拉氏变换
拉氏变换
6
63 s3
et 7e2t 6e3t
(2). 包含有共轭极点的情况 1,2
例2 求
F(s)
s1 s(s2 s 1)
的拉氏反变换。
13
s1 0,
s2,3
2
j
2
s1
s1
F(s)
s(s2
s 1)
s s
1 2
LLL111sss111aaaeeeaaatt t,,, LLL111sss111aaaeeeaaatt t,,,
LLL111sss222222sssiiinnnttt,,, LLL111sss222sss222cccooosssttt
1
1
s 1 s2 1
sa 1
s a2
s2 2
序号
f(t)
7
cos(t)
8
t n (n 1，2，3， )
9
t neat (n 1，2，3， )
10
1 eat ebt
ba
11
1 bebt aeat
ba
12
1 ab
1
a
1
j
3 2
1
由此得：
1 1
2 0
s1
A
s(s2
s
1)
s s0
1
s1
s
1
F(s)
s(s2
s 1)
s
1 2
j
3 2
s
常用的拉氏变换表
常用的拉氏变换表在工程技术和科学研究中，拉氏变换是一种非常重要的数学工具。
它能够将时域中的函数转换为复频域中的函数，从而使得许多问题的分析和求解变得更加简便。
而要熟练运用拉氏变换，掌握常用的拉氏变换表是必不可少的。
拉氏变换的定义为：对于一个定义在0, ＋∞）上的实值函数 f(t)，其拉氏变换 F(s)定义为：＼F(s) ＝＼int_{0}＾｛＼infty} f(t) e^｛st} dt\其中，s ＝σ ＋jω 是一个复变量。
下面我们来介绍一些常用的函数的拉氏变换：1、单位阶跃函数 u(t)单位阶跃函数在 t ＜ 0 时，函数值为 0；在t ≥ 0 时，函数值为 1。
其拉氏变换为：＼Lu(t) ＝＼frac{1}｛s}＼2、单位脉冲函数δ(t)单位脉冲函数在 t ＝ 0 时，函数值为无穷大，且在整个时间轴上的积分值为 1。
其拉氏变换为：＼Lδ(t) ＝ 1\3、指数函数 e^（at) （a 为常数）其拉氏变换为：＼Le^｛at} ＝＼frac{1}｛s ＋ a}＼4、正弦函数sin(ωt)其拉氏变换为：＼Lsin(ωt) ＝＼frac{＼omega}｛s^2 ＋＼omega^2}＼5、余弦函数cos(ωt)其拉氏变换为：＼Lcos(ωt) ＝＼frac{s}｛s^2 ＋＼omega^2}＼6、 t 的幂函数 t^n （n 为正整数）其拉氏变换为：＼Lt^n ＝＼frac{n!｝｛s^｛n ＋ 1}｝＼7、斜坡函数 t其拉氏变换为：＼Lt ＝＼frac{1}｛s^2}＼8、二次斜坡函数 t^2其拉氏变换为：＼Lt^2 ＝＼frac{2!｝｛s^3} ＝＼frac{2}｛s^3}＼掌握这些常用函数的拉氏变换，可以帮助我们在解决各种问题时快速进行变换和求解。
例如，在电路分析中，通过拉氏变换可以将时域中的电路方程转换为复频域中的方程，从而更方便地求解电路的响应。
在控制系统中，拉氏变换也有着广泛的应用。
通过对系统的输入和输出进行拉氏变换，可以得到系统的传递函数，从而对系统的性能进行分析和设计。
拉氏变换
质
此式可由定义证明。
机 械 控 制 理 论
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,
L[f ( t a )] e as F(s)
其中，当t<0时，f(t)=0，f(t-a)表f(t) 延迟时间a.
对于象函数F(s),常可写成如下形式：
B(s) b m s m b m 1s m 1 b 0 F(s) A(s) a n s n a n 1s n 1 a 0 k(s z1 )(s z 2 ) (s z m ) (s p1 )(s p 2 ) (s p n )
机 械 控 制 理 论
拉普拉斯反变换
在已知象函数F(s),求f(t)时，对于简 单的象函数，可直接查拉氏变换表， 但对于复杂的，可利用部分分式展开 法，即通过代数运算将一个复杂的象 函数化为数个简单的部分分式之和， 再求出各个分式的原函数，从而求出 总的原函数 。
部分分式展开法
机 械 控 制 理 论
s 2
1
解二
2 1 F(s) s 1 s 2
A '(s) 2s 3 A '( 1) 1 B( 1) 2 A '( 2) 1 B( 2) 1
f (t) 2e t e 2t
k1 B(1) 2 A '(1) k2 B( 2) 1 A '( 2)
其中f(0+)由正向使 t 0时的f(t)值。
L f ( t ) s F ( s ) f ( k 1 ) ( 0) s n k
拉氏变换常用公式
拉氏变换常用公式拉氏变换是一种重要的数学工具，常被用于信号处理、系统分析、电路设计等领域。
在进行拉氏变换时，我们常用到一些常用的公式，这些公式是解决问题的关键。
本文将介绍一些常用的拉氏变换公式，以及其在实际应用中的意义和用法。
1. 基本定义拉氏变换是一种将时域函数转换为复频域函数的方法。
它定义如下：F(s) = L{f(t)} = ∫[0,∞)e^(-st) f(t) dt其中，F(s)表示拉氏变换结果，L表示拉氏变换算子，f(t)表示时域函数，s表示复频域变量。
2. 常见公式以下是一些常用的拉氏变换公式：2.1 常数函数L{1} = 1/s2.2 单位阶跃函数L{u(t)} = 1/s2.3 指数函数L{e^(at)} = 1/(s-a)，其中a为常数2.4 正弦函数L{sin(at)} = a/(s^2 + a^2)2.5 余弦函数L{cos(at)} = s/(s^2 + a^2)2.6 钟形函数L{rect(t)} = 1/sinc(s/2)，其中sinc(x) = sin(x)/x2.7 基本运算拉氏变换具有一些基本运算规则，如时移、倍乘和微分等。
这些运算可以用于求解更复杂的函数对应的拉氏变换。
详细的运算规则可以参考相应的数学教材。
3. 实际应用拉氏变换在信号处理、系统分析和电路设计等领域有着广泛的实际应用。
3.1 信号处理在信号处理中，常常需要对信号进行滤波、频域分析等操作。
通过将信号进行拉氏变换，可以将复杂的时域信号转换为频域函数，便于对信号特性的分析和处理。
3.2 系统分析拉氏变换在系统分析中有着重要的作用。
