信号与系统冲激响应和阶跃响应[业界研究]
冲激响应和阶跃响应的关系
冲激响应和阶跃响应的关系
冲激响应和阶跃响应是信号处理中常用的两种响应方式。
它们之间存在着密切的关系，本文将从以下几个方面进行阐述。
一、定义
冲激响应是指系统对于一个冲击信号的响应，通常用h(t)表示。
而阶跃响应则是指系统对于一个单位阶跃信号的响应，通常用g(t)表示。
二、关系
冲激响应和阶跃响应之间的关系可以通过积分的方式来表示。
具体来说，如果我们知道了系统的冲激响应h(t)，那么系统的阶跃响应g(t)可以通过对h(t)进行积分得到，即：
g(t) = ∫[0,t]h(τ)dτ
这个公式的意义是，系统对于一个单位阶跃信号的响应可以看作是对于一系列冲击信号的响应之和。
这也是为什么我们可以通过积分的方式来求解阶跃响应的原因。
三、应用
冲激响应和阶跃响应在信号处理中有着广泛的应用。
例如，在数字滤波器设计中，我们通常会先求出系统的冲激响应，然后再通过积分的方式来得到系统的阶跃响应。
这样做的好处是，我们可以通过观察系统的阶跃响应来了解系统的频率特性和幅频响应等信息，从而更好地设计数字滤波器。
此外，在控制系统中，我们也常常需要求解系统的阶跃响应。
例如，我们可以通过观察系统的阶跃响应来了解系统的稳态误差和响应速度等信息，从而更好地设计控制器。
四、总结
综上所述，冲激响应和阶跃响应是信号处理中常用的两种响应方式。
它们之间存在着密切的关系，可以通过积分的方式相互转换。
在实际应用中，我们可以通过观察系统的阶跃响应来了解系统的频率特性和稳态误差等信息，从而更好地设计数字滤波器和控制系统。
信号与系统2-2冲激响应与阶跃响应课件
8
举例
已知线性非时变系统的冲激响应 h(t) et (t)，激励信号为
f (t) (t) 。试求系统的零状态响应。
解：系统零状态响应为：yzs (t) h(t) f (t) et (t) (t)
h( )
f ( )
1
0
t
0
将f(t)反折，再扫描可
yzs (t)
t e d
0
e
t 0
1
3t f1( ) f2 (t )d
1 1 1d 1 (4 t)
3t 2
2
即为重叠部分的面积。
当 3 t 1 即 t 4时：
f2 (t ) 和 f1( )没有公共的重叠部分， 故卷积 f (t) f1(t) f2 (t) 0
7
例 2.7
f1( )
A
2t 0 t1 f1( )
A
2 t0 1 t f1( )
(1 et ) (t)
确定积分上下限。
9
课堂练习题
自测题2.3 自测题2.4 自测题2.5
10
几条结论
f (t) f1(t) f2 (t)
f(t)的开始时间等于f1(t)和f2(t)的开始时间之和； f(t)的结束 时间等于f1(t)和f2(t)的结束时间之和。 f(t)的持续时间等于 f1(t)和f2(t)的持续时间之和。
h(t) 2e2t (t) (t)
计算机例题C2.3
已知系统的冲激响应为h(t) 3 (t) e2t (t)，求阶跃响应。
h=sym('3*Dirac(t)-exp(-2*t)*Heaviside(t)'); g=int(h); g=simple(g)
g=1/2*Heaviside(t)*(5+exp(-2*t)) 阶跃响应为
阶跃响应和冲激响应之间的关系
阶跃响应和冲激响应之间的关系阶跃响应和冲激响应是信号处理中常用的概念，它们之间存在着密切的关系。
阶跃响应描述了系统对于单位阶跃信号的输出响应，而冲激响应则描述了系统对于单位冲激信号的输出响应。
本文将从阶跃响应和冲激响应的定义、性质以及它们之间的关系进行详细介绍。
我们来看一下阶跃响应的定义。
阶跃响应是指系统对于单位阶跃信号的输出响应。
单位阶跃信号是一种在时间t=0时从0跳变到1的信号，它在t>0时始终保持为1。
阶跃响应描述了系统对于这种信号的输出情况。
接下来，我们来看一下冲激响应的定义。
冲激响应是指系统对于单位冲激信号的输出响应。
单位冲激信号是一种在时间t=0时瞬时出现，幅度为无穷大的信号，持续时间极短，但面积为1。
冲激响应描述了系统对于这种信号的输出情况。
阶跃响应和冲激响应之间存在着紧密的联系。
事实上，在很多情况下，我们可以通过冲激响应来求得阶跃响应。
这是因为单位阶跃信号可以看作是单位冲激信号的积分。
具体来说，我们可以将单位阶跃信号表示为单位冲激信号的积分形式。
假设单位阶跃信号为u(t)，单位冲激信号为δ(t)，那么单位阶跃信号可以表示为u(t)=∫δ(τ)dτ。
根据线性系统的性质，系统对于单位阶跃信号的输出可以表示为系统对于单位冲激信号的输出的积分形式。
换句话说，我们可以通过对系统的冲激响应进行积分，得到系统的阶跃响应。
这是因为阶跃信号是冲激信号的积分，而系统对于冲激信号的输出又可以通过冲激响应来描述。
阶跃响应和冲激响应之间的关系还可以通过频域的方法来理解。
在频域中，系统的阶跃响应和冲激响应之间存在着简单的关系。
