第九章拉普拉斯变换.ppt
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1、第九章第九章拉普拉斯变换拉普拉斯变换n掌握拉氏变换定义及其基本性质;掌握拉氏变换定义及其基本性质;n牢记常用典型信号的拉氏变换;牢记常用典型信号的拉氏变换;n掌握运用拉氏变换分析掌握运用拉氏变换分析LTI系统的方法;系统的方法;n掌握系统的典型表示方法:掌握系统的典型表示方法:H(sH(s)、h(th(t)、微分方程、模拟框、微分方程、模拟框图、信号流图、零极点图、信号流图、零极点+收敛域图,以及它们之间的转换。收敛域图,以及它们之间的转换。n掌握采用单边拉氏变换对初始状态非零系统的分析方法。掌握采用单边拉氏变换对初始状态非零系统的分析方法。n能应用拉氏变换分析具体电路。能应用拉氏变换分析具体
2、电路。9.0引言引言n连续时间对应的复频域是用直角坐标连续时间对应的复频域是用直角坐标表示的复数平面,简称为表示的复数平面,简称为S平面或平面或连续时间复频域(连续时间复频域(s域)域).S平面上的每一个点平面上的每一个点s都都代表一个复指数信号代表一个复指数信号,整个整个S平面上所有的点代表了整个复指数信号集。平面上所有的点代表了整个复指数信号集。S平面平面S平面上虚轴上的所有点代表整个周期复指平面上虚轴上的所有点代表整个周期复指数信号集数信号集9.1拉氏变换拉氏变换一个信号一个信号x(t)的拉氏变换定义如下:的拉氏变换定义如下:记作记作:或或几个典型信号的拉氏变换几个典型信号的拉氏变换拉普
3、拉斯变换的收敛域与零极点拉普拉斯变换的收敛域与零极点收敛域:收敛域:一般把使积分一般把使积分收敛的收敛的s值的范值的范围称之为拉普拉斯变换的收敛域,简记为围称之为拉普拉斯变换的收敛域,简记为ROC。ReReS-planeS-planeImIm-a-a零极点零极点n只要只要x(t)x(t)是实指数或复指数信号的线性组合,是实指数或复指数信号的线性组合,X(s)X(s)就就一定是有理的一定是有理的,具有如下形式:具有如下形式:N(s)N(s)和和D(s)D(s)分别为分子多项式和分母多项式。分别为分子多项式和分母多项式。使使N(s)=0N(s)=0的根为的根为X(s)X(s)的零点,在的零点,在s
4、 s平面上用平面上用“O O”表表示。示。使使D(s)=0D(s)=0的根为的根为X(s)X(s)的的极点,在极点,在s s平面上用平面上用“”表示。表示。例例ReIm12xx-1请问:请问:x(t)的傅立叶变换存在吗的傅立叶变换存在吗?9.2拉氏变换收敛域的性质拉氏变换收敛域的性质性质性质1:1:拉氏变换收敛域的形状:拉氏变换收敛域的形状:X(s)X(s)的的ROCROC在在s s平面内由平行于平面内由平行于j j轴的带状区域所组成。轴的带状区域所组成。S-planeReReReImImImRLLRReIms平面性质性质2:对有理拉氏变换来说,:对有理拉氏变换来说,ROC内不内不包括任何极包
5、括任何极点。点。性质性质3:如果:如果x(t)是是有限持续期,并且是绝对可积有限持续期,并且是绝对可积的,那么的,那么ROC就是整个就是整个s平面。平面。ReIms平面平面性质性质4:如果:如果x(t)是是右边信号,而且如果右边信号,而且如果这条线位于这条线位于ROC内,那么内,那么的全部的全部s值值都都一定在一定在ROC内。内。ReIms平面平面性质性质5:如果:如果x(t)是是左边信号,而且如果左边信号,而且如果这条线位于这条线位于ROC内,那么内,那么的全部的全部s值都值都一定在一定在ROC内。内。x(t)T2te-0te-1tReIms平面平面性质性质6:如果:如果x(t)是是双边信号