通过将系统的输入和输出进行拉氏变换，可以得到系统的传递函数，进而分析系统的频率响应、稳定性等性质。
3.3 电路设计在电路设计中，拉氏变换可以用于求解电路的导纳、阻抗等参数。
通过将电路的输入和输出进行拉氏变换，可以得到电路的传输函数，进而进行电路的设计和优化。
综上所述，拉氏变换是一种重要的数学工具，广泛应用于信号处理、系统分析、电路设计等领域。
拉氏变换
9、卷积定理：若f1(t), f2(t)可拉氏变换，且 有L[f1(t)]=F1(s)，L[f2(t)]=F2(s),则
F1 ( s) F2 ( s ) L[ f1 ( ) f 2 (t )d ]
0
t
t
0
f1 ( ) f 2 (t )d为f1 (t）、f 2 (t）的卷积
2、时域平移定理：若f(t)可拉氏变换，且有 L[f(t)]=F(s)，则
L[ f (t a)] e F ( s)
as
3、时域微分定理：若f(t)可拉氏变换，且有 L[f(t)]=F(s)，则
df (t ) L[ ] sF ( s ) f (0 ) dt d n f (t ) L[ ] s n F ( s ) s n 1 f (0 ) s n 2 f (1) (0 ) ...... f ( n 1) (0 ) dt n df (t ) (1) f (0 ) |t 0 dt d n 1 f (t ) f ( n 1) (0 ) |t 0 n 1 dt
f (t ) R(t ) t 1(t )......... t 0 .......
F ( s) L[ R(t )] te dt
st 0 令u t dv e
t
e
st
st
s
0
e dt s
st
e 1 2 |0 2 s s
n Ai pi t 1 1 f (t ) L [ F ( s )] L [ ] Ai e i 1 ( s pi ) i 1 n
(2)当F(s)中的极点pl为l重极点时，F(s)可以表示为
拉氏变换
平面称为复平面或 z 平面。其中 x 轴称为实轴，y
轴称为虚轴。
y
Z（a，b）
z=a+bi uuur OZ (a,b)
O
x
复数的表示
• 代数形式： z x iy
• 三角形式： z r(cos i sin ) r | z | Arg z
例1
求 : f (t) sin( t)的象函数
解
F(s)
sin(t )
1
2
j
(e j t
e j t
)
1 2j
S
1
j
S
1
j
S2 2
注：欧拉公式 re jt r[cos(t) sin(t)]
2）. 微分性质
➢ 斜坡信号（Ramp Function）
r(t)
R
t
u(t)
Rt 0
r（t）
t0 t0
u(t)-----单位阶跃函数
Rt t g（）=R
时间 t
斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。
➢抛物线信号（Parabolic Function）
r
(t
)
0.5R
t
2
u(t
)
0.5R 0
t
s0
f (0 ) lim f (t) lim SF (S)
t0
s
证：
df (t) dt
sF (s)
Laplace拉氏变换公式表
Laplace拉氏变换公式表1. 常数变换：对于常数C，其拉普拉斯变换为C/s，其中s是复数频率。
2. 幂函数变换：对于幂函数t^n，其中n为实数，其拉普拉斯变换为n!/s^(n+1)。
3. 指数函数变换：对于指数函数e^(at)，其中a为实数，其拉普拉斯变换为1/(sa)。
4. 正弦函数变换：对于正弦函数sin(at)，其中a为实数，其拉普拉斯变换为a/(s^2+a^2)。
5. 余弦函数变换：对于余弦函数cos(at)，其中a为实数，其拉普拉斯变换为s/(s^2+a^2)。
6. 双曲正弦函数变换：对于双曲正弦函数sinh(at)，其中a为实数，其拉普拉斯变换为a/(s^2a^2)。
7. 双曲余弦函数变换：对于双曲余弦函数cosh(at)，其中a为实数，其拉普拉斯变换为s/(s^2a^2)。
8. 指数衰减正弦函数变换：对于指数衰减正弦函数e^(at)sin(bt)，其中a和b为实数，其拉普拉斯变换为b/(s+a)^2+b^2。
9. 指数衰减余弦函数变换：对于指数衰减余弦函数e^(at)cos(bt)，其中a和b为实数，其拉普拉斯变换为s+a)/(s+a)^2+b^2。
10. 指数增长正弦函数变换：对于指数增长正弦函数e^(at)sin(bt)，其中a和b为实数，其拉普拉斯变换为b/(sa)^2+b^2。
Laplace拉氏变换公式表11. 幂函数与指数函数的乘积变换：对于函数t^n e^(at)，其中n为实数，a为实数，其拉普拉斯变换为n!/(sa)^(n+1)。
12. 幂函数与正弦函数的乘积变换：对于函数t^n sin(at)，其中n为实数，a为实数，其拉普拉斯变换可以通过分部积分法得到。
13. 幂函数与余弦函数的乘积变换：对于函数t^n cos(at)，其中n为实数，a为实数，其拉普拉斯变换可以通过分部积分法得到。
14. 指数函数与正弦函数的乘积变换：对于函数e^(at) sin(bt)，其中a和b为实数，其拉普拉斯变换为b/(sa)^2+b^2。
拉氏变换
线性定常微分方程求解拉氏变换即拉普拉斯变换。
为简化计算而建立的实变量函数和复变量函数间的一种函数变换。
对一个实变量函数作拉普拉斯变换，并在复数域中作各种运算，再将运算结果作拉普拉斯反变换来求得实数域中的相应结果，往往比直接在实数域中求出同样的结果在计算上容易得多。
拉普拉斯变换的这种运算步骤对于求解线性微分方程尤为有效，它可把微分方程化为容易求解的代数方程来处理，从而使计算简化。
复习拉普拉斯变换有关内容（1）1 复数有关概念（1）复数、复函数复数复函数ωσj s +=()()()x y F s F s jF s =+例1 ωσj s s F ++=+=22)(（2）模、相角()22yx FF s F +=()xyF F s F arctan=∠（3）复数的共轭yx jF F s F −=)(（4）解析若F(s)在s 点的各阶导数都存在，则F(s)在s 点解析。
