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第二章 拉普拉斯变换的数学方法

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第2章—拉普拉斯变换的数学方法

第2章—拉普拉斯变换的数学方法
0
f t f t se st dt
27
若f(t)的二阶、三阶、……，各阶导函数存在，则：
L f n t s n F s s n 1 f 0 s n 2 f 0 f n 1 0
2.1 复数和复变函数
2. 复数的表示方法 （1） 点表示法
复平面
10
2. 复数的表示方法
（2） 向量表示法 模
s r 2 2
辐角 arctan
（3） 三角函数表示法和指数表示法
r cos
三角函数表示法
r sin
cos j sin
0
14

L[ f (t )] F ( s) f (t )e st dt
0

s为复数，s = σ + jω，称f(t)为原函数，F(s)为象函数。 拉氏变换F(s)存在条件：
(1) 在任一有限区间上， f(t)分段连续， (2)被积函数 f(t)e-st 绝对值收敛， 只有有限个间断点 即f(t)e-σt绝对可积
23
3. 周期函数的拉氏变换
设函数f(t)是以T为周期的周期函数，即f(t+nT)=f(t) ，n为整数。 则f(t)的拉氏变换为： L f t f t e st dt
0
f t e dt
T st 0
2T
T
f t e dt
st
L f at f e
0
s a
1 1 1 s a d f e d F a a 0 a a
s
26
6. 微分定理
若时间函数f(t)的拉氏变换为F(s)，且其一阶导函数f’(t)存在，则

第二章 拉普拉斯变换

第二章 拉普拉斯变换

例5 求正弦函数 f (t ) sin k t
解 ℒ
st
(k R) 的拉氏变换
则
1 f (t ) 0 sin k t e dt 0 sin k t de s t s 1 st st e sin k t k e cos k tdt 0 0 s 1 s t 2 e cos k tdt 0 s 1 st st 2 e cos k t k e sin k tdt 0 0 s
f (t T ) f (t ) (t 0)
当 f (t ) 在一个周期上连续或分段连续时,则有
1 ℒ f (t ) s T 1 e

T
0
f (t )e s t dt
这是求周期函数拉氏变换公式
2.2 拉普拉斯变换的性质
2.2.1 线性性质 ℒ [ f 2 (t )] F2 ( s) ， , 常数 设 ℒ [ f1 (t )] F1 ( s) ， 则
Re s 0
n t 例4 求幂函数 n 1 的拉氏变换。
解: ℒ t 0
n
n 1 t e dt s n 1
n st
Re s 0
当 n 为正整数时,
n! ℒ t s n 1
n
Re s 0

0
2 k k sin k t e s t dt 2 2 s s

0
sin k t e s t dt
k 所以 ℒ sin k t 2 s k2
Re s 0
2.1.3 周期函数的拉普拉斯变换 可以证明:若 f (t ) 是周期为 T 的周期函数,即

积分变换-2 拉普拉斯变换

积分变换-2 拉普拉斯变换

f (t + T ) = f (t) t > 0
且 f (t)在一个周期内分段连续，则有 T 1 st F(s) = f (t)e dt (Re s > 0) sT ∫ 0 1 e
2-2 Laplace变换的基本性质 Laplace变换的基本性质
1、线性性质 2、相似性质 3、延迟性质 4、位移性质 5、微分性质 6、积分性质 7、卷积与卷积定理
2-1 Laplace变换的概念 Laplace变换的概念
（1）Laplace变换实际上就是一种单边的广 Laplace变换实际上就是一种单边的广 义的Fourier变换。 义的Fourier变换。 （2）Laplace变换的复反演积分公式： Laplace变换的复反演积分公式 复反演积分公式：
1[F(s)] = 1 β + j∞F(s)est ds (t > 0) f (t) = L 2πj ∫β j∞
2-1 Laplace变换的概念 Laplace变换的概念
如何克服上述两个缺点？ （1）单位阶跃函数
1, t ≥ 0 H(t) = 0, t < 0 用H(t)乘以 f (t)，这样得到的 f (t)H(t)，在
t < 0时就等于零，在 t ≥ 0 时仍为 f (t) ， 就有可能使其积分区间由 ( ∞,+∞) 变为 [0,+∞)
2-1 Laplace变换的概念 Laplace变换的概念
Fourier变换的局限： Fourier变换的局限： （1）绝对可积的条件较强，许多简单的常见函数 （如单位阶跃函数、正弦函数、余弦函数以及线 性函数等）都不满足这个条件，都不能作古典的 Fourier变换。 Fourier变换。 （2）可以进行Fourier变换的函数必须在整个数轴 ）可以进行Fourier变换的函数必须在整个数轴 上有定义，但在物理和无线电技术等实际应用中， 许多以时间t 许多以时间t作为自变量的函数往往在 t <0 时是无意义的或是不需要考虑的，像这样的函数 都不能取Fourier变换。 都不能取Fourier变换。

