理学类物理学及电子信息工程系.ppt

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1、YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数 系统函数与系统特性系统函数与系统特性一、系统函数的零、极点分布图一、系统函数的零、极点分布图二、系统函数与时域响应二、系统函数与时域响应三、系统函数收敛域与极点的关系三、系统函数收敛域与极点的关系四、系统函数与频率响应四、系统函数与频率响应 系统的稳定性系统的稳定性 信号流图信号流图7.4 7.4 系统模拟系统模拟一、直接实现一、直接实现二、级联实现二、级联实现三、并联实现三、并联实现YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息

2、工程系第七章系统函数第七章系统函数 系统函数与系统特性系统函数与系统特性一、一、系统函数的零、极点分布图系统函数的零、极点分布图LTI系统的系统函数是复变量系统的系统函数是复变量s或或z的有理分式，即的有理分式，即A(.)=0的根的根p1，p2，pn称为系统函数称为系统函数H(.)的极点；的极点；B(.)=0的的根根 1，2，m称为系统函数称为系统函数H(.)的零点。的零点。将零极点画在复平面上将零极点画在复平面上得得零、极点分布图。零、极点分布图。例例YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例：已知：已知H(

3、s)的零、极点分布图如示，并且的零、极点分布图如示，并且h(0+)=2。求。求H(s)的表达式。的表达式。解解：由分布图可得：由分布图可得根据初值定理，有根据初值定理，有YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数二、系统函数二、系统函数H()与时域响应与时域响应h()冲激响应或单位序列响应的函数形式由冲激响应或单位序列响应的函数形式由H(.)的极点确定。的极点确定。下面讨论下面讨论H(.)极点的位置与其时域响应的函数形式。极点的位置与其时域响应的函数形式。所讨论系统均为因果系统。所讨论系统均为因果系统。1连续因果系

4、统连续因果系统H(s)按其极点在按其极点在s平面上的位置可分为平面上的位置可分为:在左半开平面、虚轴在左半开平面、虚轴和右半开平面三类。和右半开平面三类。（1）在左半平面）在左半平面(a)若系统函数有若系统函数有负实单极点负实单极点p=(0)，则，则A(s)中有因子中有因子(s+)，其所对应的响应函数为其所对应的响应函数为Ke-t(t)YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数(b)若有若有一对共轭复极点一对共轭复极点p12=-j，则，则A(s)中有因子中有因子(s+)2+2-Ke-tcos(t+)(t)(c)若有

5、若有r重极点重极点，则则A(s)中有因子中有因子(s+)r或或(s+)2+2r，其响应为，其响应为Kitie-t(t)或或Kitie-tcos(t+)(t)(i=0,1,2,r-1)以上三种情况：当以上三种情况：当t时，响应均趋于时，响应均趋于0。暂态分量。暂态分量。（2）在虚轴上）在虚轴上(a)单极点单极点p=0或或p12=j，则响应为则响应为K(t)或或Kcos(t+)(t)-稳态分量稳态分量(b)r重极点重极点，相应，相应A(s)中有中有sr或或(s2+2)r，其响应函数为，其响应函数为Kiti(t)或或Kiticos(t+)(t)(i=0,1,2,r-1)递增函数递增函数YANGTZE

6、 NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数（3）在右半开平面在右半开平面：均为均为递增函数递增函数。综合结论综合结论：LTI连续因果系统的连续因果系统的h(t)的函数形式由的函数形式由H(s)的极点确定。的极点确定。H(s)在左半平面的极点所对应的响应函数为衰减的。即当在左半平面的极点所对应的响应函数为衰减的。即当t时，响应均趋于时，响应均趋于0。H(s)在虚轴上的一阶极点所对应的响应函数为稳态分量。在虚轴上的一阶极点所对应的响应函数为稳态分量。H(s)在虚轴上的高阶极点或右半平面上的极点，其所对应的响在虚轴上的高阶极点或右半平

