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第四章 拉普拉斯变换及s域分析

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信号与系统 第四章 拉普拉斯变换、连续系统的S域分析

信号与系统 第四章 拉普拉斯变换、连续系统的S域分析

f
(t)

1
2


F
(
)e
j
t
d
2、拉普拉斯变换是将时间函数f (t)分解为无
穷多项复指数信号e st之和。其中s = +j
s称为复频率。
f
(t)

1
2j


F (s)e st ds
3、拉普拉斯变换是傅立叶变换的推广。
4、复平面( s平面)
以复频率 s = +j 的实部 和虚部 j 为
t
所以其收敛域为s 平
面上 a 的部分.
四、一些常用函数的拉氏变换
设 f (t)为有始函数，讨论单边拉氏变换
1、阶跃函数
L
u(t)


0
estd t
即 u(t ) 1

est


s 0
( 0)
1 s
2、指数函数
s
L eat eatestd t
f
(t)

1
2


F
(
)e
j
t
d
2、当函数不满足绝对可积条件时
将f(t)乘以衰减因子e-t ( 为 一实常数 ) ，恰当 地选取 的值 就有可以使 f(t) e-t 变得绝对可
积，即 其中 e t称为收敛因子
F f (t)e t

F1( )


f
(t )e t e j t dt
Lt 1 s2
L t2

2 s3
L tn

n! s n1
4、冲激函数 (t)

第四章 拉普拉斯变换与s域分析

第四章 拉普拉斯变换与s域分析
0 0
(t ) 1
清华大学出版社
10
《信号与系统分析》——第四章 拉普拉斯变换及S域分析
4.1.3 常用函数的拉普拉斯变换(单边拉式变换)

单位阶跃信号：
F ( s) u (t )e dt
st 0


0
1 st 1 e dt e 0 s s
st
0
0
1 te dt 2 s
st
1 r (t ) 2 s
清华大学出版社
12
《信号与系统分析》——第四章 拉普拉斯变换及S域分析
4.1.3 常用函数的拉普拉斯变换(单边拉式变换)

指数信号： f (t ) e t u(t ), ( 0)
F (s) e
0 t st
清华大学出版社
23
《信号与系统分析》——第四章 拉普拉斯变换及S域分析
4.2.5 时域微分性质
若
f (t ) F (s) 则 f (t ) sF (s) f (0 )
表明：函数f( t )求导后的拉氏变换是原函数的象 函数乘以复量s，再减去原函数f( t )在0时的值。 如
duc (t ) C C[ sU c ( s) uc (0 )] dt
清华大学出版社
5
《信号与系统分析》——第四章 拉普拉斯变换及S域分析
4.1.2 收敛域(ROC)的概念
选择适当的 值才可能使式子 F ( s) 积分收敛，即F(s)存在的条件为


0
f (t )e- st dt 的

使得

0
f (t )e- st dt

0
f (t )e

信号与系统4.3拉氏变换的性质

信号与系统4.3拉氏变换的性质

T
T2
2
E(2 )
T
s2 ( 2 )2
E(2 )
[
s2
T
( 2
)2
sT
]e 2
T
T
E(2 )
T
s2 ( 2 )2
(1
sT
e2
)
T
第4章 拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析
例4-4 试求图4.4所示的正弦半波周期信号的拉氏变换。
f (t)
E
…
0
TT
2T
t
2
图4.4 例 4―4图
解: 在例4―3中我们已求得从t=0开始的单个正弦半波（亦即
0 24
t
图4.5 例4-5图
e2(t2)e4u(t 2) e2(t4)e8u(t 4)
于是
F (s) L[ f (t)] e4L[e2t ]e2s e8L[e2t ]e4s
e2(s2) e4(s2) s2
第4章 拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析
4、s域平移特性
若 f (t) F(s)
t)u(t) E sin[ T
(t )]u(t )
2
2
第4章 拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析
应用拉氏变换的时移特性,有
F (s) L[ f (t)] L[ fa (t)] L[ fb (t)]
L[E sin(2 t)u(t)] L{E sin[ 2 (t T )]u(t T )}
本题第一个周期的波形）的拉氏变换为
F1(s)
L[
f
(t)]
E(2 )
T
s2 ( 2 )2
(1
sT
e2
)
T
第4章 拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析

