§2.1 LTI连续系统的响应x

第1页■微分方程的经典解关于0-和0+初始值零输入响应和零状态响应§2.1LTI连续系统的响应第二章连续系统的时域分析LTI连续系统的时域分析，归结为：建立并求解线性微分方程由于在其分析过程涉及的函数变量均为时间t，故称为时域分析法。这种方法比较直观，物理概念清楚，是学习各种变换域分析法的基础。第2页■▲一、微分方程的经典解y(n)(t)+an-1y(n-1)(t)+…+a1y(1)(t)+a0y(t)=bmf(m)(t)+bm-1f(m-1)(t)+…+b1f(1)(t)+b0f(t)微分方程的经典解：完全解=齐次解+特解。第3页■▲1.齐次解由特征方程→求出特征根→写出齐次解形式nitihiCty1e)(注意重根情况处理方法。举例第4页■▲2.特解的特征根）重为有0)((0111rPtPtPtPtmmmmr等于特征单根）（()e01tPtP根据微分方程右端函数式形式，设含待定系数的特解函数式→代入原方程，比较系数定出特解。激励f(t)响应y(t)的特解yp(t))(常数F)(常数Pmt）特征根均不为0(0111PtPtPtPmmmmte不等于特征根）(etPtcostsin)j(sincos21特征根不等于tPtP重特征根）等于（rPtPtPtrrrr()e011举例第5页■▲3.全解完全解=齐次解+特解由初始值定出齐次解中的待定常数Ci。举例•齐次解的函数形式仅与系统本身的特性有关，而与激励f(t)的函数形式无关，称为系统的固有响应或自由响应；•特解的函数形式由激励确定，称为强迫响应。第6页■▲二．关于0-和0+初始值若输入f(t)是在t=0时接入系统，则确定待定系数Ci时用t=0+时刻的初始值，即y(j)(0+)(j=0,1,2…，n-1)。而y(j)(0+)包含了输入信号的作用，不便于描述系统的历史信息。在t=0-时，激励尚未接入，该时刻的值y(j)(0-)反映了系统的历史情况而与激励无关。称这些值为初始状态或起始值。通常，需要从已知的初始状态y(j)(0-)设法求得y(j)(0+)。例1例2当微分方程右端含有冲激函数时，响应y(t)及其各阶导数中，有些在t=0处将发生跃变。否则不会跃变。第7页■▲三.零输入响应和零状态响应y(t)=yzi(t)+yzs(t),也可以分别用经典法求解。注意：对t=0时接入激励f(t)的系统，初始值yzi(j)(0+),yzs(j)(0+)(j=0，1，2，…，n-1)的计算。y(j)(0-)=yzi(j)(0-)+yzs(j)(0-)y(j)(0+)=yzi(j)(0+)+yzs(j)(0+)对于零输入响应，由于激励为零，故有yzi(j)(0+)=yzi(j)(0-)=y(j)(0-)对于零状态响应，在t=0-时刻激励尚未接入，故应有yzs(j)(0-)=0yzs(j)(0+)的求法下面举例说明。例1第8页■▲0-和0+初始值举例2例2：描述某系统的微分方程为y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2f’(t)+f(t)已知y(0-)=2，y’(0-)=0，f(t)=δ’(t)，求y(0+)和y’(0+)。解：将输入f(t)=δ’(t)代入上述微分方程得y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2δ”(t)+δ’(t)（1）利用系数匹配法分析：令y”(t)=aδ”(t)+bδ’(t)+Cδ(t)+r1(t)，r1(t)中不含冲激y’(t)=aδ’(t)+bδ(t)+r2(t)，r2(t)=Cε(t)+r1(-1)(t)y(t)=aδ(t)+r3(t)，r3(t)=bε(t)+r2(-1)(t)将上述关系代入式（1），并整理得第9页■▲aδ”(t)+bδ’(t)+Cδ(t)+r1(t)+3aδ’(t)+3bδ(t)+3r2(t)+2aδ(t)+2r3(t)=2δ”(t)+δ’(t)比较等式两边冲激项系数，有a=2b+3a=1c+3b+2a=0解得：a=2，b=-5，c=11，故y”(t)=2δ”(t)-5δ’(t)+11δ(t)+r1(t)，y’(t)=2δ’(t)-5δ(t)+r2(t)，y(t)=2δ(t)+r3(t)，第10页■▲对y”(t)从0-到0+积分得y’(0+)-y’(0-)=11，y’(0+)=y’(0-)+11=11对y’(t)从0-到0+积分得y(0+)-y(0-)=-5，y(0+)=y(0-)-5=2-5=-3第11页■▲0-和0+初始值举例1例1：描述某系统的微分方程为y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2f’(t)+6f(t)已知y(0-)=2，y’(0-)=0，f(t)=ε(t)，求y(0+)和y’(0+)。解：将输入f(t)=ε(t)代入上述微分方程得y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2δ(t)+6ε(t)（1）利用系数匹配法分析：上式对于t=0-也成立，在0-t0+区间等号两端δ(t)项的系数应相等。