信号与线性系统课件.ppt

,教材内容纲要,绪论第一章,连续时域第二章,离散时域第七章,信号分解第三章,付氏变换第四章,拉普拉斯变换第五章,系统函数第六章,状态变量第十一章,付氏变换Z变换第八九章,基本概念引导核心内容,应用和拓宽加深部分,Compendiumoftextbook,教材内容纲要,第二章连续时间系统的时域分析,会建立描述系统激励e(t)与响应r(t)关系的微分方程，深刻理解转移算子H(p)的意义与应用。深刻理解系统的特征多项式、特征方程、特征根的(自然频率)的意义，并会求解。深刻理解系统的全响应,r(t)可分解为：零输入响应rzi(t)与零状态响应rzs(t)；自由响应与强迫响应；瞬态响应与稳态响应。会根据微分方程的特征根与已知的系统的初始条件，求解系统的零输入响应rzi(t)。深刻理解单位冲激响应h(t)的意义，并会求解。深刻理解卷积积分的定义、运算规律及主要性质，能会求解卷积积分。会应用卷积积分法求线性时不变系统的零状态响应rzs(t)。,基本要求：,2.1引言,2.2系统方程的算子表示法,2.3系统的零输入响应,2.4奇异函数,2.5信号的脉冲分解,2.6阶跃响应和冲激响应,2.7叠加积分,2.8卷积及其性质,2.9线性系统响应时域求解,第二章连续时间系统的时域分析,系统分析的基本任务是在给定系统和输入的条件下，求解系统的输出响应。,连续时间系统的时域分析法：在系统的整个分析过程都在连续时间域进行，即所涉及的函数自变量均为连续时间t的一种分析方法。,连续时间系统的变换域分析法：为便于求解方程而将时间变量变换成其他变量。,2.1引言,连续时间系统的分析方法:时域分析法;变换域分析法,所谓系统的模型是指对系统物理特性的抽象，用数学表达式或具有理想特性的符号图形来表征系统特性。数学模型-以数学表达式表征系统特性。,举例1：RLC串联电路,一、建立数学模型:线性系统输入输出方程/状态方程,数学模型的建立过程与应用系统的特性有关。对电系统而言，电路分析课程中已经提供了相应的理论和方法，主要有KCL和KVL方程,或,选取变量：电流i(t)列方程,举例2：双耦合电路对图示电路列写电流和电压的微分方程。,解：选取变量：电流i1(t)、i2(t)列方程由两类约束关系，分别列两回路方程得：回路1的KVL方程：,电阻R的伏安关系：整理后得：,回路2的KVL方程：,举例3.对图示电路，写出激励e(t)和响应r(t)间的微分方程。,将（2）式两边微分，得,将（3）代入（1）得,*由以上例题可以得出如下结论：1.求得的微分方程阶数与电路的阶数一致。例2：含有4个储能元件，故为四阶电路。例3：含有2个储能元件，故为二阶电路。,2.无论是电流i(t)或电压u(t),他们的齐次方程相同。说明同一系统的特征根相同，即自由频率是唯一的。,推广到一般：对于一线性系统其激励和响应函数或输入函数与输出函数之间的关系，总可用下列的微分方程输入输出方程描述：,n阶常系数线性微分方程,二、常系数n阶线性常微分方程的求解方法,（经典法）,古典解法解题过程：,齐次方程的通解：为n个指数项之和，其包含的n个待定常数，要用n个初始条件确定。该部分解为系统的自然响应或自由响应。,非齐次方程的特解：可根据系统激励函数的具体形式求取。该部分解为系统的受迫响应。,根据不同观点,全响应可分解为：自由响应分量和强迫响应分量；零输入响应和零状态响应分量；暂态响应分量和稳态响应分量。,1.时域分析法1)古典解法（直接解法）,2)叠加积分法（卷积积分、杜阿美尔积分）,2.变换域法系统方程为高阶微分方程或激励信号是较为复杂的函数，利用时域法求解方程十分困难。为求解方程常采用变换域的方法。即将自变量从时间变量变换为频率变量、复频率变量等.