阶跃响应

单位阶跃函数激励的零状态响应

阶跃响应

阶跃响应(英文:step response)是指在初始状态为零的动态电路中,系统在单位阶跃信号作用下产生的零状态响应,可用s(t)表示。[0][1]在电子工程和控制理论中,阶跃响应是在极短的时间内,一般系统的输出在输入量从0跳变为1时的体现。在电路分析中,阶跃函数是研究动态电路阶跃响应的基础。利用阶跃函数可以进行信号处理、积分变换。阶跃函数是一种特殊的连续时间函数,属于奇异函数。[0][1]

阶跃响应(英文:step response)是指在初始状态为零的动态电路中,系统在单位阶跃信号作用下产生的零状态响应,可用s(t)表示。[1][2]

电子工程控制理论中,阶跃响应是在极短的时间内,一般系统的输出在输入量从0跳变为1时的体现。在电路分析中,阶跃函数是研究动态电路阶跃响应的基础。利用阶跃函数可以进行信号处理积分变换。阶跃函数是一种特殊的连续时间函数,属于奇异函数。[1][2]

正文

阶跃响应是指一系统在其输入为一阶跃函数时,其输出的变化。

在电子工程或控制领域中,阶跃响应是指一系统的输入在很短时间由0变成定值时,其输出的时域特性。

分析一系统的阶跃响应有助于了解系统的特性,因为当输入在长时间稳态后,有快速而大幅度的变化,可以看出系统各个部份的特性。而且也可以知道一个系统的稳定性。

一系统的阶跃响应可以用以下的时域特性来描述:

典型二阶系统的阶跃响应,包括有过冲(overshoot)、振铃(ringing),在安定时间(settling time)后回到稳定值。
典型二阶系统的阶跃响应,包括有过冲(overshoot)、振铃(ringing),在安定时间(settling time)后回到稳定值。

上升时间(rise time);

过冲(overshoot);

振铃(ringing);

安定时间(settling time)。

数学定义

对于一个线性时变系统,其阶跃响应可以用单位阶跃函数H(t)和系统冲激响应 h(t) 的卷积来表示:

若针对一个一般的动态系统,其阶跃响应可定义如下:

其阶跃响应是系统输入为单位阶跃函数时的演化函数(evolution function)。表示式中为下标

一阶系统

一阶RC电路的阶跃响应,没有过冲及振铃,在三倍时间常数时输出到达输入的95%考虑如右图的RC电路,频域下输出电压Vc和输入电压Vin的关系可表示为下式:

RC电路
RC电路

其中为此系统的时间常数

考虑以下形式的输入电压:

则输出电压可以表示为以下的形式:

一阶RC电路的阶跃响应,没有过冲及振铃,在三倍时间常数时输出到达输入的95%。
一阶RC电路的阶跃响应,没有过冲及振铃,在三倍时间常数时输出到达输入的95%。

相关链接

冲激响应

过冲(overshoot)

上升时间(rise time

安定时间(settling time)

时间常数(Time constant)

极点分离(Pole splitting)

参考资料 2

  1. 参考 1
  2. 参考 2
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