模相角复习拉普拉斯变换有关内容（2）2 拉氏变换的定义0[()]()()stL f t F s f t e dt∞−==⋅∫（1）阶跃函数⎩⎨⎧)()(t f s F 像原像3 常见函数的拉氏变换⎩⎨⎧<≥=0001)(t t t f ()[][]()s s e s dt e t L st st110111100=−−=−=⋅=∞−∞−∫（2）指数函数ate tf =)(()dtedt e e t f L ta s stat∫∫∞−−−∞=⋅=0)]([[]as )(a s e as a)t(s −=−−−=−−=∞−−110110复习拉普拉斯变换有关内容（3）（3）正弦函数⎩⎨⎧≥<=0sin 00ωt t t f(t)[][]dte e e j dt e t f(t)L stt j t j st−∞−∞−⋅−=⋅=∫∫0021sin ωωω[]d te e j )tj (s )t -(s-j ∫∞+−−=021ωω⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−−−−=∞+−∞−−001121)t j (s )tj (s e j s e j s j ωωωω22222211121ωωωωωω+=+⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−−=s s j j j s j s j复习拉普拉斯变换有关内容（4）（1）线性性质4 拉氏变换的几个重要定理（2）微分定理[](s)F b (s)F a (t)f b (t)f a L 2121±=±()[]()()0f s F s t f L −⋅=′()()∫∫∞−−∞=⋅′=00左t df e dt e t f stst()()[]()()()()()()()00001221−−−−′−−=n n-n-n-nn f sff sf ss F s t f "()[]()dt e t f s -f st−∞∫+=000()()右0=−=f s sF ()[]()st-st de t f t f e −∞∞∫−=00证明：0初条件下有：()()[]()s F s t fL nn =复习拉普拉斯变换有关内容（5）例2 求[]?)(=t L δ解. ()()t 1t ′=δ()[]()[]t L t δL 1′=例3 求[]?)cos(=t L ω解. []t tωωωn si 1cos ′=[][]t L t L ωωωn si 1cos ′=()−−⋅=01δss 101=−=221ωωω+⋅⋅=s s 22ω+=s s复习拉普拉斯变换有关内容（6）（3）积分定理()[]()()()0111-f s s F s dt t f L +⋅=∫零初始条件下有：()[]()s F sdt t f L ⋅=∫1进一步有：N ()()()()()()()()010*******n n n n n n fs f s f s s F s dt t f L −−−−++++=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∫∫∫""个例4 求L [t]=?解. ()dtt t ∫=1[]()[]∫=dt t L t L 1例5 求解. dt t t ∫=220222111=⋅+⋅=t t s s s ?22=⎥⎦⎤⎢⎣⎡t L 0111=+⋅=t t ss s 21s =[][]∫=dt t L t L 2231s=复习拉普拉斯变换有关内容（7）（4）实位移定理证明：例6解.)(1)(1)(a t t t f −−=[][])(1)(1)(a t t L t f L −−=[])()(00s F et f L sτ⋅=−⋅−τ()F(s),a t 0a t 0 10t 0t f 求⎪⎩⎪⎨⎧><<<=s e s as11⋅−=−se as−−=1dtet f st ∫∞⋅−⋅−=00)(τ左令ττ=−0t τττττd ef s ∫∞−+−⋅=00)()(τττττd ef ess∫∞−−−⋅=00)(右=复习拉普拉斯变换有关内容（8）（5）复位移定理证明：[])()(A s F t f eL tA −=⋅dt et f e st At∫∞⋅−⋅=0)(左令sA s=−dt et f ts ∫∞⋅−⋅=0)( )(s F=右=dt e t f tA s ∫∞⋅−−⋅=0)()()(A s F −=[]at e L []t e L t -5cos 3⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−)πt (e L t 35cos 2222155+→⎭⎬⎫⎩⎨⎧+=s s s π-s s e例7例8例9()22533+++=s s 3225+→+=s s s s ()[]ate t L ⋅=1a s s s −→= 1⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=−)π(t e L t 155cos 2()()22215522+++⋅=+−s s e s πa s −=1复习拉普拉斯变换有关内容（9）（6）初值定理证明：由微分定理)(lim )(lim 0s F s t f s t ⋅=∞→→)0()()(0f s F s dt e dtt df ts −⋅=⋅∫∞−21)(ss F =例10[])0()(lim )(lim 0f s F s dt e dtt df s ts s −⋅=⋅∞→∞−∞→∫0lim )(0=⋅=∫∞−∞→+dt e dt t df t s s 左[]0)0()(lim =−⋅⇒+∞→f s F s s )(lim )(lim )0(0s F s t f f s t ⋅==∞→→+()tt f =)(lim )0(s F s f s ⋅=∞→01lim 2=⋅=∞→ss s复习拉普拉斯变换有关内容（10）（7）终值定理证明：由微分定理)(lim )(lim 0s F s t f s t ⋅=→∞→)0()()(0f s F s dt e dtt df ts −⋅=⋅∫∞−))((1)(b s a s s s F ++=例11（终值确实存在时）[])0()(lim )(lim 000f s F s dt e dtt df s ts s −⋅=⋅→∞−→∫dt e dtt df t s s ∫∞−→⋅=00lim )(左∫∞=0)(t df ∫∞→=t t t df 0)(lim [])0()(lim f t f t −=∞→[])0()(lim 0f s F s s −⋅==→右()()()abb s a s s sf s 11lim 0=++=∞→()22ωs ωs F +=()∞→=∞t ωt f sin 例120lim 220=+≠→ωs ωs s复习拉普拉斯变换有关内容（11）用拉氏变换方法解微分方程)(1)()()(21t t y a t y a t y =⋅+′⋅+′′ss Y a s a s 1)()(212=⋅++L 变换)0()0(=′=y y )(1)(212a s a s s s Y ++=()[])(1s Y L t y −=系统微分方程L -1变换课程小结(1)1 拉氏变换的定义∫∞−⋅=0)()(dte tf s F ts（2）单位阶跃2 常见函数L 变换)(t f s1（5）指数函数ate −)(1a s +)(s F )(1t （1）单位脉冲1)(t δ（3）单位斜坡21s t （4）单位加速度31s22t （6）正弦函数t ωsin )(22ωω+s （7）余弦函数tωcos )(22ω+s s课程小结(2)（2）微分定理3 L 变换重要定理（5）复位移定理（1）线性性质（3）积分定理（4）实位移定理（6）初值定理（7）终值定理[](s)F b (s)F a (t)f b (t)f a L 2121±=±()[]()()0f s F s t f L −⋅=′()[]()()()0111-f ss F s dt t f L +⋅=∫[])()(0s F e t f L sτ⋅=−⋅−τ[])()(A s F t f eL tA −=⋅)(lim )(lim 0s F s t f s t ⋅=∞→→)(lim )(lim 0s F s t f s t ⋅=→∞→复习拉普拉斯变换有关内容（12）5 拉氏反变换∫∞+∞−⋅=j j st dse s F j tf σσπ)(21)(（1）反演公式（2）查表法（分解部分分式法）试凑法系数比较法留数法a)s(s a)-s (s a F(s)++⋅=1a)s(s F(s)+=1例1 已知，求?)(=t f 解.[]ateaf(t)−−=11⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=a s s a 111复习拉普拉斯变换有关内容（13）ca c a c a ca n n n n 01)1(1)(...+′+++−−用L 变换方法解线性常微分方程0 初条件n>m:L )()...(0111s C a s a s a s a n n nn ++++−−)(......)(01110111s R a s a s a s a b s b sb s b s C n n n n m m mm ++++++++=−−−−011011)()(......)(a s a s a b sb s b s C n n n n m m m m t t r ++++++=−−−−=δn n s C s C s C λλλ−+−+−="2211tn ttn eC eC eC s C L t c λλλ+++==−"21211)]([)(: 特征根（极点）i λ: 相对于的模态tie λi λ:1−L rb r b r b r b m m m m 01)1(1)(...+′+++=−−)()...(0111s R b s b s b s b m m m m ++++=−−复习拉普拉斯变换有关内容（14）用留数法分解部分分式一般有其中：)(......)()()(011011m n a s a s a b sb s b s A s B s F n n n n m m m m >++++++==−−−−设)())((...)(21011n n n n n p s p s p s a sa s a s A −−−=+++=−−"0)(=s A I. 当无重根时∑=−=−++−+−=ni ii n n p s C p s C p s C p s C F(s)12211"∑==+++=ni tp i tp n tp tp i n eC eC eC eC t f 12121)(").F(s)p (s C i p s i i−=→lim ip s i (s)A B(s)C =′=复习拉普拉斯变换有关内容（15）342)(2+++=s s s s F 例2 已知，求?)(=t f 解.3131221+++=+++=s C s C ))(s (s s F(s)2131213121lim 11=+−+−=++++=−→))(s (s s )(s C s 2113233123lim 32=+−+−=++++=−→))(s (s s )(s C s 321121+++=s s F(s)tt ee f(t)32121−−+=3455)(22++++=s s s s s F 例3 已知，求?)(=t f 解.34)2()34(22++++++=s s s s s F(s))3)(1(21++++=s s s tt ee t f(t)32121)(−−++=δ复习拉普拉斯变换有关内容（16）223)(2+++=s s s s F 例4 已知，求?)(=t f 解一.jjj)j)(s (s s j)(s C j s 221131lim 11+=++−++−+=+−→jij)j)(s (s s j)(s C j s 221131lim 12−−=++−++++=−−→t j t j e jj e j j f(t))1()1(2222−−+−−−+=解二：js C -j s C j)-j)(s (s s F(s)++++=++++=1111321[]jtjt t e j e j e j −−−−+=)2()2(21[]t t j e jt sin 4cos 221+⋅=−[]t t e t sin 2cos +⋅=−22113+++=)(s s F(s)te t e f(t)t t sin 2cos −−+=22221112111++++++=)(s )(s s 221121++++=)(s s复习拉普拉斯变换有关内容（17）0)()()(1=−−=n p s p s s A "II. 