连续时间系统S域零极点分析

第4章 连续时间系统的S 域分析4.1拉普拉斯变换的定义、收敛域（一） 定义拉氏正变换：()()()0stf t F s f t e dt ∞-==⎡⎤⎣⎦⎰拉氏逆变换：()()112j st j F s F s e ds j σσπ+∞--∞=⎡⎤⎣⎦⎰ （二） 常用函数的拉氏变换[1] 阶跃函数()01stste u t e dt ss∞-∞-==-=⎡⎤⎣⎦⎰ [2] 指数函数()01a s tatat ste ee e dt a sa s∞-+∞---⎡⎤==-=⎣⎦++⎰ （σ>a -） [3] n t 函数[]21t s =232t s ⎡⎤=⎣⎦1!nn n t s +⎡⎤=⎣⎦[4] 冲激函数()()01stt t e dt δδ-∞-==⎡⎤⎣⎦⎰ ()()0000st stt t t t e dt e δδ-∞---=-=⎡⎤⎣⎦⎰4.2拉普拉斯逆变换（一） 部分分式分解[1]极点为实数，无重根例 求下示函数的逆变换()()()3259712s s s F s s s +++=++ 解 用分子除以分母（长除法）可得()()()()()()322222222225971232277323232232332323221212s s s F s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s +++=++++++=++++++++++=++++++++=++-++ 故有()()()222t t f t t t e e δδ--'=++- ()0t ≥[2]包含共轭复数极点()()12cos sin tA jB A jB e A t B t s j s j αββαβαβ--⎡⎤+-+=-⎡⎤⎢⎥⎣⎦+-++⎣⎦例 求下面函数的逆变换()()()223252s F s s s s +=+++ 解()()()()()()()()2222220123252312231212221212s F s s s s s s s s s j s j s k k k s s j s j +=++++=⎡⎤+++⎣⎦+=+++-+=++++-++下面分别求系数012,,k k k()()02725s k s F s =-=+=()()21123121225s j s j k s j s =-++-+==+++ 也即12,55A B =-=，故而可以得到其逆变换的函数表达式 ()()()27122cos 2sin 2555t t f t e e t t --⎡⎤=-+⎢⎥⎣⎦()0t ≥ [3]多重极点设有()()()()()()()()()()1111121111k kkk A s A s F s B s s p D s E S K K K s p D S s p s p -==-=++⋅⋅⋅++---现记()()()11kF S s p F s =-则个系数的计算公式为：()()1111111!i i i s p d K F s i ds --==-例 求下示函数的逆变换()()321s F s s s -=+解 将()F s 写成展开式()()()131112232111K K K K F s s ss s =++++++ 容易求得：()202s K sF s ===-为求出与重根有关的个系数，令()()()3121s F s s F s s-=+=故有11123S s K s=--==12122S d s K ds s =--⎛⎫== ⎪⎝⎭213211222S d s K ds s =--⎛⎫== ⎪⎝⎭于是有()()()323222111F s s ss s =++-+++ 所求逆变换为()232222t t t f t t e te e ---=++- ()0t ≥4.3微分方程的S 域求解对于二阶连续时间LTI 系统，描述系统的微分方程为()()()()()1010,0y t a y t a y t b x t b x t t ''''++=+≥()()0,0y y --'为系统的初始状态。

