如何正确理解系统的零输入响应

系统的零输入响应是当系统没有外加激励信号作为输入时的响应。系统的输入信号去除以后,输出的响应信号一般不会突然消失。这是因为在输入信号去除之前,系统中的储能元件中一般总蓄有电磁,而这些能量不可能突然消失,它将逐渐释放出来,直至最后消耗殆尽。零输入响应正是由这种初始的能量分布状态,即初始条件所决定的。
为求系统的零输入响应,就要解下面式子所示的齐次方程。
现在,先来讨论求解一阶和二阶齐次微分方程的简单情况。
一、一阶齐次微分方程
常数c可以根据初始条件t=0,r(t)=r(0)来确定c=r(0),于是得
二、二阶齐次微分方程
再来看下二阶的齐次微分方程
可见,对于算子形式的微分方程,也可以像代数方程那样处理。
既然这两个解中任一个都能满足式
那么它们的和当然亦然能满足。所以二阶齐次方程解的一般形式应为:
三、n阶齐次微分方程
上述方法可以推广到求一般形式的齐次方程,为此先要把此式写成因式相乘的形式,即
与二阶齐次方程的解相似,上面一般形式的齐次方程的解的一般形式应为:
这也就是用n阶线性微分方程描写的系统的零输入响应的一般形式,它和拉普拉斯变换求解零输入响应导出的公式是完全相同的;
式中各λ就是复频域中转移函数的极点,它们决定了响应中的自然频率。
式中c1、c2、。。.、cn是n个初始条件确定的常数,显然为了确定这些常数,需要n个初始条件。
现在设初始条件t=0时,r(t)及其直到n-1阶的各阶导数的值r(0)、r‘(0)、r’‘(0)。。.,把这些初始值代入下式及其直到n-1阶的各阶导数式,得到下列联立方程组:
此联立式可以记为矩阵形式:
上面所示方程d(p)=0的根曾经假定全部是单根。如果有重根,那么方程的解也就不同于上面所示的简单形式。
这个解加上对应于方程d(p)=0的其他根的解,即为零输入响应函数的完全解。


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