6、,而且如果双边信号,而且如果这条线位于这条线位于ROC内,那么内,那么ROC就就一定是由一定是由s平面的一条带状区域所组成,平面的一条带状区域所组成,直线直线位于带中。位于带中。S-planeReReReImImImRLLR性质性质7:如果:如果x(t)的的拉氏变换拉氏变换X(s)是是有理的,那么它的有理的,那么它的ROC是被是被极点所界定或延伸到无限远。极点所界定或延伸到无限远。性质性质8 8:如果如果x(t)x(t)的的拉氏变换拉氏变换X(s)X(s)是是有理的,若有理的,若x(t)x(t)是是右边信号,则其右边信号,则其ROCROC在在s s平面上位于最右边极平面上位于最右边极点的右边;
7、若点的右边;若x(t)x(t)是是左边信号,则其左边信号,则其ROCROC在在s s平面上平面上位于最左边极点的左边。位于最左边极点的左边。n例例ReIms平面-2 -1求其可能有的所有的收敛域求其可能有的所有的收敛域-2 -1ReIms平面ReIms平面-2 -1ReIms平面-2 -1ReIms平面-2 -1-2 -1ReIms平面时域信号时域信号x(t)的特点的特点拉氏变换拉氏变换X(s)的的ROC有限长有限长整个整个S S平面平面左边时间信号左边时间信号某一左半平面某一左半平面右边时间信号右边时间信号某一右半平面某一右半平面双边时间信号双边时间信号某一带状收敛域某一带状收敛域例:例:求
8、其拉氏变换求其拉氏变换X(s),并画零极点图以及收敛域。,并画零极点图以及收敛域。解:解:9.3拉氏反变换拉氏反变换信号信号x(t)的的拉氏变换为:拉氏变换为:利用傅立叶反变换:利用傅立叶反变换:两边同乘以两边同乘以est即可从拉氏变换中恢复即可从拉氏变换中恢复x(t):n所有实信号所有实信号x(t)可以表示成复指数信号可以表示成复指数信号est的的加权加权。拉氏反变换公式表明:原函数拉氏反变换公式表明:原函数x(t)可以由它们的像可以由它们的像函数函数X(s)乘以复指数信号乘以复指数信号est后后积分求得。积分求得。拉氏反变换公式的积分路径是:收敛域内平行于拉氏反变换公式的积分路径是:收敛域
9、内平行于虚轴的一条自下而上的直线。虚轴的一条自下而上的直线。ImRes平面平面一、求解拉氏反变换的方法一、求解拉氏反变换的方法1 1、留数定理;(这里不讨论)留数定理;(这里不讨论)2 2、由一些熟知的拉氏变换对,利用性质,求得、由一些熟知的拉氏变换对,利用性质,求得未知的拉氏变换,或它们的反变换。未知的拉氏变换,或它们的反变换。3 3、对于有理形式拉氏变换,最常用的是部分分、对于有理形式拉氏变换,最常用的是部分分式展开法。式展开法。二、部分分式展开法求解拉氏反变换二、部分分式展开法求解拉氏反变换思路:思路:n单个单边复指数信号的拉氏变换是一些简单的单个单边复指数信号的拉氏变换是一些简单的有理
10、函数,其收敛域也是单纯的。有理函数,其收敛域也是单纯的。n单边实指数和复指数线性组合而成的信号,它单边实指数和复指数线性组合而成的信号,它们的拉氏变换一定是有理函数,其收敛域是每们的拉氏变换一定是有理函数,其收敛域是每一项复指数分量相应的收敛域的交集。一项复指数分量相应的收敛域的交集。部部分分分分式式展展开开的的第第一一步步是是把把分分母母N(s)进进行行因因式式分分解解,然后区分极点的类型,选择求取待定系数的方法。然后区分极点的类型,选择求取待定系数的方法。一、假设信号一、假设信号x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(s)没有多阶极点,且分没有多阶极点,且分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次(母多
11、项式的阶次高于分子多项式的阶次(有理真分式有理真分式),),那么那么X(s)就可以展开成如下形式:就可以展开成如下形式:例例:对对X(s)进行部分分式展开:进行部分分式展开:ReIm-1xx-2X(s)的零极点图和的零极点图和ROC如图所示:如图所示:分别对应什么时间信号?例例:对对X(s)进行部分分式展开:进行部分分式展开:X(s)的零极点图和的零极点图和ROC如图所示:如图所示:ReIm-1xx-2设设:对对X(s)进行部分分式展开:进行部分分式展开:X(s)的零极点图和的零极点图和ROC如图所示:如图所示:ReIm-1xx-2例:例:求求x(t)解:解:先转换为真分式:先转换为真分式:故
