信号与系统连续时间LTI系统的几种响应求解方法与例题
第二章例题
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
第16-2页
■
©西安电子科技大学电路与系统教研中心
信号与系统 电子教案
2.1 LTI连续系统的响应
信号与系统 电子教案
第二章 连续系统的时域分析
目录 2.1 LTI连续系统的响应 2.2 冲激响应和阶跃响应
2.3 卷积积分 2.4 卷积积分的性质
点击目录 ，进入相关章节
第16-1页
■
返回
©西安电子科技大学电路与系统教研中心
信号与系统 电子教案
2.1 LTI连续系统的响应
例 ：描述某系统的微分方程为 y”(t) + 5y’(t) + 6y(t) = f(t)
[yzs’(0+)- yzs’(0-)]+ 3[yzs(0+)- yzs(0-)]
0
0
2 yzs (t) d t 2 6 ε (t) d t
0
0
因对此t>0，时y，zs’(有0+)=y2zs+”(yt)zs+’(03-y)z=s’2(t) + 2yzs(t) = 6
不难求得其齐次解为Czs1e-t + Czs2e-2t，其特解为常数3，
第16-3页
■
©西安电子科技大学电路与系统教研中心
信号与系统 电子教案
2.1 LTI连续系统的响应
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+时刻的初始值或初始条件，即y(j)(0+) (j=0,1,2…，n-1)。
西工大信号与系统实验报告连续LTI系统的时域分析
信号与系统上机实验2连续LTI 系统的时域分析一、实验目的1、 熟悉连续LTI 系统在典型信号激励下的响应及其特性2、 熟悉连续LTI 系统单位冲激响应的求解方法3、 重点掌握卷积计算连续时间系统的零状态响应4、 熟悉MATLAB 相关函数的调用格式极其作用5、 会用MATLAB 对系统进行时域分析二、实验原理连续时间线性非时变系统（LTI ）可以用如下的线性常系数微分方程来描述：()(1)()(1)110110()()...a y'(t)a y(t)()()...b f'(t)b f(t)n n m m n n m m a y t a y t b f t b f t ----++++=++++其中m n ≥，系统的初始条件为：n 1y(0),y'(0),y"(0),...y (0)-。
系统的响应一般分为两个部分，即由当前输入所产生的响应（零状态响应）和由历史输入（初始状态）所产生的响应（零输入响应）。
可以用MATLAB 确定系统的各种响应，如冲激响应、阶跃响应、零状态响应、全响应等。
涉及到的函数有：impulse （冲激响应）、step （阶跃响应）、roots （零状态响应）、lsim （零输入响应）等。
根据系统的单位冲激响应，利用卷积计算的方法，也可以计算任意输入状态下系统的零状态响应。
设一个线性零状态系统，已知系统的单位冲击响应为h(t)，当系统的激励信号为f(t)时，系统的零状态响应为：()()()()()zs y t f h t d f t h d ττττττ∞∞-∞-∞=-=-⎰⎰，也可以简单记为：()()*()zs y t f t h t =由于计算机采用的是数值计算，因此系统的零状态响应也可以用离散序列卷积和近似为：(k)()()()*()zs n y f n h k n T f k h k ∞=-∞=-=∑，式中(k)zs y 、()f k 、()h k 分别对应以T 为时间间隔对连续时间信号(t)zs y 、(t)f 、(t)h 进行采样得到的离散序列。
信号与系统 连续时间LTI系统状态方程的求解解析
x(t
)
y(t)
1 2
1
1(t) 2 (t )
1
x(t
)
系统输入为单位阶跃信号，初始状态
1 λ(0 ) 2
试求矩阵指数函数 eAt 、状态变量 λ(t)与输出 y(t) 。
信号与系统
解：系统的参量矩阵分别为
A
1 1
0 3
，
B
1 0
C
1 2
1
，
D 1
所以
(sI
A)
s
1 0
0 1
e 矩阵指数函数 A t
定义为
e A t I At 1 A2t 2 1 Akt k 1 Akt k
2!
k!
k0 k!