六拉普拉斯反变换部分分式展开法计算拉普拉斯反变换方法 1 利用复变函数中的留数定理 2 采用部分分式展开法 [例] 采用部分分式展开法求下列的反变换解 Fs为有理真分式极点为一阶极点解解 Fs为有理假分式将Fs化为有理真分式归纳 1 Fs为有理真分式m n极点为一阶极点 2 Fs为有理真分式 m n极点为r重阶极点 3 Fs为有理假分式 m n 为真分式根据极点情况按1或2展开[例] 求下列Fs的反变换解解令s2q 解 k2 k3用待定系数法求信号的复频域分析小结信号的复频域分析实质是将信号分解为复指数信号的线性组合信号的复频域分析使用的数学工具是拉普拉斯变换利用基本信号的复频谱和拉普拉斯变换的性质可对任意信号进行复频域分析复频域分析主要用于线性系统的分析连续系统响应的复频域分析微分方程描述系统的S域分析电路的S域模型微分方程描述系统的S域分析时域微分方程时域响应yt S域响应Ys 拉氏变换拉氏反变换解微分方程解代数方程 S域代数方程二阶系统响应的S域求解已知 f ty0-y 0- 求yt 1 经拉氏变换将域微分方程变换为域代数方程 2 求解s域代数方程求出Yxs Yf s 3 拉氏反变换求出响应的时域表示式求解步骤 Yxs Yfs yt a1yt a2y t 系统的微分方程为 yt5yt6yt2ft8ft 激励fte-tut初始状态y0-3 y0-2求响应yt 例1 解对微分方程取拉氏变换可得电路的s域模型时域复频域 RLC串联形式的s域模型 [例2]图示电路初始状态为vc0--E 求电容两端电压 vct 解建立电路的s域模型由s域模型写回路方程求出回路电流电容电压为系统函数Hs与系统特性系统函数Hs 系统函数的定义Hs与ht的关系s域求零状态响应求Hs的方法零极点与系统时域特性零极点与系统频响特性连续系统的稳定性一系统函数Hs 1定义系统在零状态条件下输出的拉氏变换式与输入的拉式变换式之比记为Hs 2 Hs与ht的关系 ht t yft tht 一系统函数Hs 3求零状态响应 4求Hs的方法①由系统的冲激响应求解HsL[ht] ③由系统的微分方程写出Hs ht Hs ft yftftht Fs YfsFsHs ②由定义式第七章连续时间信号与系统的S域分析连续时间信号的复频域分析连续时间系统的复频域分析连续时间系统函数与系统特性连续时间系统的模拟 71 连续时间信号的复频域分析从付立叶变换到拉普拉斯变换单边拉普拉斯变换及其存在的条件常用信号的拉普拉斯变换拉普拉斯变换的性质拉普拉斯变换反变换一从傅里叶变换到拉普拉斯变换f teatut a 0的傅里叶变换不存在将ft乘以衰减因子推广到一般情况令s j 定义对 fte-t求傅里叶反变换可推出拉普拉斯正变换拉普拉斯反变换拉普拉斯变换符号表示及物理含义符号表示物理意义信号ft可分解成复指数est的线性组合 Fs为单位带宽内各谐波的合成振幅是密度函数 s是复数称为复频率Fs称复频谱关于积分下限的说明二单边拉普拉斯变换及其收敛条件积分下限定义为零的左极限目的在于分析和计算时可以直接利用起始给定的0-状态单边拉普拉斯变换单边拉普拉斯变换的收敛域对任意信号ft 若满足上式则 ft应满足 0 拉氏变换存在的充要条件为绝对可积 0称收敛条件收敛区 j 0 0称收敛坐标 S平面右半平面左半平面 [例] 计算下列信号拉普拉斯变换的收敛域分析求收敛域即找出满足的取值范围收敛域为全S平面不存在 1指数型函数e t ut 三常用信号的拉普拉斯变换同理正弦信号 2 阶跃函数ut 4 t的正幂函数t nn为正整数根据以上推理可得四拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系 [例] 计算下列信号的拉普拉斯变换与傅里叶变换解时域信号傅里叶变换拉普拉斯变换不存在结论 1当收敛域包含纵轴时拉普拉斯变换和傅里叶变换均存在2当收敛域不包含纵轴时拉普拉斯变换存在而傅里叶变换不存在 3当收敛域的收敛边界位于纵轴时拉普拉斯变换和傅里叶变换均存在五拉普拉斯变换的性质 1线性特性若则 2展缩特性若则 3时移右移特性若则例题p241 4卷积特性 5乘积特性乘积性质两种特殊情况 1 指数加权性质s域平移特性若则 2线性加权性质s域微分特性 6微分特性 [证明] 重复应用微分性质求得若ft0 t 0则有 f r0 - 0r012 7积分特性若 f -10- 则有 [证明] 其中右边第一项第二项按部分分式得 8初值定理和终值定理若注意事项p247。

第四章 拉普拉斯变换、连续时间系统的S 域分析基本要求通过本章的学习，学生应深刻理解拉普拉斯变换的定义、收敛域的概念：熟练掌握拉普拉斯变换的性质、卷积定理的意义及它们的运用。

能根据时域电路模型画出S 域等效电路模型，并求其冲激响应、零输入响应、零状态响应和全响应。

能根据系统函数的零、极点分布情况分析、判断系统的时域与频域特性。

理解全通网络、最小相移网络的概念以及拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系。

会判定系统的稳定性。

知识要点1. 拉普拉斯变换的定义及定义域 （1） 定义单边拉普拉斯变换： 正变换0[()]()()stf t F s f t dt e ζ∞--==⎰逆变换 1[()]()()2j stj F s f t F s ds j e σσζπ+∞-∞==⎰双边拉普拉斯变换： 正变换()()stB s f t dt e F ∞--∞=⎰逆变换1()()2j stB j f t s ds j e F σσπ+∞-∞=⎰（2） 定义域若0σσ>时，lim ()0tt f t eσ-→∞=则()tf t eσ-在0σσ>的全部范围内收敛，积分0()stf t dt e +∞--⎰存在，即()f t 的拉普拉斯变换存在。

