拉普拉斯变换

1拉普拉斯变换基本要求拉普拉斯变换的定义、收敛域的概念：熟练掌握拉普拉斯变换的性质、卷积定理的意义及它们的运用。能根据时域电路模型画出S域等效电路模型，并求其冲激响应、零输入响应、零状态响应和全响应。能根据系统函数的零、极点分布情况分析、判断系统的时域与频域特性。理解全通网络、最小相移网络的概念以及拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系。会判定系统的稳定性。知识要点1.拉普拉斯变换的定义及定义域（1）定义单边拉普拉斯变换：正变换0[()]()()stftFsftdte逆变换1[()]()()2jstjFsftFsdsje双边拉普拉斯变换：正变换()()stBsftdteF逆变换1()()2jstBjftsdsjeF（2）定义域若0时，lim()0ttfte则()tfte在0的全部范围内收敛，积分0()stftdte存在，即()ft的拉普拉斯变换存在。0就是()ft的单边拉普拉斯变换的收敛域。0与函数()ft的性质有关。2.拉普拉斯变换的性质（1）线性性若11[()]()ftFS,22[()]()ftFS,1,2为常数时，则11221122[()()]()()ftftFsFs（2）原函数微分若[()]()ftFs则()[]()(0)dftsFsfdt11()0()[]()(0)nnnnrrnrdftsFssfdt式中()(0)rf是r阶导数()rrdftdt在0时刻的取值。2（3）原函数积分若[()]()ftFs，则(1)(0)()[()]tfFsftdtss式中0(1)(0)()fftdt（4）延时性若[()]()ftFs，则000[()()]()stfttutteFs（5）s域平移若[()]()ftFs，则[()]()atfteFsa（6）尺度变换若[()]()ftFs，则1[()]()sfatFaa（a0）（7）初值定理lim()(0)lim()tosftfsFs（8）终值定理lim()lim()tsftsFs（9）卷积定理若11[()]()ftFs，22[()]()ftFs，则有1212[()()]()()ftftFsFs12121[()()][()()]2ftftFsFsj=121()()2jjFpFspdpj3.拉普拉斯逆变换（1）部分分式展开法首先应用海维赛展开定理将()Fs展开成部分分式，然后将各部分分式逐项进行逆变换，最后叠加起来即得到原函数()ft。（2）留数法留数法是将拉普拉斯逆变换的积分运算转化为求被积函数()stFse在围线中所有极点的留数运算，即(1)11[()]()()[()]22jstststjcFsFsedsFsedsFsejj极点的留数若ip为一阶级点，则在极点isp处的留数21[()()]instiiispirspFseX若ip为k阶级点，则111[()()](1)!ikkstiispkdrspFsekds4.系统函数（网络函数）H（s）（1）定义系统零状态响应的拉普拉斯变换与激励的拉普拉斯变换之比称为系统函数，即3()()()zsRsHsEs冲激响应()ht与系统函数()Hs构成变换对，即()[()]Hsht系统的频率响应特性()()()()jwsjwHjwHsHjwe式中，()Hjw是幅频响应特性，()w是相频响应特性。（2）零极点分布图1212()()()()()()()()()mnKszszszNsHsDsspspsp式中，是系数；1z，2z，mz为()Hs的零点；1p，2p，，np为()Hs的极点。在s平面上，用“”表示零点，“”表示极点。将()Hs的全部零点和极点画在s平面上得到的图称为系统的零极点分布图。对于实系统函数而言，其零极点要么位于实轴上，要么关于实轴成镜像对称分布。（3）全通函数如果一个系统函数的极点位于左半平面，零点位于右半平面，而且零点与极点对于jw轴互为镜像，那么这种系统函数称为全通函数，此系统则为全通系统或全通网络。全通网络函数的幅频特性是常数。（4）最小相移函数如果系统函数的全部极点和零点均位于s平面的左半平面或jw轴，则称这种函数为最小相移函数。具有这种网络函数的系统为最小相移网络。（5）系统函数()Hs的求解方法错误!未找到引用源。由冲激响应()ht求得，即()[()]Hsht。错误!未找到引用源。对系统的微分方程进行零状态条件下的拉普拉斯变换，然后由()()()zsRsHsEs获得。错误!未找到引用源。根据s域电路模型，求得零状态响应的像函数与激励的像函数之比，即为()Hs。5.系统的稳定性若系统对任意的有界输入，其零状态响应也是有界的，则此系统为稳定系统。（1）稳定系统的时域判决条件()htdtM（充要条件）错误!未找到引用源。若系统是因果的，则错误!未找到引用源。式可改写为0()htdtM（2）对于因果系统，其稳定性的s域判决条件错误!未找到引用源。若系统函数()Hs的全部极点落于s左半平面，则该系统稳定；错误!