当有重根时nn m m m-m-m m s-p C s-p C s-p C )(s-p C )(s-p C F(s)++++++=++""11111111(设为m重根，其余为单根)1p 1111111[s-p C )(s-p C )(s-p C L f(t)m-m-m m +++=−"[][][]⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧−=−=−=−=−−→→→→.F(s))p (s ds d )(m-C .F(s))p (s ds d j C .F(s))p (s ds d C .F(s))p (s C m m m p s mj j p s m-j m p s m-m p s m 11)1(11)(1111111lim !11lim !1lim !11lim ""]11n n m m s-p C s-p C +++++"t p m m-m m .e C t C t )(m C t )(m C 1]!2!1[12211++−+−=−−tp n m i i i e C ∑+=+1复习拉普拉斯变换有关内容（18）nn m m m-m-m m s-p C s-p C s-p C )(s-p C )(s-p C F(s)++++++=++""11111111mm p s C .F(s))p (s =−→11lim 111212111−++++=m m-m-m m )(s-p C )(s-p C )(s-p C C F(s))(s-p "nmn m m m s-p )(s-p C s-p )(s-p C 1111+++++"[]""+−−++−++=−−−−2111211)()1()(20m m m m p s C m p s C C .F(s))p (s dsd[]111lim !11m-m p s C .F(s))p (s dsd =−→[]""+−−−++++=−−−3112122)()2)(1(200m m m p s C m m C .F(s))p (s dsd []21221lim !21m-m p s C .F(s))p (s dsd =−→"复习拉普拉斯变换有关内容（19）)3()1(2)(2+++=s s s s s F 例5 已知，求?)(=t f 解.31143122++++++=s c s c s c )(s c F(s))(s )s(s s )(s C s 3121lim 2212++++=−→⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++=−→)(s )s(s s )(s ds d C s 3121lim !112211)(s )s(s s s.C s 312lim 203+++=→31121132114311212++++−+−=s .s .s .)(s .F(s)tt t ee te f(t)3121324321−−−++−−=)(s )s(s s s C s 312)3(lim 234++++=−→2131121−=+−−+−=))((221)3(]3)[2()3(lim ++++−+=−→s s s s s s s s 43−=32=121=。
拉氏变换
m t 0
[ f ( t )]
de st
e
st
dt
1 m t 0 s
1 m st t e s
0
m m 1 st t e dt s 0
m m 1 st m! st t e dt m e dt 0 s s 0
( n1)T nT
T
f (t ) e
st
f (t ) e st dt
nT
( n1)T
f (t ) e
st
dt t nT
0
T
f ( nT ) e s( nT )d( nT )
T
[ f ( ) e s d ]e snT
f (t )u(t )e t
(β＞0)
（2.1）
只要β值选得适当，式（2.1）就能满足傅立叶变换的条件， f ( t ) 的傅立叶变换存在。 即函数
F [ f (t )u(t )e
t
]
f (t )u(t )e
t j t
e
dt
0
f (t )e ( j ) t dt
F (s )
[sin kt ]
st
1 jkt jkt st sin kte dt (e e )e dt 0 0 2j 1 ( s jkt ) e dt e ( s jkt ) dt 0 2 j 0
第二章 拉普拉斯变换
§1 §2 §3 §4 拉氏变换的概念 拉氏变换的性质 拉氏逆变换 卷积
§1
拉氏变换的概念
Laplace变换
1 1 ST F(S) = e S S
f(t) T T
f ( t ) = t[ε ( t ) ε ( t T )]
1 e ST F(S) = 2 2 S S
2、频域平移性质 、
设：L[ f ( t )] = F ( S )
则：L[e
∞
αt
f ( t )] = F ( S + α )
证： e ∫0
Laplaceຫໍສະໝຸດ 变换1 Laplace变换的定义 变换的定义 2 3 4 Laplace变换的性质 变换的性质 Laplace反变换 反变换 Laplace变换的应用 变换的应用
1 Laplace变换的定义 变换的定义
拉氏变换定义：一个定义在 ， ） 拉氏变换定义：一个定义在[0，∞）区间的函 数 f(t)，它的拉氏变换定义为： ，它的拉氏变换定义为：
dF ( S ) 则：L[ tf ( t )] = dS d ∞ ∞ st st 证： ∫0 f ( t )e dt = ∫0 f ( t )( t )e dt ds
= L[ tf ( t )]
d F (S) 推广： 推广： L[t f ( t )] = ( 1) n dS
n n n
dF ( S ) L[ tf ( t )] = dS
则：L[ ∫0
d 证： f ( t ) = dt
t
1 f ( t )dt ] = F ( S ) S
∫0
t
f ( t )dt
d t L[ f ( t )] = L[ ∫0 f ( t )dt ] dt t t F (S ) = sL[ ∫0 f ( t )dt ] ∫0 f ( t )dt
t =0
∞
st
∞
拉氏变换的基本性质