【实用】拉普拉斯变换PPT文档

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第四章 拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析
学习目标 1.深入理解拉普拉斯变换的定义、应用范围、物理意义及收
敛。 2．掌握常用函数的拉氏变换。阶跃函数、指数函数、冲激
函数。 3.熟练掌握拉氏变换的性质。线性、原函数积分、原函数微
分、延时、S域频移、尺度变换、初值、终值定理、卷积。 4.掌握拉氏逆变换。 5.熟练掌握利用拉氏变换法分析电路、S域元件模型。 6.深入理解系统函数的定义及物理意义。 7.熟练掌握系统零极点分布与其时域特征的关系。
一、拉普拉斯的产生和发展
Laplace 2h(t)绝对可积，极限为0 Transform）。
线性、原函数积分、原函数微分、延时、S域频移、尺度变换、初值、终值定理、卷积。
拉本氏章变 重换点与在十傅于氏，九变以换拉的氏世关变系换纪；为工末具对系，统进英行复国频域分工析。程师亥维赛德(O.Heaviside,
虽然通过求极限的方法可以求得它们的傅里叶变换，但其变换式中常常含有冲激函数，使分析计算较为麻烦。
1850~1925)发明了算子法，很好地解决了电力 Laplace，1749~1825)在著作中对这种方法给予严密的数学定义。
线性、原函数积分、原函数微分、延时、S域频移、尺度变换、初值、终值定理、卷积。
H(s)极点都在s域左半平面
用
便
受到一
定
的
限制，
其
次
，求取
傅
里叶反变换 留数定理法（含留数和定理）
拉氏变换收敛域的定义
有
时
也是比
较
困
难的，
此
处
尤其
要
指
出的是傅里叶变换分析法只能确定零状态响应， 3.
线性、原函数积分、原函数微分、域的定义 3.

信号与系统 第四章 拉普拉斯变换、连续系统的S域分析.

信号与系统 第四章 拉普拉斯变换、连续系统的S域分析.
n
（n为正整数）
n st 0
n
t e dt
st



4、冲激函数 (t)
L (t ) 0 ( t )e d t 1
st
同理
L (t t0 ) e
st0
5、正弦函数
1 j t j t L sin t ( L e L e ) 2j
at
，相当于拉氏变
sin t 和 e at cos t 的拉氏变换。
L e sin t 2 2 (s a) sa a t L e cos t ( s a )2 2
a t
Lsin t 2 s 2
s Lcos t 2 2 s
解法一： bs 延时特性 L[ f (t b)u(t b)] F ( s )e
1 s 尺度变换 L[ f (at b)u(at b)] F e a a
解法二： 尺度变换 延时特性
b
s a
1 s L[ f (at )u(at )] F a a
st
t
j t
j 右 半 开 0 平 面

反映指数函数 est 的幅度变化速度 >0, 幅度发散 <0, 幅度收敛 反映指数函数 est 的因子ejt 作周期变化的频率
三、拉普拉斯变换的收敛域
1、定义 把使 f (t) e- t 满足绝对可积条件的 的取值范围称为拉氏变换的收敛域。 2、单边拉氏变换的收敛条件
九、卷积
1、时域卷积 若 L f1 (t ) F1 ( s) L f 2 (t ) F2 ( s) 则 L f1 (t ) f 2 (t ) F1 ( s ) F2 ( s )

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...

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...

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。

第四章拉氏变换S域分析(共52张PPT)

第四章拉氏变换S域分析(共52张PPT)

0
n!
考虑到 LT[u(t)] 1 , 应用时域积分性质,得 s
LT[ 1 t nu(t)] LT[( t )n u(x)dx]
n!
0
1 sn
LT[u(t)]
1 s n1
LT[t nu(t)]
n! s n1
第二十五页，共五十二页。
(四) 延时(时域平移(pínɡ ) yí)
若 f (t) LT F (s), 则 f (t t0 )u(t t0 ) LT est0 F (s) 此式的应用条件为： 若t0 0，则在区间[t0 ,0]内应有f (t) 0； 若t0 0，则在区间[0,t0 ]内应有f (t) 0。
若 f (t) LT F (s),
则 t f ( )d LT F (s)
0
s
t f ( )d LT F (s) f (1) (0 )
-
s
s
对比时域微分结论.
第二十三页，共五十二页。
例:已知LT [u(t)] 1 ,求t nu(t)的LT . s
解 :由于
t
u( x)dx tu(t)
2
LT
s2
2
cosh(t)
1 (et 2
et )
LT s
s2 2
0 0
第十九页，共五十二页。
(二) 原函数微分(wēi fēn)
若 f (t) LT F (s),
则 f (t) LT sF (s) f (0 ),
一般公式 :
展开寻找规律
n1
f (n) (t) LT sn F (s) snr1 f (r) (0 ), r 0
4.4 拉普拉斯逆变换(ILT)
实际应用中常常遇到的象函数F (s)是s的有理分式,

拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析

拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析
若f (t)满足以下条件时，才存在付里叶变换 1 狄氏条件：1) f (t)在有限闭区间连续或有有限个第一类间断点； 2) f (t)在有限闭区间只有有限个极值点。
2 在(-, )内满足绝对可积，即 f (t) dt
由付里叶变换存在条件 可知，绝对可积条件较强，许多 函数都不满足此条件，如单位阶跃函数、正弦余弦函数、线 性函数等。 2拉普拉斯变换
F (s) f (t)et e jtdt
f (t)e( j)tdt f (t)est dt
其中 s j
F (s) f (t)est dt称作拉普拉斯(Laplace)变换
f (t) 1
F
(s)e
st
d称s 作拉普拉斯逆变换
2j
f (t) F (s)
单边拉氏变换
a1 f1(t) a2 f2 (t) a1F1(s) a2F2 (s)
其收敛域至少是二函数收敛域的相重叠部分。
7
例1:求双曲函数的象函数
sht 1 (et et )
2
sht
1 2
(et
et
)
0
1 2
(et
et
)est
dt
1 2
s
1
1 1
2 s
1
s2 2
Res 0
et的收敛域Res ，et的收敛域Res ,
当n 2时
t2
2 s3
,依次类推
t n n(n 1)(n 2)2 1
s n1
6
4.冲击函数
(t) (t)est dt 1 0
5.正弦函数
sin kt sin ktest dt 1 e jkt e jkt est dt
0
0 2j

4拉普拉斯变换连续时间系统的S域分析讲解

4拉普拉斯变换连续时间系统的S域分析讲解

求出k1 , k2 , k3 kn ,即可将F s 展开为部分分式
2. 第二种情况：极点为共轭复数 3. 第三种情况：有重根存在 4. F(s)两种特殊情况: 含e s的非有理式 非真分式—— 化为真分式＋多项式
收敛坐标 σ0
O
σ
一般求函数的单边拉氏变换可以不加注其收敛范围。
一些常用函数的(单边)拉氏变换:P181表4-1
1.阶跃函数: F ( ) F [ f (t )] u(t )e j t dt [ 1 1 sgn( t )]e j t dt π ( ) 1
f (t )e j0t F 0
f (t ) jF ( )
f (t ) eα t F(s α)
sF ( s ) f (0 )
F ( s ) f 1 (0 ) s s
d F ( s) ds

t

f d
F ( ) πF (0) ( ) j
1 j t F F ( ) f ( t ) F ω e dω 2 以傅里叶变换为基础的频域 分析方法的优点和不足： F f (t ) F ω f (t ) e j t d t • 有清楚的物理意义 • 只能处理符合狄利克雷条件的信号-绝对可积条件： s j f t d t
2)求 e α t cos ω0t的拉氏变换.
3)求f (t ) tu(t 1)的拉氏变换 .
π 4)已知f (t ) ＝ 2 cos(t )u(t ), 求F(s)。 4
§ 4.4 拉普拉斯逆变换 拉氏逆变换的方法： (一)部分分式法 (二)利用留数定理——围线积分法
(三)数值计算方法——利用计算机 拉氏逆变换的过程：部分分式法