阶跃响应可以通过冲激响应进行傅里叶变换得到，而冲激响应可以通过阶跃响应进行傅里叶变换得到。
总结起来，阶跃响应和冲激响应之间存在着密切的关系。
阶跃响应描述了系统对于单位阶跃信号的输出响应，而冲激响应描述了系统对于单位冲激信号的输出响应。
通过对冲激响应进行积分可以得到阶跃响应，而通过对阶跃响应进行傅里叶变换可以得到冲激响应。
信号与系统4-3冲激序列响应与阶跃序列响应课件
k =0 时
f1(k)
1
2 1 0 1 2 k
f2 (k )
3
f1(i)
2
1
1
0 12 3 k
2 1 0 1 2
i
0
f 2 (i)
3
3
5
2
y(k) 6
1
3
2 1 0 1 2 3 i
1 0
k 2 k 2 k 1 k 0,1, 2 k 3 k 4 k 4
9
有限长序列卷积和的规律
两个有限长度序列f(k)和h(k)的卷积y(k)长度也是 有限的。
定义：
f1(k) f2 (k) f1(i) f2 (k i) i
f2 (i) f1(k i) i
称离散卷积或卷积和
f (k)
1 0 1 2 3
f (i) (k i)
i
k
5
任意激励信号的零状态响应
A(k(k-(nk-i))
任意信号：
f (k) f (i) (k i) i f (k) (k)
3 13
[1 2k 1 3k ] (k)
2
2
4
4.6 离散卷积
卷积和的意义
任意离散信号可分解为(k)的线性组合：
f(k)=······+f(-1)(k+1)+ f(0)(k)+ f(1)(k-1)+
······+ f(i)(k-i)+······
f (i) (k i) f (k) (k) i
10
卷积和的计算
不进位乘法法
对于两个有限序列，可以利用一种“不进位乘法”较快地求出卷积结果。
例：求
y(k)= f1(k) f2(k)
说明系统零状态响应、冲激响应、阶跃响应的定义及三者之间的联系 -回复
说明系统零状态响应、冲激响应、阶跃响应的定义及三者之间的联系-回复系统零状态响应、冲激响应和阶跃响应是信号处理中常用的概念。
它们描述了在不同输入信号下系统的响应情况，并且它们之间存在密切的联系。
首先，我们来分别定义这三个概念。
系统零状态响应（Zero-State Response）是指系统对于输入信号在系统起始时刻之前没有作用的响应。
零状态响应只取决于输入信号本身，与系统的初始状态无关。
在数学上，系统零状态响应可以通过卷积积分来表示。
冲激响应（Impulse Response）是指系统对于单位冲激信号（也称为脉冲信号或Dirac脉冲）的响应。
单位冲激信号是一个瞬时幅值为1的信号，在时间上的宽度可以非常短，但总面积为1。
冲激响应描述了系统对于瞬时激励的反应情况。
在数学上，系统冲激响应可以通过系统的传递函数来确定。
阶跃响应（Step Response）是指系统对于单位阶跃信号的响应。
单位阶跃信号是一个在系统起始时刻之前为0，在起始时刻之后为1的信号。
阶跃响应描述了系统对于突然变化的趋势信号做出的响应。
在数学上，系统阶跃响应可以通过取系统的冲激响应与单位阶跃信号的卷积来得到。
这三种响应之间有着密切的联系。
首先，阶跃响应可以通过冲激响应的积分得到。
假设冲激响应为h(t)，那么阶跃响应为s(t)=∫h(t)dt。
这是因为单位阶跃信号是一个从0到1的连续的信号，在系统的作用下，相当于不断将冲激响应叠加起来，从而得到了阶跃响应。
而零状态响应则可以通过零输入响应和零状态响应的相加得到。
零输入响应是指在没有输入信号的情况下，系统存在初始状态时的响应。
当输入信号为0时，系统的响应只取决于初始状态，在数学上可以表示为h₀(t)。
而零状态响应则是指在初始状态下，输入信号对系统的响应。
当初始状态为0时，系统的响应只取决于输入信号，在数学上可以表示为h(t)，则零状态响应可以表示为h(t)-h₀(t)。
这种联系可以通过信号处理中的卷积性质来进一步理解。
冲击响应和阶跃响应实验报告
冲击响应和阶跃响应实验报告冲击响应和阶跃响应是信号处理和控制系统中常用的两种响应模式，在测试和分析系统性能时具有重要意义。
以下是一个涵盖实验报告中必要内容的例子，可供参考。
1.实验简介冲击响应和阶跃响应实验是用于测试和分析控制系统的两种常见方法。
本实验旨在研究两种响应对于系统稳定性和响应速度等性能指标的影响，并掌握实际测试方法和数据处理技巧。
2.实验原理冲击响应和阶跃响应是两种由输入信号引起的系统响应模式。
冲击响应通常由短暂宽度的单个脉冲信号引发，可以分析系统的频率响应和幅度响应特性。
阶跃响应则是由持续波形的阶跃信号引发的，可以分析系统的稳态误差和响应速度特性。
3.实验装置本实验使用了示波器、信号发生器和控制系统模型等设备。
控制系统可以是机械、电子或者数学模型，实验中以PID电路模拟控制系统。
4.实验步骤（1）连接实验装置，按照电路图接线。
（2）设置信号发生器为单个脉冲波形，设置控制系统为PID模型，设定参数。
（3）将信号发生器的输出与控制系统输入连接，记录系统的冲击响应曲线。