e A 是一个 n x n 的方阵，则 A t 也是一个 n x n 的方阵
e A t 的主要性质有
eAt eAt I
e A t eA t 1
d eAt A eAt eAt A dt
A，A
1 0
1 2
e 求矩阵指数函数 A t
解： 矩阵 A 的特征多项式为
f
detI
A
det
0
1
1
2
1
2
特征根为 1 1, 2 2
因为矩阵 A 为二阶，所以有 根据矩阵 A 的特征根为单根有
e A t c0 I c1 A
e t c0 c1 e2 t c0 2c1
解得
c0 2e t e2 t
解: 由已知条件得
sI
A -1
s 1
1
s
4 1 1
s
1
12
4
s
1 1
4 s 1
信号与系统——连续时间系统的分析方法
信号与系统——连续时间系统的分析方法1、根据KCL，KVL及UI关系列出回路方程2、化简方程得出响应与激厉间的关系式（原方程）一、经典法：1、求齐次解：特征方程——特征根——含参齐次解，t>=0+。
2、求特解：将激励方程代入得自由项。
根据自由项高特解形式。
将所设特解代入原方程待系数得特解。
3、含参全解：含参齐次解+特解。
4、待定系数：法1：（时域法）根据电路基础知识得出响应及导数初始值代入含参全解得出参数值。
法2、（冲激函数匹配法）设激励为KU（t)，并求其导数，根据原方程右端形式依次从高向低求响应及各阶导数，从而得出响应及各阶导数的初始值，代入含参全解待定系数求参数。
法３、（奇异函数平衡法）对含参全解求各阶导数并代入原方程，待定系数求参数。
5、完全解：齐次解+特解。
二、双零法：1、零输入：令激励为0，求齐次方程。
<将初始储能看成激励源>特征方程—特征根—含参齐次解—待定系数—零输入zi。
2、零状态：初始值为0，求完全解。
(1）含参齐次解：特征方程—特征根—含参齐次解。
（2）特解：（3）含参全解：含参齐次解+特解。
（4）待定系数：法1、（时域法）法2、（冲激函数匹配法）法3、（奇异函数平衡法）法4、（卷积法）————————————————————————————————————————————————————三、变换域法：法1：写出时域方程，经ＬＴ变换得出S域方程，从而得出S域响应，再经LT逆变换得出时域响应。
法2：S域模型，S域方程，S域响应，经LT逆变换得出时域响应。
信号与系统实验二 连续LTI系统的时域研究分析
信号与系统实验二连续LTI 系统的时域分析————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2实验二 连续LTI 系统的时域分析一. 实验目的1. 加深对线性时不变系统中零状态响应概念的理解，掌握其求解方法；2. 掌握求解给定连续系统的冲激响应和阶跃响应的方法。
二. 实验原理1.连续系统零状态响应的数值解线性时不变 (LTI) 连续时间系统用常系数线性微分方程进行描述，系统的零状态响应就是在系统初始状态为零条件下微分方程的解。
MATLAB 控制系统工具箱提供了一个lism 函数来求解连续时间系统的零状态响应，其调用格式为y = lism(sys,f,t)其中t 表示计算系统响应的时间抽样点向量，f 是系统输入信号向量，sys 是LTI 系统模型，用来表示微分方程、状态方程。
在求解微分方程时，微分方程的LTI 系统模型sys 要借助MATLAB 中的tf 函数来获得，其调用格式为sys = tf(b,a)其中a 、b 分别为微分方程左端和右端各项的系统向量。
例如系统方程 (3)(2)(1)(2)(1)2210210()()()()()()()a y t a y t a y t a y t b f t b f t b f t +++=++该方程左边、右边的系数向量分别为3210[,,,]a a a a a =，210[,,]b b b b =。
例1：描述某线性时不变系统的方程为"()4'()4()'()3()y t y t y t f t f t ++=+试求：当()()tf t e t ε-=时，系统的零状态响应()zs y t 。
解：实现所要求运算的m 文件如下，a = [1 4 4]; %将y （t ）各阶导数的系数放在向量a 中b = [1 3]; %将f （t ）各阶导数的系数放在向量b 中sys = tf(b, a); %求系统模型systd = 0.01; %定义时间间隔t = 0 : td : 10; %定义时间向量f = exp(-t); %将f （t ）表示出来y = lsim(sys, f, t); %求系统的零状态响应plot(t, y); %绘出零状态响应的波形xlabel('t(sec)'); %给出x 坐标的标签ylabel('y(t)'); %给出y 坐标的标签grid on %在图上显示方格程序运行结果见图1。
信号与系统 2.1 LTI连续系统的响应
4 4 0
2
2 0 1 2 重根
2
对应的齐次解为
yh t C1t C2 e2t
2. 特解
特解的形式和激励的形式有关，由激励的形式定。
激励f(t) 响应y(t)的特解yp(t)
F (常数 )
tm
P(常数)
三.零输入响应和零状态响应
1 、零输入响应
