什麼是拉普拉斯轉換

把時間的函數 f(t)(t ≥ 0)轉換為複數 s 的函數 F(s) = ∫₀^∞ f(t)e^(−st) dt 的方法。初始值為0時,微分對應乘以 s,積分對應除以 s,因此能把線性微分方程式當作 s 的代數式處理。它是控制工程中求轉移函數的基本工具,離散時間系統則由z轉換扮演同樣的角色。單位步階轉換為 1/s,e^(−at) 轉換為 1/(s + a)。

日文名稱: ラプラス変換

「拉普拉斯轉換」出現在3領域的10道練習題中(電路分析(交流電路、線性電路與暫態現象), 控制工程基礎, 數位訊號處理基礎等)。

這個名詞所屬的領域: 控制工程基礎

常用的轉換對

單位脈衝 δ(t) 為1,單位步階為 1/s,斜坡 t 為 1/s²,e^(−at) 為 1/(s + a),sin ωt 為 ω/(s² + ω²)。時間延後 L 會乘上 e^(−Ls),乘上 e^(−at) 則把 s 換成 s + a。把這些轉換對與部分分式展開組合起來,許多響應都能一邊查表一邊做逆轉換。

終值定理與初值定理

只有在 sF(s) 的極點全部位於s平面左半部時,才能以 lim[t→∞] f(t) = lim[s→0] sF(s) 求出輸出的終值。例如轉移函數為 G(s) 的系統,其步階響應的終值為 G(0),稱為穩態增益。初值則以 lim[t→+0] f(t) = lim[s→∞] sF(s) 求出。

與傅立葉轉換、z轉換的關係

在虛軸 s = jω 上計算拉普拉斯轉換,就相當於傅立葉轉換(頻率響應)。對取樣後的訊號,令 z = e^(sT) 的z轉換扮演同樣的角色,s平面的左半部對應z平面的單位圓內側。因此,連續時間的「極點實部為負則穩定」,在離散時間中成為「極點在單位圓內側則穩定」。

練習拉普拉斯轉換的題目

某電路電壓的拉普拉斯轉換為 V(s) = 10(s + 3)/(s(s + 2)(s + 5))。經過足夠時間後的電壓 v(∞) 為下列哪一項?

  1. A0 V
  2. B3 V
  3. C10 V
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正確答案:B. 3 V

解法1(終值定理):v(∞) = lim(s→0) sV(s) = 10 × 3/(2 × 5) = 3 V。此定理在 sV(s) 的極點全部位於左半平面(響應會收斂)時才能使用。解法2(以部分分式展開確認):設 V(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5),得 A = 3、B = −5/3、C = −4/3,因此 v(t) = 3 − (5/3)e^(−2t) − (4/3)e^(−5t)。t → ∞ 時指數項消失而成為3 V,t = 0 時為 3 − 5/3 − 4/3 = 0,與初值定理 lim(s→∞) sV(s) = 0 也一致。

當初始值全為0時,時間函數的微分與積分在拉普拉斯轉換後的 s 域中所對應的運算,正確的組合是下列何者?

  1. A微分是乘以 s,積分是除以 s
  2. B微分是除以 s,積分是乘以 s
  3. C微分是加上 s,積分是減去 s
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正確答案:A. 微分是乘以 s,積分是除以 s

在拉普拉斯轉換中,f(t) 的微分對應 sF(s) − f(0),積分對應 F(s)/s。若初始值為0,微分就是乘以 s,積分就是除以 s,微分方程式因此變成 s 的多項式的運算。例如,RC電路的式子 RC·dv/dt + v = vin 變成 (RCs + 1)V(s) = Vin(s),得到轉移函數 1/(1 + RCs)。單位步階函數轉換為 1/s,e^(−at) 轉換為 1/(s + a)。

常見問題

為什麼控制工程要使用拉普拉斯轉換?

因為它能把微分方程式變成代數式,所以連接多個元件的系統,其轉移函數可以用乘法與除法組合出來。由極點的位置也能讀出穩定性與響應的快慢。

初始值不為0時會怎樣?

微分的轉換成為 sF(s) − f(0),會留下初始值的項。轉移函數是以初始值為0來定義的,因此由初始值造成的響應要另外加上來考慮。

解析中的「拉普拉斯轉換」

出現「拉普拉斯轉換」的題目(10題)

  1. 某電路電壓的拉普拉斯轉換為 V(s) = 10(s + 3)/(s(s + 2)(s + 5))。經過足夠時間後的電壓 v(∞) 為下列哪一項?
  2. 當初始值全為0時,時間函數的微分與積分在拉普拉斯轉換後的 s 域中所對應的運算,正確的組合是下列何者?
  3. 在圖中的RC電路,E = 10 V、R = 10 kΩ、C = 100 µF,電容器起初未充電。於 t = 0 閉合開關2秒後,電容器電壓 vC 最接近下列哪一項?
  4. 在圖中的RC電路,E = 10 V、R = 2 kΩ、C = 1 µF,電容器起初以圖中 + 側為高電位的方向充電至4 V。於 t = 0 閉合開關後經過一個時間常數 τ 時,電流 i 最接近下列哪一項?
  5. 在圖中的RL電路,E = 12 V、R = 6 Ω、L = 3 H,起初沒有電流。於 t = 0 閉合開關後經過一個時間常數 τ 時,線圈兩端的電壓 vL 最接近下列哪一項?
  6. 在圖中的電路,E = 12 V、R1 = 2 Ω、R2 = 4 Ω,電容器與線圈起初都沒有儲存能量。於 t = 0 閉合開關瞬間的電流 i(0+) 與經過足夠時間後的電容器電壓 vC,下列組合哪一項正確?
  7. 在圖中的串聯RLC電路,E = 6 V、R = 4 Ω、L = 1 H、C = 1/3 F,初始值全部為0。於 t = 0 閉合開關後的電流 i(t) [A] 為下列哪一項?
  8. 在時刻 t = 0 已充電至電壓 V0 的電容器 C,要連同初始值以s域電路表示,下列哪一項正確?
  9. 由離散時間LTI系統的轉移函數 H(z) 求頻率響應時,z 應沿著下列何處移動?
  10. 關於線性非時變系統的轉移函數的說明,正確的是下列何者?

相關名詞

部分分式展開 轉移函數 時間常數 阻抗 奈奎斯特頻率 脈衝響應 z轉換 一階系統 二階系統 方塊圖

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