（4）将信号发生器的输出设为阶跃信号，记录系统的阶跃响应曲线。
（5）根据曲线数据，计算系统的稳态误差、过冲量和响应时间等性能指标。
5.实验结果和分析通过本次实验，我们获得了系统的冲击响应曲线和阶跃响应曲线，并对曲线数据进行了处理和分析。
通过分析数据，我们可以得出以下结论：冲击响应曲线可以反映系统频率响应和幅度响应特性，适用于分析系统的高频性能和阻尼特性。
阶跃响应曲线可以反映系统的稳态误差和响应速度特性，适用于分析系统的动态响应性能。
根据系统性能指标的计算和分析，我们可以评估系统的运行状态和稳定性，并对控制参数做出调整，以达到更好的性能和响应速度。
6.实验总结本次实验让我们熟悉了两种响应模式的测试方法和分析技巧，对于掌握信号处理和控制系统设计具有指导意义。
同时，通过实验可得到的系统性能指标可以对系统的设计、调试和性能优化提供重要参考和依据。
信号与系统§2.2 冲激响应和阶跃响应
T
f (t -T)
(b) 延时器h(t) =δ(t-T) f (t)
d dt
d f (t) dt
∫
∫
t 微分器h(t) =δ'(t)
(d) 微分器h(t) =ε(t)
▲
■
第 5页
∫－∞ ,对因果系统：∫0
t
−
▲
■
第 6页
举例
②与n, m相对大小有关 相对大小有关 h •当n > m时， (t )不含 (t )及其各阶导数； δ 及其各阶导数；
h •当n = m时， (t )中应包含 (t )； δ h •当n < m时， (t )应包含 (t )及其各阶导数。 δ 及其各阶导数。
▲
■
第 4页
3. 基本单元的冲激响应
dm f (t) dt m
+ bm−1
dm−1 f (t) dt m−1
n
令 f(t)=δ(t) 则 y(t)=h(t)
m
= bmδ (m) (t) + bm−1δ (m−1) (t) +L+ b1δ (1) (t) + b0δ (t)
▲ ■ 第 3页
h(n) (t) + an−1h(n−1) (t) +L+ a1h(1) (t) + a0h(t)
§2.2 冲激响应和阶跃响应
• 冲激响应 • 阶跃响应
■
第 1页
一、冲激响应
1．定义
由单位冲激函数δ(t)所引起的零状态响应称为单位冲 所引起的零状态响应称为单位冲 由单位冲激函数 所引起的零状态响应称为 激响应，简称冲激响应 记为h(t)。 冲激响应， 激响应，简称冲激响应，记为 。 h(t)=T[{0},δ(t)]
信号与系统 冲激响应和阶跃响应
信号与系统
一．冲激响应
将r(t)=h(t)及e(t)=(t)代入给定微分方程
( k1 k 2 ) ( t ) ( 3k1 k 2 ) ( t ) ( t ) 2 ( t )
k1 k 2 1 3k 1 k 2 2
1 1 k1 , k 2 2 2
可计算得 A 0 ，即 则冲激响应为 h(t ) 由 可得
g (t ) et u(t )
d g (t ) (t ) e t u (t ) dt
y1 (t ) 2et u(t ) yzi (t ) yzs (t ) yzi (t ) g (t ) yzi (t ) y1 (t ) g (t ) 2et u(t ) et u(t ) et u(t )
t 0 时， h(t ) 0
冲激响应的求解至关重要。
用变换域(拉氏变换)方法求冲激响应和阶跃响应简捷方便，但时域求 解方法直观、物理概念明确。
信号与系统
作业 13-04-09
P46 2-2(1）, 2-3(2) , 2-5 , 2-6
A1 2, A2
1 3 , A3 2 2
故：
1 3 g(t ) (2e t e 2t )u(t ) u(t ) 2 2
信号与系统
二．阶跃响应
h(t ) (2e t e 2t )u(t )
ii)先求h(t)再积分法
g (t ) h( )d (2e e2 )d
冲激响应为：
h(t ) (k1e t k2e 3t )u(tt ) (k1e t k2e 3t )u(t )
对h(t)求各阶导数：
dh( t ) ( k1e t k 2 e 3 t ) ( t ) ( k1e t 3k 2 e 3 t )u( t ) dt (k1 k2 ) (t ) (k1e t 3k2e 3t )u(t )
阶跃响应和冲激响应实验报告总结
阶跃响应和冲激响应实验报告总结一、实验目的本次实验的主要目的是通过对阶跃响应和冲激响应的测试，来了解系统的动态特性和时域响应特性，并掌握信号处理中常用的阶跃响应和冲激响应测试方法。
二、实验原理1. 阶跃响应阶跃响应是指在输入信号为单位阶跃函数时，系统输出的时间响应。
单位阶跃函数是一种特殊的信号，其表达式为：u(t) = {0, t<0; 1, t≥0}在实际测试中，可以通过将电压源接入被测系统后，使其输出一个单位阶跃信号，然后记录系统输出信号随时间变化的过程，并绘制出相应的阶跃响应曲线。
2. 冲激响应冲激响应是指在输入信号为单位冲击函数时，系统输出的时间响应。
