因果律与传递函数

一、引入问题

DR_CAN:现实生活中,由于因果定律的存在,所有的传递函数都是真分数(式)。

一个更常见的陈述是:“现实生活中传递函数的分母阶数 必不小于分子阶数 ”。

本文尝试说明其原因。


二、展开说明

(一)一阶微分环节

我们讨论一个最简单的假分式传递函数: 这是一个一阶微分环节,我们对它进行 逆变换。

我们(自动控制中)好像从来没有对 进行过反变换,即使它看起来很简单。实际上 并不容易求得,但我们可以换个思路:

函数 时域 拉普拉斯
单位冲激函数
单位阶跃函数
斜坡函数

这是一个拉普拉斯变换表,容易发现:“向上是求导,向下是积分”

按照这种规律来看 应该在 的头顶,那么在时域中就需要对单位冲激函数 求导:

被称为冲激偶

我们先把拉普拉斯变换表补全:

函数 时域 拉普拉斯
单位冲激偶
单位冲激函数
单位阶跃函数
斜坡函数

求导得来:

它的取值情况:

(二)响应

对于

  1. 单位冲激响应

当输入为 时,我们心里默念:系统的单位冲激响应是它的传递函数的拉普拉斯逆变换,所以此时输出就是冲激偶

上文中讲到冲激偶 的取值是和 之后有关的,或者说:

时的输入会影响到 时的输出。

这是违背因果律的。

  1. 单位阶跃响应

我们考虑当输入 也就是 时: 此时输出为单位冲激响应,单位冲激响应也是与 之后有关的,同样违背因果律。


三、数学中

观察拉普拉斯变换表, 相当于微分算子,考虑一个求导过程: 时刻的导数和 有关,从这里也可以看出不符合因果定律。


四、电路中

考虑一个电感器件: 在电路的 域模型中: 在形式上它确实是一个微分环节,但现实中由于电感绕线电阻的存在使得它实际上是个惯性环节。

换个方向,我们可以如此定义电感: 以电压差输入,以电流为输出,这样传递函数就是一个积分环节。

同样的,考虑一个电容器: 域中: 我们可以这么写: 时域中: 这是容易理解的,电流 的流动使得电荷 在电容器以某种状态分布,从而产生了电势差。

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