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控制系统中的零极点有什么物理意义么?

2013-11-14科学

有物理意义呀。当然有了。

想象一下,你从早到晚坐在自习室研究零点和极点,注意力高度集中徜徉在知识的海洋里,十点半保安大哥来关灯关门的时候,你面带微笑,合上书本,心满意足地问自己:


我都学了些什么鬼?!

呃,是。脱离了物理意义去想这些零点和极点,总是感觉有点儿缥渺。搞不清自己学的到底是无脸鬼,无头鬼还是送纸鬼(啊,多年以后我都不敢在上厕所的时候回忆这个鬼故事)。

所以,让我们脚踏实地,联系一点儿实际的东西来说一说零点和极点。因为我是做电路的,所以让我们从电路开始,然后推而广之。

一如既往地,尽量不写公式。上公式就跟上刑具差不多。诸位没有参加过革命,一看见那些公式,保准不会继续朝下看啦。

开始吧。


首先,零点和极点这些概念出现在系统中。

什么是系统呢?

一个系统以一定的规则来对输入信息做出反应。

如果这个规则是固定不变的,那么只要我们能清楚这些规则,那么我们就能预测一个系统对输入信号会作出什么样的反应,输出什么样的信号。(相比之下,女朋友就是一个不可预测的系统)


很幸运,在这个世界上有很多系统满足下列两个特性:

1。 对一个确定的输入正弦信号,只输出一个同频率的输出信号

2。如果输入的信号可以分解成有限/无限个正弦信号的和,那么输出信号就会等于这些输入信号独立输入时得到的输出之和。(若稍有拗口,请再读一遍)

我们称这种系统为线性时不变系统。


接下来,如果我们知道一个这样的系统,对每种频率的输入信号会有什么样的响应。(这个响应包括两部分,一是经过系统以后,这个信号幅度会变大还是变小。二是经过这个系统后,这个信号会不会有相移,有多少相移。)

那么我们就能推测出对任意的输入信号,系统会给出一个什么样的输出。


好了,只要能理解上面这些简单的概念,就能理解极点是怎么来的。或者说,为什么一个电阻加电容构成的低通滤波器,他的系统传输函数里面有一个极点。

下面解释这一点:

我们知道,经过一个电阻去对一个电容充电,总是有延时的。在输入信号改变的时候(想象输入电压瞬间从0变到1V),输出并不会立刻改变。它改变的速度是跟电阻和电容的大小相关的。越大的电阻,越大的电容,就会有越大的延时,这个延时正比于R*C (很有趣的是,如果分析一下R*C的单位,就会发现它的单位是秒,所以我们称它为时常数,另一个有趣的事情是,在这个系统上施加完这个1V信号以后,如果你等3倍时常数以上的时间,输出的值就已经非常接近输入了)。

也就是说,当你输入了一个很慢的信号的时候,(想象一个非常慢的正弦信号),电容上的电压幅度会和输入几乎没有区别。因为它总能跟上输入的变化。

所以对于比较低的频率来说,输出信号的幅度保持不变,在波特图上表示出来是一根横线。

而当你输入了一个更快的信号,它在一个R*C时常数时间内就会变化一个周期甚至几个周期的信号的时候,想象会发生什么:

输入变得很高,但是输出还来不及跟上呢,输入就又变低了。

所以输出信号的幅度无法达到输入的幅度。

输出信号的幅度大概由什么来决定呢?

由每一次输入信号变高的时长来决定。换句话说,由周期决定。周期越短,输出能够得到的充电时间就越短,输出信号的幅度就会越小。

这就是我们看到的,在波特图上,在比极点更高的频率上,信号幅度开始以-20dB/10倍频率(其实就是频率每变高十倍幅度就会变低十倍)的趋势降低。


所以一言以蔽之,极点的物理意义大约就是延时相关的。

因为有延时,所以比延时更慢的信号,能够几乎不衰减地通过系统,而比延时更快的信号呢?不好意思,你要是变得越快,通过我以后你就变得越小。


懂得了这个道理,当你看到在传输函数中有一个极点的时候,大概就知道,这个极点可能是跟电路当中某一级的延时相关的。

懂得了这个道理,也就可以想象出,温度在固体物体当中的传输应该也有极点。 并且热容可以等效成上面的电容,热阻刚好也可以建模成上边的电阻。


上面说完了极点。那零点又是怎么回事呢?

零点往往暗示在系统当中 ,有不止一条信号传输的线路。

想象一下,如果我们在上面的低通滤波器中,给电阻并联一个小小的电容(小于十倍输出电容比较好),我们就能得到另一条信号的通路。

如上文所述,当频率比较高的时候,在一个信号周期内,由电阻传过来的信号会随着周期的变短而越来越小。大约会正比于T/R (T是)

可是从并联电容过来的信号呢?它可不会变。


所以在比较高的频域内, 输出信号的幅度就不再下降了,会变成两个 电容的分压比。

在波特图上看到零点的样子,就刚好跟极点相反,由-20dB/10倍频率变成一条横线。


先写到这儿吧~

后续计划写一写左边平面零点和右半平面零点是怎么来的。以及

怎样通过时域信号对阶跃信号的响应来做一些简单的零点极点的判断。

以及波特图到底告诉了我们什么信息。


也不知道有多少人能看到这里~ 有人气再继续。


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