從控制系統的極點談起 複數的旋轉作用

2021-10-05 22:27:07 字數 1730 閱讀 5466

之前我們對拉普拉斯變換之後的這個s,包括z變換,其實都有點覺得是很神奇的不知道是啥東西。現在看來,說到底s和z其實就是個複數。複數本身和實數相比,典型的特徵就是能夠描述旋轉。比如說0,j,-1,-j就是四個角度。再比如,最著名的尤拉公式

我們知道乙個系統的最後的輸出模態由系統的極點來決定,也就是est

e^es

t。我們令s=a

+bis=a+bi

s=a+bi

。可得到

e st

=eat

×ebi

t=ea

t×cos⁡(b

t)+i

×eat

×sin⁡(

bt)e^=e^\times e^=e^\times\cos(bt)+i\times e^\times\sin(bt)

est=ea

t×eb

it=e

at×cos(b

t)+i

×eat

×sin(b

t)單看e bi

t=cos⁡(b

t)+i

sin⁡(b

t)e^=\cos(bt)+i\sin(bt)

ebit

=cos(b

t)+i

sin(bt

)如果沒有t的話,ebi

=cos⁡(

b)+i

sin⁡(b

)e^=\cos(b)+i\sin(b)

ebi=

cos(b)

+isin(b)

這其實是在復平面上的乙個向量。加上t的話,就是乙個以角速度b旋轉的向量,並且這個旋轉的向量是單位向量。前面再乘個eat

e^ea

t,表示這個旋轉的向量的長短會隨著時間發生變化。

換言之,對於exe^

ex,x如果是實數,exe^

ex就是復平面實軸上的一點;x如果是純虛數像i2,exe^

ex就是復平面上模值為1的乙個向量;x如果是複數像a+bi,exe^

ex就是復平面上模值由a決定的乙個向量。如果x中還包含時間變數t,實軸上的點的話會在實軸上隨t移動;復平面的向量的話會隨時間旋轉,實部描述了模值大小變化,虛部描述了旋轉速度快慢。

基於此,我們再來考慮一組正交的正弦函式它可以描述復平面上的向量。也即尤拉公式eix

=cos⁡(

x)+i

sin⁡(x

)e^=\cos(x)+i\sin(x)

eix=

cos(x)

+isin(x)

,當極點共軛時,也就是說,向量對稱分布在實軸兩邊。也就是說虛部可以抵消掉。也就是說最後只有實部分量。這也就是一組共軛極點對應於乙個正弦函式的原因所在。

這也就是說,復平面上的乙個點就可以對應於eat

cos⁡(b

t)e^\cos(bt)

eatcos(b

t)乙個這麼複雜的時域響應。所以我覺得正是由於引入了復平面,所以才能把cos

(bt)

cos(bt)

cos(bt

),這個正弦量通過一組點反應出來。從而方便了控制系統的設計與分析——即我們只要設計或分析極點的位置就好了。

如有理解不到位的地方,懇請大家批評指正。

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