阶跃响应

单位阶跃函数激励的零状态响应

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。

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。

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:

上升时间(rise 时间 );

过冲 (overshoot);

振铃 (ringing);

安定时间(settling time)。

数学定义

对于一个 线性 非 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  函数 )。表示式中 为 下标 。

线性非时变系统的阶跃响应

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:

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:

相关链接

冲激响应

过冲 (overshoot)

上升时间(rise  时间 )

安定时间(settling time)

时间常数 (Time constant)

极点分离(Pole splitting)

参考资料