拉普拉斯变换与逆变换
动态系统建模与分析 · 学习笔记
2026年8月5日
1. 拉普拉斯变换定义
L{f(t)}=F(s)=∫0+∞f(t)e−stdt
其中 s=σ+jω 为复变量,即从时域 f(t) 变换到 s 域 F(s)。
例:f(t)=e−at
F(s)=∫0+∞e−ate−stdt=∫0+∞e−(s+a)tdt=s+a1
即 L{e−at}=s+a1。
2. 基本性质
① 线性
L{af(t)+bg(t)}=aL{f(t)}+bL{g(t)}
② 例:求 sinωt、cosωt 的拉普拉斯变换
由欧拉公式:
ejωt=cosωt+jsinωt,e−jωt=cosωt−jsinωt
sinωt=2jejωt−e−jωt,cosωt=2ejωt+e−jωt
利用 L{e−at}=s+a1(这里 a=±jω):
L{sinωt}=2j1[s−jω1−s+jω1]=s2+ω2ω
L{cosωt}=21[s−jω1+s+jω1]=s2+ω2s
③ 导数的拉普拉斯变换
L{f′(t)}=∫0+∞f′(t)e−stdt=f(t)e−st0+∞+s∫0+∞f(t)e−stdt
(默认 f(t) 有界,故 limt→∞f(t)e−st=0)
L{f′(t)}=sF(s)−f(0)
推广:
L{f′′(t)}=s2F(s)−sf(0)−f′(0)
④ 积分的拉普拉斯变换
L{∫0tf(z)dz}=s1F(s)
推导(交换积分次序,见【图1】):
L{∫0tf(z)dz}=∫0+∞∫0tf(z)dz⋅e−stdt=∫0+∞∫z+∞e−stdt⋅f(z)dz=∫0+∞s1f(z)e−szdz=s1F(s)

⑤ 卷积
(f∗g)(t)=∫−∞+∞f(τ)g(t−τ)dτ
L{f∗g}=F(s)G(s)
3. 收敛域(ROC)
例:f(t)=e−at,当 s=−a(即 σ=−a)时积分不收敛。
设 s=σ+jω:
L{f(t)}=∫0∞e−ate−(σ+jω)tdt=∫0∞e−(σ+a)te−jωtdt
L{e−at}=s+a1⟺Re(s)=σ>−a
4. 拉普拉斯逆变换(部分分式法)
例 1:实数极点
F(s)=s2+5s+4−s+5=(s+1)(s+4)−s+5=s+1A+s+4B
解得 A=−3,B=2:
F(s)=−s+13+s+42
利用 L−1{s+a1}=e−at:
L−1{F(s)}=2e−4t−3e−t
例 2:复数极点
F(s)=s2+2s+54s+8=(s+1+2j)(s+1−2j)4s+8=s+1+2jA+s+1−2jB
解得 A=2+2j,B=2−2j,利用欧拉公式:
f(t)=L−1{F(s)}=(2+2j)e−(1+2j)t+(2−2j)e−(1−2j)t
f(t)=e−t(2sin2t+4cos2t)
5. 拉普拉斯变换、传递函数与微分方程
例:一阶系统(液位/电路)建模
由系统的微分方程(一阶惯性系统,x 为状态量、u 为输入):
x˙(t)+τ1x(t)=u(t)
作拉普拉斯变换:
sX(s)+τ1X(s)=U(s)
U(s)X(s)=s+τ11=G(s)

若 U(s)=c(常数输入)
L{c}=sc
X(s)=sc⋅s+τ11=c(sA+s+τ1B)
令 s=0:A=cτ;令 s=−τ1:B=−cτ。
核心思想
控制定理:通过设计输入 U,利用 U(s)G(s) 配置极点,达到控制输出的目的。
即通过设计控制器(输入 U)改变系统极点位置,从而控制系统动态响应。