第二章 拉氏变换

第二章 拉氏变换
m
m 1
1、F(S)无重极点(n个不等根)时，F(s)可表示为
bm s bm 1s b1s b0 F ( s) an ( s p1 )( s p2 ) ( s pn )
m
m 1
Kn K1 K2 s p1 s p2 s pn
(a为实数)
L[e ] e e dt e 0 0
at at st


( s a )t
dt
1 sa
5、正弦函数
0 f (t ) sin t
其拉氏变换
t <0
t ≥0

(为实数)
L[sin t ] sin t e dt 0 2 2 s
在控制工程中,使用拉氏变换的主要目的: 用它来研究系统动态特性.
因为描述系统动态特性的传递函数和频 率特性都是建立在拉氏变换的基础之上 的。
第二节
一、拉氏变换定义
拉普拉斯变换
对时间函数f(t)，t≥0，f(t)的拉普拉斯变换L[f(t)] （简称拉氏变换）或F(s)定义为
0 一个函数可以进行拉氏变换的充要条件是： 原函数 象函数
第二章 拉普拉斯变换的数学方法
1 复数与复变函数 2 拉普拉斯变换及反变换
2.1 复数和复变函数
一、复数的概念
为了解方程的需要，人们引入了一个新数i, 称为虚数单位，并规定：
教材上：j
(1) i 1;
2
(2) i 可与实数进行四则运算.
复 数
形如 s j 的数称为复数.
实部 记作：Re(s)=σ
复数可以表示成
s σ jω r (cos i sin )

第二章 拉普拉斯变换

第二章 拉普拉斯变换
k 解：已知 L[sin kt ] = 2 由位移性质得 2 s +k
k L[e sin kt ] = ( s + a)2 + k 2 ì 0 t< t ï ï 例 3 求函数 u (t - t ) = í ï ï î1 t> t
- at
的 Laplace 变换
解：已知 L[u (t )] =
1 s
s= sk
k= 1
f (t ) =
å
n
Re s[ F ( s)e st ]
s = sk
k= 1
例 1 利用留数方法求 F ( s) = s 解： f (t ) = L- 1[
=
s2 + 1
的逆变换
s s st s st ] = e + e 2 s = j 2s s= - j s +1 2s
1 jt (e + e- jt ) = cos t 2
= 1+ (t - 1)et
t> 0
§2.4 卷积
一 、卷积的概念：
f 1 (t ) * f 2 (t ) =
ò
t
0
f1 (t ) f 2 (t - t )d t
交换律 f 1(t ) * f2 (t ) = f2 (t ) * f 1(t ) 结合律 f 1(t ) *[ f2 (t ) * f3 (t )] = [ f 1 (t )*] f2 (t ) * f3 (t ) 对加法的分配率 f 1(t ) *[ f2 (t ) + f3 (t )] = f 1(t ) * f2 (t ) + f 1(t ) * f3 (t ) 二、 卷积定理 设 f 1 (t ) 与 f 2 (t ) 都满足 Laplace 变换存在的条件，且 f (t ) * f 2 (t ) 的 Laplace 变 L[ f1 (t )] = F 1 ( s), L[ f 2 (t )] = F 2 ( s) 则 1 换一定存在，且 L[ f1 (t ) * f2 (t )] = F1 (s) F2 (s) -1 或 L [F1 (s) ?F2 (s)] f1 (t ) * f2 (t )