由于等号右端为2δ(t)，故y”(t)应包含冲激函数，从而y’(t)在t=0处将发生跃变，即y’(0+)≠y’(0-)。但y’(t)不含冲激函数，否则y”(t)将含有δ’(t)项。由于y’(t)中不含δ(t)，故y(t)在t=0处是连续的。故y(0+)=y(0-)=2第12页■▲对式(1)两端积分有0000000000)(6)(2)(2)('3)(''dttdttdttydttydtty由于积分在无穷小区间[0-，0+]进行的，且y(t)在t=0连续，故00000)(,0)(dttdtty于是由上式得[y’(0+)–y’(0-)]+3[y(0+)–y(0-)]=2考虑y(0+)=y(0-)=2，所以y’(0+)–y’(0-)=2，y’(0+)=y’(0-)+2=2第13页■▲零输入响应和零状态响应举例例：描述某系统的微分方程为y”(t)+3y’(t)+2y(t)=2f’(t)+6f(t)已知y(0-)=2，y’(0-)=0，f(t)=ε(t)。求该系统的零输入响应和零状态响应。解：（1）零输入响应yzi(t)激励为0，故yzi(t)满足yzi”(t)+3yzi’(t)+2yzi(t)=0yzi(0+)=yzi(0-)=y(0-)=2yzi’(0+)=yzi’(0-)=y’(0-)=0该齐次方程的特征根为–1，–2，故yzi(t)=Czi1e–t+Czi2e–2t代入初始值并解得系数为Czi1=4,Czi2=–2，代入得yzi(t)=4e–t–2e–2t,t0第14页■▲（2）零状态响应yzs(t)满足yzs”(t)+3yzs’(t)+2yzs(t)=2δ(t)+6ε(t)并有yzs(0-)=yzs’(0-)=0由于上式等号右端含有δ(t)，故yzs”(t)含有δ(t)，从而yzs’(t)跃变，即yzs’(0+)≠yzs’(0-)，而yzs(t)在t=0连续，即yzs(0+)=yzs(0-)=0，积分得[yzs’(0+)-yzs’(0-)]+3[yzs(0+)-yzs(0-)]+20000d)(62d)(ttttyzs因此，yzs’(0+)=2+yzs’(0-)=2对t0时，有yzs”(t)+3yzs’(t)+2yzs(t)=6不难求得其齐次解为Czs1e-t+Czs2e-2t，其特解为常数3，于是有yzs(t)=Czs1e-t+Czs2e-2t+3代入初始值求得yzs(t)=–4e-t+e-2t+3，t≥0第15页■▲齐次解举例的齐次解。求微分方程tftytyttyttyt12dd16dd7dd2233解：系统的特征方程为0121672303223,221重根tthCCtCty33221ee特征根对应的齐次解为第16页■▲全解举例例描述某系统的微分方程为y”(t)+5y’(t)+6y(t)=f(t)求（1）当f(t)=2e-t，t≥0；y(0)=2，y’(0)=-1时的全解；（2）当f(t)=e-2t，t≥0；y(0)=1，y’(0)=0时的全解。解:(1)特征方程为λ2+5λ+6=0其特征根λ1=–2，λ2=–3。齐次解为yh(t)=C1e–2t+C2e–3t当f(t)=2e–t时，其特解可设为yp(t)=Pe–t将其代入微分方程得Pe–t+5(–Pe–t)+6Pe–t=2e–t解得P=1于是特解为yp(t)=e–t第17页■▲全解为：y(t)=yh(t)+yp(t)=C1e–2t+C2e–3t+e–t其中待定常数C1,C2由初始条件确定。y(0)=C1+C2+1=2，y’(0)=–2C1–3C2–1=–1解得C1=3，C2=–2最后得全解y(t)=3e–2t–2e–3t+e–t,t≥0（2）齐次解同上。当激励f(t)=e–2t时，其指数与特征根之一相重。故其特解为yp(t)=(P1t+P0)e–2t代入微分方程可得P1e-2t=e–2t所以P1=1但P0不能求得。特解为yp(t)=(t+P0)e–2t第18页■▲全解全解为y(t)=C1e–2t+C2e–3t+te–2t+P0e–2t=(C1+P0)e–2t+C2e–3t+te–2t将初始条件代入，得y(0)=(C1+P0)+C2=1，y’(0)=–2(C1+P0)–3C2+1=0解得C1+P0=2,C2=–1最后得微分方程的全解为y(t)=2e–2t–e–3t+te–2t,t≥0上式第一项的系数C1+P0=2，不能区分C1和P0，因而也不能区分自由响应和强迫响应。第19页■▲特解举例如果已知：分别求两种情况下此方程的特解。tfttftyttyttydd3dd2dd22,e2;12ttfttf例：给定微分方程式0122pPtPtPty解:(1)由于f(t)=t2，故特解函数式为将此式代入方程得到ttPPPtPPtP232234320121222这里，P2，P1，P0，第20页■▲等式两端各对应幂次的系数应相等，于是有032223413012122PPPPPP联解得到2710,92,31012PPP所以，特解为271092312pttty第21页■▲(2)当f(t)=et时特解为yp(t)=Pet，这里，P是待定系数。代入方程后有：tttttPPPeee3e2e31P。于是，特解为te31