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自动控制信号研究为什么要从时域到频域?

2015-02-24科学

最一开始,没有计算机,不论是微分方程的连续时间s变换,还是差分方程的离散时间z变换,应该都是是为了求解的方便。

但现在计算机的数值求解如此简单快速,单从求解方面来说,(或是从发论文的方面来看),频域方法好像已经没有存在的必要了,就像什么Routh判据一样,完成了历史任务,可以光荣退出历史舞台了(可惜的是,现在竟然还在教Routh判据)。而且频域方法,最终还是要转化为时域算法。可是真正做控制系统的工程的,LTI的系统,至今大部分时候还是要看(信号或系统的)Bode图的。了解到的很多非常国际顶尖的公司与工程师,有的是在做控制系统设计的时候,至少在系统实际运行之前,至今都会看Bode图。而且不光是控制系统,在信号处理(数字信号处理)等领域,也是如此,甚至更为明显。这是为什么呢?

个人认为比较重要的原因是物理直觉。这个词其实不严谨。其实频域方法很多时候也是不严谨,可就是有用。比如截止频率/带宽、中频频谱峰值、低频增益、高频增益,这几个关键点,有经验的一看,大致(注意是大致)就可以把响应曲线、鲁棒程度、高低中频干扰抑制、稳定程度、精度等看出来,而且真的是看出来,脑子中简单的计算就可以。更关键的是,想要改变某个特性(响应曲线、鲁棒程度、高低中频干扰抑制、稳定程度、精度等),也可以很直接的知道,该调哪些参数,改变这个特性大概会给其他特性带来什么影响。

相比之下,给你个微分方程,即使能通过计算机算出某些性能指标,但如果想要改变这个指标满足某一特定的要求,几乎就只能试凑了;而且很多时候,凑好了一个性能,另一个性能又不行了,因为是有相互影响的。

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还有就是系统辨识了。物理建模往往忽略很多因素,给输入看输出的系统辨识则相对完整保存了「信息」。而实用的对控制要求较高的控制系统,从过程控制到飞行器控制,其系统辨识多是用的频域响应,有用确定信号的,也有用随机信号的。辨识误差的选取,验证准则的选取,往往也是基于频域指标,因为物理意义明确。否则的话,比如时域的最小二乘,加个权,那权值代表了什么明确物理意义么?也就只能说说什么遗忘过去啥的。但频域的指标,就明确地看出中低频的分布,进而知道更多的性质。

另一个方面,其实回到控制器设计,有优化指标的,包括最优、自适应与鲁棒H无穷等,其优化指标也同样存在类似的问题。

这诸多问题,很多时候,是靠经验。乃至最基本的不基于模型的PID调参。但如何将这些经验量化,是个大问题。这个问题不解决,谈不上真正的自学习、自适应控制,也谈不上真正的鲁棒控制。

另一方面说,靠经验,而经验又能调好,说明理论还没抓到一些东西。很像很多年前的物理学,化学等。