如：傅氏变换、拉氏变化等将求系统的微分方程转换求代数方程,系统的零输入响应：当系统外加激励信号为零时由初始状态单独作用产生的响应。,系统的零状态响应：当系统初始状态为零时由外加激励信号单独作用产生的响应。,求解方法：激励e(t)为零，只需求解齐次方程的解，并利用初始条件确定解中的待定系数。,求解方法：需求含有激励函数而初始条件为零的非齐次方程的解。方法1时域分析法:A直接解方程法B叠加积分法(卷积积分、杜阿美尔积分)方法2变换域法,零输入响应和零状态响应的求解,1.微分、积分算子定义,在n阶常系数线性常微分方程式中的和为时域中的微分运算符号,为方便起见,把微分运算符号用p表示，即令：把积分算子符号用1/p表示，即令：,n阶常系数线性常微分方程式的简化形式如下：,2.2系统方程的算子表示法一、微分、积分算子定义,规则1以p的正幂多项式出现的运算式，在形式上可以像代数多项式那样进行相乘和因式分解。mp+np=(m+n)ppmpn=p(m+n),其中m,n为任意整数例如:,规则2设A(p)和B(p)是p的正幂多项式，,二、微分、积分算子的运算规则,规则3微分算子方程等号两边p的公因式不能随便消去。例如方程,规则4对函数进行先除后乘算子p的运算时，公式的分子与分母中共有p算子允许消去。而对函数进行先乘后除运算时,则不能相消.也就是说,对函数乘除算子p的顺序不能随意颠倒,可见:大部分代数运算法则可以使用，但是有一些不能用,对于n阶连续系统,其输入-输出方程是n阶线性常系数微分方程若设系统输入为e(t)，输出为r(t)，则可表示为：,利用微分算子将上式表示成：,或简记为：,又可进一步写成：,转移算子H(p),它代表了系统对输入的传输作用,故称为响应对激励的传输算子,或系统的传输算子,三、转移算子,求系统的零输入响应：激励e(t)为零，求解齐次方程的解，并利用初始条件确定解中的待定系数。,求系统的零状态响应：系统的初始状态为零，求解的非齐次方程。,四、系统算子方程的一般表达式,例电路如图(a)所示，试写出u1(t)对f(t)的传输算子。,解画出算子模型电路如图(b)所示。由节点电压法列出u1(t)的方程为,所以u1(t)对f(t)的传输算子为,它代表的实际含义是,电容：C1/Cp电感：LLp,例如图(a)所示电路，电路输入为f(t)，输出为i2(t)，试建立该电路的输入输出算子方程。,电容：C1/Cp电感：LLp,解画出算子模型电路如图(b)所示。列出网孔电流方程如下：,整理：,该方程组对新设变量而言是一个微分方程组，可以用代数方法求解，得,系统的零输入响应是当系统没有外加激励信号时的响应。,求系统的零输入响应：激励e(t)为零，求解齐次方程的解，并利用初始条件确定解中的待定系数。,-称为系统的特征方程，方程解为特征方程的特征根,2.3系统的零输入响应一、零输入响应的概念二、特征方程,转移算子：,转移算子分母D(p)：特征多项式,简单系统1：1阶齐次方程，特征方程只有一个特征根p=。,积分常数C可根据t=0时由未加激励前的初始储能决定的初始值r(t)=r(0)来确定。上式为,一般情况下：初始条件为t=t0时，r(t)=r(t0)此时r(t)=r(t0)e(t-t0),1.简单系统,将上述结论推广到一般情况，n阶齐次方程，若其特征方程有n个单根。则其解的一般形式为：,式中：各为响应中的自然频率，也是H(p)的极点；c1、c2cn是n个应由系统初始条件确定的系数。,三、简单系统的零输入响应,简单系统2：系统特征方程在p=处，具有一个二阶重根。其解的通解,积分常数c0、c1可根据t=0时由未加激励前的初始储能决定的初始值r(t)=r(0)和r(t)=r(0)来确定。,将上述结论推广到一般情况，在p=处，具有一个k阶重根,有,式中，系数c0、c1、c2ck-1由系统初始条件确定。