时域与频域都是啥？这里有详细解答（二）
傅立叶定理
在过程对象的Bode图中表现出来的增益系数和相位滞后值，反映了系统的非常确定的特征，对于一个有丰富经验的控制工程师而言，该图谱将其需要知道的、有关过程对象的一切特性都准确无误的告诉了他。由此，控制工程师运用此工具，不仅可以预测“系统未来对于正弦波的控制作用所产生的系统响应”，而且能够知道“系统对任何控制作用所产生的系统响应”。
傅立叶定理使得以上的分析成为可能，该定理表明任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。数学家傅立叶在1822年证明了这个著名的定理，并创造了为大家熟知的、被称之为傅立叶变换的算法，该算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算不同正弦波信号的频率、振幅和相位。
从理论上说，傅立叶变换和Bode图可以结合在一起使用，用以预测当线性过程对象受到控制作用的时序影响时产生的反应。详见以下：
1）利用傅立叶变换这一数学方法，把提供给过程对象的控制作用，从理论上分解为不同的正弦波的信号组成或者频谱。
2）利用Bode图可以判断出，每种正弦波信号在经由过程对象时发生了那些变化。换言之，在该图上可以找到正弦波在每种频率下的振幅和相位的改变。
3）反之，利用反傅立叶变换这一方法，又可以将每个单独改变的正弦波信号转换成一个信号。
既然反傅立叶变换从本质上说，也是一种累加处理，那么过程对象的线性特征将会确保－“在第一步中计算得到的各种理论正弦波”所产生单独作用的集合，应该等效于“各不同正弦波的累加集合”共同产生的作用。因此，在第三步计算得到的总信号，将可以代表“当所提供的控制作用输入到过程对象时，过程对象的实际值”。
请注意，在以上这些步骤中，没有哪个点不是由画在图上的控制器产生的单独正弦波构成。所有这些频域方面的分析技术都是概念性的。这是一种方便的数学方法，运用傅立叶变换（或者紧密相关的拉普拉斯变换），将时域信号转换为频域信号，然后再用Bode图或其他一些频域分析工具来解决手头的一些问题，最后再用反傅立叶变换将频域信号转换为时域信号。
绝大多数可用此方法解决的控制设计问题，也可以在时域内通过直接的操控来解决，但是对于计算而言，利用频域的方法通常更简单一些。在上例中，就是用乘法和减法来计算过程实际值的频谱，而该过程实际值是通过对给定的控制作用进行傅立叶变换，尔后又对照Bode图分析而得到的。
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三个正弦波
将所有的正弦波进行正确的累加，就会产生如傅立叶变换所预示的那类形状的信号。当有时这一现象并不直观，举个例子可能有助于理解。
请再次想想上面那个例子中小孩的重物－弹簧玩具，操场上的跷跷板，以及位于外部海洋上的船。设想这艘船以频率为w和幅度为A的正弦波形式在海面上起起落落，我们同时再假设跷跷板也以频率为3w和幅度为A/3的正弦波形式在振荡，并且小孩以频率为5w和幅度为A/5的正弦波形式在摇动玩具。‘三张单独的正弦波波形图’已经显示出，如果我们将三个不同的正弦波运动进行分别观察的话，每个正弦波运动将会体现出的形式。
波的叠加
现在假设小孩坐在跷跷板上，而跷跷板又依次固定在轮船的甲板上。如果这三者单独的正弦波运动又恰巧排列正确的话，那么，玩具所表现出的总体运动就大约是一个方波－如图4：三者合成的正弦波显示的那样。
以上并非一个非常确切的实际例子，但是却明白无误的说明：基本频率正弦波、振幅为三分之一的三倍频率谐波、以及振幅为五分之一的五倍频率谐波，它们波形的相加总和大约等于频率为w、振幅为A的方波。甚至如果再加上振幅为七分之一的七倍频率谐波、以及振幅为九分之一的九倍频率谐波时，总波形会更像方波。其实，傅立叶定理早已说明，当不同频率的正弦波以无穷级数的方式无限累加时，那么由此产生的总叠加信号就是一个严格意义上的、幅度为A的方波。傅立叶定理也可以用来将非周期信号分解成正弦波信号的无限叠加。
通过求解微分方程分析时域性能是十分有用的，但对于比较复杂的系统这种办法就比较麻烦。因为微分方程的求解计算工作量将随着微分方程阶数的增加而增大。另外，当方程已经求解而系统的响应不能满足技术要求时，也不容易确定应该如何调整系统来获得预期结果。从工程角度来看，希望找出一种方法，使之不必求解微分方程就可以预示出系统的性能。同时，又能指出如何调整系统性能技术指标。频域分析法具有上述特点，是研究控制系统的一种经典方法，是在频域内应用图解分析法评价系统性能的一种工程方法。该方法是以输入信号的频率为变量，对系统的性能在频率域内进行研究的一种方法。频率特性可以由微分方程或传递函数求得，还可以用实验方法测定。频域分析法不必直接求解系统的微分方程，而是间接地揭示系统的时域性能，它能方便的显示出系统参数对系统性能的影响，并可以进一步指明如何设计校正。这种分析法有利于系统设计，能够估计到影响系统性能的频率范围。特别地，当系统中存在难以用数学模型描述的某些元部件时，可用实验方法求出系统的频率特性，从而对系统和元件进行准确而有效的分析。
信号频域分析
是采用傅立叶变换将时域信号x（t）变换为频域信号X（f），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。信号频谱X（f）代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。
1822年，法国数学家傅里叶（J.Fourier，1768-1830）在研究热传导理论时发表了“热的分析理论”，提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理，奠定了傅里叶级数的理论基础。
泊松（Poisson）、高斯（Guass）等人把这一成果应用到电学中去，得到广泛应用。
19世纪末，人们制造出用于工程实际的电容器。
进入20世纪以后，谐振电路、滤波器、正弦振荡器等一系列具体问题的解决为正弦函数与傅里叶分析的进一步应用开辟了广阔的前景。
在通信与控制系统的理论研究和工程实际应用中，傅里叶变换法具有很多的优点。
“FFT”快速傅里叶变换为傅里叶分析法赋予了新的生命力。
频域分析是以输入信号的频率为变量，在频率域，研究系统的结构参数与性能的关系， 揭示了信号内在的频率特性以及信号时间特性与其频率特性之间的密切关系，从而导出了信号的频谱、带宽以及滤波、调制和频分复用等重要概念。
频域分析的优点
频域分析具有明显的优点：无需求解微分方程，图解（频率特性图）法，间接揭示系统性能并指明改进性能的方向和易于实验分析。可推广应用于某些非线性系统（如含有延迟环节的系统）以及可方便设计出能有效抑制噪声的系统。
频域分析法包括分析系统的
1、频率响应，它指系统对正弦输入信号的稳态响应。
2、频率特性，它指系统在不同频率的正弦信号输入时，其稳态输出随频率而变化（ω由0变到∞）的特性。
3、幅频特性与相频特性一起构成系统的频率特性。
4、幅频特性，它指的是当ω由0到∞变化时，|G（jω）|的变化特性，记为A（ω）。
5、相频特性， 它指的是当ω由0到∞变化时，∠G（jω）的变化特性称为相频特性，记为?（ω）。