0σσ>就是()f t 的单边拉普拉斯变换的收敛域。

0σ与函数()f t 的性质有关。

2. 拉普拉斯变换的性质 （1） 线性性 若11[()]()f t F S ζ=,22[()]()f t F S ζ=,1κ,2κ为常数时，则11221122[()()]()()f t f t F s F s ζκκκκ+=+（2） 原函数微分 若[()]()f t F s ζ=则()[]()(0)df t sF s f dtζ-=- 11()0()[]()(0)n n n n r r nr d f t s F s s f dt ζ----==-∑ 式中()(0)r f-是r 阶导数()r rd f t dt 在0-时刻的取值。

实验三 连续系统的s 域分析学号： 姓名： 成绩：一、实验目的（1）熟悉拉氏变换。

（2）掌握系统响应s 域求法。

（3）熟悉系统的频率响应。

二、实验原理连续LTI 系统，在s 域可以用系统函数H(s)描述，其实质是系统冲激响应h(t)的拉氏变换。

)()()(s A s B s H =（1） 拉氏逆变换若H(s)的极点分别为p1,…,pn ，则H(s)可表示为：部分分式+多项式∑=+-+⋅⋅⋅+-+-=Mm m m n n s c p s r p s r p s r s H 02211)(由此可以方便的求出其拉氏逆变换（即对应的时间域信号）。

（2）s 域求响应变换到s 域，系统响应等于激励信号与系统函数相乘)()()(s H s E s R =（3）系统的频率响应如果系统函数H(s)的收敛域包含虚轴，则令s=j ω，得到系统的频率响应H(j ω)。

三、验证性实验 已知系统)(9)(3)(8)(6)()1()1()2(t e t e t r t r t r+=++，其系统函数为8693)(2+++=s s s s H 。

（1） 求零、极点。

程序： clear;b=[3,9]; %分子多项式系数 a=[1,6,8]; %分母多项式系数 zs=roots(b); ps=roots(a);plot(real(zs),imag(zs),'go',real(ps),imag(ps),'rx'); grid;legend('zero','pole');-4-3.5-3-2.5-2问题：该系统的零点能够抵销什么形式的激励信号？（2） 求冲激响应h(t)（系统函数的逆变换） 程序： clear;b=[3,9]; %分子多项式系数 a=[1,6,8]; %分母多项式系数 [r,p,k]=residue(b,a) 运行结果： r =1.5000 1.5000 p = -4 -2 k = [] 则t t e e t h s s s H 245.15.1)(25.145.1)(--+=+++=问题：该系统是不是稳定系统？（3） e(t)=u(t)时，求零状态响应ss s s s E s H s R st u L s E 8693)()()(1)]([)(23+++====程序： clear;b=[3,9]; %分子多项式系数 a=[1,6,8,0]; %分母多项式系数[r,p,k]=residue(b,a); %求留数、极点 t=0:0.1:10;f=r(1)*exp(p(1)*t)+r(2)*exp(p(2)*t)+r(3)*exp(p(3)*t); plot(t,f);02468100.511.5问题：响应的极点有哪些，与激励相同的极点是哪一个，对应着响应的什么分量？（4） 求频率响应H(j ω)。

第4章拉普拉斯变换、连续时间系统的s域分析第4章拉普拉斯变换、连续时间系统的s 域分析4.1 基本要求1. 深刻理解拉普拉斯变换的定义、收敛域的概念；2. 熟练掌握拉普拉斯变换的性质、卷积定理的意义和它们的运用；3. 能根据时域电路模型画出s 域等效电路模型，并求其冲激响应、零输入响应、零状态响应和全响应；4. 能根据系统函数的零、极点分布情况分析、判断系统的时域与频域特性；5. 理解全通网络、最小相移网络的概念以及拉普拉斯变换与傅立叶变换的关系；6. 会判断系统的稳定性。

