傳遞函數

傳遞函數

描述線性系統動态特性的基本數學工具
傳遞函數是指零初始條件下線性系統響應(即輸出)量的拉普拉斯變換(或z變換)與激勵(即輸入)量的拉普拉斯變換之比。記作G(s)=Y(s)/U(s),其中Y(s)、U(s)分别為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。傳遞函數是描述線性系統動态特性的基本數學工具[1]之一,經典控制理論的主要研究方法——頻率響應法和根軌迹法——都是建立在傳遞函數的基礎之上。傳遞函數是研究經典控制理論的主要工具之一。
    中文名:傳遞函數 外文名: 适用領域: 所屬學科: 英文名:transfer function 類型:數學函數 對應:描述其運動規律的微分方程 定義:一種數學模型 應用領域:自動控制理論

基本釋義

把具有線性特性的對象的輸入與輸出間的關系,用一個函數(輸出波形的拉普拉斯變換與輸入波形的拉普拉斯變換之比)來表示的,稱為傳遞函數。原是控制工程學的用語,在生理學上往往用來表述心髒、呼吸器官、瞳孔等的特性。

系統的傳遞函數與描述其運動規律的微分方程是對應的。可根據組成系統各單元的傳遞函數和它們之間的聯結關系導出整體系統的傳遞函數,并用它分析系統的動态特性、穩定性,或根據給定要求綜合控制系統,設計滿意的控制器。以傳遞函數為工具分析和綜合控制系統的方法稱為頻域法。它不但是經典控制理論的基礎,而且在以時域方法為基礎的現代控制理論發展過程中,也不斷發展形成了多變量頻域控制理論,成為研究多變量控制系統的有力工具。傳遞函數中的複變量s在實部為零、虛部為角頻率時就是頻率響應。

傳遞函數也是《積分變換》裡的概念。對複參數s,函數f(t)*e^(-st)在(-∞,+∞)的積分,稱為函數f(t)的(雙邊)拉普拉斯變換,簡稱拉氏變換(如果是在[0,+∞)内積分,則稱為單邊拉普拉斯變換,記作F(s),這是個複變函數。

設一個系統的輸入函數為x(t),輸出函數為y(t),則y(t)的拉氏變換Y(s)與x(t)的拉氏變換X(s)的商:W(s)=Y(s)/X(s)稱為這個系統的傳遞函數。

傳遞函數是由系統的本質特性确定的,與輸入量無關。知道傳遞函數以後,就可以由輸入量求輸出量,或者根據需要的輸出量确定輸入量了。

傳遞函數的概念在自動控制理論裡有重要應用。

極點和零點

系統傳遞函數G(s)的特征可由其極點和零點在 s複數平面上的分布來完全決定。用D(s)代表G(s)的分母多項式,M(s)代表G(s)的分子多項式,則傳遞函數G(s)的極點規定為特征方程D(s)=0的根,傳遞函數G(s)的零點規定為方程M(s)=0的根。極點(零點)的值可以是實數和複數,而當它們為複數時必以共轭對的形式出現,所以它們在s複數平面上的分布必定是對稱于實數軸(橫軸)的。系統過渡過程的形态與其傳遞函數極點、零點(尤其是極點)的分布位置有密切的關系。

局限性

1960年以來關于能控性和能觀測性的研究表明,傳遞函數隻是對系統内部結構的一種不完全的描述,隻能表征其中直接或間接地由輸入可控制和從輸出中可觀測到的那一部分。引入狀态空間描述(見狀态空間法),可彌補這種缺陷。

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