拉氏变换公式

拉氏变换公式
拉普拉斯变换的数学方法 微分定理
机械工程控制基础
第二章 拉普拉斯变换的数学方法 多重微分
（2－21）
原函数的高阶导数 像函数中s的高次代数式
机械工程控制基础 第二章 拉普拉斯变换的数学方法
例2-5：利用导数性质求以下函数的象函数：
（1）f(t)=cos(ωt) （2）f(t)=δ(t)
eas f ( )es d 0
eas F (s)
（2－24）
原函数平移 像函数乘以 e-s
机械工程控制基础 第二章 拉普拉斯变换的数学方法
例2-8：求f(t)的象函数
f(t)
A
T O
f ’(t)
解：
t
f(t)= f ’(t)+ f ’’(t) =Aε(t) -Aε(t-T)
例2-6：利用积分性质求函数f(t)=t的象函数
解：f(t)=t
t
( )d
0
L[f(t)]= 1 1 ss

1 s2
机械工程控制基础 第二章 拉普拉斯变换的数学方法 衰减定理（复位移定理）
（2－23）
原函数乘以指数函数e-at像函数F(S)在复数域中作位移a
机械工程控制基础 第二章 拉普拉斯变换的数学方法 例2-7：求 et sint 的拉氏变换 解：直接用复位移定理得：
由于 δ(t)=dε(t)/dt
L[ (t)] L[d (t) / dt]
=s 1 - 0 s
=1
机械工程控制基础
第二章 拉普拉斯变换的数学方法 积分定理
机械工程控制基础
第二章 拉普拉斯变换的数学方法 多重积分
（2－22）
原函数的n重积分像函数中除以sn
机械工程控制基础 第二章 拉普拉斯变换的数学方法

第二章 拉普拉斯变换


s p1 或s p 2
a3 an a1s a2 s ( s p1 )( s p2 ) 或sp1 p2 ( s pn ) ( s p1 )( s p2 ) ( s p3 )
机械工程控制基础
例8
s 1 已知: F ( s) 3 2 求: f(t) s s s
a1s a2 a3 F ( s) 2 s s 1 s
s s 1
2
1 3 的两个复数根为： j 2 2
将上式两边同乘
s s 1
2
1 3 并令s= 2 j 2
1 3 1 3 得 j a1 ( j ) a 2 2 2 2 2
实部和虚部分别相等，得a1=-1,a2=0
1
6( s 2) 传递函数 ] 若R(s)=1，则 y (t ) L [ 2 s 7 s 12 12 1 6 L [ ] s3 s4 3t 4t 6e 12 e
1
机械工程控制基础
La(t )

0
1 2 st 1 t e dt 3 2 s
0 (t ) t0 t0
(单位）脉冲函数
L (t ) 1
机械工程控制基础
正弦函数 sinωt
Lsin(t ) 2 2 s
余弦函数 cosωt
s Lcos( t ) 2 2 s
3 2
( s 2s 3s 1) x0 ( s) (2s 1) xi ( s)
3 2
2s 1 x0 ( s) 3 机械工程控制基础 xi ( s) 2 s 2s 3s 1
(3) 几种典型时间函数的拉氏变换
单位阶跃函数

