Cv’c(t)+iL(t)[例2.2.4]电路如图所示，求电流i(t)对激励e(t)=u(t)的阶跃响应，t＝0时，s由1转向2。整理得到：i’’(t)+7i’(t)+10i(t)=e’’(t)+6e’(t)+e(t)阶跃响应满足：g(0+)=g(0-)=0,得特解B代入得：10B＝4，B＝2/5利用冲激函数匹配法求解初始值，所以：a=1,b=-1,c=1得：g(0+)=g(0-)+1=1g’(0+)=g’(0-)-1=-1得到：A1+A2+2/5=1-2A1-5A2=-1解得：A1=2/3,A2=-1/15得：2.3卷积积分一、信号的时域分解1、任意信号的分解2、任意信号作用下的零状态响应3、卷积积分（1）定义：已知定义在区间（–∞，∞）上的两个函数f1(t)和f2(t)，则定义积分记为：任意信号的零状态响应即为：（2）卷积积分的求解[例2.3.1]求卷积：解：[例2.3.2]：解：（b）卷积积分的图解：卷积过程可分解为四步：（1）换元：t换为τ→得f1(τ)，f2(τ)（2）反转平移：由f2(τ)反转→f2(–τ)右移t→f2(t-τ)（3）乘积：f1(τ)f2(t-τ)（4）积分：τ从–∞到∞对乘积项积分。[例2.3.3]f(t),h(t)如图所示，求yf(t)=h(t)*f(t)。解：[例2.3.4]：f1(t)、f2(t)如图所示，已知f(t)=f2(t)*f1(t)，求f(2).解：（1）换元（2）f1(τ)得f1(–τ)（3）f1(–τ)右移2得f1(2–τ)（4）f1(2–τ)乘f2(τ)（5）积分，得f(2)=0（面积为0）三、卷积积分的性质1、卷积的代数性质交换律：ƒ1(t)ƒ2(t)=ƒ2(t)ƒ1(t)分配律：ƒ1(t)[ƒ2(t)+ƒ3(t)]=ƒ1(t)ƒ2(t)+ƒ1(t)ƒ3(t)结合律：[ƒ1(t)ƒ2(t)]ƒ3(t)=ƒ1(t)[ƒ2(t)ƒ3(t)]2、主要性质：微分性质：积分性质：微积分性质：注：应用(1),(3)性质的条件是必须成立即必须有；否则不能应用。f(t)与阶跃函数的卷积：f(t)与冲激函数的卷积：ƒ(t)(t)=f(t)ƒ(t)(t-t0)=ƒ(t-t0)ƒ(t-t1)(t-t2)=ƒ(t-t1-t2)(t-t1)(t-t2)=(t-t1-t2)f(t)与冲激偶函数的卷积：ƒ(t)'(t)=f'(t)(t)=ƒ'(t)ƒ(t)''(t)=ƒ"(t)　时移性质若ƒ1(t)ƒ2(t)=ƒ(t)，则有ƒ1(t-t1)ƒ2(t-t2)=ƒ(t-t1-t2)利用卷积积分的性质来计算卷积积分，可使卷积积分的计算大大简化，下面举例说明。[例2.3.6]计算下列卷积积分：解：(1)先计算u(t)*u(t)。因为u(-∞)=0，故可应用卷积运算的微积分性质求得根据时移特性得(2)利用卷积运算的分配律和时移性质，可将给定的卷积计算式表示为[例2.3.7]：解：通常复杂函数放前面，代入定义式得注意：套用显然是错误的。[例2.3.8]求图所示两函数的卷积积分。解：===[例2.3.9]已知求f1(t)。解:将原式等号两端同时求一阶导数得本章总结：1、LTI连续系统的响应：全响应＝齐次解(自由响应)＋特解(强迫响应)2、关于0-和0+初始值当系统已经用微分方程表示时，如果包含有(t)及其各阶导数，说明相应的0－状态到0＋状态发生了跳变。冲激函数匹配法:3、零输入响应和零状态响应y(t)=yx(t)+yf(t)自由响应＋强迫响应；暂态响应+稳态响应；零输入响应＋零状态响应4、冲激响应和阶跃响应5、卷积积分卷积过程可分解为四步：（1）换元：t换为τ→得f1(τ)，f2(τ)（2）反转平移：由f2(τ)反转→f2(–τ)右移t→f2(t-τ)（3）乘积：f1(τ)f2(t-τ)（4）积分：τ从–∞到∞对乘积项积分。6、卷积积分的性质[ƒ1(t)ƒ2(t)]ƒ3(t)=ƒ1(t)[ƒ2(t)ƒ3(t)]