问题

控制中拉普拉斯变换是如何推出来的?

回答
细致探究——控制中拉普拉斯变换的推导脉络

在自动控制领域,拉普拉斯变换(Laplace Transform)无疑是一个举足轻重的数学工具。它强大的能力在于,能够将复杂的时域微分方程转化为更为简洁的代数方程,极大地简化了系统分析和设计过程。那么,这个神奇的变换究竟是如何一步步被“制造”出来的呢?今天,我们就来一起拨开迷雾,详细地探究控制中拉普拉斯变换的推导过程。

拉普拉斯变换的“出生证明”:从积分看问题

拉普拉斯变换的根源,可以追溯到积分的强大能力。我们知道,积分可以将一个函数的“累积效应”求出来,例如计算面积、求和等。拉普拉斯变换巧妙地利用了这一点,但它的目标不是简单的累积,而是要将一个随时间变化的函数“编码”成一个更易于处理的复频率域表示。

想象一下,我们有一个时域信号 $f(t)$。我们希望找到一个数学操作,能够将这个 $f(t)$ 变换到一个新的域,在这个新域里,关于时间的微分操作会变成简单的乘法,积分操作会变成除法。这对于解决微分方程至关重要。

拉普拉斯变换的核心思想是引入一个复指数函数 $e^{st}$,其中 $s$ 是一个复变量,$s = sigma + jomega$。这里的 $j$ 是虚数单位,$omega$ 是角频率,$sigma$ 是衰减因子。这个复指数函数具有一个非常有趣的性质:当它与任何一个函数相乘并积分时,能够捕捉到该函数在不同频率和衰减速率下的信息。

那么,如何将 $f(t)$ 和 $e^{st}$ 结合起来,并实现我们想要的效果呢?最直接的想法就是将它们相乘并进行积分。

对于一个时域函数 $f(t)$,拉普拉斯变换(单边拉普拉斯变换,在控制领域更常用)的定义是:

$$
mathcal{L}{f(t)} = F(s) = int_{0}^{infty} f(t) e^{st} dt
$$

这里的积分从 $0$ 到无穷大,是因为我们主要关注的是系统在初始时刻之后(通常认为从 $t=0$ 开始)的行为。在很多物理系统中,信号和响应都是从某个起始点开始的,因此单边拉普拉斯变换非常适用。

为何要乘以 $e^{st}$?深层原因揭秘

这个 $e^{st}$ 为什么如此重要?它扮演了两个关键角色:

1. 衰减作用(引入收敛性): 很多时域函数,比如 $e^{at}$(当 $a>0$ 时)或者 $t^n$,在 $t o infty$ 时会趋向无穷大。如果直接对它们进行积分 $int_0^infty f(t) dt$,很多情况下积分是不会收敛的(结果是无穷大)。而 $e^{st}$ 中的 $s = sigma + jomega$,当 $sigma > 0$ 时,$e^{st} = e^{(sigma+jomega)t} = e^{sigma t} e^{jomega t}$。其中的 $e^{sigma t}$ 部分,随着 $t$ 的增大,它会指数级地衰减。这个衰减项可以“压制”住那些在时域中会发散的函数,使得积分能够收敛,从而使得拉普拉斯变换存在。简单来说,$e^{st}$ 就像一个“吸尘器”,把那些不好处理的、趋于无穷的信号“吸入”并转化为有限的值。

2. 频率分析(复频率域的含义): $e^{jomega t}$ 是一个复指数信号,它代表了不同频率的震荡。傅里叶变换就是将一个信号分解成不同频率的正弦和余弦信号的叠加。而拉普拉斯变换中的 $e^{st}$ 实际上包含了傅里叶变换的成分(当 $s$ 取纯虚数 $jomega$ 时),但它还额外引入了衰减因子 $e^{sigma t}$。这使得拉普拉斯变换不仅能分析信号的频率成分,还能分析随时间衰减或增长的成分。因此,$s$ 被称为“复频率”,它包含了频率 $omega$ 和衰减/增长率 $sigma$ 两个信息。

$e^{st}$ 的魔力:如何让微分变乘法?

现在我们来看拉普拉斯变换最神奇的特性之一:将时域的微分运算转化为复频率域的乘法运算。这是它在控制理论中大放异彩的根本原因。

我们来推导一下 $f(t)$ 的导数 $f'(t)$ 的拉普拉斯变换:

$$
mathcal{L}{f'(t)} = int_{0}^{infty} f'(t) e^{st} dt
$$

这里我们可以使用分部积分法(Integration by Parts)。分部积分法的公式是 $int u , dv = uv int v , du$。

我们选择:
$u = e^{st}$ $implies$ $du = s e^{st} dt$
$dv = f'(t) dt$ $implies$ $v = f(t)$

代入分部积分公式:

$$
mathcal{L}{f'(t)} = left[ f(t) e^{st} ight]_{0}^{infty} int_{0}^{infty} f(t) (s e^{st}) dt
$$