教学课件：第二章拉普拉斯变换及其应用

信号处理
在信号处理中，拉普拉斯变换可以用于分析信号的频域特性，例如傅里 叶变换和Z变换等。
03
电路分析
在电路分析中，拉普拉斯变换可以用于分析线性时不变电路的响应，例
如求解一阶和二阶电路的零状态响应。
02 拉普拉斯变换的基本理论
拉普拉斯变换的公式和定理
拉普拉斯变换的定义
对于所有实数$s$，定义函数$f(t)$的拉普拉斯变换为$int_{0}^{infty}f(t)e^{-st}dt$。
拉普拉斯变换的线性性质
如果$f(t)$和$g(t)$的拉普拉斯变换存在，那么对于任意实数$a$和$b$，$(af(t)+bg(t))$的 拉普拉斯变换等于$aF(s)+bG(s)$，其中$F(s)$和$G(s)$分别是$f(t)$和$g(t)$的拉普拉斯变 换。
拉普拉斯变换的延迟性质
如果$f(t)$的拉普拉斯变换存在，那么$f(t-a)$的拉普拉斯变换等于$e^{-as}F(s)$，其中 $F(s)$是$f(t)$的拉普拉斯变换。
拉普拉斯变换的公式为：F(s) = ∫f(t)e^(-st) dt (s为复数，t为 实数)。
拉普拉斯变换的性质
线性性质
如果c1和c2是常数，f1(t)和f2(t) 是任意函数，那么c1f1(t) + c2f2(t)的拉普拉斯变换等于 c1F1(s) + c2F2(s)。
时移性质
如果f(t)的拉普拉斯变换为F(s)， 那么f(at-b)的拉普拉斯变换为 a^(-b)F(s/a)。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
根轨迹的应用
03
根轨迹分析在控制系统分析和设计中具有重要应用，通过根轨
迹可以判断系统的稳定性、分析系统的性能指标等。

第二章 拉普拉斯变换


t
的 Fourier 变换
两点说明
(1) 像函数 F ( s ) 的存在域一般是一个右半平 Re s c 面 即只要复数 s 的实部足够大就可以了。 ,
因此在进行Laplace变换时，常常略去存在域， 只有在非常必要时才特别注明。
(2) 在 Laplace 变换中的函数一般均约定在 t < 0 时为零，
(1)
(2) (3)
[1] = [ u ( t ) ]
[ ( t ) ] 1; [t m ]
s m!
m 1

1 s
;
(4)[eat源自]1 sa
2
;
s ; .
(5)
Γ ( m 1) s
m 1
[ cos a t ]
[
sin a t
;
(6)
]
s a a s a
2
2
2
特点 变换的结果均为分式函数。
3、复数的向量表示法 4、复数的三角表示法 5、复数函数
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2
1、复数域
1.1 虚单位:
实例 : 方程 x 1 在实数集中无解
2
.
对虚数单位的规定:
( 1 ) i 1;
2
(2) i 可以与实数进行四则运算
3
虚数单位的性质:
i i;
1 4 2 2
i 1;
4n 2
1,
i
4n 3
i.
4
1.2 复数的代数形式的定义:
对于 x , y R , 称 z x yi 或 z x iy 为复数 .
实部 记做：Rez=x

第二章拉普拉斯变换


page 3
第二章 拉普拉斯变换
一、拉普拉斯变换的定义
设时间函数 f (t)，,则t 0 的拉普f (拉t) 斯变换定义为
控 制
L[ f (t)] F(s) f (t) estdt 0
工
程
基 础
象函数(Image Function)
原函数(Original Function )
page 4
制 工
2
程
基 础
cost 1 (e jt e jt )
2
page17
第二章 拉普拉斯变换
三、使用MATLAB符号运算工具箱进行拉氏变换
MATLAB提供了 laplace（）函数来实现拉氏变换。
例2-1 求解函数 ebt cosat c 的拉氏变换。
控 制
解：输入以下命令
工
程 %L0201.m
A s2
eTs
1 eTs
seTs
page24
第二章 拉普拉斯变换
三、周期函数的拉氏变换
若函数 f 是(t)以T 为周期的周期函数,L f t f t estdt 0
控 制
T f testdt 2T f testdt n1T f t estdt
第二章 拉普拉斯变换
（六）正弦函数
正弦函数（Sine Function）的数学表达式为
r(t) sin t (t≥0)
控 式中， 为正弦函数的角频率。
制
工 程 基
其拉氏变换为 L[sin t] sin t estdt 0
础
1 (e jt ejt )est d t 2j 0
s2 2
u(t或) 1(t)来表示。 其变化曲线
0
t
控 如图2-1-2所示。
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1 s
三、单位斜坡函数
0 t<0 r (t ) t t≥0 r (t ) 的拉氏变换
L[r (t )] t e dt
st 0
r (t )
f (t )
o
图2-2-3 单位斜坡函数
t
1 st 1 st (te ) e dt s s 0 0
（令t a 则） f ( )
0 s ( a )

