【信号与系统】(二十二)拉普拉斯变换与复频域分析 |
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文章目录
s域分析1 微分方程的变换解2 连续系统函数
H
(
s
)
H(s)
H(s)的定义和求解3
H
(
S
)
H(S)
H(S)的零极点分布与时域特性3.1 系统函数的零点与极点3.2 系统函数
H
(
s
)
H(s)
H(s)与时域响应
h
(
t
)
h(t)
h(t)
4 连续系统稳定性判别5 系统函数与系统的频率特性6 连续系统的s域框图7 连续系统的信号流图8 梅森(Mason)公式9 连续系统的模拟9.1 直接形式9.2 级联形式9.3 并联形式
10 零极点配置的作用10.1 极点增强效益10.2 零点抑制效益
11 低通、带通、带阻滤波器中零极点的配置11.1 低通滤波器11.2 带通滤波器11.3 带阻滤波器
s域分析
1 微分方程的变换解
问题:如何用拉普拉斯变换求如下n阶系统的微分方程? 系统的初始状态为 y ( 0 − ) , y ( 1 ) ( 0 − ) , … , y ( n − 1 ) ( 0 − ) y(0-), y^{(1)}(0-), \ldots, y^{(\mathrm{n}-1)}(0-) y(0−),y(1)(0−),…,y(n−1)(0−) 方法是利用拉普拉斯变换微分特性: 微分方程两边进行拉氏变换:
系统函数
H
(
s
)
H(s)
H(s)定义: 说明:系统函数只与系统的结构、元件参数有关,与激励、初始状态无关。 连续系统不同描述方法的关系: 零点用⭕表示;极点用❌表示。 极点: s = − 1 ± j 2 s=-1\pm j2 s=−1±j2 3.2 系统函数 H ( s ) H(s) H(s)与时域响应 h ( t ) h(t) h(t)讨论冲激响应的函数形式与H(s)的极点关系? 对于连续因果系统, H ( s ) H(s) H(s)按其极点在 s s s平面上的位置可分为:在左半开平面、虚轴和右半开平面三类 (1)极点在左半开平面 响应函数震荡衰减。 以上三种情况:当 t → ∞ t→∞ t→∞时,响应均趋于0,属暂态分量 (2)极点在虚轴上 (3)在右半开平面 均为递增函数 1.连续系统稳定的充分必要条件是绝对可积: 若 H ( s ) H(s) H(s)的收敛域包含 j w jw jw虚轴,则该系统必是稳定系统。 2.连续因果系统稳定的充分必要条件是 系统左半开平面的极点对应的响应为衰减函数,故, 若 H ( s ) H(s) H(s)的极点均在左半开平面,则该系统必是稳定的 因果系统 3. 稳定系统的 S 域判别方法
1.
H
(
s
)
H(s)
H(s) 与
H
(
j
ω
)
H(jω)
H(jω) 关系 2. H ( s ) H(s) H(s) 零、极点与连续系统频率特性 系统幅频特性与零点无关,与极点有关。 H ( w ) H(w) H(w):零点模值相乘除极点模值相乘。 6 连续系统的s域框图
(1)选择求和器的输出 X ( s ) X(s) X(s)作为中间变量 (2)对求和器输入输出 X ( s ) X(s) X(s)列方程 (3)写出 Y ( s ) Y(s) Y(s)和 X ( s ) X(s) X(s)关系式 (4)整理得到 Y ( s ) Y(s) Y(s)表达式 (5)写出微分方程 7 连续系统的信号流图信号流图是系统方框图简化的表示方法。 1.定义 :信号流图是由结点和有向线段组成的几何图形。它可以简化系统的表示,并便于计算系统函数。 2.信号流图中常用术语 说明:纯粹地记忆这些概念没什么意义,可以通过例题来理解。 (1)结点: 信号流图中的每个结点 (2)支路和支路增益: 连接两个结点之间的有向线段称为支路。每条支路上的权值(支路增益)就是该两结点间的系统函数(转移函数)。 即用一条有向线段表示一个子系统 (3)源点与汇点,混合结点: 仅有出支路的结点称为源点(或输入结点)。 仅有入支路的结点称为汇点(或输出结点)。 有入有出的结点为混合结点 。 (4)通路、开通路、闭通路、不接触回路、自回路 通路-沿箭头指向从一个结点到其他结点的路径。 开通路-如果通路与任一结点相遇不多于一次。 闭通路-若通路的终点就是通路的起点(与其余结点相遇不多于一次。) 不接触回路-相互没有公共结点的回路。 自回路-只有一个结点和一条支路的回路。 (5)前向通路,前向通路增益,回路增益: 前向通路-从源点到汇点的开通路。 前向通路增益-前向通路中各支路增益的乘积。 回路增益-回路中各支路增益的乘积。 3.信号流图的基本性质 (1)信号只能沿支路箭头方向传输。 支路的输出=该支路的输入与支路增益的乘积。 (2)当结点有多个输入时,该结点将所有输入支路的信号相加,并将和信号传输给所有与该结点相连的 输出支路。 4.方框图 ↔ \leftrightarrow ↔流图 注意:加法器前引入增益为1的支路 5.流图的基本规则
系统函数 H ( s ) H(s) H(s)记为 H H H。梅森公式为: H = 1 Δ ∑ i p i Δ i H=\frac{1}{\Delta} \sum_{i} p_{i} \Delta_{i} H=Δ1i∑piΔi
剩余特征多项式:用与特定前向通路不相交的回路计算。 9 连续系统的模拟由系统函数画流图 9.1 直接形式分子中每项看成是一条前向通路。分母中,除1之外,其余每项看成一个回路。画流图时,所有前向通路与全部回路相接触。所有回路均相接触。 由梅森公式:流图包含两条开路,一个环。 (1)画出
s
−
1
s^{-1}
s−1 (2)确定输入输出 (3)根据分母h画环:
−
a
0
s
\frac{-a_0}{s}
s−a0 (4)根据分子画通路 两种形式区别:环和通路公共点不同 (1)画出 s − 1 s^{-1} s−1 (2)确定输入输出 (3)根据分母构造环: − a 1 s \frac{-a_1}{s} s−a1, − a 0 s 2 \frac{-a_0}{s^2} s2−a0 (4)根据分子画通路
适当配置零极点对,可以互相抵消在频率响应上的影响,因此,可以利用这些不同的频率选择特性,来观察结果,设计低通、高通、带通和带阻(陷波)滤波器。 11 低通、带通、带阻滤波器中零极点的配置 11.1 低通滤波器
中国大学MOOC:信号与系统 ,西安电子科技大学,郭宝龙,朱娟娟 |
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