,2.一般系统的零输入响应,对于一般情况，设n阶连续系统，其特征方程具有n个特根，设1是k阶重根。,解题步骤：,A、将特征多项式D(p)进行因式分解，即,求出系统特征方程的根。其中设1有k阶重根,，,B、根据下式，求出第1个根1对应的零输入响应,C、将所有特征根的响应相加，得到系统的零输入响应，即,D、根据给定的零输入响应初始条件r(k)(0)k=0,1,2,n-1确定常数C1,C2,C(ri-1)（i=1,2,k）。,.,小结,图示RLC串联电路中，设L=1H，C=1F，R=2。若激励电压e(t)为零，且电路的初始条件（1）i(0)=1A/s,i(0)=0;(2)i(0)=0,uc(0)=10V,这里压降uc的正方向设与电流i的正方向一致。分别求上述两种初始条件时电路的零输入响应电流。,例题2-1：,上题中如将电路电阻改为1，初始条件为（1），求零输入响应电流。解：系统的微分方程为,求系数C1、C2：将和代入式（2-19C）得：,例题2-2：,解：,一、奇异函数的定义,有一个或多个间断点，在间断点上的导数用一般方法不好确定，这样的函数统称奇异函数,二、典型奇异函数,1.阶跃函数,连续时间单位阶跃信号用(t)表示，定义为当t=0时,取值没有定义,函数(t-t1):在t=t1处由0跃变为1的单位阶跃函数，它较(t)延迟一时间t1,2.4奇异函数,举例：在电路分析中，单位直流电压源或电流源，通过一个在t=0时刻闭合的开关,加到电路上的电压信号或电流信号，就可数学抽象为(t)。,*单位阶跃函数(t)乘以任何一个函数f(t)后,其乘积在阶跃之前为零,在阶跃之后保持原f(t)值*单位阶跃函数(t-t1)和另一函数相乘，有将后者从t1之前全部切除的作用。,t=0时,K闭合u(t)=E,t=0,(t)移位:,(a)(b)(c),画出sint、sint(t-t0)、sin(t-t0)(t-t0)波形,由单位阶跃函数可组成复杂的信号,例1,f(t)=t(t)-(t-1)+(t-1)=t(t)-(t-1)(t-1),2.冲激函数,定义1：从某些函数的极限来定义函数,冲激函数有几种不同的定义方式，本课程介绍两种定义。,单位冲激函数(t)可视为幅度1/与脉宽的乘积（矩形面积）为1个单位的矩形脉冲，当趋于零时脉冲幅度趋于无穷大的极限情况。,矩形脉冲的极限:,冲激函数常用图示带箭头的线段来表示。函数只在t=0处有“冲激”，而在t轴上其它各点取值为零。如果矩形面积为1，则在带箭头的线段旁注上(1)，表明冲激强度为单位值。如果在图形上将(A)注于箭头旁，则表示冲激强度为A单位值的(t)函数。,单位冲激函数又称狄拉克（Dirac）函数，函数的定义式为：,(t-t0）则表示在t=t0处所出现的冲激，如图所示。显然有：,冲激函数还可是三角形脉冲、高斯脉冲、抽样等函数的极限情况。,定义2：利用广义函数（或称分配函数）定义函数,考虑任何一个函数f（t）（该函数必须在t=0处连续）乘以单位冲激函数后在-tm,2）一般系统：系统的特征根D(p)=0的根无重根,ki的计算公式：,情况2：n=m,系统的冲激响应除包含指数函数外，还包含冲激函数。对于一般微分方程的系统的冲激响应为：,bm为转移算子中Pm的系数,情况3：n平移相乘叠加（积分）,二、卷积的图解机理,第四步，将f1()和f2(t-)相乘，得到卷积积分式中的被积函数f1()f2(t-)。第五步，计算乘积信号f1()f2(t-)波形与轴之间包含的净面积，便是式卷积在t时刻的值。第六步，令变量t在(-，)范围内变化，重复第三、四、五步操作，最终得到卷积信号f1(t)*f2(t)。,求f(t)与h(t)的卷积，实质上是求一个新函数f()h(t)在由0到t的区间内的定积分。