信号与系统 教学课件 作者 张延华 等第3章-离散时间信号与系统3-8 差分方程系统的特征.ppt

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1、ThemeGalleryPowerTemplate§3-8差分方程系统的特征国家“十二五”规划教材——《信号与系统》重点难点差分方程系统的响应零输入和零状态响应的求解3-8差分方程系统的特征一种能够给出差分方程系统更多信息的方法是将差分方程描述的系统的输出序列（或响应序列）分解成两个输出分量的叠加。其中一个响应分量由系统的初始条件产生；另一个响应分量则由系统的输入信号序列产生。由系统初始条件产生的响应分量一般称之为系统的自然响应，用表示，而仅由系统输入信号序列产生的响应分量称为系统的强迫响应，用表示。如此，差分方程系统的完全响应或全解就为（3-8-1）内容安排3-8-1自然响

2、应3-8-4零输入响应和零状态响应3-8-2强迫响应3-8-3线性和时不变性3-8-1自然响应差分方程系统的自然响应（NaturalResponse）是系统输入序列时的响应或者输出序列，它直接给出了系统中由非零初始条件（例如系统储能或过去的存储值）所产生的一种耗散过程。由于自然响应假设了零输入的约束条件，故其解在形式上与差分方程的齐次解相同，而解中包含的待定系数仍然由初始条件确定。显然，自然响应与方程的特解无关。3-8-1自然响应的自然响应。已知初始条件例3-8-1求一阶递归系统3-8-1自然响应解：系统差分方程的齐次方程是它的特征方程为，特征根。显然，系统的齐次解如果方程满

3、足初始条件，则必有即。因此，系统的自然响应为内容安排3-8-1自然响应3-8-4零输入响应和零状态响应3-8-2强迫响应3-8-3线性和时不变性3-8-2强迫响应差分方程系统的强迫响应（ForcedResponse）是系统初始条件为零，完全由输入序列产生的响应或者输出序列。由于强迫响应假设了零初始条件的约束，故其解在形式上就与差分方程的完全解相同。注意，初始条件为零是指系统处于零状态，这也就意味着系统中没有储能或过去的存储值。强迫响应直接给出了当系统处于零状态时系统输入序列施加的影响。强迫响应与方程的特解紧密相关，它只在时成立。因此，求解处于零状态的离散时间系统的强迫响应就与

4、确定系统的特解或完全解时一样，必须在求待定系数前将系统的初始条件变换成新的初始条件。3-8-2强迫响应例3-8-2求一阶递归系统的强迫响应。已知输入序列。3-8-2强迫响应解：在例3-20-6中已经求出该系统的全解为但该例与例3-20-6的不同之处在于初始条件，这里求是通过将零状态条件施加于系统，也就是将由变换到时刻，即现将代入全解，得到解出，因此，系统的强迫响应为内容安排3-8-1自然响应3-8-4零输入响应和零状态响应3-8-2强迫响应3-8-3线性和时不变性3-8-3线性和时不变性1、强迫响应对输入呈线性由差分方程描述的LTI离散系统的强迫响应对系统的输入序列呈现线性性

5、质。也就是说，假如是系统针对输入序列产生的强迫响应，是系统针对输入序列产生的强迫响应，则线性加权组合输入序列作用于系统时将产生线性加权组合的强迫响应。3-8-3线性和时不变性2、自然响应对初始条件呈线性由差分方程描述的LTI离散系统的自然响应对系统的初始条件呈现线性性质。也就是说，假如是系统针对初始条件产生的自然响应，是系统针对输入序列产生的自然响应，则线性加权组合初始条件作用于系统时将产生线性加权组合的自然响应。3-8-3线性和时不变性3、强迫响应的时不变性和因果性强迫响应具有时不变特性。这是因为强迫响应要求系统是零状态（初始条件）的，当系统输入序列移位或延迟一个时间，则强

6、迫响应相应地也将移位或延迟同样的时间。可以证明，强迫响应还满足因果性，因为系统处于零状态时，系统的输出不可能超前于系统的输入序列。另一方面，由差分方程描述的LTI离散系统的完全响应却不是时不变的，因为系统的初始条件将产生一个不随输入移位而移位的输出项。3-8-3线性和时不变性4、特征根强迫响应即取决于系统的输入序列，也取决于系统特征方程的特征根，因为它既包含差分方程的特解，亦包含方程的齐次解。而自然响应则完全取决于系统特征方程的特征根。除此之外，系统的单位样值响应也取决于系统特征方程的特征根，因为它也包含有与自然响应的函数形式相同的项。因此，系统特征方程的特征根能够提供许多关

7、于LTI系统特性的信息。3-8-3线性和时不变性系统特征方程的特征根对系统的稳定性有重要的影响。因为系统的BIBO稳定性定义要求一个稳定系统对零输入的响应必须在任意初始条件下都是有界的，这就意味着系统的自然响应也必须有界。而要求自然响应有界，对于离散时间系统，其系统特征方程的特征根必须满足下述条件：（3-8-2）或（3-8-3）3-8-3线性和时不变性差分方程系统的响应时间也取决于系统的特征根。一旦自然响应衰减到零，系统的动态特性将仅仅由（与系统输入序列有相同函数形式的）特解所决定。因此，自然响应描述系