频移性质表明信号在时域中乘以指数函数对应于频域中的平移。
微分性质
微分定理
若$f(t)$的拉氏变换为$F(s)$，则$f'(t)$的拉氏变换为$sF(s)-f(0^-)$。
微分性质的意义
微分性质建立了信号时域微分与频域之间的关系，便于通过拉氏变换求解微分方 程的初值问题。
积分性质
积分定理
拉氏变换的基本性质
目录
• 引言 • 拉氏变换的基本性质 • 拉氏变换的收敛域 • 拉氏反变换 • 拉氏变换在电路分析中的应用 • 拉氏变换在信号处理中的应用
01 引言
拉氏变换的定义
拉氏变换是一种线性积分 变换
它将一个有实数变量t（t≥0）的函数转换为 一个复数变量s的函数。
转换公式
对于实数变量t的函数f(t)，其拉氏变换F(s)定 义为F(s)=∫[0,∞)f(t)e^(-st)dt，其中s为复数
电路分析
在电路分析中，拉氏反变换常用 于将电路的频率响应转换回时域 响应，以便分析电路的动态行为。
控制系统
在控制系统中，拉氏反变换可用于 将控制系统的传递函数转换回时域， 以便分析系统的稳定性和性能。
信号处理
在信号处理中，拉氏反变换可用于 将信号的频谱转换回时域信号，以 便进行信号的重构和分析。
05 拉氏变换在电路分析中的 应用
确定收敛域。
收敛域与函数性质的关系
函数增长性与收敛域
函数增长越快，其拉氏变换的收敛域越小；反之，函数增长越慢， 其收敛域越大。
函数奇偶性与收敛域
对于偶函数，其拉氏变换的收敛域关于实轴对称；对于奇函数，其 收敛域关于原点对称。
函数周期性与收敛域
周期性函数的拉氏变换在相应的周期内收敛，而在其他区域可能发 散。
拉氏变换_精品文档
拉氏变换什么是拉氏变换拉氏变换（Laplace Transform）是一种将函数从时间域转换到复频域的数学工具。
它在工程学科和物理学中有广泛的应用，特别是在控制系统分析和信号处理领域。
拉氏变换通过积分运算将一个函数从时间域（t-domain）变换到频域（s-domain），其中s是一个复变量。
拉氏变换的定义给定一个函数f(t)，其拉氏变换F(s)定义为：F(s) = L{f(t)} = ∫[0, ∞] e^(-st) f(t) dt这里，s是复变量，e是自然对数的底数，t表示时间。
拉氏变换的性质拉氏变换具有许多有用的性质，以下是一些常见的性质：1.线性性质：L{af(t) + bg(t)} = aF(s) + bG(s)，其中a和b是常数。
2.移位性质：L{f(t - a)} = e^(-as)F(s)，其中a是常数。
3.初值定理：lim_[s→∞] sF(s) = f(0)，其中f(0)是函数f(t)在t=0时的初值。
4.终值定理：lim_[s→0] sF(s) = lim_[t→∞] f(t)，即函数f(t)在t→∞时的极限等于F(s)在s=0时的极限。
这些性质使得拉氏变换成为了解决微分方程问题以及计算复杂电路的有效工具。
拉氏变换的应用1. 信号处理在信号处理领域，拉氏变换用于分析和处理连续时间信号。
通过将信号从时间域转换到频域，可以更好地理解信号的频谱特性，并进行滤波、降噪、调制等处理。
2. 控制系统在控制系统分析中，拉氏变换被广泛用于研究和设计控制系统的性能和稳定性。
通过将控制系统表示为拉氏域的传输函数，可以方便地进行频率响应、稳定性分析和控制器设计。
3. 电路分析在电路分析中，拉氏变换用于求解电路的幅频特性、相频特性和传输函数。
通过将电路中的电压和电流转换到拉氏域，可以更方便地进行复杂电路的分析和计算。
4. 信号传输拉氏变换在信号传输中的应用非常广泛。
信号的拉氏变换可以帮助我们理解信号在传输过程中的衰减、失真和干扰等问题，从而优化信号传输的方案。
拉氏变换常用公式
拉氏变换常用公式拉氏变换是一种重要的数学工具，广泛应用于信号处理、控制系统分析和电路设计等领域。
本文将介绍拉氏变换常用的公式，包括重要的拉氏变换和反变换公式，以及一些常见的拉氏变换性质。
1. 拉氏变换公式拉氏变换公式是将一个时间域函数变换成复频域的函数。
以下是一些常用的拉氏变换公式：（1）常数信号的拉氏变换：如果输入信号为常数，即f(t)=A，其拉氏变换为F(s) = A/s，其中A 为常数。
（2）指数信号的拉氏变换：指数信号的拉氏变换公式为：f(t) = e^(at) -> F(s) = 1/(s-a)，其中a为常数。
（3）单位冲激信号的拉氏变换：单位冲激信号的拉氏变换公式为：f(t) = δ(t) -> F(s) = 1，其中δ(t)表示单位冲激函数。
（4）正弦信号的拉氏变换：正弦信号的拉氏变换公式为：f(t) = sin(ωt) -> F(s) = ω/(s^2 + ω^2)。
其中ω为正弦信号的频率。
2. 拉氏反变换公式拉氏反变换是将复频域函数转换回时间域函数的过程，以下是一些常用的拉氏反变换公式：（1）常数信号的拉氏反变换：对于F(s) = A/s，其拉氏反变换为f(t) = A。
（2）指数信号的拉氏反变换：对于F(s) = 1/(s - a)，其拉氏反变换为f(t) = e^(at)，其中a为常数。
（3）单位冲激信号的拉氏反变换：对于F(s) = 1，其拉氏反变换为f(t) = δ(t)。
（4）正弦信号的拉氏反变换：对于F(s) = ω/(s^2 + ω^2)，其拉氏反变换为f(t) = sin(ωt)。
3. 拉氏变换的性质拉氏变换具有一些重要的性质，其中包括线性性质、时间平移性质、频率平移性质、频率缩放性质、卷积定理等，这些性质对于信号处理和系统分析非常有用。
（1）线性性质：拉氏变换具有线性性质，即对于输入信号f1(t)和f2(t)，以及相应的拉氏变换F1(s)和F2(s)，有以下性质成立：a1*f1(t) + a2*f2(t) -> a1*F1(s) + a2*F2(s)。
拉氏变换
4、微分定理
若
L[ f (t )] F ( s)
且f(t)的各阶导数存在，则f(t)各阶导数的拉氏变 换为
d L[ f (t )] sF ( s ) f (0) dt
d2 L[ 2 f (t )] s 2 F ( s ) sf (0) f (0) dt
……
dn L[ n f (t )] s n F ( s) s n 1 f (0) s n 2 f (0) f ( n 1) (0) dt
F ( s ) f ' (0 ) s s