4.2 公式摘要1. 拉氏变换、傅氏变换和算子符号之间的区别和联系（1）拉氏变换法在求解问题时能够把初始条件的作用计入，而算子符号则不能。

但是拉氏变换不能反映出零输入响应，可能会丢失一些固有频率，而算子符号则不会。

（2）傅氏变换为时域到频域变换，ω只能描述振荡重复频率；拉氏变换为时域到复频域变换，s 不仅能描述振荡，也能反映振荡幅度的衰减或增长速率。

（3）拉氏变换收敛域坐标00σ>则对应傅立叶不存在；收敛坐标00σ<则对应傅立叶变换只需将s 用j ω替换即可；收敛坐标00σ=，则不能简单地用j ω替换s 得到对应的傅立叶变换，除此之外还将出现冲激项。

2. 利用拉氏变换性质求拉氏变换（1）单边拉氏变换收敛域形式为Re[]s a >，极点在a 左边。

（2）利用延时定理求解拉氏变换适用于00()()f t t u t t --且00t >。

利用尺度变换求解拉氏变换适用于()f at 且0a >。

（3）利用时域微积分特性求解单边拉氏变换需要注意起始值(0)f-和积分值01(0)()f f d ττ----∞=?。

必须理解采用0-的原因是需要把0t =处可能有的冲激考虑在内。

（4）注意单边拉氏变换的卷积定理要求参与卷积的信号为因果信号。

（5）务必注意：对信号作各种操作后，会对收敛域有影响。

3. 求双边拉氏变换及其收敛域（1）反因果信号2()()()f t f t u t =-的双边拉氏变换求解时需将它的积分区间通过变量替换为0到正无穷，以便判断收敛域范围。

报告四：一、设计题目1求信号)()(2t e t f t ε-=的拉普拉斯变换. 2求6554)(2+++=s s s s F 的拉普拉斯反变换3求象函数6554)(22++++=s s s s s F 的零点，极点，并绘制零点分布图。

4已知某线性时不变系统的系统函数121)(2++-=s s s s H ，求该系统的单位冲激相应和频率响应，并用matlab 绘制它们的曲线二、设计目的 1.掌握拉普拉斯变换的定义及收敛问题。

2.掌握拉普拉斯逆变换的求解方法。

3.掌握用MTLAB 仿真实现拉普拉斯变换。

三、设计原理连续时间信号的拉普拉斯变换F(s)的定义为正变换；F s =f (t )e −st dt +∞0逆变换；f t = F jω e st ds σ+j∞σ−j∞拉普拉斯变换有两个主要用途；求解微分方程和分析系统特性。

求解常系数线性微分方程的时候，需要利用拉普拉斯逆变换求出时域的表达式。

四、设计的过程及仿真1clear all; close all; clc;syms t s;ft=exp(-2*t);Fs=laplace(ft,t,s)运行后的结果为：F=1/(s + 2)clear all; close all; clc;syms t s;Fs=sym('(4*s+5)/(s^2+5*s+6)') ;ft=ilaplace(Fs,s,t)运行后的结果为：ft ==7/exp(3*t) - 3/exp(2*t)3.clear all; close all; clc;b=[1 4 5] %F(s)表达式分子式的系数向量a=[1 5 6] %F(s)表达式分母式的系数向量[z,p,k] = tf2zp(b,a) %调用函数求解零极点disp('零点：');disp(z');disp('极点：');disp(p');disp('极点：');disp(k');zplane(z,p);程序运行后的结果为：z =-2.0000 + 1.0000i-2.0000 - 1.0000ip =-3.0000-2.0000k =1零点：-2.0000 - 1.0000i -2.0000 + 1.0000i极点：-3.0000 -2.0000直接项：1系统的零、极点分布如图所示；4.clear all; close all; clc;b=[0 1 -1] %F(s)表达式分子式的系数向量a=[1 2 1] %F(s)表达式分母式的系数向量figure(1);H=impulse(b,a); %调用函数求冲激响应plot(H,'-k','linewidth',2);title('单位冲激响应');axis([0 1000 -0.5 1]);figure(2);[H,w]=freqs(b,a); %调用函数求频率响应plot(w,abs(H),'-k','linewidth',2);xlabel('ω rad/s');ylabel('幅度');title('幅频响应');figure(3)plot(w,angle(H),'-k','linewidth',2);xlabel('ω rad/s');ylabel('相位');title('相频响应');程序运行后，系统的单位冲激响应和频率响应如图所示；五、设计的结论及收获通过本次实验，实现了MTLAB仿真实现拉普拉斯变换，掌握了拉普拉斯变换的定义及收敛问题，普拉斯逆变换的求解方法。