信号与系统 _零输入响应和零状态响应

实验三信号与系统实验
1. 零输入响应、零状态响应和全响应实验
1.1实验目的
(1)掌握零输入相应、零状态响应和全响应的意义。

(2)了解零输入响应、零状态响应和全响应三者之前的关系。

1.2实验步骤和结果
(1)零状态响应：在零输入、零状态及全响应单元格，将IN端接地，按下按钮S给电容放电以保证系统没有初始状态。

将直流信号源的开关拨到直流档，调节电位器使其输出+4V的直流信号。

将此信号接入IN端，按下按钮S，用示波器测量OUT端波形，大概画出所测量波形并记录表中各时刻对应的幅值。

图一零状态响应Array
(2)零输入响应：保持直流信号接入到IN端，按下按钮S，用示波器观察输出信号，待系统稳定后断开按钮。

此时电容充满电，系统拥有初态。

将直流信号从IN端断开，接IN端接地，这样系统便没有激励，按下按钮S，用示波器测量OUT端波形，大概画出所测的波形，
并记录表中各时刻对应的幅值。

图二零输入响应
(3)全响应：利用上述方法重新对电容充电，充电后保持直流信号接入到IN端，按下按钮S，用示波器测量OUT端波形，大概画出对应时刻的波形并记录表中各时刻对应的幅值。

图三全响应
3.总结
结合上面三个表格，对应每个表格各时刻的值，虽然读数有一定的偏差，但是基本上满足关系式：全响应=零输入响应+零状态响应。

从这个关系式可以得出零状态响应加上零输入响应得到的就是全响应。

零输入响应是一种系统的初态，零状态响应是没有初态的系统加入激励后产生的响应后的系统。

即拥有初态的系统，再给予其一个激励，产生的响应就
是全响应。

信号与系统第8讲零输入响应和零状态响应零输入响应和零状态响应的定义 ⏹从引起系统响应的根源出发，将系统全响应分为零输入响应和零状态响应，即 ⏹零输入响应是指没有外加激励信号（零输入）,仅由系统内部初始储能(电容储有电场能、电感储有磁场能)引起的响应； ⏹零状态响应是指系统内部储能为零（零状态)，仅由系统的外部的激励引起的响应。

)()()(t y t y t y zs zi +=零输入响应的求解设n 个特征根为 ()(1)(2)1210()()()'()()0n n n n n y t a y t a y t a y t a y t ----+++++=L 00111=++++--a a a n n n λλλΛ其特征方程为 12.nλλλL 零输入下，系统的微分方程为 系统的零输入响应与微分方程的齐次解相同 以下分三种情况讨论零输入响应的求解（2）若存在共轭复根，如 1,2j λαβ=±3123()(cos sin ),0n t t t zi n y t c t c t e c e c e t λλαββ=++++≥L (3) 若这些特征根中含有重根，设 r 12r λλλ===L 111121()[()],0n r t t t r zi r r n y t c c t c t e c e c e t λλλ+-+=++++++≥L L 1212(),0n t t t zi n y t c e c e c e t λλλ=+++≥L （1）若这些特征根都是单根，则由起始状态值确定待定系数【解】 特征方程为 其特征根为 λ1 = -1， λ 2= -3零输入响应为： (0)1,(0)2y y --'==得到：最后得到： 根据起始条件： 例1 已知系统微分方程应的齐次方程为： (0)1,(0)2y y --'==，求系统零输入响应。

)(3)('4)(''=++t y t y t y 0342=++λλ312()t tzi y t c e c e --=+312'()3t tzi y t c e c e --=--121=+c c 2321=--c c 251=c 232-=c 353()(),022t t zi y t e e t --=-≥例2 已知系统微分方程相应的齐次方程为：(0)1,(0)2y y --'==，求系统零输入响应。

零输⼊响应与零状态响应1.零输⼊响应与零状态响应在Matlab中，lsim函数还可以对带有⾮零起始状态的LTI系统进⾏仿真，使⽤⽅法为y=lsim(sys,u,t,x0)，其中sys表⽰LTI系统，⽮量u和t分别表⽰激励信号的抽样值和抽样时间，⽮量x0表⽰该系统的初始状态，返回值y是系统响应值。

