什麼是轉移函數

以初始值全為0時輸出與輸入的拉普拉斯轉換之比 G(s) = Y(s)/X(s),表示線性非時變系統輸入與輸出關係的函數。等於系統脈衝響應的拉普拉斯轉換。使分母為0的 s 稱為極點,使分子為0的 s 稱為零點,由極點的位置可知穩定性與響應的快慢。令 s = jω 即得頻率響應。離散時間系統則使用z轉換,以 H(z) 表示。

日文名稱: 伝達関数

「轉移函數」出現在3領域的26道練習題中(控制工程基礎, 數位訊號處理基礎, 電路分析(交流電路、線性電路與暫態現象)等)。

RC低通濾波器與RC高通濾波器 (a) vin vout R C (b) vin vout C R H(s) = 1/(1 + sRC) H(s) = sRC/(1 + sRC)
RC低通濾波器與RC高通濾波器 · 在圖解集中查看

這個名詞所屬的領域: 控制工程基礎

以方塊圖計算

使用轉移函數時,元件的串聯以乘法表示,並聯以加法表示。在負回授迴路中,設前向轉移函數為 G(s)、回授轉移函數為 H(s),閉迴路轉移函數為 G(s)/(1 + G(s)H(s))。乘積 G(s)H(s) 稱為迴路轉移函數(開迴路轉移函數),是探討穩定性與穩定邊限的出發點。

代表性的形式

RC低通濾波器是 1/(1 + sRC) 這種一階系統,RLC電路與馬達的位置控制迴路,則常以二階系統表示。積分為 1/s,微分為 s,時間 L 的時間延遲為 e^(−Ls)。分母次數不小於分子次數的轉移函數稱為真分式(proper),實際的物理系統通常是這種形式。

極點與零點告訴我們的事

極點 p 會在響應中產生 e^(pt) 的成分,因此所有極點的實部為負時系統就是穩定的。極點越接近虛軸,響應衰減越慢;虛部越大,振盪越快。零點會改變響應的形狀,在s平面右半部有零點的系統,步階響應可能出現一開始往反方向移動的逆響應,使快速控制變得困難。

練習轉移函數的題目

在圖(a)的RC低通濾波器,R = 1 kΩ、C = 1 µF。轉移函數 H(s) = Vout(s)/Vin(s) 的極點為下列哪一項?

  1. As = −1,000 s⁻¹
  2. Bs = −159 s⁻¹
  3. Cs = −0.001 s⁻¹
查看答案與解析

正確答案:A. s = −1,000 s⁻¹

解法1(由轉移函數):由分壓公式得 H(s) = (1/(sC))/(R + 1/(sC)) = 1/(1 + sRC),使分母為0的 s = −1/(RC) 即為極點。RC = 1×10³ × 1×10⁻⁶ = 1×10⁻³ s,因此極點為 s = −1,000 s⁻¹。解法2(與時間響應的對應):極點 s = −a 對應步級響應等的 e^(−at) 項,由RC電路的響應 e^(−t/RC) 可讀出極點為 −1/τ = −1/(1 ms)。極點的大小1,000 rad/s 就是截止角頻率,換成頻率約為159 Hz。

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?

  1. Az平面的單位圓上(z = e^(jω),|z| = 1)
  2. Bz平面的正實軸上(z = r,r 為大於0的實數)
  3. Cz平面的虛軸上(z = jω)
查看答案與解析

正確答案:A. z平面的單位圓上(z = e^(jω),|z| = 1)

頻率響應是把 z = e^(jω) 代入 H(z) 所得,ω 從 −π 變到 π 時,z 沿單位圓繞1圈。z = 1(ω = 0)對應直流,z = −1(ω = π)對應奈奎斯特頻率。連續時間的拉普拉斯轉換是在虛軸 s = jω 上求頻率響應,而在離散時間中對應的就是單位圓。

常見問題

轉移函數與頻率響應有什麼不同?

轉移函數 G(s) 是複數 s 的函數,把 s 限定在虛軸上的 jω 即為頻率響應 G(jω)。把頻率響應的大小與相位對頻率作圖,就是波德圖。

非線性系統也有轉移函數嗎?

直接是無法定義的。在操作點附近線性化後,就能對該點附近的微小變化使用轉移函數。飽和或死區這類強烈的非線性,要以其他方法處理。

解析中的「轉移函數」

出現「轉移函數」的題目(26題)

  1. 在圖(a)的RC低通濾波器,R = 1 kΩ、C = 1 µF。轉移函數 H(s) = Vout(s)/Vin(s) 的極點為下列哪一項?
  2. 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?
  3. 以差分方程式 y[n] = x[n] + 0.5x[n − 1] + 0.25y[n − 1] 表示的系統,其轉移函數 H(z) = Y(z)/X(z) 為下列何者?
  4. 轉移函數為 H(z) = 1/(1 − 1.3z⁻¹ + 0.4z⁻²) 的因果系統,其極點與穩定性的組合為下列何者?
  5. 有一個以取樣頻率8 kHz運作、轉移函數為 H(z) = 1 + z⁻²(y[n] = x[n] + x[n − 2])的FIR濾波器。使輸出為0的正弦波輸入頻率為下列何者?
  6. 由類比濾波器的轉移函數 H(s) 設計數位濾波器時所用的雙線性轉換,下列敘述何者正確?
  7. 在前向路徑的轉移函數為 G(s)、回授路徑的轉移函數為 H(s) 的負回授方塊圖中,由目標值 R(s) 到輸出 Y(s) 的閉迴路轉移函數 Y(s)/R(s) 為下列何者?
  8. 對轉移函數為 G(s) = 5/(s + 2) 的系統輸入大小為1的步階。輸出的終值(t → ∞ 時的值)為下列何者?
  9. 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?
  10. 對轉移函數為 G(s) = 2/(1 + 0.5s) 的一階系統,在時刻0輸入大小為1的步階。t = 1 s 時的輸出最接近下列何者?
  11. 對某一階系統輸入大小為2的步階,輸出最終穩定在6,並在輸入後0.4 s達到終值的約63%。這個系統的轉移函數為下列何者?
  12. 轉移函數為 G(s) = 25/(s² + 4s + 25) 的二階系統,其自然角頻率 ωn 與阻尼比 ζ 的組合為下列何者?
  13. 以近似式 ts ≈ 4/(ζωn) 估算轉移函數為 G(s) = 25/(s² + 4s + 25) 的系統,其步階響應進入終值±2%以內所需的安定時間,所得的值為下列何者?
  14. 在單位回授系統中,前向轉移函數為 G(s) = 9/(1 + 2s)。對大小為1的步階目標值,穩態誤差為下列何者?
  15. 在閉迴路為穩定的單位回授系統中,前向轉移函數 G(s) 含有1個積分 1/s(1型系統)時,關於穩態誤差的說明,正確的是下列何者?

出現這個名詞的比較

半導體、電子電路與資訊計算工具

相關名詞

奈奎斯特頻率 相位邊限 拉普拉斯轉換 時間常數 一階系統 增益邊限 z轉換 截止頻率 脈衝響應 二階系統

前往名詞解釋列表