12、:故:例:已知:例:已知:求求x(t)将将X(s)进行部分分式展开:进行部分分式展开:二、二阶和高阶极点二、二阶和高阶极点当当N(s)0有有r重根,其余为单根的分解式为:重根,其余为单根的分解式为:例:已知:例:已知:求求x(t)将将X(s)进行部分分式展开:进行部分分式展开:故:故:则:则:9.4由零极点图对傅立叶变换进行几何求值由零极点图对傅立叶变换进行几何求值n目的:目的:揭示信号和系统的复频域表示与其频域特揭示信号和系统的复频域表示与其频域特性间的关系。性间的关系。n对于系统函数是有理函数的因果稳定对于系统函数是有理函数的因果稳定LTI系统,系统,其收敛域包括其收敛域包括s平面虚轴,那
13、么系统的频率响应平面虚轴,那么系统的频率响应H(j)如果有理系统函数如果有理系统函数H(s)表示为表示为分别为零点和极点分别为零点和极点这类因果稳定这类因果稳定LTI系统的频率响应为:系统的频率响应为:根据复数的向量表示法,根据复数的向量表示法,复数复数可用复平面上原点到该点的向量来表示。可用复平面上原点到该点的向量来表示。按照向量和差运算法则,两个复数的差按照向量和差运算法则,两个复数的差分别是分别是s平面上点平面上点指向点指向点j的的向量。向量。零点指向点零点指向点j的的向量为零点向量,记作向量为零点向量,记作极点指向点极点指向点j的向量为极点向量,记作的向量为极点向量,记作幅频响应幅频响
14、应H(j):例:例:求其幅频特性与性与相频特性曲线求其幅频特性与性与相频特性曲线9.5拉氏变换的性质拉氏变换的性质一、线性一、线性则则ROC但有时候会扩大但有时候会扩大例:例:已知:已知:求:求:X(s)解:解:二、时移性质二、时移性质例:例:求:求:X(s)解:解:三、三、S域域平移平移例:例:求:求:X(s)解:已知解:已知则则同理:同理:四、时域尺度变换四、时域尺度变换五、共轭五、共轭注:若注:若x(t)为实函数,如果为实函数,如果X(s)有一个极点或零点有一个极点或零点为复数在为复数在s=s0处,那么处,那么X(s)也一定有一个复数共轭也一定有一个复数共轭的的极点或零点,且对于极点或零
15、点,且对于X(s)的部分分式展开的部分分式展开式中的系数也互为共轭。式中的系数也互为共轭。六、卷积性质六、卷积性质那么那么七、时域微分七、时域微分但但ROC有可能扩大有可能扩大八、八、s域微分域微分九、时域积分九、时域积分例:求例:求的拉氏变换的拉氏变换解:解:故:故:推广:推广:及:及:故:故:例:例:关于一个拉氏变换为关于一个拉氏变换为X(s)的实信号的实信号x(t)给出下列条件:给出下列条件:1、X(s)只有两个极点;只有两个极点;2、X(s)在有限在有限s平面没有零点;平面没有零点;3、X(s)有一个零点在有一个零点在-1+j;4、e2tx(t)不是绝对可积;不是绝对可积;5、X(0)
16、=8求求X(s)解:由(解:由(1)由(由(2)由(由(3)由(由(4)不含不含j轴轴由(由(5)得:得:十、初值和终值定理十、初值和终值定理则则若若t0,x(t)=0且在且在t=0不不包括任何冲激或高阶奇异包括任何冲激或高阶奇异函数,则函数,则初值定理所得到的初值都是初值定理所得到的初值都是x(t)在在t=0+时刻的值,时刻的值,而不是在而不是在t=0或或t=0-时刻的值。时刻的值。sX(s)的收敛域的收敛域一定要包含一定要包含j轴轴例:例:求该信号的终值求该信号的终值解:当解:当a0时,收敛域不包括时,收敛域不包括j,故:,故:不存在不存在9.6常用拉氏变换对常用拉氏变换对nP499表9.
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- 关 键 词:
- 第九 拉普拉斯 变换
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