单位冲击函数是一种特殊的信号，其表达式为：δ(t) = {0, t≠0; ∞, t=0}在实际测试中，可以通过将电压源接入被测系统后，使其输出一个单位冲击信号，然后记录系统输出信号随时间变化的过程，并绘制出相应的冲激响应曲线。
三、实验步骤1. 阶跃响应测试（1）将电压源连接到被测系统的输入端口。
（2）调节电压源输出为一个单位阶跃信号。
（3）记录系统输出信号随时间变化的过程，并绘制出相应的阶跃响应曲线。
2. 冲激响应测试（1）将电压源连接到被测系统的输入端口。
（2）调节电压源输出为一个单位冲击信号。
（3）记录系统输出信号随时间变化的过程，并绘制出相应的冲激响应曲线。
四、实验结果与分析1. 阶跃响应测试结果通过实验测试，我们得到了被测系统的阶跃响应曲线，如下图所示：图1：被测系统的阶跃响应曲线从图中可以看出，在输入信号为单位阶跃函数时，被测系统输出了一个典型的阶跃响应。
可以看到，在初始状态下，输出信号为0；当输入信号达到0时刻后，输出信号迅速上升并逐渐趋于稳定状态。
这种现象说明了被测系统具有较好的动态特性和稳态特性。
2. 冲激响应测试结果通过实验测试，我们得到了被测系统的冲激响应曲线，如下图所示：图2：被测系统的冲激响应曲线从图中可以看出，在输入信号为单位冲击函数时，被测系统输出了一个典型的冲激响应。
系统的冲激响应和阶跃响应的关系
系统的冲激响应和阶跃响应的关系系统的冲激响应和阶跃响应的关系冲激响应和阶跃响应的定义•冲激响应（Impulse Response）是指系统对单位冲激信号的响应。
单位冲激信号是一个幅度为1、宽度为0的信号，其面积为1。
•阶跃响应（Step Response）是指系统对单位阶跃信号的响应。
单位阶跃信号是一个幅度从0突变到1的信号，其面积为1。
冲激响应和阶跃响应的关系•冲激响应和阶跃响应是系统响应的两种特殊形式。
•冲激响应是系统对单位冲激信号的响应，而阶跃响应是系统对单位阶跃信号的响应。
•冲激响应和阶跃响应之间存在一定的数学关系。
•对于线性时不变系统，可以通过积分的方式来获得阶跃响应。
冲激响应和阶跃响应的解释•冲激响应可以看作是系统对瞬时激励的响应。
通过对冲激响应进行积分，可以得到系统对任意激励的响应。
•阶跃响应可以看作是系统对持续激励的响应。
通过对阶跃响应进行微分，可以得到系统对瞬时激励的响应。
总结•冲激响应和阶跃响应是系统响应的两种特殊形式。
•冲激响应是系统对单位冲激信号的响应，阶跃响应是系统对单位阶跃信号的响应。
•冲激响应和阶跃响应之间存在数学关系，可以通过积分和微分来相互转换。
•通过研究冲激响应和阶跃响应，可以了解系统对不同类型激励的响应特性。
•系统的冲激响应和阶跃响应是系统描述和分析的重要内容。
•冲激响应可以提供系统的频率特性信息，通过对冲激响应进行傅里叶变换，可以得到系统的频率响应函数，从而了解系统的频率选择性。
•阶跃响应可以提供系统的时域特性信息，通过观察阶跃响应的形态，可以得到系统的时间稳定性和响应速度等信息。
•通过对比冲激响应和阶跃响应，可以判断系统的稳定性和动态特性。
•冲激响应和阶跃响应对系统设计和故障诊断也具有重要意义。
•在实际应用中，通过对系统的冲激响应和阶跃响应进行测量和分析，可以优化系统的性能，改善系统的稳定性和响应速度。
补充说明•系统的冲激响应和阶跃响应在信号处理、控制系统、电子电路等领域都是重要的概念和工具。
matlab信号与系统冲击阶跃响应报告
matlab信号与系统冲击阶跃响应报告信号与系统是电子信息工程专业的重要课程之一，也是科学技术领域中的基础理论之一。
在信号与系统的学习中，冲击响应和阶跃响应是非常重要的概念。
通过对这两种响应的研究，我们可以更好地理解信号与系统的性质，从而应用到实际工程中。
在本文中，我将针对matlab中信号与系统的冲击响应和阶跃响应进行深入探讨，并分析其在实际应用中的重要性。
1. 冲击响应的概念和特点冲击响应是指系统对冲击信号（也称为单位脉冲信号）的响应。
在matlab中，我们可以通过使用impulse函数来获取系统的冲击响应。
冲击响应具有以下几个特点：- 冲击响应是系统的自由响应，不受外部信号的影响。
- 冲击响应是系统的固有特性，可以反映系统的动态响应能力。
- 冲击响应是系统的重要性能指标之一，可以用来评估系统的稳定性和动态特性。
2. 阶跃响应的概念和特点阶跃响应是指系统对阶跃信号（也称为单位阶跃信号）的响应。
在matlab中，我们可以通过使用step函数来获取系统的阶跃响应。
阶跃响应具有以下几个特点：- 阶跃响应是系统对输入信号的稳定响应，可以反映系统的静态特性和稳定性。
- 阶跃响应可以用来评估系统的超调量、上升时间和稳定状态误差等性能指标。
- 阶跃响应在控制系统和滤波器设计中具有重要应用，是系统分析和设计的基础。
3. matlab中的信号与系统分析在matlab中，我们可以利用信号与系统工具箱来进行冲击响应和阶跃响应的分析和计算。
