系统极点是控制系统理论中的核心概念,其物理含义和数学定义如下:
一、数学定义
极点是系统传递函数分母为零的点。对于连续时间系统的传递函数 $H(s)$(拉普拉斯变换形式),若存在复数 $s = \sigma + j\omega$ 使得分母多项式 $D(s) = 0$,则该点即为极点。
对于离散时间系统的传递函数 $H(z)$(Z变换形式),极点是特征方程 $\Delta(z) = 0$ 或 $D(z) = 0$ 的根。
二、物理与动态特性
稳定性 若极点位于左半平面(即实部 $\sigma < 0$),系统稳定;
若极点位于右半平面(即实部 $\sigma > 0$),系统不稳定,可能引发振荡。
阻尼比与振荡频率
极点距离虚轴的远近反映阻尼比:距离越近,阻尼越大;
极点位于虚轴($\sigma = 0$)时,系统为临界阻尼,出现共振现象。
动态响应
极点决定了系统对输入信号的响应形式,例如指数衰减(低阶极点)或振荡(高阶极点)。
三、示例说明
RC滤波器: 在频域分析中,RC低通滤波器的极点位于 $s = -\frac{1}{RC}$,对应截止频率 $\omega_c = \frac{1}{RC}$。 系统稳定性分析
四、与其他概念的关系
零点:与极点对应,零点是传递函数分子为零的点,表示系统对输入信号的抑制作用。
幅频特性:零极点分布决定系统的频率响应曲线,如极点导致的指数衰减或振荡特性。
综上,极点是描述系统动态行为的关键参数,通过分析极点位置可深入理解系统的稳定性、阻尼特性及频率响应。