第三讲2.2 拉普拉斯变换.ppt
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1、上海大学机电工程与自动化学院工工 程程 控控 制制 原原 理理2.数学模型与传递函数2.2 拉普拉斯变换拉普拉斯变换主讲:彭艳主讲:彭艳 办办 公公 室:室:机械楼机械楼205室室 电子邮件电子邮件: 办公电话:办公电话:56334137上海大学机电工程与自动化学院上次课内容回顾上次课内容回顾 系统微分方程的建立系统微分方程的建立系统的物理本质差别大,但描述他们动态性能的数学模型相似系统的物理本质差别大,但描述他们动态性能的数学模型相似上海大学机电工程与自动化学院2.2 拉普拉斯变换拉普拉斯变换 系系统统的的数数学学模模型型以以微微分分方方程程的的形形式式表表达达输输出出与与输输入入的的关关系
2、。经典控制理论的系。经典控制理论的系统分析方法系统分析方法系统分析方法系统分析方法:时域法、频域法。:时域法、频域法。2.数学模型与传递函数时域分析法时域分析法时域分析法时域分析法求求求求解解解解数数数数学学学学模模模模型型型型微微微微分分分分方方方方程程程程,获获获获得得得得系系系系统统统统输出随时间变化的规律。输出随时间变化的规律。输出随时间变化的规律。输出随时间变化的规律。借借借借助助助助于于于于系系系系统统统统频频频频率率率率特特特特性性性性分分分分析析析析系系系系统统统统的的的的性性性性能,拉普拉斯变换是其数学基础。能,拉普拉斯变换是其数学基础。能,拉普拉斯变换是其数学基础。能,拉普
3、拉斯变换是其数学基础。频域分析法频域分析法频域分析法频域分析法 频域分析法是经典控制理论的核心,被广泛采用,该方法频域分析法是经典控制理论的核心,被广泛采用,该方法间接地运用系统的开环频率特性分析闭环响应。间接地运用系统的开环频率特性分析闭环响应。上海大学机电工程与自动化学院2.2.1 复数和复变函数复数和复变函数 复数的概念复数的概念复数的概念复数的概念 复数复数 s s=+j+j (有一个实部(有一个实部 和一个虚部和一个虚部,和和 均为实数)均为实数)两两个复数相等:当且仅当它们的实部和虚部分别相等。个复数相等:当且仅当它们的实部和虚部分别相等。一个复数为零:当且仅当它的实部和虚部同时为
4、零。一个复数为零:当且仅当它的实部和虚部同时为零。2.2 拉普拉普拉斯变换拉斯变换称为称为虚数单位虚数单位虚数单位虚数单位 上海大学机电工程与自动化学院 复数的表示法复数的表示法复数的表示法复数的表示法 对于复数对于复数 s s=+j+j 复复复复平平平平面面面面:以以 为为横横坐坐标标(实实轴轴)、为为纵纵坐坐标标(虚虚轴轴)所所构构成成的的平平面面称称为为复复平平面面或或s s平平面面。复复数数 s s=+j+j 可可在在复复平平面面s s中中用用点点(,)表示:一个复数对应于复平面上的一个点。表示:一个复数对应于复平面上的一个点。2.2.1 复数和复变函数复数和复变函数 o复平面复平面s
5、 s 1 2j 1 2s1=1+j 1s2=2+j 2上海大学机电工程与自动化学院 复数的向量表示法复数的向量表示法复数的向量表示法复数的向量表示法 复数复数 s s=+j+j 可以用从原点指向点可以用从原点指向点(,)的向量表示。的向量表示。向量的长度称为复数的模:向量的长度称为复数的模:2.2.1 复数和复变函数复数和复变函数 o 1 2j s1s2r1=|s1|r2=|s2|向向量量与与 轴轴的的夹夹角角 称称为复数为复数s s的复角:的复角:上海大学机电工程与自动化学院 复数的复数的复数的复数的三角函数表示法三角函数表示法三角函数表示法三角函数表示法与与与与指数表示法指数表示法指数表示
6、法指数表示法 根据复平面的图示可得:根据复平面的图示可得:=r r coscos ,=r r sinsin 复数的复数的复数的复数的三角函数表示法三角函数表示法三角函数表示法三角函数表示法:s s=r r(cos(cos +j sin+j sin )2.2.1 复数和复变函数复数和复变函数 o 1 2j s1s2r1=|s1|r2=|s2|欧拉公式:欧拉公式:复数的复数的复数的复数的指数表示法指数表示法指数表示法指数表示法:上海大学机电工程与自动化学院 复变函数、极点与零点的概念复变函数、极点与零点的概念复变函数、极点与零点的概念复变函数、极点与零点的概念 以复数以复数s s=+j+j 为自变
7、量构成的函数为自变量构成的函数G G(s s)称为复变函数:称为复变函数:G G(s s)=u u+j+jv v式中式中式中式中:u u、v v 分别为复变函数的实部和虚部。分别为复变函数的实部和虚部。2.2.1 复数和复变函数复数和复变函数(a)当当s s=-z zi i时,时,G G(s s)=0=0,则,则s si i=-z zi i称为称为G G(s s)的的 零点零点零点零点 ;分子为零分子为零分子为零分子为零分母为零分母为零分母为零分母为零 通通常常,在在线线性性控控制制系系统统中中,复复变变函函数数G G(s s)是是复复数数s s的的单单值值函函数数。即即:对对应应于于s s的
8、的一一个个给给定定值值,G G(s s)就就有有一一个个唯唯一一确确定定的的值与之相对应。值与之相对应。当复变函数表示成当复变函数表示成(b)当当s s=-p pj j时,时,G G(s s),则,则s sj j=-p pj j称为称为G G(s s)的的 极点极点极点极点 。上海大学机电工程与自动化学院例:例:当当s s=+j+j 时,求复变函数时,求复变函数G G(s s)=s s2 2+1+1的实部的实部u u和虚部和虚部v v。2.2.1 复数和复变函数复数和复变函数复变函数的实部复变函数的实部复变函数的虚部复变函数的虚部解解:G G(s s)s s2 2+1+1(+j+j )2 2+
9、1+1 2 2+j(2j(2 )-2 2+1+1 (2 2 -2 2+1)+1)+j(2j(2 )上海大学机电工程与自动化学院2.2.2 拉普拉斯变换的定义拉普拉斯变换的定义 拉拉氏氏变变换换是是控控制制工工程程中中的的一一个个基基本本数数学学方方法法,其其优优点点是是能能将将时时间间函函数数的的导导数数经经拉拉氏氏变变换换后后,变变成成复复变变量量s s的的乘乘积积,将将时时间表示的微分方程,变成以间表示的微分方程,变成以s s表示的代数方程。表示的代数方程。2.2 拉普拉普拉斯变换拉斯变换复变量复变量原函数原函数象函数象函数拉氏变换符号拉氏变换符号拉拉拉拉普普普普拉拉拉拉斯斯斯斯变变变变换