根据定积分的几何意义，函数在0到t区间内的定积分值，决定于被积函数f()h(t)的曲线在该区间内与轴之间所限定的面积。,举例,（）变量替换后，将其中一信号反折,（）平移（左移到与另一信号没有重合后,再右移),*,解:,t-2,（）相乘,（）相乘,（4）相加：以上各图中的阴影面积，即为相乘积分的结果最后，若以t为横坐标，将与t对应积分值描成曲线，就是卷积积分e(t)*h(t)函数图像。,附：,卷积表,1.卷积代数,作为一种数学运算，卷积运算遵守代数（乘法）运算的某些规律：,（1）互换律设有u(t)、v(t)两函数，则,这表明卷积结果与两函数的次序无关,（2）分配律：设有u(t)、v(t)、w(t)三函数，则,实际上这个结果也是线性系统叠加特性的体现,（3）结合律：设有u(t)、v(t)、w(t)三函数，则,（2-63）,（2-65）,（2-64）,卷积的计算类似于函数的乘法计算。它的很多性质与乘法运算性质相同，但是也有一些不同。通过这些性质，可以方便卷积的计算。,三、卷积的性质,卷积代数运算与乘法运算的规律相同，但卷积的微分或积分却与函数相乘的微分或积分性质不同。,(4)函数相卷积后的微分两个函数相卷积后的导数等于其中一个函数的导数与另一个函数的卷积。其表示式为：,(5)函数相卷积后的积分两个函数相卷积后的积分等于其中一个函数的积分与另一个函数的卷积。其表示式为：,（2-66）,（2-67）,第4号公式（2-68）,此外：有,卷积的微分和积分,（6）函数延时后的卷积,两函数经延时后的卷积等于两函数卷积后延时，其延时量为两函数分别延时量的和。,如果则有,（2-69）,卷积的延时性质,互相关函数定义：两时间实函数x(t)、y(t)的相关运算由积分定义,Rxy(t)函数称为x(t)与y(t)的互相关函数，而Ryx(t)函数称为y(t)与x(t)的互相关函数,令=-t作变量置换，且置换后将积分变量仍用表示,有：,（2-70a）,（2-70b）,Rxy(t)与Ryx(t)的关系：,（2-71a）,（2-71b）,比较（2-70）与（2-71）,（2-72）,相关与卷积,自相关函数定义：进行相关运算的是同一时间信号，则称相关运算所得结果为自相关函数。,相关运算与卷积运算的关系：,自相关函数为时间t的偶函数,（2-73）,（2-74a）,（2-74b）,(t)(t)=t(t)，et(t)et(t)=tet(t),若f(t)=fa(t)*fb(t)fa(t)定义在(ta1，ta2)fb(t)定义在(tb1，tb2)则f(t)的定义范围为：(ta1+tb1，ta2+tb2),几个特殊函数的卷积：,例,图解法：,解析法：直接根据卷积定义式计算,方法四应用卷积的微分与积分性质求解,方法1：图解法,例题2-7P58例题2-8P65,方法2：解析法根据卷积定义求解,f(t)=f1(t)*f2(t),方法3：应用卷积的微分与积分性质求解例2-8P65,例题2-9求矩形脉冲f1(t)=(t-t1)-(t-t2),t2t1和指数函数f2(t)=e-t(t)的卷积解：,方法1：图解法,方法2：应用卷积的微分与积分性质求解,已知f1(t)=t(t)-(t+1),f2(t)=(t)-(t-1)求f(t)=f1(t)*f2(t),f(t)=0.5(1-t2)(t+1)-(t)+0.5(1-t)2(t)-(t-1),例:,例图2(a)所示为门函数，在电子技术中常称矩形脉冲，用符号g(t)表示，其幅度为1，宽度为，求卷积积分g(t)*g(t)。,由于门函数是偶函数，故其波形绕纵轴翻转180后与原波形重叠，图中用虚线表示。注意，t=0时，门函数左边沿位于x=-/2位置，右边沿位于x=/2位置，如图(b)所示。,方法一图解法。