a
e
as

0
d 0 f ( )e e d as f ( )e s d
sa s

e F (s)
eas 。 这个性质表明， f (t a)的象函数F (s)等于f (t )的象函数乘以指数因子
2 L[ f (t )] s F (s)
L[ f ( n) (t )] s n F (s)
7 积分性质
若 则
L[ f (t )] F (s)
L[

0
F ( s) f ( 1) (0) f (t )dt] s s
其中 f
推论：
(-1)
(0) f (t )dt
d n f (t ) n n 1 n2 L[ ] s F ( s ) s f ( 0 ) s f (0) f n dt
( n 1)
2
(0)
当 f (0) f (0) f (0) f ( n1) (0) 0
L[ f (t )] sF (s)
第一节 拉氏变换的定义
一、拉氏变换定义 对时间函数f(t)，t≥0，f(t)的拉普拉斯变换L[f(t)]（简称拉氏变换） 或F(s)定义为 （2-1-1） 式中，s为复数，s=σ+ ј ω， f(t)称为原函数， F（s）为象函数。习惯 上以小写字母表示原函数，以其对应的大写字母表示象函数。 二、函数进行拉氏变换的条件 一个函数可以进行拉氏变换的充要条件是： 在t<0时， f (t ) 0 ； 在t≥0的任一有限区间内，f(t)是分段连续的；
n
当n=0和n=1时的 特例。
第三节 拉氏变换的性质
一、线性性质 L[ f (t )] F (s) ，a和b为常数，则 若有L[ f1 (t )] F1 (s) ， L[af1 (t ) bf2 (t )] aF1 (s) bF2 (s)
2 2
这个性质表明，各函数线性组合的拉氏变换 等于各个函数拉氏变换的线性组合，利用 拉氏变换的定义直接可以证明上式。
t 0
L[
t
0
1 f ( )d ] F ( s) s
若L[ f (t )] F (s), 初始条件为零时，有
st
二、单位阶跃函数u(t)
0 u (t ) 1
u(t)的拉氏变换
t<0 t≥ 0
（2-2-3）
f (t )
L[u (t )]


0
u (t ) e st dt
0
1


0
1 st e dt e s
st
o
t
图2-2-2 单位阶跃函数
1 (0 1) s


0
sin t e
st
1 ( s j )t ( s j ) t e dt e dt dt 0 2 j 0
注
1 jt jt sin t j (e e ) 2
六、余弦函数 cos t （t≥0，为实数 ）
L[cost ]
0
1 ( s j ) t dt e ( s j )t dt coste dt e 0 2 0
st
1 e ( s j )t e ( s j )t 2 s j 0 s ) 1
t<0
t≥0
的拉氏变换
as L [ f ( t a )] e F ( s) 得 解：由式
L[u (t )] e
s
1 s
三、周期函数的拉氏变换
若函数 f (t )是以T周期的周期函数，即 f (t T ) 则有 st L[ f (t )] f (t )e dt
0
L[ f (t )] F (s) f (t ) est dt



0
f (t )e st dt 。
在工程实践中，上述条件通常是容易实现的。
第二节 典型函数的拉氏变换
• 正像掌握微积分时必须熟记典型函数的微积 分运算一样，要掌握拉氏变换，必须熟悉几 个典型函数的拉氏变换。
0
f (t ) ，
f (t )e dt
st 0
T