7、面上的极点，其所对应的响应函数都是递增的。应函数都是递增的。即当即当t时，响应均趋于时，响应均趋于。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数2离散因果系统离散因果系统H(z)按其极点在按其极点在z平面上的位置可分为平面上的位置可分为:在在单位圆内单位圆内、在、在单位单位圆上圆上和在和在单位圆外单位圆外三类。三类。根据根据z与与s的对应关系，有的对应关系，有结论结论：H(z)在单位圆内的极点所对应的响应序列为衰减的。即当在单位圆内的极点所对应的响应序列为衰减的。即当k时，响应均趋于时，响应均趋于0。H(z)在单位圆

8、上的一阶极点所对应的响应函数为稳态响应。在单位圆上的一阶极点所对应的响应函数为稳态响应。H(z)在单位圆上的高阶极点或单位圆外的极点，其所对应的在单位圆上的高阶极点或单位圆外的极点，其所对应的响应序列都是递增的。即当响应序列都是递增的。即当k时，响应均趋于时，响应均趋于。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数三、系统函数收敛域与其极点之间的关系三、系统函数收敛域与其极点之间的关系根据收敛域的定义，根据收敛域的定义，H()收敛域不能含收敛域不能含H()的极点。的极点。例例：某离散系统的系统函数：某离散系统的系统函

9、数(1)若系统为因果系统，求单位序列响应若系统为因果系统，求单位序列响应h(k);(2)若系统为反因果系统，求单位序列响应若系统为反因果系统，求单位序列响应h(k);(3)若系统存在频率响应，求单位序列响应若系统存在频率响应，求单位序列响应h(k);解解(1)|z|3，h(k)=(-0.5)k+(3)k(k)(2)|z|0.5，h(k)=-(-0.5)k-(3)k(-k-1)(3)0.5|z|3，h(k)=(-0.5)k(k)-(3)k(-k-1)YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数四、系统函数与频率响应四、

10、系统函数与频率响应1、连续因果系统、连续因果系统若系统函数若系统函数H(s)的极点均在左半平面，则它在虚轴上的极点均在左半平面，则它在虚轴上(s=j)也也收敛，有收敛，有H(j)=H(s)|s=j，下面介绍两种常见的系统。下面介绍两种常见的系统。（1）全通函数）全通函数若系统的幅频响应若系统的幅频响应|H(j)|为常数，则称为为常数，则称为全通系统全通系统，其相应的，其相应的H(s)称为称为全通函数全通函数。凡极点位于左半开平面，零点位于右半开平面，并且所有凡极点位于左半开平面，零点位于右半开平面，并且所有零点与极点对于虚轴为一一镜像对称的系统函数即为全通函数。零点与极点对于虚轴为一一镜像对称

11、的系统函数即为全通函数。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数（2）最小相移函数）最小相移函数右半开平面没有零点的系统函数称为右半开平面没有零点的系统函数称为最小相移函数最小相移函数。解释见解释见p3362、离散因果系统、离散因果系统若系统函数若系统函数H(z)的极点均在单位圆内，则它在单位圆的极点均在单位圆内，则它在单位圆上上(|z|=1)也收敛，有也收敛，有H(ej)=H(z)|z=ej，式中式中=Ts，为角频率，为角频率，Ts为取样周期。为取样周期。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学

12、及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数 系统的稳定性系统的稳定性一、因果系统一、因果系统因果系统是指，系统的零状态响应因果系统是指，系统的零状态响应yf(.)不会出现不会出现于于f(.)之前的系统。之前的系统。连续因果系统连续因果系统的充分必要条件是：冲激响应的充分必要条件是：冲激响应h(t)=0,t0离散因果系统离散因果系统的充分必要条件是：单位响应的充分必要条件是：单位响应h(k)=0,k0YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数二、系统的稳定性二、系统的稳定性1、稳定系统的定义、