,在任一t时刻，移动门函数左边沿位于x=t-/2位置，右边沿则位于x=t+/2位置，如图(c)所示,按照图卷积过程的图解表示，可计算求得：,方法一图,图解法,方法二应用卷积运算的微积分和时移性质,方法二图,解析法：根据卷积定义式求解2.图解法求解3.利用卷积性质求解,例：求,卷积积分的求解方法小结：,举例1,举例2如图所示系统的e(t)、h(t)，求其零状态响应,解：,举例3P84习题2.27,齐次方程的通解,非齐次方程的特解,例4,a,解：,一、线性系统响应的时域求解方法,一个线性非时变系统对于某一激励函数的响应可看成由零输响应和零状态响应部分组成。零输入响应由系统的特征和开始计算时间t=0时系统的初始储能决定，它可由齐次方程得到。零状态响应则由系统的特征和外加激励决定，它可由外加激励函数与系统的单位激响应相卷积得到。,2.9线性系统响应时域求解,系统微分方程的一般形式为：,其中为转移算子,设特征方程无重根，且考虑N(p)的幂次一般低于D(p)，则有：,j为特征方程D(p)=0的n个根中的第j个根；Kj是转移算子展开为部分分式后的相应项的系数。,线性系统全响应时域求解的步骤如下：,第一步：由系统微分方程求转移算子,第二步：求零输入响应,设特征方程无重根，i为特征方程D(p)=0的n个根中的第j个根，则系统的零输入响应为,相应的各系数Cj须由未加输入的初始条件确定。,（2-76）,第三步：求零状态响应,先求系统冲激响应,转移算子部分分式中的算子项作用于单位冲激函数时的冲激响应为：,其解,系统冲激响应为,j为特征方程D(p)=0的n个根中的第j个根；Kj是转移算子展开为部分分式后的相应项的系数,系统的零状态响应为：,（2-78）,第四步：求全响应全响应=零输入响应+零状态响应,（2-79）,由于系统必须遵从因果律，它的零输入响应和冲激响应不可能出现于t0时，因此上式及式（2-76）、（2-78）中的(t)可省去。,二、几种典型函数信号激励下系统的响应,1.指数函数信号激励下系统的响应,当激励信号为指数函数时,系统的响应为（特征根为单根）：,整理上式,前一和式,后一和式,（2-81）,其中：,（2-80）,自然响应分量,受迫响应分量,几个重要概念：,（1）自然响应分量：在（2-81）的前一和式中诸项只含有自然频率，合称为系统的自然响应分量。,受迫响应分量：在（2-81）的后一和式中诸项只含有外加激励的频率S，称为系统的受迫响应分量。,（2）转移函数：在复频域中受迫响应分量中的因子称为系统的转移函数。意义：受迫响应分量中的因子为转移算子H(p)中的p换成激励频率S后的函数。转移函数H(s)在特定频率S时的值即为受迫响应中该频率在t=0时的值。,（3）瞬态响应分量：系统响应中随着时间增长而趋于零的部分称为瞬态响应分量。,稳态响应分量：系统响应中随着时间增长而趋于稳定的部分称为稳态响应分量。,对于一稳定系统：自然响应必随着时间增长而趋于零；受迫响应视激励函数的性质可能随着时间增长而趋于零，也可能随着时间增长而趋于稳定，或者两者都有。,（4）系统响应的分类,全响应=零输入响应+零状态响应=自然响应分量+受迫响应分量=瞬态响应分量+稳态响应分量,结论：对于一稳定系统系统的零输入响应必然是自然响应的一部分，零状态响应中又可分为自然响应和受迫响应两部分。零输入响应和零状态响应中的自然响应两部分合成总的自然响应，它必然是瞬态响应。受迫响应中随着时间增长而衰减消失部分也是瞬态响应中的一部分，随着时间增长仍存在并趋于稳定响应的部分则是稳态响应。,其中H(s)为将激励信号的指数因子s带入转移算子H(p)中，作为代数表达式进行计算而得到的数值。这个值实际上就是后面将要讨论的拉普拉斯变换。