(一)拉普拉斯变换

该系列为DR_CAN动态系统的建模与分析系列视频笔记,详见https://space.bilibili.com/230105574
由于笔者水平有限,文中难免存在一些不足和错误之处,诚请各位批评指正。

1 定义

拉普拉斯变换(英语:Laplace transform)是应用数学中常用的一种积分变换,又名拉氏转换,其符号为 (mathcal{L}{f(t)}) 。拉氏变换是一个线性变换,可将一个有实数变量 (t (t>0)) 的函数转换为一个变量为复数的 (s) 函数:

[F(s)=int_{0}^{infty} f(t) e^{-s t} mathrm{d} t\其中:s=sigma+i omega quad sigma和 omega为实数 ]

2 电路的例子

分析这个电路系统的输入(电压)与输出(电流)的关系,实际上就需要我们对这个微分方程进行求解。如果我们用一个系统框图来表示,这个变化过程 (g(t)) 就包含着这个系统的特征,也就是微分方程所包含的内容。通过对 (e'(t))(g( t )) 进行卷积运算可以得到 (i(t)) 。但这样分析和计算都相对复杂,这时我们就需要借助拉普拉斯变换,将微分方程转换成代数方程、卷积运算转换为乘法运算。

对时域函数 (f(t)) 做拉普拉斯变换的公式如下图中表示,这将二维平面上的曲线变换为了三维复空间中的曲面。当我们沿观察 (sigma) 轴观察 (F(s)Ojomega) 平面,即 (sigma = 0) 时,图像就变成了在虚轴上的一条曲线,而拉普拉斯变换就变成了另一个我们熟悉形式,也就是傅里叶变换。

而当我们沿着 (F(s)) 轴观察 (sigma O jomega) 平面时,我们往往会关注图像也就是这个系统的极点与零点,进而对系统进行分析。

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3 指数函数的例子

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4 性质

  • 线性:
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  • 积分与导数的拉普拉斯变换:
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其中,导数的拉普拉斯变换推导如下:

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一般情况下我们将系统的初始条件设置为0,因此 (f(0) = 0) 即可忽略。

5 回到电路的例子

通过拉普拉斯变换,我们可以对刚刚电路系统的微分方程进行变换:

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经过整理可得:

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这样一来,我们就把一个微分方程转换成了一个仅含有加减乘除的代数方程。

其中:

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就是所谓的系统传递函数。

原文地址:https://www.cnblogs.com/HongxiWong/p/12732642.html