t
f ( ) d
f (t t0 )
e
st 0
F ( s)
f (t )e at
F ( s a)
拉氏变换的基本性质（2） 1 s F 尺度变换 f (at) a a
初值定理
t 0
lim f (t ) f (0 ) lim SF ( s)
s s 2
2
e at e bt
2 t
a b
1 s s
1 s
( s a)( s b)
1
t
拉氏变换的基本性质（1）
线性
微分 积分 延迟定理 时移 平移定理
k f (t)
i 1 i i
n
k .L[ f (t )]
i 1 i i
n
df (t ) dt
SF(s) f (0 )
该定理说明，时间信号f(t)在时间域的指数衰减，其 拉氏变换在复数域有对应的坐标平移。 s 例：Lsin t 2 Lcos t 2 2 s s 2 at Le sin t ( s a) 2 2
拉氏变换
3
象函数F(s) 存在的条件：
0
f ( t )e
st
dt
e st 为收敛因子
3.信号典型函数 拉氏变换的计算
指数函数
三角函数 单位脉冲函数 单位阶跃函数 单位速度函数
单位加速度函数
幂函数
阶跃信号（Step Function）
R t 0 r (t ) R u (t ) 0 t 0
s t 0
f ( ) lim f ( t ) lim SF ( S )
t s 0
证：利用导数性质
lim 0 s 0
d f ( t )e st dt lim[ SF ( S ) f (0 )] s 0 dt
0
d st f ( t ) lim e dt f ( t ) s0 dt 0 f ( ) f ( 0 ) lim SF ( S ) f ( 0 )
反变换
0 积分下限从0 开始，称为0 拉氏变换 。 0 + 开始，称为0+ 拉氏变换 。 积分下限从 0 0
今后讨论的拉氏变换均为 0 拉氏变换,计及t=0时f(t) 包含的冲击。
F (S ) 简写 f (t )
注
1
f (t ) 1 F (S )
例2 解
求 : f (t ) δ( t )的象函数
du (t ) (t ) dt
1 [u (t )] s
δ(t )
推广：
1 d [ u (t )] S 1 dt S
d 2 f (t ) ' [ ] s[sF (s) f (0 )] f (0 ) 2 dt
拉氏变换
1 ：广义阻抗；运算阻抗； SC
uC (0) Useg (S)＝US (S) + LiL (S) ：等值电压源象函数。 S
Z(S)I(S)=Useg(S)
5应用拉普拉斯变换法分析线性电路 应用拉普拉斯变换法分析线性电路
应用拉氏变换分析线性电路的步骤： 把电路变换成频域电路； 电路可用结点电压法、网孔法、叠加法等来求解； 利用拉氏反变换得到时域的值。
uC (0 ) 1 U C (S ) = + IC (S ) S SC
U C ( 0 ) 1 : 运算容抗; : 附加电压源； SC S
4 运算电路
duC L [iC ] = L C dt
IC(S)=SCUC(S)CuC(0)
SC : 运算容纳;CU C ( 0 ) : 附加电流源；
K13 = ( S S1 )3 N (S ) D( S )
S = S1
Q
K2 d [ K13 + K12 ( S S1 ) + K11 ( S S1 ) 2 + ( S S1 )3 ] dS S S2 ∴ K12 d 3 N (S ) = [( S S1 ) ] dS D( S ) S = S 1
1 d2 3 N (S ) K11 = 2 [( S S1 ) ] 2! dS D ( S ) S = S
K1( p j )
1
1 dj N (S ) = j [( S S1 ) p ] , j ! dS D ( S ) S = S
1
j = 0,1, 2L ( p 1) , 0! = 1,
5 应用拉普拉斯变换法分析线性电路
例：RC 并联电路，换路前为零状态，t=0 时接通单位阶跃电流源， 求 uC(t)和 iC(t)。
拉氏变换定义,性质
拉氏变换的未来发展
理论完善
随着数学和工程领域的发展，拉普拉斯变换的理论体系将不断完 善，为解决更复杂的问题提供更有效的工具。
应用拓展
随着科技的不断进步，拉普拉斯变换的应用领域将不断拓展，例如 在人工智能、机器学习等领域的应用。
数值计算
随着计算机技术的发展，拉普拉斯变换的数值计算方法将更加精确 和高效，为实际应用提供更好的支持。
拉氏变换的定义
定义
拉普拉斯变换是一种将时域函数（通常是无限或有限时间内 的信号或系统响应）转换为复频域函数的方法。通过将时域 函数乘以相应的权函数，然后对结果进行积分，可以得到该 时域函数的拉普拉斯变换。
符号表示
通常使用符号 (L) 表示拉普拉斯变换，例如，如果 (f(t)) 是时 域函数，那么 (F(s)) 就是 (f(t)) 的拉普拉斯变换，其中 (s) 是 复频域变量。
时移性质
时移性质
若 $f(t)$ 是输入信号，$F(s)$ 是它的 拉氏变换，则 $f(t-a)$ 的拉氏变换为 $e^{-sa}F(s)$，其中 $a$ 是时移量。
应用
在系统分析中，时移性质可用于分析 系统的稳定性和动态响应。
频移性质
Hale Waihona Puke 频移性质若 $f(t)$ 是输入信号，$F(s)$ 是它的 拉氏变换，则 $f(at)$ 的拉氏变换为 $frac{1}{|a|}F(frac{s}{a})$，其中 $a$ 是频移量。
拉氏变换定义、性质
目录
• 引言 • 拉氏变换的性质 • 拉氏变换的应用 • 结论
01 引言
拉氏变换的背景和重要性
背景
拉普拉斯变换是18世纪末由法国科学家拉普拉斯提出的一种数学工具，主要用 于解决初值问题，即求解微分方程时，需要给出初始条件的问题。
拉氏变换定义
拉氏变换定义拉氏变换是数学中的一种重要工具，广泛应用于信号与系统、控制理论、电路分析等领域。
它是将时域信号转换为复频域信号的一种方法，可以用于分析信号的频谱特性、系统的稳定性以及系统的传递函数等问题。
拉氏变换的定义如下：设函数f(t)在区间[0,∞)上绝对可积，即∫|f(t)|dt<∞，则称函数F(s) = L{f(t)}=∫f(t)e^(-st)dt为f(t)的拉氏变换，其中s为复变量。
