第二十三讲 狄拉克函数(冲激函数)(补充)

四,例题:

  • 如图,假设没有阻尼,弹簧常数\frac{k}{m}=1,在t=\frac{\pi }{2}的瞬间,输入一个冲量A,单位冲量为\delta (t-\frac{\pi }{2})
  • 建立数学模型:{x}''+x=A\delta (t-\frac{\pi }{2})
  • 初始条件:x(0)=1(初始位置),{x}'(0)=0(初始速度)
  • 第一步:两边拉式变换
  1. 左边:\mathcal {L}[{x}''+x]=\mathcal {L}[{x}'']+\mathcal {L}[x]=s^{2}\cdot \mathcal {L}[x]-s\cdot x(0)-{x}'(0)+\mathcal {L}[x]
  2. 代入初始条件:x(0)=1{x}'(0)=0
  3. 左边:\mathcal {L}[{x}''+x]=s^{2}\cdot \mathcal {L}[x]-s+\mathcal {L}[x]=(s^{2}+1)\mathcal {L}[x]-s
  4. 右边:\mathcal {L}[A\delta (t-\frac{\pi }{2})]=Ae^{-\frac{\pi }{2}s}\mathcal {L}[\delta (t)]=Ae^{-\frac{\pi }{2}s}(利用延迟定理1)
  5. 左边等于右边:(s^{2}+1)\mathcal {L}[x]-s=Ae^{-\frac{\pi }{2}s}
  • 第二步:解出\mathcal {L}[x]
  1. \mathcal {L}[x]=\frac{s}{s^{2}+1}+\frac{Ae^{-\frac{\pi }{2}s}}{s^{2}+1}
  • 第三步:拉式逆变换\mathcal {L}^{-1}[\mathcal {L}[x]]=x(t)
  1. \mathcal {L}^{-1}[\frac{s}{s^{2}+1}]=cos(t)(查表)
  2. \mathcal {L}^{-1}[\frac{A}{s^{2}+1}]=A\cdot sin(t)(查表)
  3. 因为\mathcal {L}^{-1}[\frac{Ae^{-\frac{\pi }{2}s}}{s^{2}+1}]中含有指数函数,因此要用到逆变换的唯一性
  4. 利用延迟定理1:\mathcal {L}^{-1}[\frac{Ae^{-\frac{\pi }{2}s}}{s^{2}+1}]=\mathcal {L}^{-1}[e^{-\frac{\pi }{2}s}\frac{A}{s^{2}+1}]=u(t-\frac{\pi }{2})A\cdot sin(t-\frac{\pi }{2})
  5. 因此x(t)=cos(t)+u(t-\frac{\pi }{2})A\cdot sin(t-\frac{\pi }{2})=cos(t)-u(t-\frac{\pi }{2})A\cdot cos(t)
  6. 0< t< \frac{2}{\pi }时,u(t-\frac{2}{\pi })=0
  7. t\geq \frac{2}{\pi }时,u(t-\frac{2}{\pi })=1
  8. 结果x(t)=\left\{\begin{matrix} cos(t) &0< t< \frac{\pi }{2} \\(1-A)cos(t) & t\geq \frac{\pi }{2} \end{matrix}\right.
  • 图像见视频29:30~36:00

五,传递函数H(s)和系统的加权函数h(t)

  • 假设有一个系统{y}''+a{y}'+by,输入项为f(t)
  • 建立模型:{y}''+a{y}'+by=f(t)
  • 初始条件:y(0)=0(位置),{y}'(0)=0(速度)
  • 第一步:两边拉氏变换
  1. s^{2}\mathcal {L}[y]+as\mathcal {L}[y]+b\mathcal {L}[y]=F(s)
  • 第二步:解出\mathcal {L}[y]
  1. \mathcal {L}[y]=F(s)\cdot \frac{1}{s^{2}+as+b}
  • 第三步:拉式逆变换\mathcal {L}^{-1}[\mathcal {L}[y]]=y(t)
  1. y(t)=\mathcal {L}^{-1}[F(s)\cdot \frac{1}{s^{2}+as+b}]=f(t)\ast h(t)=\int_{0}^{t}f(u)h(t-u)du(卷积公式)
  • 定义:传递函数H(s)=\frac{1}{s^{2}+as+b},它的值只和系统有关,跟输入项无关。
  • 定义:系统的加权函数h(t)=\mathcal {L}^{-1}[\frac{1}{s^{2}+as+b}]
  • 系统的加权函数h(t)是什么?怎么解得?
  1. 假设还是系统{y}''+a{y}'+by,输入项为单位冲量\delta (t)
  2. 建立模型:{y}''+a{y}'+by=\delta (t)
  3. 初始条件:y(0)=0(位置),{y}'(0)=0(速度)
  4. 第一步:两边拉氏变换s^{2}\mathcal {L}[y]+as\mathcal {L}[y]+b\mathcal {L}[y]=1
  5. 第二步:解出\mathcal {L}[y]=\frac{1}{s^{2}+as+b}
  6. 第三步:拉式逆变换y(t)=\mathcal {L}^{-1}[\frac{1}{s^{2}+as+b}]=h(t)
  7. 文字解读:加权函数h(t)就是系统静止时,在t=0时刻,受到单位冲量后的响应
  8. 加权函数h(t)的意义:它给出了所有微分方程的解,无论输入是什么

六,线性时不变系统(LTI系统):

  • 设运算符为O\left \{ \cdot \right \},输入为f(t),输出为x(t),且满足O\left \{ f(t) \right \}=x(t)
  • 则有线性性质:
  1. O\left \{ f_{1}(t)+f_{2}(t) \right \}=x_{1}(t)+x_{2}(t)
  2. O\left \{ a\cdot f(t) \right \}=a\cdot x(t)
  3. O\left \{ a_{1}\cdot f_{1}(t)+a_{2}\cdot f_{2}(t) \right \}=a_{1}\cdot x_{1}(t)+a_{2}\cdot x_{2}(t)(叠加原理)
  • 时不变性质:O\left \{ f(t-\tau ) \right \}=x(t-\tau )

 

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