2T
T
f (t )e dt
st

( n 1)T
nT
f (t )e st dt

n 0

( n 1)T
nT
f (t )e st dt
t1 0时， t nT 令t t1 nT，即dt dt1 ,
引言
•
研究与分析一个系统的动态特性， 或对系统进行控制，不仅要定性的了 解系统的工作原理，而且要定量的描 述系统的动态性能，揭示系统的结构、 参数与动态性能之间的关系。这就要 建立系统的数学模型。
•
微分方程式是描述线性系统运动的一 种基本形式的数学模型。通过对它求解， 就可以得到系统在给定输入信号作用下的 输出响应。然而，用微分方程式表示系统 的数学模型在实际应用中一般会遇到如下 的困难: • 1) 微分方程式的阶次一高，求解就有难度， 且计算的工作量也大。
a
六、微分性质
若L[ f (t )] F (s)则
d L[ f (t )] sF ( s) f (0) dt d d 证： L[ f (t )] [ f (t )]e st dt 0 dt dt
e df (t )
st 0

e
st
f (t ) s f (t )e dt
和单位斜坡函数
L[t ]
n
n u 0
1
s
n 1


0
u e du
n
r (t ) 分别是幂函数
因为 u e du (n 1), 所以
t (n 1)
n
当n是非负整数时， (n 1) n！，则 n！ n L[t ] n 1 s
( n 1) L[t ] s n 1
st 0 0


sF (s) f (0)
这个性质表明函数 f (t ) 求导后的拉氏变换等于f (t ) 的象函数F ( s)乘 以复参量 s，再减去这个函数的初值。
推广 若 L[ f (t )] F (s) 则
d L[ f (t )] sF ( s) f (0) dt
d L[ 2 f (t )] s 2 F ( S ) sf (0) f (0) dt
L[ f (t a)] e

as
F ( s)
st
f (t a)为延时时间 a的函数f (t ), 当t a即t a 0时，f (t ) 0

0
证：L[ f (t a)] f (t a)e dt f (t a)es[(t a )a ]d (t a)
s 2 2 s
注
1 jt j t cos t (e e ) 2
n 1且为整数） 七、幂函数 t (t≥0， L[t ] t e dt 单位阶跃函数 u(t )
n n st
n
令u st , t
u du , dt , s s
0
代入上式得
u
T n 0 0 s ( t1 nT )
dt1
f (t1 nT ) f (t1 )
e
n 0

snT
1 sT 1 e
四、复数域的位移定理
若L[ f (t )] F (s), 对任一常数 a（实数或复数），有
L[e
at
f (t )] F (s a)
• 2) 对于控制系统的分析，不仅要了解 它在给定信号作用下的输出响应，而 且更要重视系统的结构、参数与其性 能间的关系。对于后者的要求，显然 用微分方程式去描述是难于实现的。
拉普拉斯变换（简称拉氏变换）是分析 研究线性动态系统的有力数学工具。通过拉 氏变换将时域的微分方程变换为复数域的代 数方程，这不仅运算方便，也使系统的分析 大为简化。在控制工程中,使用拉氏变换的主 要目的是用它来研究系统动态特性,因为描述 系统动态特性的传递函数和频率特性都是建 立在拉氏变换的基础之上的。
例3-1 求 L[sin t cost ]
1 L[sin t cos t ] 2
L[sin 2t ]
2t
1 2 s 4
3
例3-2 求
2t
L[1 e cos3t t (t )]
3
1 1 s 6 L[1 e cos 3t t (t )] 2 4 1 s s2 s 9 s
1 s L[ f (at )] F ( ) a a
证：L[ f (at)] f (at)est dt
0

（令at )

0
1 s 1 a f ( )e d F ( ) a 0 a a
1 f ( )e d a s
s a

这个性质表明如果函数 f (t )的自变量t扩展 a 倍，则 f (at) 的 象函数等于f (t ) 的象函数 F ( s) 在复数域上压缩 a 倍，即乘 以常数 1 。