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| | 逻辑斯谛方程广泛用于生态学(种群增长)、生物学(细胞分裂、肿瘤增长)、传染病建模、社会科学(技术扩散)以及工程系统中的反馈动力学。其 S 型曲线也用于统计建模,如逻辑斯谛回归<ref name="Murray2002" />。 | | 逻辑斯谛方程广泛用于生态学(种群增长)、生物学(细胞分裂、肿瘤增长)、传染病建模、社会科学(技术扩散)以及工程系统中的反馈动力学。其 S 型曲线也用于统计建模,如逻辑斯谛回归<ref name="Murray2002" />。 |
| | ===RC电路分析=== | | ===RC电路分析=== |
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| | + | ====模型定义==== |
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| | [[文件:RC_Series_Filter_(with_V&I_Labels).png|300x500像素|thumb|right|串联RC电路,引自<ref name='wikipedia rc circuit'>https://en.wikipedia.org/wiki/RC_circuit</ref>]] | | [[文件:RC_Series_Filter_(with_V&I_Labels).png|300x500像素|thumb|right|串联RC电路,引自<ref name='wikipedia rc circuit'>https://en.wikipedia.org/wiki/RC_circuit</ref>]] |
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| | + | 考虑右图所示的 RC 电路,电阻大小为 <math>R</math>,电容量为 <math>C</math>。记左端输入电压为 <math>V_{\text{in}}</math>,电容器两端的电压 <math>V_{C}</math> 为输出电压,电路中的电流为 <math>I</math>。根据基尔霍夫定律,可得下面的方程 |
| | + | |
| | + | <math> |
| | + | \left\{ |
| | + | \begin{align} |
| | + | \\[-1em] |
| | + | V_{\text{in}} &= V_{R} + V_{C}\\ |
| | + | V_{\text{out}} &= V_{C} = \frac{1}{C} \int_{0}^{t} I(t) \, \mathrm d{t} |
| | + | \end{align} |
| | + | \right. |
| | + | </math> |
| | + | 即 |
| | + | <math> |
| | + | V_{\text{in}} = RI + \frac{1}{C}\int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t}. \tag{RC-1} |
| | + | </math> |
| | + | 当 $V_{\text{in}}$ 为恒定电压 $V_{0}$ 时,考虑电容 $C$ 上的充电量 $Q$。有 |
| | + | <math> |
| | + | V_{0} = RI + \frac{1}{C} \int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t} \iff V_{0} = R \dot{Q} + \frac{Q}{C} \tag{RC-2} |
| | + | </math> |
| | + | |
| | + | ====模型的解==== |
| | + | |
| | + | 该方程的通解为 |
| | + | <math> |
| | + | Q(t) = V_{0}C + Ke^{-t/RC} |
| | + | </math> |
| | + | 如果要求初始时刻电容器上电荷为零,即 $Q(0) = 0$,则有 $K = -V_{0}C$,即 |
| | + | <math> |
| | + | Q(t) = V_{0}C(1 - e^{-t/RC}) |
| | + | </math> |
| | + | 相应地,也能得到电容器的稳态电压 $V_{C}(\infty)$ 为 $V_{0}C$,输出电压随时间变化规律为 |
| | + | <math> |
| | + | V_{C}(t) = \frac{Q}{C} = V_{0}(1 - e^{-t/RC}). |
| | + | </math> |
| | + | 其中 $\tau = RC$ 称为时间常数,它决定电容器充电的快慢。 |
| | + | |
| | + | ====势函数的定性视角==== |
| | + | |
| | + | 可以将 (RC-1) 写成势函数的形式: |
| | + | <math> |
| | + | f(Q) = \dot{Q} = \frac{V_{0}}{R} - \frac{Q}{RC} = -\frac{1}{RC} \cdot Q + \frac{V_{0}}{R} |
| | + | </math> |
| | + | 可见其势函数是一个截距为正,斜率为负的直线,有一个稳定不动点 $Q = V_{0}C$。另外,从势函数也可明显的看出上面的结论:当电容初始电量为零时,依照势函数,其电量会一直增长,无限趋于稳定不动点。 |
| | + | |
| | + | ====传递函数的视角==== |
| | + | |
| | + | 将 (RC-2) 两边做拉普拉斯变换,得到 |
| | + | <math> |
| | + | \tilde{V}_{\text{in}}(s) = R \tilde{I}(s) + \frac{1}{Cs} \tilde{I}(s) = R \tilde{I}(s) + \tilde{V}_{C}(s) |
| | + | </math> |
| | + | 整理得到 $\tilde{V}_{C} = (RCs + 1)\tilde{V}_{\text{out}}(s)$,系统的传递函数为 |
| | + | <math> |
| | + | G(s) = \frac{\tilde{V}_{\text{out}}(s)}{\tilde{V}_{C}(s)} = \frac{1}{RCs + 1}, |
| | + | </math> |
| | + | 这是一个典型的一阶惯性环节,电容开始无电量,电压恒定的情况相当于系统的阶跃响应,而一阶惯性系统的阶跃响应总是稳定、无震荡的。其响应值达到稳态值的约 $63.2\%$ 所需时间为时间常数 $\tau$。由控制论的工具出发,还可以分析 RC 电路在不同输入电压(如脉冲、交流电)下的不同响应(输出电压)。 |
| | + | |
| | + | ====频率特性==== |
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| | + | 现在考虑输入为单相交流电的情形。假设输入电压随时间变化为 $V_{\text{in}}(t) = \sin(\omega t)$,其对应的拉普拉斯变换为 $\displaystyle \tilde{V}_{\text{in}}(s) = \frac{\omega}{s^{2} + \omega^{2}}$,由系统的传递函数,可得输出电压的拉普拉斯变换为 |
| | + | <math> |
| | + | \tilde{V}_{\text{out}}(s) = \tilde{V}_{\text{in}}(s) G(s) = \frac{\omega}{s^{2} + \omega^{2}} \cdot \frac{1}{\tau s+ 1} |
| | + | </math> |
| | + | 做拉普拉斯反变换,得到 |
| | + | <math> |
| | + | V_{\text{out}}(t) = \frac{\tau \omega}{1 + \tau^{2}\omega^{2}}e^{-t/\tau} + \frac{1}{\sqrt{ (\omega \tau)^{2} + 1 }} \sin(\omega t - \arctan(\omega \tau)) |
| | + | </math> |
| | + | 称 $a(\omega) = \displaystyle \frac{1}{(\omega \tau)^{2}+1}$ 为系统的幅频特性,$\phi(\omega) = -\arctan(\omega \tau)$ 为其相频特性。可以看到当交流电频率增加时,输出电压的幅度降低:这是一个简单的低通滤波器。 |
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| | ===企业生长模型=== | | ===企业生长模型=== |