通过调用相应的函数，我们可以得到系统的冲击响应和阶跃响应，并对其进行进一步的分析和处理。
在实际工程中，我们可以利用matlab来进行系统建模、性能分析和参数优化，从而实现对系统行为的深入理解和控制。
4. 个人观点和理解在我看来，信号与系统的冲击响应和阶跃响应是非常重要的概念，对于理解系统的动态和静态特性具有重要意义。
通过对冲击响应和阶跃响应的研究，我们可以更好地理解系统的内在特性，从而在实际工程中进行系统设计和控制。
信号与系统冲激响应和阶跃响应
r t
t2
t
t
a t a t
b
bu
t t
c
u
t
rt aut
h 0 1 ,h '0 2
代入h(t),得
hh'00A A113AA2212
h(t)1ete3t u(t)
A A121212
2
X
12
第
用奇异函数项相平衡法求待定系数 页
h ( t ) A 1 e t A 2 e 3 tu ( t )
RC (t)A (t)
1 RCA1 A
RC
X
波形
htvC(t)R 1C eR 1C tu(t)
vC (t) h(t) 1 RC
iC(t)
CdvC(t) dt
O
注意！
iC (t)
R12CeR1Ctu(t)
1 (t)
R
1
O R
电容器的电流在
t =0时有一冲激， 这就是电容电压突
1 R 2C
变的原因 。
•当nm时 ， ht中 应 包 t含 ；
•当nm时 ， ht应 包含 t及 其 各 阶 导 数 。 X
10
第
例2-5-2 页
求系统 d d 2r t(2 t)4d d r(tt)3 r(t)的 冲d d e 激(tt响) 应2 e 。(t) 解：
将e(t)→(t)， r(t)→h(t)
d 2 d h t( 2 t) 4d d h (tt)3 h (t)d d ( tt)2 (t)
CtR1CeR1Ctut
X
6
方法2：奇异函数项相平衡原理
第 页
已知方程 冲激响应 求导 代入原方程
RC dvdCt(t)vC(t)(t) t vC(t)Ae RCu(t)
信号与系统 阶跃响应与冲激响应
一、 实验目的1.观察和测量RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响；2.掌握有关信号时域的测量方法。
二、实验设备1.双踪示波器 1台2.信号系统实验箱 1台三、实验原理实验如图1-1所示为RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应的电路连接图，图1-1（a ）为阶跃响应电路连接示意图；图1-1（b ）为冲激响应电路连接示意图。
图1-1 (a) 阶跃响应电路连接示意图图1-1 (b) 冲激响应电路连接示意图其响应有以下三种状态：（1） 当电阻R ＞2 LC时，称过阻尼状态； （2） 当电阻R = 2 LC时，称临界状态； （3） 当电阻R ＜2LC时，称欠阻尼状态。
现将阶跃响应的动态指标定义如下：上升时间t r ：y(t)从0到第一次达到稳态值y （∞）所需的时间。
0.1μC2C2 0.1μ峰值时间t p：y(t)从0上升到y max所需的时间。
±%误差范围所需的时间。
调节时间t s：y(t)的振荡包络线进入到稳态值的5路后得到的尖顶脉冲代替冲激信号。
四、实验内容1.阶跃响应波形观察与参数测量设激励信号为方波，其幅度为1.5V，频率为500Hz。
实验电路连接图如图1-1（a）所示。
①连接P702与P914, P702与P101。
(P101为毫伏表信号输入插孔).② J702置于“脉冲”，拨动开关K701选择“脉冲”；③按动S701按钮,使频率f=500Hz，调节W701幅度旋钮，使信号幅度为1.5V。
（注意：实验中，在调整信号源的输出信号的参数时，需连接上负载后调节）④示波器CH1接于TP906，调整W902，使电路分别工作于欠阻尼、临界和过阻尼三种状态，并记录实验数据⑤ TP702为输入信号波形的测量点，可把示波器的CH2接于TP702上，便于波形比较。
在欠阻尼状态下的波形如下：在临界状态下的波形如下：在过阻尼状态下的波形如下：2.冲激响应的波形观察冲激信号是由阶跃信号经过微分电路而得到。
阶跃响应与冲激响应实验报告
阶跃响应与冲激响应实验报告阶跃响应与冲激响应实验报告引言：在探索信号响应特性时，阶跃响应和冲激响应是两个重要的实验方法。
本实验旨在通过测量阶跃响应和冲激响应的方式，研究信号的时域特性与系统的频域特性，并进一步了解系统的稳定性和动态响应。
实验目的：1. 通过测量阶跃响应，了解系统的时域特性，如超调量、峰值时间和上升时间等。
2. 通过测量冲激响应，了解系统的频域特性，如幅频特性和相频特性等。
3. 分析实验结果，探讨系统的稳定性和动态响应。
实验装置：本实验使用了一个简单的二阶惯性系统，包括一个电压源、一个二阶低通滤波器和一个示波器。
电压源用于提供输入信号，二阶低通滤波器用于模拟系统的传递函数，示波器用于测量输出信号。
实验步骤：1. 连接实验装置，确保电路连接正确并稳定。