如果只有起始状态⽽没有激励信号，或者令激励信号为0，则得到零输⼊响应。

如果既有初始状态也有激励信号，则得到完全响应。

请注意lsim函数只能对⽤状态⽅程描述的LTI系统仿真⾮零起始状态响应，函数ss（对传递函数描述的LTI系统将失效，函数tf）。

例2.5 给定如图所⽰电路，t<0时S处于1的位置⽽且已经达到稳态，将其看做起始状态，当t=0时，S由1转向2.分别求t>0时i(t)的零状态响应和零输⼊响应。

图2.1 例2.4 电路图解：由所⽰电路写出回路⽅程和结点⽅程分别得到状态⽅程和输出⽅程：下⾯将⽤两种⽅法计算完全响应。

第⼀种⽅法：⾸先仿真2V电压e作⽤⾜够长时间（10s）后系统进⼊稳态，从⽽得到稳态值x0，再以该值作为初始值仿真4V电压e作⽤下的输出rf，即是系统的完全响应，为充分掌握lsim函数的使⽤⽅法，还仿真了系统的零状态响应rzs和零输⼊响应rzi。

第⼆种⽅法：构造⼀个激励信号，先保持2V⾜够长时间再跳变为4V，然后即可以零初始状态⼀次仿真得到系统的完全响应r1。

对应程序如下：C=1;L=1/4;R1=1;R2=3/2;A=[-1/R1/C,-1/C;1/L,-R2/L];B=[1/R1/C;0];C=[-1/R1,0];D=[1/R1];sys=ss(A,B,C,D); %建⽴LTI 系统systn=[-10:0.01:-0.01]'; %⽣成-10s 到-0.01s 的抽样时间，间隔为0.01sen=2*(tn<0); %⽣成机理信号的抽样值e(t)=2[rn tn xn]=lsim(sys,en,tn); %仿真t<0时的输出信号x0=xn(length(en),:); %x0记录了初始状态的值t=[0:0.01:10]';e=4*(t>=0); %⽣成激励信号的抽样值e(t)=4ezi=0*(t>=0); %⽣成零输⼊信号的抽样值e(t)=0rzs=lsim(sys,e,t); %仿真零状态响应rzi=lsim(sys,ezi,t,x0); %仿真零输⼊响应rf=lsim(sys,e,t,x0); %仿真完全响应r1=lsim(sys,[en;e],[tn;t]); %⽤另⼀种⽅法仿真完全响应2. 冲激响应与阶跃响应如果分别⽤冲激信号和阶跃信号作激励，lsim 函数可仿真出冲激响应和阶跃响应。

零输入响应与零状态响应一、零输入响应1定义在没有外加激励时，仅有t = 0时刻的非零初始状态引起的响应。

取决于初始状态和电路特性，这种响应随时间按指数规律衰减。

2简介系统的零输入响应完全由系统本身的特性所决定，与系统的激励无关。

当系统是线性的，它的特性可以用线性微分方程表示时，零输入响应的形式是若干个指数函数之和。

指数函数的个数等于微分方程的阶数，也就是系统内部所含"独立"储能元件的个数。

假定系统的内部不含有电源，那么这种系统就被称为"无源系统"。

实际存在的无源系统的零输入响应随着时间的推移而逐渐地衰减为零。

零输入响应是系统微分方程齐次解的一部分。

3起始状态所谓的起始状态，是反映一个系统在初始观察时刻的储能状态。

以电系统为例，我们做如下约定:在研究t=0以后的响应时，把t=0(-)时的值uc(0-)和il(0-)等称为起始状态，而把t=0+时的值uc(0+)和il(0+)以及它们的各阶导数称为初始值或初始条件。

二、零状态响应1定义在动态电路中，动态元件的初始储能为零（即零初始状态）下，仅有电路的输入（激励）所引起的响应。

三、两种响应的区别零状态响应：0时刻以前响应为0（即初始状态为0），系统响应取决于从0时刻开始加入的信号f(t);零输入响应：从0时刻开始就没有信号输入（或说输入信号为0），响应取决于0时刻以前的初始储能。