13、稳定系统的定义一个系统，若对任意的有界输入，其零状态响应也是有一个系统，若对任意的有界输入，其零状态响应也是有界的，则称该系统是有界输入有界输出界的，则称该系统是有界输入有界输出(BIBO)稳定的系稳定的系统，简称为统，简称为稳定系统稳定系统。即即，若系统对所有的激励，若系统对所有的激励|f(.)|Mf，其零状态响应，其零状态响应|yf(.)|My，则称该系统稳定。，则称该系统稳定。（1）连续系统稳定的充分必要条件是）连续系统稳定的充分必要条件是若若H(s)的收敛域包含虚轴，则该系统必是稳定系统。的收敛域包含虚轴，则该系统必是稳定系统。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及

14、电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数（2）离散系统稳定的充分必要条件是）离散系统稳定的充分必要条件是若若H(z)的收敛域包含单位圆，则该系统必是稳定的系统。的收敛域包含单位圆，则该系统必是稳定的系统。例例1y(k)+1.5y(k-1)-y(k-2)=f(k-1)(1)若为因果系统，求若为因果系统，求h(k)，并判断是否稳定。，并判断是否稳定。(2)若为稳定系统，求若为稳定系统，求h(k).解解(1)为因果系统，故收敛域为为因果系统，故收敛域为|z|2，所以，所以k-(-2)k(k)，不稳定。，不稳定。(2)若为稳定系统，故收敛域为若为稳定系统，故收敛域为0.5|z|

15、2，所以，所以h(k)=0.4(0.5)k(k)+0.4(-2)k(-k-1)YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数因果系统稳定性的充分必要条件可简化为因果系统稳定性的充分必要条件可简化为（3）连续因果系统连续因果系统因为因果系统左半开平面的极点对应的响应为衰减函数。故，若因为因果系统左半开平面的极点对应的响应为衰减函数。故，若H(s)的极点均在左半开平面的极点均在左半开平面，则该系统必是稳定的因果系统。，则该系统必是稳定的因果系统。（4）离散因果系统离散因果系统因为因果系统单位圆内的极点对应的响应为衰减函数。

16、故，若因为因果系统单位圆内的极点对应的响应为衰减函数。故，若H(z)的极点均在单位圆内的极点均在单位圆内，则该系统必是稳定的因果系统。，则该系统必是稳定的因果系统。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例1：如图反馈因果系统，问当如图反馈因果系统，问当K满足什么条件时，系统是稳定满足什么条件时，系统是稳定的？其中子系统的系统函数的？其中子系统的系统函数G(s)=1/(s+1)(s+2)解解：设：设加法器的输出信号加法器的输出信号X(s)X(s)X(s)=KY(s)+F(s)Y(s)=G(s)X(s)=KG(s

17、)Y(s)+G(s)F(s)H(s)=Y(s)/F(s)=G(s)/1-KG(s)=1/(s2+3s+2-k)H(s)的极点为的极点为为使极点在左半平面，必须为使极点在左半平面，必须(3/2)2-2+k(3/2)2,k2，即当，即当k2，系统稳定。，系统稳定。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例2：如图离散因果系统框图如图离散因果系统框图，为使系统稳定，为使系统稳定，求常量求常量a的取值范围的取值范围解解：设：设加法器输出信号加法器输出信号X(z)X(z)z-1X(z)X(z)=F(z)+z-1aX(z)

18、Y(z)=(2+z-1)X(z)=(2+z-1)/(1-az-1)F(z)H(z)=(2+z-1)/(1-az-1)=(2z+1)/(z-a)为使系统稳定，为使系统稳定，H(z)的极点必须在单位园内，的极点必须在单位园内，故故|a|0，不难得出，不难得出，A(s)为霍尔维兹多项式的条件为：为霍尔维兹多项式的条件为：a10，a00例例1A(s)=2s4+s3+12s2+8s+2罗斯阵列：罗斯阵列：212218028.502第第1列元素符号改变列元素符号改变2次，因此，有次，因此，有2个根位于右半平面。个根位于右半平面。注意：注意：在排罗斯阵列时，在排罗斯阵列时，可能遇到一些特殊情况，可能遇到一些