信号分析第四章：拉普拉斯变换、连续时间系统的s域分析

信号分析第四章：拉普拉斯变换、连续时间系统的s域分析
dt T
A ( 1 esT ) AesT sF ( s ) Ts
F( s )
A/T s2
( 1 e sT
)
A e sT s
f (t)
A T
0
f (0 ) 0
Tt A ( t T )
20
拉普拉斯变换的性质
例 10 f (t) t e(t2) (t 1)
方法一：因为 (t 1) 1 es
中：a >0
解：
F ( s ) 0 e( sa ) tdt 0 e( a ) te j tdt 1
sa
为保证收敛，有 a+<0，故收敛域为 <-a
j
收 敛 a 0 域
9
拉普拉斯变换的收敛区
例3
求双边信号 f (t)= -e – t (-t)+ e -2t (t)的拉普拉斯变 换及其收敛域。
s s0
令 s0 = 实数， 则
et( t ) s
1
令 s0 = j 虚数， 则 e j t ( t ) s
1 j
12
常用函数的拉普拉斯变换 三个基本函数的拉普拉斯变换
• 单位阶跃函数 (t)
已知 es0 t ( t ) 1
s s0
令上例中s0=0。则
(
t
)
1 s
• 单位冲激函数 (t)
s 1
t
e(
t1 )
(
t
1)
d ds
(
s
1 es 1
)
(
s
1 1 )2
es
s
1 es 1
F(
s
)
(
2 s s 1 )2
e s1

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

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。

第四章拉普拉斯变换及S域分析

第四章拉普拉斯变换及S域分析
• 直接按电路的s域模型建立代数方程。
求解s域方程。 ，得到时域解答。
二．微分方程的拉氏变换
我们采用0-系统求解瞬态电路，简便起见，只要知 道起始状态，就可以利用元件值和元件的起始状态， 求出元件的s域模型。
三．利用元件的s域模型分析电路
1.电路元件的s域模型
·电阻元件的s域模型
·电感元件的s域模型
Zl1(s)I1(s) Zll (s)Il (s) Vl (s)
系统函数求响应
则其矩阵形式为V ZI 或 I Z 1V
第k个回路电流
Ik
(s)
jk
Vj (s)
网络函数H (s)
Ykj (s)
Ik (s) Vj (s)
jk
其中为Z 方阵的行列式，称回路分析行列式或特征方程式；
E1 R1
E2 R2
1 s
s
1 1
IL (s)
IL0 (s)
E1 sR1
E2 sR2
E1 R1
E2 R2
1 s1
L1 iL (t)
E2 R2
E1 R1
E2 R2
e
t
u(t)
第六节
系统函数 （网络函数）H(s)
系统函数 1.定义
系统零状态响应的拉氏变换与激励的拉氏变换之比
部分分式展开法
设F1 (s)
A( s ) D(s)
则F (s) F1(s) (s p1)k
分解
(s
K11 p1
)k
(s
K1i p1 )k i1
K1k s p1
部分分式展开法
其中K1i
(i
1 1)!
d i1 dsi1
F1(s) s p1

第四章 拉普拉斯变换、连续时间系统的s域分析

第四章 拉普拉斯变换、连续时间系统的s域分析
0 0
s cos0t = (ej0t+ e-j0t )/2 ←→ 2 2 s 0
1 ←→ sa
> -a
▲
■
第 17 页
3、n是正整数时，tn
L[t ]
n
0
t st t e dt e s
n st
n

0
n n 1 st n n 1 st t e dt t e dt s 0 s 0
0
t st
0

1 [1 lim e ( )t e j t ] t (s )
jω
, Re[ s] . 无界 不定 ， 1 (s ) ，
可见，对于反因果信号，仅当 Re[s]=<时，其拉氏变换存在。 收敛域如图所示。
F ( s) f (t ) e
0

st
dt
称为单边拉氏变换。简称拉氏变换。其收敛域一定是 Re[s]> ，可以省略。本课程主要讨论单边拉氏变换。
▲
■
第 10 页
单边拉氏变换
F ( s) f (t ) e st d t
0 def
1 j st f (t ) F ( s) e d s (t ) 2 j j

① f ②
1
t

f τ dτ
f τ dτ f τ dτ
①
st
0
t st
②
t


0
0
e f τ dτ e d t s
0
1 f τ d τ f t e st d t 0 s 0

信号与系统第四章知识点

信号与系统第四章知识点

第四章 拉普拉斯变换—连续信号s 域分析一、考试内容（知识点）1．拉普拉斯变换的定义及其性质、拉普拉斯逆变换； 2．系统的复频域分析法； 3．系统函数)(s H ；4．系统的零极点分布决定系统的时域、频域特性； 5．线性系统的稳定性；6．拉普拉斯变换与傅里叶变换之间的关系。