未找到引用源。若系统函数()Hs有极点落于s右半平面，或在虚轴上具有二阶以上的极4点，则该系统不稳定；错误!未找到引用源。若系统函数()Hs没有极点落于s右半平面，但在虚轴上有一阶极点，则该系统临界稳定。内容摘要例1求下列函数的拉氏变换1ttutf分析拉氏变换有单边和双边拉氏变换,为了区别起见,本书以sF表示tf单边拉氏变换,以sFB表示tf双边拉氏变换。若文字中未作说明,则指单边拉氏变换。单边拉氏变换只研究0t的时间函数,因此,它和傅里叶变换之间有一些差异,例如在时移定理,微分定理和初值定理等方面。本例只讨论时移定理。请注意本例各函数间的差异和时移定理的正确应用。解答ssstututLttuLsFe1111112例2拉氏变换的定义和收敛域典型信号的拉氏变换二．单边拉氏变换逆变换的求法部分分式展开法围线积分法三．拉氏变换的基本性质四．用拉普拉斯变换法分析电路五．系统函数一.拉普拉斯系统函数的定义由零极点的决定系统的时域特性由零极点的分析系统的稳定性由零极点的分析系统的频响特性5求三角脉冲函数)(ft如图4-2（a）所示的象函数分析和傅里叶变换类似，求拉氏变换的时，往往要借助基本信号的拉氏变换和拉氏变换的性质，这比按拉氏变换的定义式积分简单，为比较起见，本例用多种方法求解。解答方法一：按定义式求解方法二：利用线性叠加和时移性质求解方法三：利用微分性质求解方法四：利用卷积性质求解方法一：按定义式求解方法二：利用线性叠加和时移性质求解由于于是方法三：利用微分性质求解其他02t121t0tttfttf112o22222222110101010210e11e1e2e2e21e1e1dede2de1e1de2dedesssssssstststststststssssssssttttsstttttttfsF22112tuttutttutf0e102stsFttfLsttuL2222e11ee211ssssssF6分析信号的波形仅由直线组成，信号导数的象函数容易求得，或者信号经过几次微分后出现原信号，这时利用微分性质比较简单。将tf微分两次，所得波形如图4-2（b）所示。显然根据微分性质由图4-2（b）可以看出于是方法四：利用卷积性质求解tf可看作是图4-2(c）所示的矩形脉冲tf1自身的卷积于是，根据卷积性质而所以例3应用微分性质求图4-3（a）中的象函数下面说明应用微分性质应注意的问题，otfdtd112t1otfdtd2212t112222e1212ddstδtδtδLttfL00dd222sffsFsttfL,00f00f22e1ssFs22e11sssFtftftf11o11ttf1sFsFsF11sssFe11122e11sssF图4-2（c）tftftf321),(,,1tftftftf321,,ottutf313ottutf2232ottutf317图4-3（b）,2tftf3是的导数的波形。图4-3（a）解答说明（1）对于单边拉氏变换,,21tutftf由于故二者的象函数相同，即图4-4（b)otttf31)3(otttf2)1(otttf3)1(ssFsF321，因而，但虽然tftfsFsF21212tfLtfL21，故，由于对于0011ftf301ssFtfL，故，由于对于2022ftf122ssFtfL，，一阶导数相同，但和虽然002033232fftftf因此2d0d0202xxδfxxδtfttxxδfxxδtfttd0d03038因而这是应用微分性质应特别注意的问题。由图4-3（b）知例4某线性时不变系统，在非零状条件不变的情况下，三种不同的激励信号作用于系统。为图中所示的矩形脉冲时，求此时系统的输出阶跃响应则sfstδFssF301122sfstδFssF101133301ssFtfLssF31则122ssFtfLssF32则xxδtftd03sfstδFssF101133则；时，系统的输出为当输入tuttytδtxte11；时，系统的输出为当输入tutyttutxte322tx3当输入。3tyo123ttx31thtytytytyzizszi1tgtythtytytytyzi)1(zi)1(zszi1ttththtytye2)1(211211ssHssHtutthtetutytytytythte2zs1zi2tutytytgtezi23e1ee23131zi3tutututgtgtytyttt9例5电路如图4-5（a）所示（1）求系统的冲激响应。（2）求系统的起始状态使系统的零输入响应等于冲激响应。（3）求系统的起始状态，解答（1）求系统的冲激响应。系统冲激响应th与系统函数sH是一对拉氏变换的关系。对sH求逆变换可求得th，这种方法比在时域求解微分方程简便。利用s域模型图4-5（b）可直写出图4-5（a）电路的系统函数冲激响应（2）求系统的起始状态为求得系统的零输入响应，应写出系统的微分方程或给出带有初值的s域模型。下面