19、特殊情况，如第一列的某个元素为如第一列的某个元素为0或某一行元素全为或某一行元素全为0，这，这时可断言：该多项式不是时可断言：该多项式不是霍尔维兹多项式。霍尔维兹多项式。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例2已知某因果系统函数已知某因果系统函数为使系统稳定，为使系统稳定，k应满足什么条件？应满足什么条件？解解列罗斯阵列列罗斯阵列13231+k(8-k)/31+k所以，所以，1k0(2)(-1)nA(-1)0(3)an|a0|cn-1|c0|dn-2|d0|r2|r0|奇数行，其第奇数行，其第1个元素必大于

20、最后一个元素的绝对值。个元素必大于最后一个元素的绝对值。特例特例：对二阶系统。：对二阶系统。A(z)=a2z2+a1z+a0,易得易得A(1)0A(-1)0a2|a0|YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例A(z)=4z4-4z3+2z-1解解4-402-1-120-4415-140440-1415209-2105641，154，20956所以系统稳定。所以系统稳定。(-1)4A(-1)=50排朱里列表排朱里列表A(1)=10YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电

21、子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数 信号流图信号流图用方框图描述系统的功能比较直观。用方框图描述系统的功能比较直观。信号流图信号流图是用有向的线是用有向的线图描述方程变量之间因果关系的一种图，用它描述系统比方框图描述方程变量之间因果关系的一种图，用它描述系统比方框图更加简便。信号流图首先由图更加简便。信号流图首先由Mason于于1953年提出的，应用非年提出的，应用非常广泛。常广泛。信号流图就是用一些点和有向线段来描述系统，与框图本质信号流图就是用一些点和有向线段来描述系统，与框图本质是一样的，但简便多了。是一样的，但简便多了。一、信号流图一、信号流图 1、定义、定义：信号流图是由结点和

22、有向线段组成的几何图形。它可：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。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、信号流图中常用术语YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数(1)结点结点：信号流图中的每个结点表示一个变量或信号。信号流图中的每个结点表示一个变量或信号。(2)支路和支路增益支路和支路增益：连接两个结点之间的有向线段称为连接两个结点之间的有向线段称为支路支路。每条支路上的权值（每条支路上的权值（支路增益支路增益）就是该两结点间的系统函数（转

23、）就是该两结点间的系统函数（转移函数）移函数）F(s)H(s)Y(s)即即用一条有向线段表示一个子系统用一条有向线段表示一个子系统。(3)源点与汇点源点与汇点，混合结点混合结点：仅有出支路的结点称为仅有出支路的结点称为源点源点（或输入结点）。（或输入结点）。仅有入支路的结点称为仅有入支路的结点称为汇点汇点（或输出结点）。（或输出结点）。有入有出的结点为有入有出的结点为混合结点混合结点YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数沿箭头指向从一个结点到其他结点的路径称为沿箭头指向从一个结点到其他结点的路径称为通路通路。如

24、果通路与任一结点相遇不多于一次，则称为如果通路与任一结点相遇不多于一次，则称为开通路开通路。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），则称为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），则称为闭通闭通路路。相互没有公共结点的回路，称为相互没有公共结点的回路，称为不接触回路不接触回路。只有一个结点和一条支路的回路称为只有一个结点和一条支路的回路称为自回路自回路。(5)前向通路前向通路：从源点到汇点的开通路称为：从源点到汇点的开通路称为前向通路前向通路。(6)前向通路增益，回路增益前向通路增益，回路增益：前向通路中各支路增益的乘积称为前向通路中各支路增益的乘积称为前向通路增

25、益前向通路增益。回路中各支路增益的乘积称为回路中各支路增益的乘积称为回路增益回路增益。(4)通路、开通路、闭通路（回路、环）、不接触回路、自回路通路、开通路、闭通路（回路、环）、不接触回路、自回路：YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数3、信号流图的基本性质、信号流图的基本性质（1）信号只能沿支路箭头方向传输。）信号只能沿支路箭头方向传输。支路的输出支路的输出=该支路的输入与支路增益的乘积。该支路的输入与支路增益的乘积。（2）当结点有多个输入时，该接点将所有输入支路的信号相）当结点有多个输入时，该接点将所有输入

