SISO線性定常系統中求取傳遞函數的兩種基本方法

2014-06-28 00:08:58張萍

考試周刊 2014年17期

張萍

摘要：對任意一個控制系統進行分析和設計的基本前提是系統的數學模型，而在單輸入單輸出線性定常系統中常用的三種數學模型分別是微分方程、傳遞函數和方塊圖。由于微分方程的直接求解比較困難，因此又引入了傳遞函數的概念。本文主要介紹兩種最基本的求取傳遞函數的方法，一種是利用微分方程法求取，另一種是利用復阻抗法求得，以供參考。

關鍵詞：傳遞函數拉氏變換微分方程法復阻抗法

引言

無論是對控制系統進行分析還是設計，都要設法先建立起較精確的生產過程數學模型，然后以數學模型為研究對象，應用經典或現代控制理論所提供的方法分析它的性能并研究改進系統性能的途徑。在此基礎上，再應用這些研究成果和結論指導對實際系統的分析和改進。因此，建立系統的數學模型是分析和研究自動控制系統的出發點。

系統的數學模型就是指描述系統或元件的輸入量、輸出量，以及內部各變量之間關系的數學表達式。而要建立系統或環節的數學模型，通常要選用合適的數學工具和方法，還常常要忽略系統的一些固有特性，特別是在考慮非線性特性的線性化、分布參數的集中處理時，得到的模型也不可避免地具有一定的近似性，但只要它能反映系統的運動本質并具有一定的精度，就可以認為是合適的。

SISO（Single Input Single Output單輸入單輸出）線性定常系統中常用的三種數學模型是微分方程、傳遞函數和結構圖。使用微分方程分析系統時，在給定外作用及初始條件下，求出系統的輸出響應。這種方法比較直觀，特別是借助現代電子設備可以迅速準確地求得結果。但是如果系統的參數改變或結構變化時，就要重新列寫并求解微分方程，這樣不但麻煩還不便于對系統不同時刻性能的分析。而且隨著微分方程階次的升高，計算越來越復雜。因此，僅僅用微分方程分析設計系統就比較困難，從而引入了以拉普拉斯變換為基礎得到的傳遞函數，它能把時域中以線性微分方程對系統進行描述的數學模型轉化為控制系統在復頻域的數學模型，不僅可以表征系統的動態性能，還可以用來研究系統的結構或參數變化對系統性能的影響，且比微分方程更簡單明了，運算更方便。求取傳遞函數的方法很多，比如用微分方程經過拉普拉斯變換就可求得，也可使用方塊圖的化簡求得，還可以通過畫信號流圖應用梅遜公式求得。本文主要介紹兩種最基本的求取傳遞函數的方法，一種是利用微分方程經過拉普拉斯變換求得，另一種是利用復阻抗的方法求得。

1.拉普拉斯變換

在利用微分方程求取傳遞函數的過程中，常會用到拉普拉斯變換的幾個定理：①線性定理。線性定理包含線性比例和線性疊加定理。線性比例定理是指常數與函數乘積的拉氏變換等于常數乘以函數的拉氏變換；線性疊加定理是指函數相加的拉氏變換等于各個函數拉氏變換之和。②微分定理。微分定理是指一個函數求導后取拉氏變換，等于這個函數的拉氏變換乘以參數s再減去這個函數的初值。③積分定理。積分定理是指一個函數積分后取拉氏變換，等于這個函數的拉氏變換除以參數s。微分定理和積分定理都可以推廣至多重微分和多重積分的情形中使用。

2.傳遞函數

傳遞函數一般是復變函數，最常用的形式是有理分式形式。在使用傳遞函數分析或設計系統時，有幾點需要說明的地方：①傳遞函數是復變量s的有理真分式函數，分子的階次一般低于或等于分母的階次，且所有系數均為實數。②傳遞函數與微分方程有相通性，可經簡單置換而轉換，且傳遞函數只適用于線性定常系統。③一個傳遞函數只能表示一個輸入對一個輸出的關系，所以傳遞函數只適用于單輸入單輸出系統的描述，而且傳遞函數不能反映系統內部中間變量的變化情況。④傳遞函數是在零初始條件下定義的，即在零時刻之前，系統對所給定的平衡工作點處于相對靜止狀態。因此，傳遞函數原則上不能反映系統在非零初始條件下的全部運動規律。

3.傳遞函數的求取

3.1微分方程法

采用微分方程法求取SISO線性定常系統的傳遞函數，具體步驟是：

（1）列寫出系統的微分方程或微分方程組；

（2）在零初始條件下求各微分方程的拉氏變換，將它們轉換為s域的代數方程組；

（3）消去中間變量，從而得到系統的傳遞函數。

3.2復阻抗法

3.3舉例說明

例：已知一RLC電路，如圖1所示，試求該電路的傳遞函數。

結語

顯然，利用復阻抗法求取單輸入單輸出線性定常系統的傳遞函數要比利用微分方程法簡單、快速。本文只討論了針對單輸入單輸出線性定常系統求取傳遞函數兩種最基本的方法，還有利用方塊圖的化簡求取傳遞函數及通過畫信號流圖結合梅遜公式求取傳遞函數等方法，有興趣的學生或同行可以通過參考書籍獲取相關知識，本文不再贅述。

參考文獻：