二、内容（知识点）详解1．拉普拉斯变换的定义、收敛域（1）变换式与反变换式dt e t f t f s F st -∞⎰-==0)()]([)(L ds e s F js F t f stj j ⎰∞+∞--==σσπ)(21)]([)(1L )(s F 称为)(t f 的象函数，)(t f 称为)(s F 的原函数。

下限值取-0，主要是考虑信号)(t f 在t =0时刻可能含有冲激函数及其导数项也能包含在积分区间之内。

（2）收敛域在s 平面上，能使式0)(lim =-→∞t t e t f σ满足和成立的σ的取值范围（区域），称为)(t f 或)(s F 的收敛域。

2．常用时间函数的拉普拉斯变换（1）冲激函数 )()(t t f δ= 1)(=s F)()()(t t f n δ= n s s F =)(（2）阶跃函数 )()(t u t f = ss F 1)(= （3）n t （n 是正整数） t t f =)( 21)(s s F =2)(t t f = 32)(s s F =n t t f =)( 1!)(+=n s n s F（4）指数信号 t e t f α-=)( α+=s s F 1)(t te t f α-=)( ()21)(α+=s s F t n e t t f α-=)( ()1!)(++=n s n s F αt j e t f ω-=)( ωj s s F +=1)( （5）正弦信号、余弦信号系列)sin()(t t f ω= 22)(ωω+=s s F)cos()(t t f ω= 22)(ω+=s ss F)sin()(t e t f t ωα-= 22)()(ωαω++=s s F)cos()(t e t f t ωα-= 22)()(ωαα+++=s s s F )sin()(t t t f ω= 222)(2)(ωω+=s ss F )cos()(t t t f ω= 22222)()(ωω+-=s s s F )()(t sh t f ω= 22)(ωω-=s s F )()(t ch t f ω= 22)(ω-=s ss F （6） ∑∞=-=0)()(n nT t t f δ sT e s F --=11)(∑∞=-=00)()(n nT t f t f sTes F s F --=1)()(0 3．拉普拉斯变换的基本性质象函数)(s F 与原函数)(t f 之间的关系为：)]([)(t f s F L = （1）线性（叠加性）∑∑===⎥⎦⎤⎢⎣⎡ni i i n i i i s F a t f a 11)()(L ，其中i a 为常数，n 为正整数。

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
由式 (4.1-3) 的推导可见， 因为 e -σt 的作用， 使得 f(t)e-σt在一定条件下收敛， 即有
lim f (t )e t 0
t
当 0
(4.1-8)
第4章 连续时间信号和系统的复频域表示与分析
lim f (t )e t 0
t
( 0 )
(4.1-8)
第4章 连续时间信号和系统的复频域表示与分析
第4章 拉普拉斯变换、连续时间系统的S域 分析
主讲：卢亚玲
第4章 连续时间信号和系统的复频域表示与分析
拉普拉斯变换的发展史
（1）19世纪末，英国工程师赫维赛德（O.Heaviside, 1850-1925）发明“运算法”（算子法）解决电工程计
算中的一些基本问题。
1 1 1 j 2 s a j s a j ( s a ) 2 2
1 ( a j ) t ( a j ) t e cos t u (t ) (e e )u (t ) 2 1 1 1 sa j 2 s a j s a j ( s a ) 2 2
lim f (t )e
t
t
0
( a)
4.1-2(c)
因为指数阶函数的单边拉氏变换一定存在， 所以一般可以 不标明收敛区。
第4章 连续时间信号和系统的复频域表示与分析
4.1.2
1. F(s)=F(ω)| s=jω
当拉氏变换的收敛区包括jω轴， F(s)可由F(ω)直 接得到， 仅将jω换为s， F(s)=F(ω)| s=jω (4.1-9)
n n st
第4章 连续时间信号和系统的复频域表示与分析