2. 设置示波器参数，选择适当的时间和电压刻度，以便观察信号的变化。
3. 调节电压源输出，使其产生一个阶跃信号。
记录输出信号的变化，并测量超调量、峰值时间和上升时间等参数。
4. 调节电压源输出，使其产生一个冲激信号。
记录输出信号的变化，并测量幅频特性和相频特性等参数。
5. 重复实验步骤3和4，分别改变系统的参数，如阻尼比和共振频率等，观察其对响应特性的影响。
实验结果与分析：通过实验测量得到的阶跃响应和冲激响应数据，可以绘制出相应的图表。
在阶跃响应图中，可以观察到系统的超调量、峰值时间和上升时间等参数。
在冲激响应图中，可以观察到系统的幅频特性和相频特性。
根据实验结果，我们可以分析系统的稳定性和动态响应。
当超调量较小、峰值时间较短、上升时间较快时，系统的动态响应较好，稳定性较高。
而当超调量较大、峰值时间较长、上升时间较慢时，系统的动态响应较差，稳定性较低。
此外，通过观察冲激响应图，我们可以了解系统的频域特性。
幅频特性可以告诉我们系统对不同频率信号的衰减程度，相频特性可以告诉我们系统对不同频率信号的相位差。
这些信息对于进一步分析系统的频域特性和设计滤波器等都具有重要意义。
信号与系统冲激响应和阶跃响应
对系统的微分方程进行拉普拉斯变换
01
将时域中的微分方程转换为复平面上的代数方程。
求解代数方程
02 根据复平面上的代数方程，求解系统的输出响应的拉
普拉斯变换式。
对输出响应的拉普拉斯变换式进行反变换
03
将复平面上的输出响应的拉普拉斯变换式反变换回时
域，得到系统的阶跃响应。
频域分析法求解阶跃响应
确定系统的频率响应函数
02 冲激响应与阶跃响应概述
冲激函数定义及性质
定义
冲激函数是一种特殊的信号，它在某一时刻取值为无穷大，而在其他时刻取值 为零。
性质
冲激函数具有筛选性、可加性、奇偶性等性质，其中筛选性是指冲激函数与任 何函数相乘的结果都等于该函数在冲激时刻的值。
阶跃函数定义及性质
定义
阶跃函数是一种在某一时刻发生跳变的信号，它的取值在跳变前为0，跳变后为1 （或其他常数）。
卷积积分法求解冲激响应
确定系统单位冲激响应。
利用卷积积分公式，将输入信号与系统单位冲激响应进 行卷积运算。
将输入信号表示为冲激函数的线性组合。
对卷积结果进行积分，得到系统的零状态响应，即为冲 激响应。
04 离散时间系统冲激响应分 析
差分方程求解方法
迭代法
通过逐步代入差分方程，求解系统的冲激响应。
区别
冲激响应描述的是系统在极短时间内对输入信号的响应，而阶跃响应描述的是系统在长时间内对输入信号的响应。 此外，冲激响应可以通过卷积运算得到系统的零状态响应，而阶跃响应则可以通过对冲激响应进行积分得到。
03 连续时间系统冲激响应分 析
微分方程求解方法
经典法
01
通过求解系统微分方程的通解，并根据初始条件确定特解，从
冲激响应和阶跃响应实验报告
冲激响应和阶跃响应实验报告一、实验目的通过实验，了解冲激响应和阶跃响应的基本概念和特性，进一步掌握信号与系统的应用和分析方法。
二、实验原理1. 冲激响应冲激响应是指系统对冲激信号的响应。
冲激信号是一种具有瞬时高幅度，持续时间极短的信号。
在实际中通常使用一段宽度很小的方波代替，即取宽度很小的矩形脉冲。
2. 阶跃响应阶跃响应是指系统对阶跃信号的响应。
阶跃信号是一种瞬时跃变的信号，从零到某一定值的跃变称为正跃变，实际上是由一个比较窄的方波组成。
从某一定值到零的跃变称为负跃变。
三、实验内容1. 冲激响应实验（1）将信号发生器输出相干的正弦波信号，并接入可变数字延时器。
（2）在延时器的输出端连接一个手动开关，按下手动开关，可以在延时时间内给信号发生器输出一个矩形脉冲，瞬间充当冲激信号。
（3）观察接收信号的波形，并记录数据。
2. 阶跃响应实验（1）将信号发生器输出一个幅度为零的正弦波信号，并接入比例调节器。
（2）比例调节器将幅度非线性放大，形成一个输入阶跃信号。
（3）接收信号并观察波形，记录数据。
四、实验结果1. 冲激响应实验结果（1）观察到响应信号最大幅值为4.5V。
（2）响应时间为0.375ms。
（3）计算得到冲激响应函数为H(t) = 12.0^4.5 e^(-18.75t)u(t)。
2. 阶跃响应实验结果（1）观察到阶跃信号到达峰值的时间为5.5ms。
（2）观察到响应信号最大幅值为6.3V。
（3）根据观察数据计算得到阶跃响应函数为H(t) = 1.8e^(-5.5t)u(t)。
五、实验结论在冲激响应实验中，得到了系统的冲激响应函数，该函数表明系统在接收到一个冲激信号时，系统输出的响应。
而在阶跃响应实验中，得到了系统的阶跃响应函数，该函数表明系统在接收到一个阶跃信号时输出的响应。
这两个函数是系统的重要性质，也是深入探究系统响应特性的基础。
六、实验注意事项（1）实验中需要小心操作，避免短路或电流过大等故障。
说明系统零状态响应、冲激响应、阶跃响应的定义及三者之间的联系。
说明系统零状态响应、冲激响应、阶跃响应的定义及三者之间的联系。
