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工程应用狄拉克δ函数的模型问题 精选

已有 12747 次阅读 2015-6-19 07:40 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 数学模型, 工程应用, 近似计算, 狄拉克函数

人们经常应用狄拉克δ函数,作为瞬间冲击的数学模型,来简化近似计算。例如在电路中,对脉冲电源或电击后,估算此后系统过渡过程的状态。

有人认为:在那电路中,把δ函数当作为脉冲源的数学模型,并不适当,因为高频下电感是决定性的,以上篇《狄拉克δ函数应用的迷思中,清华大学的电路原理课的那道题为例(见下图),在这理想电源的供电瞬间,与电容串联的感抗是无穷大。具体来说,管脚电感10nH, 如果实际脉冲上升时间做到0.1ns,电容的管脚感抗和并联的电阻有得一比。导致电阻的分流在极限下不可知。这道题就变得没有意义了。

这提问很好,实际上是考虑在工程应用中,怎样建立数学模型和计算的问题,以及抽象模型的适用范围。这值得写篇文章与大家讨论分享。

在工程应用的计算中,我们必须根据应用的情形,将实际的物理装置抽象成简单的数学模型,在这个抽象中,必须忽略一些对结果影响微小的部分。建立好模型后,则是对这模型的数学计算问题。清华的这道题,已是模型化后电路图的计算问题。所以在计算中不必再考虑那些被略去的因素。

当然,质疑的人实际上想说:这样用δ函数表示脉冲电源的电路,能够忽略现实中分布在元件周围的杂散电感吗?

也许可以,也许不能。这只取决于实际的电路是工作在极高频还是其他情况。在不容忽略时,电路模型上必须加上电感存在的元件。具体来说,这工作应该在电源抽象成δ函数之前考虑和完成的。在建立电路模型时,要先对现实中的脉冲电源,考虑其高频分量对线路影响的程度,来决定这抽象的电路系统是否要包括杂散电感等因素。然后也许进一步抽象,把这现实中电源的脉冲函数当作δ函数来简化计算。所以电源是不是表示为δ函数,与模型中是否忽略其他物理因素无关。

实际上的脉冲电源都是电流数值有界的、供电区间很短的时间函数,并非所有这类电源,杂散电感都到了不容忽略的程度。如何处理,则依赖于工程经验和估算分析。常见应用于脉冲电源的电子电路图,无论是分立元件板还是ICSpec上的电路图,通常都不含有这类在它应用范围可忽略的电感。

极窄幅的脉冲电源,可能高频分量较大,而宽幅则用δ函数的近似计算有较大的误差。所以作为抽象模型,要了解在这之间,有否能忽略杂散电感,且能以δ函数近似计算的适用情况?

先看窄幅的脉冲电源,考虑不利的情形,在上图电容支路串联有10nH的管脚电感,对0.001ms脉冲电源,以1%脉冲宽度来上升,在这10ns上升时间里,对应于100MHh高频的10nH感抗小于10欧姆,不到例中与之并联的电阻的百分之一,而后绝大多数的供电区间里它都没有影响。感抗与频率成正比,与h成反比。在这冲击后的状态计算中,误差是由供电区间电阻分流的电量来决定的,所以这感抗对状态误差的贡献比这1%还小得多。这说明对大于这时宽h的情况,都可以忽略管脚电感的影响。如果工作在更高频,这些电感不容忽略时,就需要在电路图中加上它们。

再估算用δ函数来近似计算的误差。以上图的电路为例,假定矩形脉冲电源的供电区间为h,当h很小时,在供电区间电阻上分流的电量比率是h/(2RC),代入RC的数值,当h小于10ms时,各种状态量的误差都小于0.5%,误差与h成线性关系,时宽h越小,误差也越小。

大致地说,在脉冲时宽在10ms0.001ms的脉冲电源电路中,上图都是个很好的估算模型,如允许误差为5%,适用范围还可放大两个数量级。当然这个误差的计算与具体的电路有关,这里只是说明,它确有很好应用的场合。

仍然还有的疑问是,“一般来说,越接近理想(即瞬时的无穷窄脉冲)近似应该越精确,但这里实际上越接近理想,本来可以忽略不计的杂散电感变得越重要,近似越不精确,需要加限制,这和一般的近似是有本质差别。”

这看法是混淆了,用δ函数来简化计算实际的脉冲函数,与如何实现最接近δ函数性质的电源问题。对于作为计算模型的电路图,其脉冲电源的时宽已是确定的,所以能否忽略杂散电感的影响也是确定的,无论模型化的图中是否含有杂散电感的成分,用δ函数来替代具体的脉冲函数计算,都是对相应的模型进行数学近似计算而已,其脉冲时宽越小,近似计算也都是越精确的。在这里并无上述的矛盾。略去杂散电感在极高频时的误差是电路抽象化的考量,与用δ函数来简化计算无关。

最后一个疑问,电路图中的电源,加一个开关来表示短时的供电,不是比δ函数更简单明了吗?

是的。这可以是表示矩形脉冲电源的数学模型。在计算时可再选用δ函数作近似计算。因为δ函数比矩形脉冲电源更抽象,还可以包含其他波形的脉冲电源。但有具体波形的电源具有更多的信息,可以更精确的计算及计算充电时的过渡过程。付出的代价是计算的麻烦。到底数学模型要抽象到什么程度,取决于应用上的需求。



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