信号与系统第2章连续时间系统的时域分析.ppt
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1、第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 第二章第二章连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析2.1引言引言2.2微分方程的建立与求解微分方程的建立与求解2.3起始点的跳变起始点的跳变2.4零输入响应和零状态响应零输入响应和零状态响应2.5冲激响应与阶跃响应冲激响应与阶跃响应2.6卷积卷积2.7卷积的性质卷积的性质2.8用算子符号表示微分方程用算子符号表示微分方程第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 2.1引言引言系统在时域中数学模型的建立系统在时域中数学模型的建立微分方程:输入微分方程:输入-输出法输出法高阶微分方程高阶微分方程系统分析的任务是对给
2、定的系统模型和输入信系统分析的任务是对给定的系统模型和输入信号求系统的输出响应号求系统的输出响应系统分析的方法:时域分析方法系统分析的方法:时域分析方法频域分析方法频域分析方法第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 本章主要内容:本章主要内容:系统时域分析法:系统时域分析法:1、微分方程的求解、微分方程的求解直接求解微分方程;零输入响应和零状态响直接求解微分方程;零输入响应和零状态响应的概念和求解。应的概念和求解。2、根据单位冲激响应求系统的响应;卷积积分。、根据单位冲激响应求系统的响应;卷积积分。3、算子符号表示法。、算子符号表示法。第二章第二章 连续时间系统的时域分析连
3、续时间系统的时域分析 2.2系统数学模型(微分方程)的建立系统数学模型(微分方程)的建立例例2-1图图2-1所示为所示为RLC并联电路的,求并联电路并联电路的,求并联电路的端电压的端电压v(t)与激励源与激励源iS(t)间的关系间的关系iS(t)iRiCiLRLC+-v(t)第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 电阻:电阻:电感:电感:电容:电容:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 例:输入激励是电流源例:输入激励是电流源iS(t),试列出电流试列出电流iL(t)及及R1上电压上电压u1(t)为输出响应变量的为输出响应变量的方程式。方程式。第二章第
4、二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 例例:如如 图图 所所 示示 电电 路路,试试 分分 别别 列列 出出 电电 流流i1(t)、电电流流i2(t)和和电电压压uO(t)的的数数学学模模型。型。第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 第二章第二章 连续时间系统的时
5、域分析连续时间系统的时域分析 2.3用时域经典法求解微分方程用时域经典法求解微分方程设激励信号为设激励信号为e(t),系统响应为,系统响应为r(t),则可以用一高阶,则可以用一高阶的微分方程表示复杂的系统。的微分方程表示复杂的系统。第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 完全解完全解由由齐次解齐次解与与特解特解组成。组成。齐次解齐次解:齐次方程的解。:齐次方程的解。齐次方程:齐次方程:齐次解的形式是形如齐次解的形式是形如的线性组合。的线性组合。第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 微分方程的微分方程的特征方程特征方程特征方程的特征方程的n个根个根,称为
6、微分方称为微分方程的程的特征根特征根第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 1、在、在特征根各不相同特征根各不相同(无重根无重根)的情况下,微分方的情况下,微分方程的齐次解:程的齐次解:2、若特征方程、若特征方程有重根有重根,为为k阶重根,则相应阶重根,则相应于于的微分方程的齐次解将有的微分方程的齐次解将有k项,为:项,为:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 例例2-3求解微分方程求解微分方程的齐次解。的齐次解。解:解:特征方程:特征方程:特征根:特征根:齐次解:齐次解:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 1、求微分方程求微分
7、方程的齐次解。的齐次解。2、求微分方程求微分方程的齐次解。的齐次解。答案:答案:答案:答案:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 3、求微分方程求微分方程的齐次解。的齐次解。答案:答案:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 4、求微分方程求微分方程的齐次解。的齐次解。答案:答案:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 特解:特解:特解的函数形式与激励的函数形式特解的函数形式与激励的函数形式有关。有关。自由项:自由项:将激励代入微分方程右端,化简将激励代入微分方程右端,化简后的函数式后的函数式第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续
8、时间系统的时域分析 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 注意:注意:1、表中的、表中的B、D是待定系统。是待定系统。2、若自由项由几种函数组合,则特解也为其相应的组合。、若自由项由几种函数组合,则特解也为其相应的组合。3、若表中所列特解与齐次解重复,则应在特解中增加一项:、若表中所列特解与齐次解重复,则应在特解中增加一项:t倍乘表中特解。若这种重复形式有倍乘表中特解。若这种重复形式有k次,则依次增加倍乘次,则依次增加倍乘t,t2,tk诸项。诸项。例如:齐次解:例如:齐次解:激励:激励:特解:特解:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 例例2-4给定
9、微分方程给定微分方程如果已知:如果已知:(1)e(t)=t2;(2)e(t)=et,分别求两种,分别求两种情况下此方程的特解。情况下此方程的特解。解解:(1)将将e(t)=t2代入方程右端,得自由项代入方程右端,得自由项t2+2t 特解特解rp(t)=B1t2+B2t+B3将特解代入原微分方程,得:将特解代入原微分方程,得:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 等式两端各对应幂次的系统相等,等式两端各对应幂次的系统相等,可得:可得:特解为:特解为:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 (2)将将e(t)=et代入方程右端,得自由项代入方程右端,得自由