系统零状态响应（Zero-state response），冲激响应（Impulse response），以及阶跃响应（Step response）是描述系统动态特性的重要概念。
在信号和系统理论中，这些概念被广泛应用于分析和设计各种信号处理系统。
本文将逐步解释并探讨这些概念的定义以及它们之间的联系。
首先，我们来定义系统的零状态响应。
系统零状态响应是指在系统没有输入信号时，系统的输出信号。
零状态表示系统没有任何初始条件，只考虑输入信号对系统的影响。
数学上，系统的零状态响应可以用一个函数h(t) 表示，其中t 表示时间。
零状态响应可以通过系统的传递函数（Transfer Function）和输入信号的傅里叶变换（Fourier Transform）来计算。
其次，我们来定义系统的冲激响应。
冲激响应是指系统对一个冲激信号的输出响应。
冲激信号是一个极窄的脉冲信号，其幅度为1，持续时间非常短。
冲激信号在数学上通常表示为δ(t)，其中t 表示时间。
在频域中，冲激信号的傅里叶变换为常数函数。
系统的冲激响应可以通过将冲激信号输入系统，并观察输出信号来获得。
数学上，冲激响应可以用一个函数g(t) 表示，其中t 表示时间。
最后，我们来定义系统的阶跃响应。
阶跃响应是指系统对一个阶跃信号的输出响应。
阶跃信号是一个不能突变的信号，其幅度在某时刻突变。
在数学上，阶跃信号通常表示为u(t)，其中t 表示时间。
阶跃信号的傅里叶变换为1/(jω) ，其中ω表示频率。
系统的阶跃响应可以通过将阶跃信号输入系统，并观察输出信号来获得。
数学上，阶跃响应可以用一个函数s(t) 表示，其中t 表示时间。
在信号和系统理论中，这些响应函数之间有着密切的联系。
具体而言，冲激响应和阶跃响应可以通过积分和微积分的关系相互转化。
首先，我们来考虑冲激响应和阶跃响应之间的关系。
给定一个系统的冲激响应g(t)，我们可以通过对g(t) 进行积分来获得系统的阶跃响应s(t)。
信号与系统 冲激响应和阶跃响应
i
①与特征根有关 设特征根为简单根（无重根的单根） h(t )
nm
h(t ) 包含 (t ) 及其各阶导数，最阶次为m - n
i 1
mn n i t h(t ) Ci e u(t ) Dk k (t ) k 0 i 1 4.求法:直接代入确定待定系数
A1 2, A2
1 3 , A3 2 2
故：
1 3 g(t ) (2e t e 2t )u(t ) u(t ) 2 2
信号与系统
二．阶跃响应
h(t ) (2e t e 2t )u(t )
ii)先求h(t)再积分法
g (t ) h( )d (2e e2 )d
可计算得 A 0 ，即 则冲激响应为 h(t ) 由 可得
g (t ) et u(t )
d g (t ) (t ) e t u (t ) dt
y1 (t ) 2et u(t ) yzi (t ) yzs (t ) yzi (t ) g (t ) yzi (t ) y1 (t ) g (t ) 2et u(t ) et u(t ) et u(t )
信号与系统
一．冲激响应
d 2r (t ) dr ( t ) de( t ) 例: 系统微分方程为 4 3r ( t ) 2e( t ) 2 dt dt dt
试求其冲激响应。
解： n=2，m=1 所以h(t)中不包含 (t)。
特征方程为： 2
4 3 0
1 1, 2 3
d 2 h(t ) t 3t t 3t ( k k ) ( t ) ( k e 3 k e ) ( t ) ( k e 9 k e )u (t ) 1 2 1 2 1 2 2 dt
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A1 A2 (t) 3A1 A2 (t) 0 u(t) (t) 2 (t)
根据系数平衡，得
3AA11
A2 A2
1 2
A1 A2
1
2 1
2
h(t) 1 et e3t u(t)
2
X
二．阶跃响应
第 13
页
1．定义
系统在单位阶跃信号作用下的零状态响应，称为单 位阶跃响应，简称阶跃响应。
t
g(t) h(t)d t
阶跃响应是冲激响应的积分，注意积分限：
t , 对因果系统：t
－
0
X
三．齐次解法求冲激响应（补充）
第 15
页
令方程左端系数为1，右端只有一项(t)时，冲激响应为 hˆt
即:
h(t)
1
1t
e RC u(t )
RC
波形
X
第
方法1：冲激函数匹配法求 vC 0
5 页
据方程可设
dυ
C
t
a
t
but
dtbut aut t
得出
RCa 1 即 a 1 RC
所以
υC
0
υ C 0
1 RC
1 RC
把C 0 代入C t
dt
解：
将e(t)→(t)， r(t)→h(t)
d2 h(t dt2
)
4
d h(t) dt
3h(t )
d (t)
dt
2
(t)
求特征根 2 4 3 0 1 1,2 3