现在我们来看第一项 $left[ f(t) e^{st} ight]_{0}^{infty}$:

当 $t o infty$ 时,根据我们前面提到的收敛条件(假设 $f(t)$ 的增长速度没有快到足以抵消 $e^{sigma t}$ 的衰减,即 $sigma$ 足够大),$f(t) e^{st}$ 会趋向于 $0$。
当 $t = 0$ 时,这一项是 $f(0) e^{s cdot 0} = f(0) e^0 = f(0)$。

所以,第一项的值为 $0 f(0) = f(0)$。

再看第二项的积分部分:

$$
int_{0}^{infty} f(t) (s e^{st}) dt = s int_{0}^{infty} f(t) e^{st} dt
$$

根据拉普拉斯变换的定义,$int_{0}^{infty} f(t) e^{st} dt$ 正是 $f(t)$ 的拉普拉斯变换 $F(s)$。

所以,我们将这两部分结合起来,得到:

$$
mathcal{L}{f'(t)} = f(0) + s F(s)
$$

看!这正是我们期待的!原本的时域微分运算 $f'(t)$,在经过拉普拉斯变换后,变成了复频率域的 $s F(s)$ 加上一个初始值项 $f(0)$。

推广到高阶导数和积分

这个性质可以进一步推广到高阶导数和积分。

高阶导数:
例如,对 $f''(t)$ 进行拉普拉斯变换:

$$
mathcal{L}{f''(t)} = mathcal{L}{(f'(t))'}
$$

我们同样使用分部积分,将 $f'(t)$ 看作一个新的函数 $g(t) = f'(t)$。那么:

$$
mathcal{L}{f''(t)} = mathcal{L}{g'(t)} = g(0) + s G(s)
$$

代入 $g(t)$ 和 $G(s)$ 的定义:
$g(0) = f'(0)$
$G(s) = mathcal{L}{f'(t)} = f(0) + s F(s)$

所以:
$$
mathcal{L}{f''(t)} = f'(0) + s(f(0) + s F(s)) = f'(0) s f(0) + s^2 F(s)
$$

普遍地,对于 $n$ 阶导数:

$$
mathcal{L}{f^{(n)}(t)} = s^n F(s) s^{n1} f(0) s^{n2} f'(0) dots f^{(n1)}(0)
$$

可以看到,每一项导数都对应着 $s$ 的幂次与原始信号变换 $F(s)$ 相乘,并且后面跟着由初始条件构成的项。这正是将微分方程“代数化”的关键所在。

积分:
我们再来看积分项。假设我们要求 $int_0^t f( au) d au$ 的拉普拉斯变换。
令 $g(t) = int_0^t f( au) d au$。那么 $g'(t) = f(t)$,且初始条件 $g(0) = int_0^0 f( au) d au = 0$。
我们知道 $mathcal{L}{g'(t)} = s G(s) g(0)$。
将 $g'(t) = f(t)$ 和 $g(0) = 0$ 代入:

$$
mathcal{L}{f(t)} = s G(s) 0
$$

所以,$G(s) = frac{1}{s} F(s)$。
也就是说,时域的积分运算 $int_0^t cdot d au$ 对应于复频率域的除以 $s$ 运算。

总结:拉普拉斯变换的“价值”所在

通过以上推导,我们可以清晰地看到拉普拉斯变换在控制工程中的巨大价值:

将微分方程转化为代数方程: 这是最核心的优势。原本求解复杂的微分方程,现在变成了求解一个关于 $s$ 的代数方程,极大地简化了分析过程。
包含了初始条件: 在推导过程中出现的初始条件项(如 $f(0), f'(0)$ 等),使得拉普拉斯变换在处理具有特定初始状态的系统时,能够自然地纳入这些信息。
频率域分析能力: 复频率 $s$ 的引入,使得我们可以分析系统在不同频率下的响应特性,以及信号的衰减或增长情况。这为设计滤波器、分析系统稳定性等提供了强大的工具。
系统函数概念: 对于线性时不变(LTI)系统,可以定义一个“系统函数”(也称传递函数),它是输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比:$H(s) = frac{Y(s)}{U(s)}$。这个函数完全表征了系统的动态特性,而不依赖于具体的输入信号。

正是因为这些强大的能力,拉普拉斯变换成为了控制理论的基石。从时域的动态过程到复频率域的代数关系,拉普拉斯变换的推导过程,充分展现了数学工具的精妙之处,也揭示了它如何让复杂的工程问题变得井井有条。理解了它的推导脉络,也就更能体会到这个变换的“威力”所在。

网友意见

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傅里叶变换

函数傅里叶变换被定义为

以上变换需求 ,这么一来很多函数无法使用傅里叶变换

一个解决方案是作变换 ,只要 的发散速度不及 , 到无穷远处都会被""下来。

现在对 作傅里叶变换

其中 为根正苗红复数,在控制理论中一般定义 ,故

对应的拉普拉斯逆变换


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