10、换换换:在在一一定定条条件件下下,把把实实数数域域中中的的实实变变函函数数 f(t)变变换到复数域内与之等价的复变函数换到复数域内与之等价的复变函数 F(t)。设设有有时时间间函函数数 f(t),当当 t a的的所所有有复复数数s(Res表表示示s的的实实部部)都都使使积积分分式式绝绝对对收收敛敛,故故Res a是是拉拉普普拉拉斯斯变变换换的的定定义义域域,a称称为收敛坐标。为收敛坐标。式中式中式中式中:M、a为实常数。为实常数。上海大学机电工程与自动化学院2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换 (1)单位阶跃函数单位阶跃函数单位阶跃函数单位阶跃函数 单位阶跃函数定义
11、:单位阶跃函数定义:2.2 拉普拉普拉斯变换拉斯变换其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为:上海大学机电工程与自动化学院 (2)(2)单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数 单位脉冲函数定义:单位脉冲函数定义:2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换且:且:其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为:上海大学机电工程与自动化学院 (3)(3)单位速度函数(单位斜坡函数)单位速度函数(单位斜坡函数)单位速度函数(单位斜坡函数)单位速度函数(单位斜坡函数)单位速度函数定义:单位速度函数定义:2.2.3 典型时间函数的
12、拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为:上海大学机电工程与自动化学院 (4)(4)指数函数指数函数指数函数指数函数 指数函数表达式:指数函数表达式:2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换式中:式中:a是常数。是常数。其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为:上海大学机电工程与自动化学院 (5)(5)正弦信号函数正弦信号函数正弦信号函数正弦信号函数 正弦信号函数定义:正弦信号函数定义:2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换由欧拉公式,正弦函数表达为:由欧拉公
13、式,正弦函数表达为:两两式式相相减减其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为:上海大学机电工程与自动化学院 (6)(6)余弦信号函数余弦信号函数余弦信号函数余弦信号函数 余弦信号函数定义:余弦信号函数定义:2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换由欧拉公式,余弦函数表达为:由欧拉公式,余弦函数表达为:两两式式相相加加其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为其拉普拉斯变换为:上海大学机电工程与自动化学院拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表 (待续待续待续待续)2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉
14、普拉斯变换序号序号原函数原函数 f(t)(t 0)象函数象函数 F(s)=Lf(t)11 (单位阶跃函数单位阶跃函数)1s2 (t)(单位脉冲函数单位脉冲函数)13K (常数常数)Ks4t (单位斜坡函数单位斜坡函数)1s2上海大学机电工程与自动化学院拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表 (续续续续1)1)2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换序号序号原函数原函数 f(t)(t 0)象函数象函数 F(s)=Lf(t)5t n (n=1,2,)n!s n+16e-at1s+a7tn e-at (n=1,2,)n!(s+a)n+18 1 T1T
15、s+1tTe上海大学机电工程与自动化学院拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表 (续续续续2)2)2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换序号序号原函数原函数 f(t)(t 0)象函数象函数 F(s)=Lf(t)9sin t s2+210cos tss2+211e-at sin t(s+a)2+212e-at cos ts+a(s+a)2+2上海大学机电工程与自动化学院拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表 (续续续续3)3)2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换序号序号原函数原函数 f(t)
16、(t 0)象函数象函数 F(s)=Lf(t)13 (1-e-at)1s(s+a)14 (e-at-e-bt)1(s+a)(s+b)15 (b be-bt-ae at)s(s+a)(s+b)16sin(t+)cos +s sin s2+21a1b-a1b-a上海大学机电工程与自动化学院拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表拉普拉斯变换简表 (续续续续4)4)2.2.3 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换序号序号原函数原函数 f(t)(t 0)象函数象函数 F(s)=Lf(t)17 e-nt sin n 1-2 t n2s2+2ns+n218 e-nt sin n 1-
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- 第三讲2.2 拉普拉斯变换 第三 2.2 拉普拉斯 变换
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