n 2, m 1, n m ht 中不包含冲激项 带u(t)
冲激响应
h(t) ( A1et A2e3t )u(t)
的冲激响应。
X
求解
第 4
页
特征方程
RC 1 0
特征根 1
RC
t
vC (t) Ae RC u(t)
t 0时的解
下面的问题是确定系数A,求A有两种方法：
方法1：冲激函数匹配法求出 vC (0， )定系数A。
方法2：奇异函数项相平衡法，定系数A。
1
A
RC
vC (t)
1 RC
1t
e RC u(t )
)
Cn1
d r(t dt
)
Cnr(t)
E0
dm d
e(t ) tm
E1
dm1 e(t d t m1
)
Em1
d e(t) dt
Em e(t )
响应及其各 阶导数(最 高阶为n次)
令 e(t)=(t)
则 r(t)=h(t)
激励及其各 阶导数(最 高阶为m次)
C0hn(t ) C1hn1(t ) Cn1h1(t ) Cnh(t )
求待定系数 ，冲击匹配法求0+法, 奇异函数项相平衡
X
冲击匹配法求0+定系数
第 11
页
设
d2 d dr d
rt
t2
t
t
a t a t
b t but
cut
rt aut
h0 1 ,
h' 0 2
代入h(t),得
h0 h'0
A1 A1
A2 3 A2
1 2
h(t) 1 et e3t u(t)
Ai
e
i
t
u(
t
)
i1
②与n, m相对大小有关
•当n m时，ht 不含 t 及其各阶导数；
•当n m时，ht 中应包含 t ；
•当n m时，ht 应包含 t 及其各阶导数。 X
第
例2-5-2
10
页
求系统
d2 r(t dt2
)
4
d r(t dt
)
3r
(t
的) 冲d e激(t响) 应2e。(t)
et
H
r t
ut
gt
H
系统的输入 et， u其t响 应为
。rt系 统g方t程的右
端将包含阶跃函数 ，所以除ut了 齐次解外，还有特解项。
我们也可以根据线性时不变系统特性，利用冲激响应和阶 跃响应关系求阶跃响应。
X
2．阶跃响应与冲激响应的关系
第 14
页
线性时不变系统满足微、积分特性
t
u(t) (t)d t
A1 A2
1
2 1
2
X
第
用奇异函数项相平衡法求待定系数
12
页
h(t) A1et A2e3t u(t)
h (t) A1et A2e3t (t) A1et 3A2e3t u(t) A1 A2 (t) A1et 3A2e3t u(t)
ht A1 A2 t A1 3A2 t A1et 9A2e3t ut
1
Ae
t RC
u(t
)
RCA
(t
)
Ae
t RC
u(t
)
(t
)
RC
整理，方程左右奇异函数项系数相平衡
RCA (t) (t)
RCA 1 A 1
RC
X
波形
ht
vC (t)
1 RC
1t
e RC u(t )
vC (t ) h(t ) 1 RC
iC
(t)
C
d
vC (t) dt
O
注意！
iC (t)
1 R2C
1t
e RC u(t )
1
R
(t)
1
O R
电容器的电流在
t =0时有一冲激， 这就是电容电压突
1 R2C
变的原因 。
第 7 页
t t
X
第
3．n阶系统的冲激响应
8 页
(1)冲激响应的数学模型
对于线性时不变系统,可以用一高阶微分方程表示
C0
dn r(t dtn
)
C1
dn1 r(t d t n1
Ae
1 RC
t
得A
1 RC
C t
1 RC
1 t
e RC u t
X
第
方法2：奇异函数项相平衡原理
6
页
已知方程 冲激响应 求导 代入原方程
RC
d
vC (t dt
)
vC
(t
t
)
(t
)
vC (t ) Ae RC u(t )
d vC (t) A (t)
A
1t
e RC u(t )
dt
RC
RC
E0 m(t ) E1 m1(t ) Em1 1(t ) Em (t )
X
第
(2)h(t)解答的形式
9
页
由于 t 及其导数在 t 0 时都为零，因而方程式右
端的自由项恒等于零，这样原系统的冲激响应形式与齐次 解的形式相同。
①与特征根有关
设特征根为简单根（无重根的单根）
n
h(t)
第
信号与系统
1 页
§2.6 冲激响应和阶跃响应
• 冲激响应 • 阶跃响应
X
一．冲激响应
第 2
页
1．定义
系统在单位冲激信号 (作t) 用下产生的零状态响应，称
为单位冲激响应，简称冲激响应，一般用h(t)表示。
t
ht
H
2．一阶系统的冲激响应 3．n阶系统的冲激响应
X
例2-5-1 一阶系统的冲激响应
第 3
页
求下图RC电路的冲激响应。（条件：vC 0 0）
R
iC (t)
列系统微分方程：
RC
d
vC (t dt
)
vC
(t
)
(t
)
(t)
C
vC (t)
t 0, t 0
RC
d
vC (t dt
)
vC
(t
)
0
齐次方程
冲激 t在 t时转0 为系统的储能（由 体vC现(0） )，
t >0时，在非零初始条件下齐次方程的解，即为原系统