26、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。加，并将和信号传输给所有与该结点相连的输出支路。如如：x4=ax1+bx2+dx5x3=cx4x6=ex4（3）混合结点可通过增加一个增益为）混合结点可通过增加一个增益为1的出支路而变为汇点。的出支路而变为汇点。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数4、方框图、方框图流图流图注意：加法器前引入增益为注意：加法器前引入增益为1的支路的支路5、流图简化的基本规则：、流图简化的基本规则：（1）支路串联：支路增益相乘。）支路串联：支路增益相乘。X2=H2X3=

27、H2H1X1（2）支路并联：支路增益相加。）支路并联：支路增益相加。X2=H1X1+H2X1=(H1+H2)X1YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数（3）混联：）混联：X4=H3X3=H3(H1X1+H2X2)=H1H3X1+H2H3X2YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数（4）自环的消除：）自环的消除：X3=H1X1+H2X2+H3X3所有来向支路除所有来向支路除1H3YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理

28、学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例：化简下列流图。：化简下列流图。注意化简具体过程可能不同，但最终结注意化简具体过程可能不同，但最终结果一定相同。果一定相同。解解：消：消x3消消x2消消x4消自环消自环YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数二、梅森公式二、梅森公式 上述化简求上述化简求H复杂。利用复杂。利用Mason公式方便。公式方便。系统函数系统函数H(.)记为记为H。梅森公式为：。梅森公式为：称为信号流图的特征行称为信号流图的特征行列式列式为所有不同回路的增益之和；为所

29、有不同回路的增益之和；为所有两两不接触回路的增益乘积之和；为所有两两不接触回路的增益乘积之和；为所有三三不接触回路的增益乘积之和；为所有三三不接触回路的增益乘积之和；i表示由源点到汇点的第表示由源点到汇点的第i条前向通路的标号条前向通路的标号Pi是由源点到汇点的第是由源点到汇点的第i条前向通路增益；条前向通路增益；i称为第称为第i条前向通路特征行列式的余因子条前向通路特征行列式的余因子。消去接触回路消去接触回路YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例求下列信号流图的系统函数求下列信号流图的系统函数解解(1)首

30、先找出所有回路：首先找出所有回路：L1=H3GL2=2H1H2H3H5L3=H1H4H5(2)求特征行列式求特征行列式=1-（H3G+2H1H2H3H5+H1H4H5）+H3GH1H4H5(4)求各前向通路的余因子：求各前向通路的余因子：1=1，2=1-GH3(3)然后找出所有的前向通路：然后找出所有的前向通路：p1=2H1H2H3p2=H1H4YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数 系统模拟系统模拟对框图也可利用梅森公式求系统函数。对框图也可利用梅森公式求系统函数。Mason公式是由流图公式是由流图H(s)或

31、或H(z)下面讨论，由下面讨论，由H(s)或或H(z)流图或方框图流图或方框图一、直接实现一、直接实现-利用利用Mason公式来实现公式来实现例例分子中每项看成是一条前向通路。分母中，除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。有回路均相接触。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数二、级联实现二、级联实现将将H分解为若干简单（一阶或二阶子系统）的系统函数的乘

32、分解为若干简单（一阶或二阶子系统）的系统函数的乘积，即积，即H=H1H2Hn一、二阶子系统函数一、二阶子系统函数三、并联实现三、并联实现将将H展开成部分分式，将每个分式分别进行模拟，然后将它们展开成部分分式，将每个分式分别进行模拟，然后将它们并联起来。并联起来。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数例例H(s)=YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系物理学及电子信息工程系第七章系统函数第七章系统函数更多资源初一语文初一英语初一数学初一政治初一历史初一地理初一生物