,如果激励信号的指数s与系统的某个特征根相同，则响应中有：,全响应零输入响应零状态响应自然响应分量受迫响应分量瞬态响应分量稳态响应分量,各响应间的关系（一般情况）,电源电压e(t)=(1+e-3t)(t)加于RC串联电路上。设R=1,C=1F,且uc(0-)=1V，求响应电压uc(t)。解：,=-1，零输入响应为,代入初始电压值，求得C1=1,RC电路的冲激响应为,零状态响应为,例题2-10,全响应电容电压为：,2.矩形脉冲信号激励下RC电路的响应,激励函数e(t)为一幅值是E脉冲宽度是0的矩形脉冲，表示为,设系统为零状态，单求零状态响应：,求电容电压uC,先考虑阶跃函数E(t)加于此电路时电容C上的电压uC1,电路方程或,同理，阶跃函数-E(t-0)加于此电路时电容C上的电压uC2为,矩形脉冲作用时电容上电压为,（2-83）,考虑(t)是est(t)中s=0的特例，令1/RC=a，利用公式（2-80）式中的第二和式，即得零状态响应uC1,求电阻电压uR,（2-82）,先考虑阶跃函数E(t)加于此电路时电容R上的电压uR1,电路方程为：其解：,同理，阶跃函数-E(t-0)加于此电路时R上的电压uR2为,讨论：系统参数对系统特性的影响,系统的时域特性由系统在特定信号激励下的响应表示，通常是系统的冲激响应。,一般系统的冲激响应由若干阶跃指数函数组成，指数函数的个数是微分方程的阶数。这些指数函数的性质由其自然频率决定。对于稳定系统，或为负实数或是两个均具负实部且为共轭复数对。前者对应于单调呈指数律衰减的响应，后者对应于幅度按指数律衰减的正弦振荡的响应。系统的自然响应与冲激响应具有相同的形式，系统的受迫响应同时与冲激响应及激励响应有关。,RC电路的冲激响应按指数规律作单调衰减，其特性表现为衰减的快慢。,概念：时间常数=RC决定RC电路的衰减速度,因其具有时间量纲,称为电路的时间常数。衰减常数时间常数倒数a=1/=1/RC，称为衰减常数。,结论：显然，时间常数值愈大或衰减常数a值愈小,则响应衰减愈慢；反之,响应衰减愈快。,微、积分电路：当外加激励时间参数0与电路时间常数满足不同条件时，RC电路可具有微、积分电路的性质。,很小，0时：电阻电压的波形呈一正一负尖顶脉冲形这时电路具有微分电路的性质。,很大，0时：电容电压在矩形脉冲存在期间，电路的输出响应近似与输入阶跃函数的积分，这时电路具有积分电路的性质。,RL电路的分析与RC电路类似,只是其电路的时间常数是=L/R,衰减常数a=1/=R/L。RL电路也具有微分和积分电路的性质。,讨论,讨论：梯形脉冲信号作用于系统,梯形脉冲e(t)如右图作用于一单位冲击响应为h(t)的零状态系统，系统对梯形脉冲的响应函数可表示为：,激励函数e(t)为较复杂函数，为简化计算可将响应函数微分两次，得,其中如右图，其值为：,与h(t)相卷积可得,对进行两次积分,基本概念：系统的数学模型、特征方程、特征根、奇异函数、零输入响应、零状态响应、单位冲激响应、单位阶跃响应、自然响应、受迫响应、瞬态响应、稳态响应、卷积。基本运算：零输入响应的求解、单位冲激响应及单位阶跃响应的求解、零状态响应的求解、卷积的几何含义、卷积性质的应用。,本章小结,线性时不变系统的时域分解法有两种：1经典法：常规的线性微分方程的求解方法，先确定解的形式。将响应分为两部分：1）自然响应：即通解，由相应的齐次微分方程的解，由系统的自然属性产生；2）受迫响应：即特解，由激励项引起。最后，将两部分解相加，带入初始条件确定其中的待定系数，最终确定全响应。经典法的主要缺点是在激励信号比较复杂时难于确定其特解。,复习：线性系统响应的时域求解法,2近代时域法（卷积法）：将解分为零输入响应和零状态响应两部分：1）零输入响应：激励信号为零时，系统的响应。其解法主要有经典法。在经典法中仅仅有自然响