四、两种响应的判断方法如果有电源激励就是，而元件本身没有电压或电流就是零状态，相反没有电源激励只有元件本身初始值电压电流，就是零输入响应。

五、两种响应的求解方法1零输入响应：就是没有外加激励，由初始储能产生的响应，它是齐次解的一部分；2零状态响应：就是初始状态为零，外加激励产生的响应。

它可以通过卷积积分来求解。

零状态响应等于单位样值相应和激励的卷积。

其中，单位样值相应就是系统函数的反拉式变换或z变换。

六、两种响应之间的联系引起电路响应的因素有两个方面，一是电路的激励，而是动态元件储存的初始能量。

零状态响应和零输入响应公式
零状态响应和零输入响应是线性时不变系统中重要的概念。

零状态响应是指系统在没有输入信号时的响应，也可以称为自由响应。

零输入响应是指系统在有输入信号时，当输入信号为零时的响应，也可以称为强制响应。

这两种响应都可以用公式来表示。

下面介绍它们的具体公式。

零状态响应公式：
设系统的初始状态为x(0)，系统的零状态响应为y_z(t)，系统的传递函数为H(s)，则系统的零状态响应可以用下面的公式表示： y_z(t) = L^{-1}[H(s)X(s)] + x(0)
其中，L^{-1}表示拉普拉斯变换的反变换，X(s)表示输入信号的拉普拉斯变换。

零输入响应公式：
设系统的输入信号为x(t)，系统的零输入响应为y_h(t)，系统的冲击响应为h(t)，则系统的零输入响应可以用下面的公式表示： y_h(t) = h(t) * x(t)
其中，*表示卷积运算。

总响应公式：
系统的总响应可以表示为零状态响应与零输入响应之和：
y(t) = y_z(t) + y_h(t)
这里需要注意的是，当系统的输入信号为零时，总响应就等于零状态响应。

当系统的初始状态为零时，总响应就等于零输入响应。

因
此，知道了零状态响应和零输入响应公式，就能够求出系统的总响应。

“零输入响应”和“零状态响应”分别是由什么原因产生的?一阶电路。

若输入的激励信号为零，仅有储能元件的初始储能所激发的响应，称为零输入响应。

反之，电路的初始储能为零，仅由激励引起的响应为零状态响应。

动态电路，电源、电感或电容度的初始储能均能作问为电路的激励引起响应。

全响应可以看成是零输入与零状态的相加。

1、零输入响应,是研究没有激励源作用答下,但L,C一开始有能量储存,电路中LC,RC回路的版电路状态的时权间演化。

2、零状态响应,是研究电路中一开始L,C原件没有储存能量,然后在激励源作用下的电路参数的时间演化。

3、两个效应叠加起来,就可以处理L,C一开始有能量力储存,然后又有激励源作用下的电路参数的时间演化。

一阶电路。

若输入的激励信号为零，仅有储能元件的初始储能所激发的响应百，称为零输入响应。

反之，电路的初始储能为零，仅由激励引起的响应为零状态响应。

动态电路，电源、电感或电容度的初始储能均能作问为电路的激励引起响应。

全响应可以看成是零输入与零状态的相加。

1、零输入响应,是研究没有激励源作用答下,但L,C一开始有能量储存,电路中LC,RC回路的版电路状态的时权间演化。

2、零状态响应,是研究电路中一开始L,C原件没有储存能量,然后在激励源作用下的电路参数的时间演化。

3、两个效应叠加起来,就可以处理L,C一开始有能量力储存,然后又有激励源作用下的电路参数的时间演化。

一、零输入响应----没有外部激励源，电路的响应是由电路中的储能元件作为激励源而产生的响应当系统的输入为小于等于0时，即当输入端小于等于t=0时，输出端的响应叫做零输入响应【输入为0，输出不一定为0】。

零输入响应是指当系统的输入为0时系统的输出响应并不为0，这个响应叫做零输入响应【即输入为0时输出函数就是零状态响应】二、零状态响应----电路中的储能元件的储能为0，电路中的响应只由外部激励源的作用而产生的响应。

零状态响应非零初始条件下的零状态响应=系统在t=0时的输入时的输出响应- 初始条件下的输出响应，有输入信号时系统的输出响应，这个响应只与系统有关，与输入无关线性系统表达式的中不包括常数项，如果包括常数项，。