零输入响应是激励为零时仅由系统的初始状态{x(0)} 所引起的响应，用yzi(t)表示。在零输入条件下，微分 方程等号右端为零，化为齐次方程，即：
( a j yzij ) (t ) 0 j 0 n
对于零输入响应，由于激励为零，故有 yzi(j)(0+)=yzi(j)(0-)= y(j)(0-) 注意：零输入响应的这个性质
第二章 连续系统的时域分析
本章主要研究线性时不变（LTI）连续系统的时域 分析方法，即对于给定的激励，根据激励和响应之间 关系的微分方程求响应的方法。
第二章 连续系统的时域分析
本章重点：
微分方程的经典求解方法
关于0-和0+初始值 零输入响应和零状态响应
§2.1 LTI连续系统的响应
一、微分方程的经典解
全响应
如果系统的初始状态不为零，在激励f(t)的作用下， LTI系统的响应称为全响应，它是零输入响应与零状 态响应之和，即： y(t)=yzi(t)+yzs(t) 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+) 对于零状态响应，在t=0-时激励尚未接入，因此 yzs(j)(0-)=0 因而零输入响应的0+值 yzi(j)(0+)= yzi(j)(0-)= y(j)(0-)
7连续时间LTI系统响应求解举例
(2) 冲激响应h (t )；（4) 系统的完全响应y (t ) ；)(zi t y (1) 系统的零输入响应；(3) 系统的零状态响应；（5) 判断系统是否稳定。
[例]描述某连续时间LTI 系统的微分方程为激励信号x (t )=u (t )，初始状态y (0-)=1，y ’(0-)=2 。
试求:解：(1)系统的零输入响应y zi (t )特征根为31-=s 42-=s ，34zi 12()e e t t y t K K --=+-≥0t ，1)0(21=+=-K K y 243)0('21=--=-K K y 代入初始状态，K 1=6, K 2= －5特征方程01272=++s s34zi ()6e 5e ,0t t y t t ---=-≥[例]描述某连续时间LTI 系统的微分方程为激励信号x (t )=u (t )，初始状态y (0-)=1，y ’(0-)=2 。
解：)()e e ()(43t u B A t h t t --+=)()e e ()(43t u t h t t ---=(2)系统的冲激响应h (t )利用冲激平衡法，设h (t )的形式为)()(12)('7)("t t h t h t h δ=++代入，)()(12)('7)("t t h t h t h δ=++求得待定系数A =1，B =－1。
可得冲激响应为[例]描述某连续时间LTI 系统的微分方程为激励信号x (t )=u (t )，初始状态y (0-)=1，y ’(0-)=2 。
解：(3)系统的零状态响应)(*)()(zs t h t x t y =)()e e (*)(43t u t u t t ---=)()e 41e 31121(43t u t t --+-=[例]描述某连续时间LTI 系统的微分方程为激励信号x (t )=u (t )，初始状态y (0-)=1，y ’(0-)=2。
信号与系统实验报告——连续LTI系统
实验二 连续LTI 系统目的学习利用lsim 求解连续LTI 系统。
相关知识MATLAB 函数lsim函数lsim 能用于如下微分方程表征的连续时间因果LTI 系统的输出进行仿真∑∑===Mm mmmNk kkkdtt x dbdtt y da)()( （2.1）为了利用lsim ，系数k a 和m b 必须被存入MATLAB 的向量a 和b 中，并且序号在k 和m 上以降次存入。
将（2.1）式用向量a 和b 重新写成∑∑==-+=-+Mm mmNk kkdtt x dm Mb dtt y dk N a 0)()1()()1( （2.2）向量a 必须包含N+1个元素，可以用对a 补零的办法来处理系数k a 为零的那些系数。
向量b 也必须包含M+1个元素。
然后执行 >> y=lsim(b,a,x,t);就可仿真出由向量x 和t 所给出的输入信号时，（2.1）式所描述的系统的响应。
例：由下列一阶微分方程所描述的因果LTI 系统：)()(21)(t x t y dtt dy +-= （2.3）该系统的单位阶跃响应可仿真计算如下： >> t=[0:10];>> x=ones(1,length(t)); >> b=1;>> a=[1 0.5];>> y=lsim(b,a,x,t);>> plot(t,y);其响应为：图中真正代表的阶跃响应为)()eut y t-)(t1(2=（2.4）-impluse和step可以用于计算连续LTI系统的单位冲激和单位阶跃响应。
如上例，可执行>> t=[0:10];>> b=1;>> a=[1 0.5];>> s=step(b,a,t);>> h=impulse(b,a,t);将会分别在s和h中得到单位阶跃和单位冲激响应。
基本题1．利用lsim 计算由下面微分方程描述的因果LTI 系统，对输入)2()(-=t u t x 的响应，并作图。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1. 经典时域分析方法: 求解微分方程 2. 卷积法:
