线性系统有何好处?什么样的女朋友是“非线性的”?

为什么建模时,都要对模型进行线性化,非线性到底有什么令人讨厌的地方?

因为线性系统够忠诚、死心塌地不变心,工程师可以做到“一切尽在掌握”。

线性系统有一个非常大的优点,就是:

在时域,对于同样形状的输入f(t),不管这个输入形状多么复杂、幅度增加多少倍,只要系统还处于线性状态,则对于同样形状的输入2f(t)、2.5f(t)甚至100f(t),输出y(t)的“形状”是一模一样的,只不过会被成比例地放大成2y(t)、2.5y(t)和100y(t)。

本质上,输出都是同一个“函数”乘以一个比例系数。

当然,f(t)和y(t)的形状可以完全不一样,完全可以都不是“直线”。

比如,一个幅值为1的阶跃电压信号输入一个RC电路,电容上的电压幅值是一个缓慢上升的曲线。

线性系统有何好处?什么样的女朋友是“非线性的”?

如果换成一个幅值为5的阶跃信号输入,输出依然!依然是一个缓慢上升的曲线,形状一模一样。

只不过它的幅值放大了五倍,y(t)表达式一模一样。

因此,RC网络是一个线性系统,虽然它的时域响应往往不是直线。

线性系统的最大好处就是,针对某种输入(激励),我只需要测量或者计算一次,然后,其余不同幅度的同种输入(激励),都可以直接“算”出来,用积分“积”出来,可以直接查资料“查”出来,非常好把控。

这叫“一切尽在掌握,想都想得到”。

这也就是用拉普拉斯变换进行线性时不变系统分析的根本原理,即:

使用“单位冲激响应”作为系统的“人身档案”,其它形状的输入所产生的响应,可以等价为“单位冲激响应”的“移位加权和”来表示,即:

“输出” = “输入” 卷 “系统单位冲激响应”。

但是,如果电容(或者说RC电路)不是一个线性器件(系统)呢???

这可就非常之蛋疼了。

对于形状相同的输入(激励),如果幅度稍有不同,扔进非线性系统,产生的输出,形状千差万别,都TM是不同的函数,只能一个个地记录,一个个地计算。

所以这个非线性电容根本没法用,工程师也根本没法用频域分析法进行设计。

因为同样都是正弦波输入,但是,如果幅值不同,则输出的“形状”都不同。

这无穷多种五花八门的输出,无穷多重不同的函数,一锅粥,如何用积分去积呢?

就好比你女朋友,你给她买一瓶水,她很高兴;你给她买三瓶水,她不是三倍高兴,她会说,傻啊你,买这么多水,我拿不动。

你看,这就是非线性的女朋友。

这叫做:万万想不到。

当然,现实生活当中,理想的完美线性系统也是木有的,但是我们也不需要理想的,设计一个近似线性的系统,满足工程需求就可以了。

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