拉普拉斯变换的数学方法
时间:2014-11-14 13:41 来源:自动控制网
拉氏变换是控制工程中的一个基本数学方法,其优点是能将时间函数的导数经拉氏变换后,变成复变量S的乘积,将时间表示的微分方程,变成以S表示的代数方程。 一、拉氏变换与拉氏及变换的定义 1、拉氏变换:设有时间函数,其中,则f(t)的拉氏变换记作:
称L—拉氏变换符号;s-复变量; F(s)—为f(t)的拉氏变换函数,称为象函数。 f(t)—原函数 拉氏变换存在,f(t)必须满足两个条件(狄里赫利条件): 1)在任何一有限区间内,f(t)分断连续,只有有限个间断点。 2)当时,,M,a为实常数。 2、拉氏反变换:将象函数F(s)变换成与之相对应的原函数f(t)的过程。
—拉氏反变换符号 关于拉氏及变换的计算方法,常用的有:①查拉氏变换表;②部分分式展开法。 二、典型时间函数的拉氏变换 在实际中,对系统进行分析所需的输入信号常可化简成一个成几个简单的信号,这些信号可用一些典型时间函数来表示,本节要介绍一些典型函数的拉氏变换。 1.单位阶跃函数
2.单位脉冲函数
3.单位斜坡函数
4.指数函数
5.正弦函数sinwt 由欧拉公式:
所以,
6.余弦函数coswt
其它的可见表2-1:拉氏变换对照表
三、拉氏变换的性质 1、线性性质 若有常数k1,k2,函数f1(t),f2(t),且f1(t),f2(t)的拉氏变换为F1(s),F2(s), 则有:,此式可由定义证明。 2、位移定理 (1)实数域的位移定理 若f(t)的拉氏变换为F(s),则对任一正实数a 有, 其中,当t<0时,f(t)=0,f(t-a)表f(t)延迟时间a. 证明:, 令t-a=τ,则有上式= 例:, 求其拉氏变换
(2)复数域的位移定理 若f(t)的拉氏变换为F(s),对于任一常数a,有
证: 例:求的拉氏变换
3、微分定理 设f(t)的拉氏变换为F(s), 则 其中f(0+)由正向使的f(t)值。 证: 同理可推广到n阶:
当初始条件为0时,即 则有 4、积分定理 设f(t)的拉氏变换为F(s),则 ,其中时的值。 证明: 同理可得n阶积分的拉氏变换:
当初始条件为0时,f(t)的各重积分在时,均为0,则有 ] 5、初值定理 设f(t)的拉氏变换为F(s),则函数f(t)的初值定理表示为:
证明:由微分定理知:
对等式两边取极限: 则有 例:已知 ,求f(0+) 由初值定理知: 6、终值定理: 若f(t)的拉氏变换为F(s),则终值定理表示为:
证明:由微分定理知:
令,对上式两边取极限,
这个定理在稳态误差中常用。 例:已知:,求f()
7、卷积定理 设f(t)的拉氏变换为F(s),g(t)的拉氏变换为G(s), 则有 式中,称为f(t)与g(t)的卷积。此定理不要求证明。 |