第四章拉普拉斯变换及s域分析详解

第四章拉普拉斯变换及s域分析详解

F[ f (t)e t ] f (t)e te jtdt f (t)e( j)tdt F ( j)
令s j,则上式为
Fb (s)
f (t)est dt
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5
第四章 拉普拉斯变换及s域分析
4 单边拉普拉斯变换
由于在实际问题中所遇到的大部分信号都是因果的， 即f(t)=0(t<0)
t
收敛区为s平面的右半平面。
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10
第四章 拉普拉斯变换及s域分析
常见函数的拉式 变换如右，这6对 变换对需牢记
u(t) 1 s
(t) ห้องสมุดไป่ตู้1
et 1
s
tn
n! s n 1
sin t
s2
2
cos t
s2
s
2
t
1 s2
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定义单边拉式正变换为 F (s) f (t)estdt 0－
说明：
①s是复参量，s j, F(s)是以s为自变量的复变函数 ②积分下线定为0 ，包括了 (t)，从而无需计算0-到0+的跳变
③拉氏正反变换的简记形式 F (s) L[ f (t)] 或 f (t) F (s) f (t) L1[F (s)] 或 F (s) f (t)
新得到的信号满足绝对可积条件，因此其傅里叶 变换存在。
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4
第四章 拉普拉斯变换及s域分析
3 引出拉普拉斯变换
由前述可知
lim f (t)e t ( 为实数)容易收敛。

信号与系统-第4章例题-s域变换及分析

信号与系统-第4章例题-s域变换及分析


| f (t ) | e t dt C
的取值范围。
例：确定下列拉普拉斯变换所对应的时域因果信号的初值和终值
s2 I ( s) s( s 2 )
解：
初值
终值 初值 终值
2 s 3 10 V ( s) 3 s (s 1) s2 i (0 ) lim sI ( s ) lim s 1 s s s ( s 2)
求导得
0
2
4
t
df (t ) 1 1 u (t ) u (t 2) u (t 2) u (t 4) dt 2 2
df (t ) 1 1 e2 s 1 e2 s e4 s 1 F1 ( s) (1 e2 s )2 dt 2 s 2 s 2s
e3t u(t ) e3t u(t )
cos 2t u(t )

2
[ ( 2) ( 2)]
[例] 由F(s)求F(j )
s ( s 4) 2
4
1 ( s 2 9) s
j ( j 4) 2
0
解：
1)收敛域-4包含j 轴
F ( j ) F ( s)
1 F ( s) Ts 1 1 e
结论：单边周期信号的拉普拉斯变换
1 等于第一周期波形的拉普拉斯变换乘以 例：周期冲击序列 T (t )u (t )的拉氏变换为 1 e Ts 1 T (t )u (t ) Ts
1 e
例 解：
已知
f (t) t u (t 1), 求 F( s)
F(s)为有理真分式，极点为一阶极点。
k3 k1 k2 s2 s 2 F ( s) 3 2 s s 1 s 3 s 4s 3s s( s 1)(s 3)

第四章 拉普拉斯变换

第四章 拉普拉斯变换

例:
1 es 2 已 知 X (s) ( ) ， 求 x (t ) ？ s 1 X ( s ) 2 (1 2e s e 2 s ) s
x(t ) tu(t ) 2(t 1)u(t 1) (t 2)u(t 2)
8、复频域积分性： 若x(t) X(s)，则
第四章 拉普拉斯变换 连续时间系统的s域分析
傅立叶变换的局限性:
1) 工程中一些信号不满足绝对可积条件，如u(t)；
t e ( 0) ； 2) 有些信号不存在傅立叶变换如
3) 求反变换时,求 (-∞,∞)上的广义积分,很困难； 4) 只能求零状态响应,不能求零输入响应。
为了克服傅立叶变换的局限性,采用拉普拉斯变换。
T ( t ) ( t nT )
0

x s(t) x(nT) (t nT)
0

1 L T ( t ) 1 e sT
X s ( s ) x ( nT ) e nsT
n0

4、复频移性： 若x(t) X(s)，则
x(t)e j 0 t X( 0 )
x(t)e s 0 t X (s s 0 )
例：
cos(0t )u (t )
t
s e cos 0 t s 2 02 0 t 同理：e sin 0 t 2 s 02
s 2 2 s 0
5、时域微分性：
若x(t) X(s)，则
拉普拉斯变换：
• 将信号分解成 e
st
的线性组合；
• 是分析连续时间信号与系统的另一工具； • 可用来分析傅立叶变换所不能分析的系统，不如傅立叶变换那么清楚。

4拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析

4拉普拉斯变换、连续时间系统的S域分析
∞
•
运用傅里叶反变换对频率 进行的无穷积分求解困难
优点：求解比较简单， 优点：求解比较简单，特别是对系统的微分 方程进行变换时，初始条件被自动计入。 方程进行变换时，初始条件被自动计入。 • 缺点：物理概念不如傅氏变换那样清楚。 缺点：物理概念不如傅氏变换那样清楚。 本章主要内容：傅氏变换→拉氏变换、拉氏变换的性质、 本章主要内容：傅氏变换→拉氏变换、拉氏变换的性质、以拉氏变换为 •
3)查拉氏变换表求 (t) f
部分分式法: 部分分式法 1.第一种情况：单阶实数极点 1.第一种情况：单阶实数极点 第一种情况
A(s) F(s) = (s − p1 )(s − p2 )L(s − pn )
p1 , p2 , p3 Lpn为不同的实数根
F(s) = kn k1 k2 + +L+ s − p1 s − p2 s − pn
t
0−
t
c1 f1(t) + c2 f2 (t )
f (at )
c1F1(ω) + c2F2 (ω)
1 ω F a a
c1F1(s) + c2F2 (s)
1 s F a a
(a > 0)
f (t − t0 )
F(ω)e− jωt0
F(s)e−st0
f (t)e−jω0t ↔F(ω+ ω0 )
f ′(t ) jωF(ω)
f (t)e−αt ↔F(s + α)
sF(s) − f (0− )
F(s) f (−1) (0− ) + s s
d F(s) ds
∫
t
−∞
f (τ ) dτ
F(ω) + πF(0)δ (ω) jω
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
对于单边拉氏变换 讨论：①有界的非周期信号的拉氏变换一定存在 满足

f (t )e t dt
其收敛坐标为 ，收敛区为全部s平面。
②单位阶跃信号 lim[u (t )e t ] 0
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21
第四章 拉普拉斯变换及s域分析
例9、试求下列F (s)所对应的f (t )的初值和终值。
s 2 2s 1 (1) F ( s) ( s 1)(s 2)(s 3)
解 : (1)
s 2 2s 3 (2) F ( s) ( s 1)( s 2 0 2 )
E
t T 0 E 1 E L[(t T )u (t T ) Tu (t T )] 2 T s T E 1 E sT 1 1 sT 注意 e E e T s2 T s2 s f (t )u(t t0 ) E f (t t0 )u(t t0 ) 2 [1 (Ts 1)e sT ] Ts

令s j, 则上式为
Fb (s)


f (t )e st dt
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
4
单边拉普拉斯变换 由于在实际问题中所遇到的大部分信号都是因果的， 即f(t)=0(t<0)
st 定义单边拉式正变换为 F (s) 0－ f (t )e dt

f (t )e jt dt
意味着f(t)在趋于∞时需收敛，即
lim f (t ) 0
at 如函数 f (t ) e (a 0) 的傅里叶变换存在
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3
第四章 拉普拉斯变换及s域分析
2 傅里叶变换不存在时
如函数 f (t ) e (a 0)的傅里叶变换不存在
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0


右半平面
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
由以上分析可知，由的数值可将s平面 划分为两个区域：
j
收敛区
0

收敛轴

收敛区：使 f ( t )e t 满 足 绝 对 可 积 条 件 的 值 的 范 围 称 为 收 敛 区 ， 在收敛区内， f ( t )拉 氏 变 换 存 在 ， 在 收 区 敛外 ， f ( t )拉 氏 变 换 不存在。
变换域
Z域
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
一 拉普拉斯变换 以下，从傅里叶变换出发引出拉普拉斯变换 1 傅里叶变换存在的条件
函数f(t)若满足下列绝对可积条件 则函数f(t)存在傅里叶变换



