
转移函式
在工程中,转移函式是用来拟合或描述黑箱模型(系统)的输入与输出之间关係的数学表示。
通常它是零初始条件和零平衡点下,以空间或时间频率为变数表示的线性时不变系统(LTI)的输入与输出之间的关係。然而一些资料来源中用“转移函式”直接表示某些物理量输入输出的特性,(例如二连线埠网路中的输出电压作为输入电压的一个函式)而不使用变换到S平面上的结果。
基本介绍
- 中文名:转移函式
- 外文名:transfer function
- 对应:描述其运动规律的微分方程
- 类型:数学函式
- 套用领域:自动控制理论
基本释义
把具有线性特性的对象的输入与输出间的关係,用一个函式(输出波形的拉普拉斯变换与输入波形的拉普拉斯变换之比)来表示的,称为转移函式。原是控制工程学的用语,在生理学上往往用来表述心脏、呼吸器官、瞳孔等的特性。
系统的转移函式与描述其运动规律的微分方程是对应的。可根据组成系统各单元的转移函式和它们之间的联结关係导出整体系统的转移函式,并用它分析系统的动态特性、稳定性,或根据给定要求综合控制系统,设计满意的控制器。以转移函式为工具分析和综合控制系统的方法称为频域法。它不但是经典控制理论的基础,而且在以时域方法为基础的现代控制理论发展过程中,也不断发展形成了多变数频域控制理论,成为研究多变数控制系统的有力工具。转移函式中的复变数s在实部为零、虚部为角频率时就是频率回响。
转移函式也是《积分变换》里的概念。对复参数s,函式f(t)*e^(-st)在(-∞,+∞)的积分,称为函式f(t)的(双边)拉普拉斯变换,简称拉氏变换(如果是在[0,+∞)内积分,则称为单边拉普拉斯变换,记作F(s),这是个複变函数。
设一个系统的输入函式为x(t),输出函式为y(t),则y(t)的拉氏变换Y(s)与x(t)的拉氏变换X(s)的商:W(s)=Y(s)/X(s)称为这个系统的转移函式。
转移函式是由系统的本质特性确定的,与输入量无关。知道转移函式以后,就可以由输入量求输出量,或者根据需要的输出量确定输入量了。
转移函式的概念在自动控制理论里有重要套用。
推导
简单说明一下,下面的描述都是以複数 s = σ + j*ω 为变数的。在许多套用中,足以限定 σ=0 (于是 s = j*ω),从而将含有复参数的拉普拉斯变换简化为实参 ω 的傅立叶变换。
那幺,对于最简单的连续时间输入信号
和输出信号
来说,转移函式
所反映的就是零状态条件下输入信号的拉普拉斯变换
与输出信号的拉普拉斯变换 之间的线性映射关係:




或者在离散时间系统中,套用Z变换,转移函式可以类似地表示成这常常被称为脉冲转移函式。



从微分方程直接推导
考虑一个常係数线性微分方程



这个常係数齐次微分方程
的解可以通过尝试
找到。这个代换会产生特徵多项式



在输入函式r的形式也为
的时候,非齐次的情形也可以很容易的解决。在那种情况下,通过代入
就可以发现
若且唯若




把那当作转移的定义需要注意区分实数和複数的差异。这是受到
表示增益,而用
表示相位滞后惯例的影响。转移函式的其他定义还有例如
。



性质
1、转移函式是一种数学模型,与系统的微分方程相对应。
2、是系统本身的一种属性,与输入量的大小和性质无关。
3、只适用于线性定常系统。
4、转移函式是单变数系统描述,外部描述。
5、转移函式是在零初始条件下定义的,不能反映在非零初始条件下系统的运动情况。
6、一般为复变数 S 的有理分式,即 n ≧ m。且所有的係数均为实数。
7、如果转移函式已知,则可针对各种不同形式的输入量研究系统的输出或回响。
8、如果转移函式未知,则可通过引入已知输入量并研究系统输出量的实验方法,确定系统的转移函式。
9、转移函式与脉冲回响函式一一对应,脉冲回响函式是指系统在单位脉冲输入量作用下的输出。
套用
转移函式主要套用在三个方面。
1、 确定系统的输出回响。对于转移函式G(s)已知的系统,在输入作用u(s)给定后,系统的输出回响y(s)可直接由G(s)U(s)运用拉普拉斯反变换方法来定出。
2、分析系统参数变化对输出回响的影响。对于闭环控制系统,运用根轨迹法可方便地分析系统开环增益的变化对闭环转移函式极点、零点位置的影响,从而可进一步估计对输出回响的影响。
3、用于控制系统的设计。直接由系统开环转移函式进行设计时,採用根轨迹法。根据频率回响来设计时,採用频率回响法。