通过拉氏变换，我们可以将一个复杂的时域信号转换为在复频域中的表示，从而更方便地进行分析。
通过对拉氏变换的运算和性质的研究，我们可以得到许多有用的结论和定理，进而解决各种与信号与系统相关的问题。
拉氏变换的一个重要性质是线性性质。
即对于任意常数a和b，以及函数f(t)和g(t)，有L{af(t) + bg(t)} = aF(s) + bG(s)。
这个性质使得我们可以将复杂的信号分解为更简单的部分进行处理，从而简化问题的求解过程。
拉氏变换还有平移性质和尺度变换性质。
平移性质表明，如果f(t)的拉氏变换为F(s)，则e^(-at)f(t)的拉氏变换为F(s+a)。
尺度变换性质表明，如果f(at)的拉氏变换为F(s)，则f(t)的拉氏变换为(1/a)F(s/a)。
这两个性质使得我们可以通过对信号进行平移和尺度变换，来获得不同频率和幅度的信号的拉氏变换。
拉氏变换还有微分和积分性质。
微分性质表明，如果f(t)的导数为f'(t)，则f'(t)的拉氏变换为sF(s) - f(0)。
积分性质表明，如果f(t)的积分为∫f(t)dt，则∫f(t)dt的拉氏变换为F(s)/s。
这两个性质使得我们可以通过对信号进行微分和积分操作，来得到信号的导数和积分的拉氏变换。
拉氏变换的应用非常广泛。
在信号与系统中，我们可以利用拉氏变换来分析信号的频谱特性，如频率响应、带宽等。
在控制理论中，拉氏变换可以用于分析系统的稳定性和动态响应。
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2.1 拉氏变换的概念
拉氏变换的定义式为：
条件是式中等号右边的积分存在(收敛)。
由于是一个定积分，将在新函数中消失。
因此，只取决于，它是复变数的函数。
拉氏变换将原来的实变量函数转化为复变量函数。
拉氏变换是一种单值变换。
和之间具有一一对应的关系。
通常称为原函
数，为象函数。
【例2-1】求单位阶跃函数(Unit Step Function)1(t)的象函数。
在自动控制原理中，单位阶跃函数是一个突加作用信号，相当一个开关的闭合(或断开)。
在求它的象函数前，首先应给出单位阶跃函数的定义式。
则单位阶跃函数1(t)定义为：
所以
在自动控制系统中，单位阶跃函数相当一个突加作用信号。
它的拉氏式由定义式有：
【例2-2】求单位脉冲函数( Unit Pulse Fuction )δ(t)的象函数
函数的特点是：
单位脉冲函数定义为：
在时及在时为0，在时，由0→+∞；又由+∞→0。
但对时间的积分为1。
即
单位脉冲传递函数的拉氏式，由定义式有：
【例2-3】求与1(t)间的关系。
由以上两例可见，在区间(0，ε)里，，而，所以
由上式有：
由上式有：
由式(2-4)和式(2-5)可知：单位阶跃函数对时间的导数即为单位脉冲函数。
反之，单位脉冲函数对时间的积分即为单位阶跃函数。
【例2-4】求正弦函数 (Sinusoidal Function) f(t)=sinωt的象函数。
实用上，常把原函数与象函数之间的对应关系列成对照表的形式。
通过查表，就能够知道原函数的象函数，或象函数的原函数，十分方便。
常用函数的拉氏变换对照表见表2-1。
表2-1 常用函数拉氏变换对照表
序
原函数象函数
号
1 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
2.2 拉氏变换的运算定理
1.叠加定理
两个函数代数和的拉氏变换等于两个函数拉氏变换的代数和。
即
2.比例定理
K 倍原函数的拉氏变换等于原函数拉氏变换的K 倍。
即
3.微分定理
在零初始条件下，
即
则
上式表明，在初始条件为零的前提下，原函数的阶导数的拉氏式等于其象函数乘以。
4.积分定理
在零初始条件下
即
则
上式表明，在零初始条件下，原函数的重积分的拉氏式等于其象函数除以。
5.延迟定理
当原函数延迟时间，成为时，它的拉氏式
上式表明，当原函数延迟，即成为时，相应的象函数应乘以因子。
6.终值定理
上式表明原函数在时的数值(稳态值)，可以通过将象函数乘以后，再求的极限值来求得。
条件是当和时，等式两边各有极限存在。
终值定理在分析研究系统的稳态性能时(例如分析系统的稳态误差，求取系统输出量的稳态值等)有着很多的应用。
因此终值定理也是一个经常用到的运算定理。
2.3 拉氏反变换
由象函数求取原函数的运算称为拉氏反变换( Inverse Laplace Transform) 。
拉氏反变换常用下式表示：
拉氏变换和反变换是一一对应的，所以，通常可以通过查表来求取原函数。
2.4 应用拉氏变换求解微分方程
应用拉氏变换求解微分方程的一般步骤是：
微分方程→拉氏变换→拉氏式(代数式)→分解为部分分式→求待定系数→分项查拉氏变换对照表→获得解答。
下面通过例题来说明上述应用步骤。
【例2-5】求典型一阶系统的单位阶跃响应。
设典型一阶系统的微分方程为：
式中，为输入信号；为输出信号；称为时间常数，其初始条件为零。
解1)对微分方程两边进行拉氏变换有:
由题意可知，系统的输入信号为单位阶跃信号，
即,则,代入上式有:
2)将上式分解为部分分式
由上式有：
3)用待定系数法可求得A=1,B=-T，代入上式有：
4)对上式进行拉氏反变换，由表2-1可查得对应项的原函数，于是有：
5)由式(2-14)所表达的阶跃响应曲线如图2-3所示。
图2-3 典型一阶系统的单位阶跃响应曲线
6)对求解的结果进行分析：
①响应曲线起点的斜率m为：
由上式可知，响应曲线在起点的斜率m为时间常数T的倒数，T愈大，m愈小，上升过程愈慢。
②过渡过程时间。
由图2-3可见，在t经历T、2T、3T、4T和5T的时间后，其响应的输出分别为稳态值的63.2%、86.5%、95%、98.2%和99.3%。
由此可见，对典型一阶系统，它的过渡过程时间大约为(3～5)T，到达稳态值的95%～99.3%。
小结
(1)拉氏变换定义式：
条件是上式等号右边积分项收敛。
(2)常用典型输入信号的拉氏式为：，，，。
(3)常用拉氏变换定理有：叠加定理、比例定理、微分定理、积分定理、延迟定理、终值定理等。
(4)应用拉氏变换求解微分方程的一般步骤是：
微分方程→拉氏变换→拉氏式(代数式)→分解为部分分式→求待定系数→分项查拉氏变换对照表→获得解答。