f (t ) dt

F ( j )
t 或t
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
7、卷积定理
若L[ f1 (t )] F1 (s), L[ f2 (t )] F2 (s) 若L[ f1 (t )] F1 ( s), L[ f 2 (t )] F2 ( s) 1 则 L [ f ( t ) f ( t )] [ F1 ( s) F2 ( s)] 则L[ f1 (t ) f 2 (t )] F1 (s) F2 (s) 1 2 2 j
sLI L (s) LiL (0)
其中，iL (0) 是电流 iL (t ) 的初始值，如果其为0，则
VL (s) sLI L (s)
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
6、时域积分性质
若L[ f (t )] F (s)
则L[
t
0
t
0
收敛区为s平面的右半平面。
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
1 u (t ) s (t ) 1
常见函数的拉式 变换如右，这6对 变换对需牢记
1 e s n! n t n 1 s
t
1 t 2 s
sin t 2 s 2
s cos t 2 s 2
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
二 拉普拉斯变换的性质
1、线性性质 若L[ f1 (t )] F1 ( s )，L[ f 2 (t )] F2 ( s ) 则L[ Af1 (t ) Bf 2 (t )] AF1 ( s ) BF2 ( s ) 其中A、B为实常数
例9、LTI系统的零状态响应
r (t ) e(t ) h(t )
得： R( s ) H ( s) E ( s)
拉式变换
R(s) E(s) H (s)
此即为系统函数
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
8、初值定理 设函数f (t )及其导数f (t )可进行拉式变换， 则f (t )的初值为 f (0) lim f (t ) lim sF ( s)
说明： ①s是复参量，s j, F (s)是以s为自变量的复变函数
②积分下线定为0 ，包括了 (t )，从而无需计算0-到0+的跳变
③拉氏正反变换的简记形式 F ( s ) L[ f (t )] 或 f (t ) L1[ F ( s )] 或
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f (t ) F ( s ) F ( s ) f (t )
t 0 s
9、终值定理 设f (t )及f (t )可进行拉式变换，且 lim f (t )存在，
t
则f () lim f (t ) lim sF ( s)
t s 0
如不满足此条件，则终值定理 不成立，无需计算
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F(S)的所有极点都位于s的左半 平面（包括原点处的单极点）
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析 例5、求右图所示波形的拉式变换
E 解 : f (t ) t[u (t ) u (t T )] T E E L[ f (t )] L[tu (t )] L[tu (t T )] T T
f (t )
例4、求L[cos t ]
1 1 1 jt jt jt jt 解：L[cos t ] L[ (e e )] L[e ] L[e ] 2 2 2 1 1 1 1 s 2 2 s j 2 s j s 2
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
4、S域平移性质 若L f t F (s) 则L[e t f (t )] F ( s )
例6、求L[et sin t ]和L[et cos t ] 因为 sin t 2 s 2
F ( s) f (0) f (t )dt ] + s s
1
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
例8、已知流经电容上的电流，其拉式变换为 L[iC (t )] IC (s)， 试求电容电压的拉式变换 VC (s)。 1 t 解：因为：vC (t ) iC ( )d C 1 t 所以：VC ( s ) L[vC (t )] L[ iC ( )d ] C 1 1 1 IC (s) iC (0) Cs Cs 1 1 0 1 I C ( s ) vC (0) 故原式 因 iC (0) iC ( )d Cs s 其中，iC 1 (0) 是电容两端起始电荷量，如果其为0，则 1 VC ( s ) I C ( s) sC
df (t ) 则L[ ] sF ( s ) f (0) dt
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
例7、已知流经电感上的电流，其拉式变换为 L[iL (t )] I L (s)， 试求电感电压的拉式变换 VL (s)。
diL (t ) 解：因为：vL (t ) L dt diL (t ) 所以： VL ( s ) L[vL (t )] L[ L ] dt L[sI L (s) iL (0)]
解得L[e s 同理由 cos t 2 s 2 得L[e
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t
sin t ] 2 s 2
s
t
cos t ]
s 2
2
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第四章 拉普拉斯变换及s域分析
5、时域微分性质
若L[ f (t )] F (s)

dt e ( s )t dt
0


0
1 s
lim e ( s )t lim e ( )t e jt
t t
lim e t e t 要想收敛，必须 ，此即为收敛域。
t
收敛轴
j
0
j
收敛坐标的 右半平面
收敛坐标的

第四章 拉普拉斯变换及s域分析
2、尺度变换
若L f t F s
Re[s ] 0 a 0, Re[s ] a 0
注意 f (t )u(t t0 ) f (t t0 )u(t t0 )