10、项2et 特解特解rp(t)=Bet将特解代入原微分方程,得:将特解代入原微分方程,得:Bet+2Bet+3Bet=2Bet 特解为:特解为:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 1、求微分方程求微分方程的特解。的特解。2、求微分方程求微分方程的特解。的特解。答案:答案:答案:答案:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 3、求微分方程求微分方程的特解。的特解。答案:答案:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 完全解完全解=齐次解齐次解+特解特解边界条件:在边界条件:在(0+t)内任一时刻内任一时刻t0(通常通常为为0+)时时r(
11、t)及其各阶导数及其各阶导数(最高为最高为n-1阶阶)的的值。即值。即由此可确定由此可确定Ai,得到完全解。,得到完全解。第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 线性常系数微分方程的经典解法:线性常系数微分方程的经典解法:1、通过特征方程写出齐次解、通过特征方程写出齐次解(含待定系数含待定系数);2、通过自由项写的特解,并代入原方程中确、通过自由项写的特解,并代入原方程中确定特解的待定系数;定特解的待定系数;3、完全解、完全解=齐次解齐次解(含待定系数含待定系数)+特解,根据特解,根据边界条件列方程组,求齐次解中的系数。边界条件列方程组,求齐次解中的系数。第二章第二章 连续
12、时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 特征方程的根特征方程的根称为系统称为系统的的“固有频率固有频率”,决定齐次解的形式。,决定齐次解的形式。齐次解齐次解自由响应。自由响应。特解特解强迫响应强迫响应第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 2.4起始点的跳变起始点的跳变从从0-到到0+状态的转变状态的转变系统加入激励之前的状态:系统加入激励之前的状态:起始状态起始状态(0-状态状态)系统加入激励之后的状态:系统加入激励之后的状态:初始条件初始条件(0+状态,导出的起始状态状态,导出的起始状态)第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 对于一个具体的电网络
13、,系统的对于一个具体的电网络,系统的0-状态就状态就是系统中储能元件的储能情况,即电容是系统中储能元件的储能情况,即电容上的起始电压和电感中的起始电流。上的起始电压和电感中的起始电流。当电路中当电路中没有冲激电流没有冲激电流(或阶跃电压或阶跃电压)强迫强迫作用于电容作用于电容以及以及没有冲激电压没有冲激电压(或阶跃电或阶跃电流流)强迫作用于电感强迫作用于电感,则换路期间电容两,则换路期间电容两端的电压和流过电感中的电流不会发生端的电压和流过电感中的电流不会发生突变。突变。第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 例2-6 如图所示RC一阶电路,电路中无储能,起始电压和电流都为
14、0,激励信号e(t)=u(t),求t0系统的响应电阻两端电压解:根据KVL和元件特性写出微分方程 当输入端激励信号发生跳变时,电容二端电压保持连续值,仍等于0,而电阻两端电压将产生跳变,即 特征根:齐次解:特解:0 代入起始条件:完全解:第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 当系统已经用微分方程表示时,系统的当系统已经用微分方程表示时,系统的0-状态到状态到0+状态有没有跳变决定于微分方程右端自由项是否状态有没有跳变决定于微分方程右端自由项是否包含包含及其各阶导数。及其各阶导数。它的原理是根据它的原理是根据t=0时刻微分方程左右两端的时刻微分方程左右两端的及其各阶导数应该
15、平衡相等。及其各阶导数应该平衡相等。第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 解法二:用匹配法 将 代入 得 (2-1)为保持方程左右两端各阶奇异函数平衡,可以判断,等式左端最高阶项应包含 ,所以 在0点发生跳变。将(2-1)两端同时做积分得 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 例2-7 电路如图,在激励信号电流源 的作用下,求电感支路电流 。激励信号接入之前系统中无储能,各支路电流 解:根据KCL和电路元件约束性得 左端二阶导数含有 项,则一阶导数在0点发生跳变,在0点没有跳变。两端做积分得 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析
16、 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 系统的特征方程:由于 在t0+时刻之后为零,因而特解为零,完全解为齐次解,利用初始条件代入式子 求得系数 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 为简化一下推导,引入符号考虑到电路耗能与储能的不同相对条件,分成以下几种情况给出的表达式(1)电阻 等幅正弦振荡 第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 (2)产生衰减振荡,电阻R越大衰减越慢,R较小时,衰减很快,以致不能产生振荡,即以下两种情况(3)(4)第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 将元件电压电流关系、基尔霍夫定律用
17、于给定电系统将元件电压电流关系、基尔霍夫定律用于给定电系统列写微分方程列写微分方程将联立微分方程化为一元高阶微分方程将联立微分方程化为一元高阶微分方程齐次解齐次解Aet(系数系数A待定待定)求特解求特解已定系数的完全解已定系数的完全解-系统之响应系统之响应完全解完全解=齐次解齐次解+特解特解(系数系数A待定待定)0-状态状态0+状态状态第二章第二章 连续时间系统的时域分析连续时间系统的时域分析 2.5零输入响应和零状态响应零输入响应和零状态响应完全响应的分解:完全响应的分解:1、自由响应和强迫响应、自由响应和强迫响应2、零输入响应和零状态响应、零输入响应和零状态响应第二章第二章 连续时间系统的
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