系统完全响应 = 零输入响应 + 零状态响应
y(t) yzi (t) yzs (t) yzi (t) f (t) * h(t)
✓ 求解齐次微分方程得到零输入响应 ✓ 利用卷积积分可求出零状态响应
二、卷积法
系统完全响应 = 零输入响应 + 零状态响应 1.系统的零输入响应是输入信号为零，仅由系统的
系统的初始状态为y(0) = 1，y' (0) = 3， 求系统的零输入响应yx(t)。
解: 系统的特征方程为 s2 5s 6 0
系统的特征根为 s1 2，s2 3
y x (t) K1e2t K 2e3t
y(0)=yx(0)=K1+K2=1 y' (0)= y'x(0)= 2K13K2 =3
由时不变特性 (t ) h(t )
由均匀特性 f ( ) (t ) f ( )h(t )
由积分特性
f
(t)
f
(
)
(t
)d
y f (t) f ( ) h(t )d
y f (t) f ( ) h(t )d f (t) h(t)
[例] 已知某LTI系统的动态方程式为：
y'(t) + 3y(t) = 2f(t) 系统的冲激响应 h(t) = 2e3t u(t), f(t) = 3u(t), 试求系统的零状态响应yf (t)。
解：y f (t) f (t) h(t) f ( ) h(t )d = 3u( ) 2e3(t )u(t )d
= 0t 3 2e 3(t )d
2
6
3
二、卷积法
系统完全响应 = 零输入响应 + 零状态响应 2.系统的零状态响应
当系统的初始状态为零时，由系统的外部激励f(t) 产生的响应称为系统的零状态响应，用yf (t)表示。
求解系统的零状态响应yf (t)方法：
1) 直接求解初始状态为零的微分方程。 2) 卷积法：
利用信号分解和线性时不变系统的特性求解。
初始条件y(0)=1, y '(0)=2, 输入信号f (t)=et u(t)，求 系统的完全响应y(t)。
解:
(3) 求方程的全解
y(t)
yh (t)
yp (t)
Ae 2t
Be 4t
1 et 3
y(0) A B 1 1
y' (0)
2A
3 B
1
2
解得 A=5/2，B= 11/6
3
y(t) 5 e2t 11 e4t 1 et , t 0
特征方程为
s2 6s 8 0
特征根为
s1 2，s2 4
齐次解yh(t)
yh (t)
K1e2t
K
e4t
2
t>0
[例] 已知某二阶线性时不变连续时间系统的动态方程
y"(t) 6y'(t) 8y(t) f (t), t 0
初始条件y(0)=1, y '(0)=2, 输入信号f (t)=et u(t)，求 系统的完全响应y(t)。
卷积法求解系统零状态响应yf (t)的思路
1) 将任意信号分解为单位冲激信号的线性组合 2) 求出单位冲激信号作用在系统上的响应
—— 冲激响应 3) 利用线性时不变系统的特性，即可求出任意
信号f(t)激励下系统的零状态响应yf (t) 。
卷积法求解系统零状态响应yf (t)推导
(t) h(t)
解: (2) 求非齐次方程y''(t)+6y'(t)+8y(t) = f(t)的特解yp(t)
由输入f (t)的形式，设方程的特解为
yp(t) = Cet
t>0
将特解带入原微分方程即可求得常数C=1/3。
[例] 已知某二阶线性时不变连续时间系统的动态方程
y"(t) 6y'(t) 8y(t) f (t), t 0
初始状态单独作用而产生的输出响应。 数学模型:
y (n) (t) an1 y (n1) (t) a1 y ' (t) a0 y(t) 0
求解方法： ✓ 根据微分方程的特征根确定零输入响应的形式 ✓ 再由初始条件确定待定系数。
[例1] 已知某线性时不变系统的动态方程式为:
y" (t)+5y ' (t) +6y (t) =4f(t), t>0
解得 K1= 6，K2= 5
y x (t) 6e 2t 5e 3t , t 0
[例2] 已知某线性时不变系统的动态方程式为:
y" (t)+4y ' (t) +4y (t) = 2f ' (t )+3f(t), t>0 系统的初始状态为y(0) = 2，y'(0) = 1， 求系统的零输入响应yx(t)。
0 2(1 e3t ) = 0 = 2(1 e3t )u(t)
t 0 t0 t 0 t0
谢谢观看！ 2020
[例2-4-3] 已知某二阶线性时不变连续时间系统的动
态方程 y"(t) 6y'(t) 8y(t) f (t), t 0
初始条件y(0+)=1, y ‘(0+)=2, 输入信号f (t)=et u(t)， (1)求系统的零状态响应y(t) 。
解:
(1) 求齐次方程y''(t)+6y'(t)+8y(t) = 0的齐次解yh(t)
解: 系统的特征方程为 系统的特征根为
s2 4s 4 0
s1 s2 2 （两相等实根）
y x (t) K1e 2t K 2te 2t
y(0)=yx(0)=K1=2; y'(0)= y'x(0)= 2K1+K2 =-1
解得 K1 = 2, K2= 3
y x (t) 2e2t 3te2t , t 0