什麼是慣性 這裡的慣性,和我們日常說“某某很胖,慣性很大”的慣性是一個意思,指的是這個系統擁有保持原有狀态趨勢的能力。
砂鍋系統 慣性環節,之所以讓人困惑,是因為它一般用“傳遞函數”來表示,
一階慣性環節
其實,它的意思很簡單,指輸出相對輸入有“慣性”。
傳遞函數是自動控制領域的基本概念,它是對系統“輸入-輸出”特性的描述。
聽起來很抽象,但這個現象在生活中無處不在,比如,砂鍋炖雞系統:
砂鍋系統
“火焰大小”到“雞湯的溫度”,是一個可以用一階慣性環節描述的系統。
為什麼用砂鍋 砂鍋一般由陶土燒制而成,直觀來看,砂鍋煲湯有明顯的特點和優勢:
湯汁溫度穩定,加熱均勻。
試想,如果用薄薄的“鋁鍋”來炖湯,我們就會發現:
火力稍小,雞湯加熱力度不足;火力稍大,雞湯過于沸騰,水分蒸發過快,無法保持一個較好的“微微沸騰”的狀态。
我們直觀地解釋就是:薄薄的鋁鍋傳導熱量很快,而且鋁鍋本身保溫性能不佳,導緻雞湯溫度受火焰(輸入)波動的影響較大,導緻雞湯溫度(輸出)的波動較大。
那麼,我們可以将這個特點進行抽象,得到“慣性環節”。
慣性環節的分析 如果我們在t = 0時刻開火,并保持煤氣竈閥門不變(火焰大緻相同),則砂鍋的溫度曲線大緻如下:
雞湯溫度變化
由于砂鍋本身可以吸熱并存儲熱能,因此雞湯的溫度不是“迅速地”與火焰(輸入)保持同步,而是有一定的“慣性”,會逐漸升高。
而且,由于砂鍋可以吸收并存儲相當熱量,因此砂鍋系統的溫度更穩定:
當火焰在某時刻由于燃氣波動而減小時,砂鍋可以通過餘熱來“保溫”,使雞湯溫度下降不至過于迅速。
因此,從數學上說,砂鍋和電容是一回事,它們都可以看作“低通濾波器”,可以過濾“高頻擾動”,使系統輸出“平滑而穩定”。
對下圖“一階RC濾波電路”的電容來說,高頻擾動是輸入電壓的高頻波動;對砂鍋系統來說,高頻擾動是火焰的高頻波動。
一階無源RC濾波器
生活中其它的慣性環節 直流電機的“電壓(輸入)”到“轉速(輸出)”是一階慣性環節,因為電機轉動也是有“慣性”的。
又比如,單容水槽,輸入水流量到輸出水流量也是一階慣性環節,這可以有嚴格的數學推導。
單容水槽
因此,自動控制理論就是抽出了現實世界現象的實質,撥開外表,深入本質。
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