線性系統有何好處?什麼樣的女朋友是「非線性的」?

為什麼建模時,都要對模型進行線性化,非線性到底有什麼令人討厭的地方?

因為線性系統夠忠誠、死心塌地不變心,工程師可以做到“一切盡在掌握”。

線性系統有一個非常大的優點,就是:

在時域,對於同樣形狀的輸入f(t),不管這個輸入形狀多麼複雜、幅度增加多少倍,只要系統還處於線性狀態,則對於同樣形狀的輸入2f(t)、2.5f(t)甚至100f(t),輸出y(t)的“形狀”是一模一樣的,只不過會被成比例地放大成2y(t)、2.5y(t)和100y(t)。

本質上,輸出都是同一個“函數”乘以一個比例係數。

當然,f(t)和y(t)的形狀可以完全不一樣,完全可以都不是“直線”。

比如,一個幅值為1的階躍電壓信號輸入一個RC電路,電容上的電壓幅值是一個緩慢上升的曲線。

線性系統有何好處?什麼樣的女朋友是“非線性的”?

如果換成一個幅值為5的階躍信號輸入,輸出依然!依然是一個緩慢上升的曲線,形狀一模一樣。

只不過它的幅值放大了五倍,y(t)表達式一模一樣。

因此,RC網絡是一個線性系統,雖然它的時域響應往往不是直線。

線性系統的最大好處就是,針對某種輸入(激勵),我只需要測量或者計算一次,然後,其餘不同幅度的同種輸入(激勵),都可以直接“算”出來,用積分“積”出來,可以直接查資料“查”出來,非常好把控。

這叫“一切盡在掌握,想都想得到”。

這也就是用拉普拉斯變換進行線性時不變系統分析的根本原理,即:

使用“單位衝激響應”作為系統的“人身檔案”,其它形狀的輸入所產生的響應,可以等價為“單位衝激響應”的“移位加權和”來表示,即:

“輸出” = “輸入” 卷 “系統單位衝激響應”。

但是,如果電容(或者說RC電路)不是一個線性器件(系統)呢???

這可就非常之蛋疼了。

對於形狀相同的輸入(激勵),如果幅度稍有不同,扔進非線性系統,產生的輸出,形狀千差萬別,都TM是不同的函數,只能一個個地記錄,一個個地計算。

所以這個非線性電容根本沒法用,工程師也根本沒法用頻域分析法進行設計。

因為同樣都是正弦波輸入,但是,如果幅值不同,則輸出的“形狀”都不同。

這無窮多種五花八門的輸出,無窮多重不同的函數,一鍋粥,如何用積分去積呢?

就好比你女朋友,你給她買一瓶水,她很高興;你給她買三瓶水,她不是三倍高興,她會說,傻啊你,買這麼多水,我拿不動。

你看,這就是非線性的女朋友。

這叫做:萬萬想不到。

當然,現實生活當中,理想的完美線性系統也是木有的,但是我們也不需要理想的,設計一個近似線性的系統,滿足工程需求就可以了。

歡迎訂閱,線性系統分析專欄。

曾經,它們相當於你在學校幾乎一整年、兩個學期的學習容量。

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