ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.04.2024
Просмотров: 124
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
203
( )
(
) (
)
(
) (
)
(
)
(
) (
)
( )
(
) (
)
(
) (
)
1 1
2 1
1 1
1 2
1 0,1 0,1 0,1 1
1 1
,
2 2
0,1 0, 2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,1 100 .
0,1 0,2 0,1
n
n
n
n
k
k
k
n
n
n
k
n
n
n
n
n
k
n
n
n
k
k
k
−
=
=
=
−
=
−
−
−
µ
= −
=
=
= −
−
−
−
−
−
−
µ
=
= −
−
−
∑
∑
∑
∑
Окончательно общее решение будет равно
( )
( )
( )
(
)
(
) (
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
о н
1 2
1 2
0,2 0, 2 0,1 0, 2 100 2
100 0,1 0, 2 0,1 100 0,1 ,
k
k
k
k
k
k
k
k
k
y k
y k
y k
c
c
k
C
C
k
−
=
+
=
−
+
−
+ −
−
−
−
−
=
−
+
−
−
−
где через
С
1
,
С
2
обозначены новые постоянные, связанные со старыми соотношениями
1 1
2 2
1;
100
C
c
C
c
= +
=
−
Обобщим результаты решений уравнений первого и второго порядка на уравнение произвольного порядка (4.2.2).
Общее решение однородного уравнения берем в виде (4.2.9). Тогда частное решение ищется в форме
( )
( ) ( )
( ) ( )
н
1 1
n
n
y k
k y k
k y k
= µ
+ + µ
. (4.2.27)
Одно из условий, накладываемых на функции
( )
i
k
∆µ
, – это удовле- творение исходного уравнения (4.2.2), а остальные
1
n − условий опреде- ляются уравнениями, аналогичными уравнению (4.2.24):
(
)
( )
(
)
( )
(
)
( )
(
)
( )
(
)
( )
(
)
( )
(
)
( )
(
)
( )
1 1
2 2
1 1
2 2
1 1
1 1
1 0,
2 2
2 0,
1 1
0.
n
n
n
n
n
n
y k
k
y k
k
y k
k
y k
k
y k
k
y k
k
y k n
k
y k n
k
+ ∆µ
+
+ ∆µ
+ +
+ ∆µ
=
+ ∆µ
+
+ ∆µ
+ +
+ ∆µ
=
+ − ∆µ
+ +
+ − ∆µ
=
(4.2.28)
Подставляя решение (4.2.27) в уравнение (4.2.2) и учитывая уравнения
(4.2.28), после соответствующих преобразований будем иметь
204
(
)
( )
(
)
( )
( )
1 1
0
n
n
F k
y k n
k
y k n
k
a
+
∆µ
+ +
+
∆µ
=
. (4.2.29)
Решая систему из
n уравнений (4.2.28) и (4.2.29), находим
0
(
1)
( )
( )
,
(
1)
ni
i
C k
F k
k
a C k
+ ⋅
∆µ
=
+
или
0
( )
(
1)
( )
,
( )
n k
ni
i
C n F n
k
a C n
=
⋅
−
µ
=
∑
(4.2.30) где
С(k) – определитель Касорати, а С
ni
(
k) – алгебраические дополнения
ni-х элементов.
Из условия (4.2.8) следует, что
С(k) отличен от нуля, если y
1
(
k) ÷ y
n
(
k)
– линейно независимые решения однородного уравнения.
Выражения (4.2.30) позволяют получить в явном виде решение
y
н
(
k) по известному
y
о
(
k) для произвольной вынуждающей функции F(k), хотя в некоторых случаях трудно представить в замкнутом виде входящую в формулу (4.2.30) сумму. Метод вариации параметров позволяет находить решение и разностных уравнений с переменными коэффициентами, то есть уравнений, описывающих нестационарные во времени системы.
Завершая этот подраздел, введем понятие передаточной функции дис- кретной во времени системы.
Решим формально уравнение (4.2.3) относительно выхода
y(k):
1 0
1 1
0 1
( )
( )
( )
( ).
( )
m
m
m
n
n
n
b E
b E
b
B E
y k
r k
r k
A E
a E
a E
a
−
−
+
+ +
=
=
+
+ +
(4.2.31)
Идентифицируем оператор
Е с некоторой независимой переменной z.
Тогда характеристикой системы, описываемой уравнением (4.2.3), будет отношение полиномов
B(z)к A(z):
( )
( )
( )
B z
W z
A z
=
(4.2.32)
Последнее соотношение и определяет формально передаточную функцию дискретной системы (другие названия – «импульсная переда-
205 точная функция», «дискретная передаточная функция»). Более строго импульсная передаточная функция будет определена чуть дальше с ис- пользованием
z-преобразования.
1 ... 19 20 21 22 23 24 25 26 ... 35
4.3 Методы преобразований
4.3.1. Дискретное преобразование Лапласа
Для исследования непрерывных систем широко применяется преобра- зование Лапласа. Но непосредственное применение преобразования
Лапласа к разностному уравнению и, в частности, к любой решетчатой функции (
)
f kT тождественно дает нуль, так как площадь этой функции
(или в физической интерпретации – энергия такого сигнала) равна нулю.
Чтобы выйти из этого затруднительного положения, придадим функции
(
)
f kT
площадь, равную значению этой функции. Проще всего это сде- лать, умножив значение функции в точке
t kT
=
на дельта-функцию, принимающую бесконечное значение в этой же точке. Проделав такую операцию для всех
k, при которых определена функция f, получим им- пульсную функцию
( ) (
)
*
( )
k
f t
f kT
t kT
∞
=−∞
=
δ −
∑
, (4.3.1) представляющую собой последовательность «идеальных» импульсов с бесконечной амплитудой и бесконечно малой длительностью, причем каждый импульс имеет площадь, равную значению функции
(
)
f kT .
Точно такую же импульсную функцию можно получить и из непрерыв- ной функции ( )
f t , применив к ней формулу (4.3.1)
*
( )
( ) (
)
( )
(
)
( ) ( )
T
k
k
f t
f t
t kT
f t
t kT
f t
t
∞
∞
=−∞
=−∞
=
δ −
=
δ −
=
δ
∑
∑
, (4.3.2) где через
( )
T
t
δ
обозначена соответствующая сумма δ-функций.
Воспользовавшись выражением (4.3.2) можно дать одно из понятий дискретного преобразования Лапласа, наиболее удобное с инженерных позиций. Определим дискретное преобразование Лапласа функции
( )
f t
206 как преобразование Лапласа от импульсной функции
f
*
(
t), соответствую- щей непрерывной функции
( )
f t
:
{
}
{
}
*
*
*
( )
( )
( ) .
F s
L f t
L f t
=
=
(4.3.3)
Преимущество такого определения состоит в том, что эта новая опе- рация полностью выражается через уже знакомую и хорошо изученную операцию обычного преобразования Лапласа.
Согласно (4.3.3) и с учетом (4.3.2) имеем
{
}
(
)
*
*
*
0 0
0
( )
( )
( )
(
)
st
st
k
F s
L f t
e f t dt
e
f kT
t kT dt
∞
∞
∞
−
−
=
=
=
=
δ −
∑
∫
∫
Поменяв в правой части последнего выражения порядок интегрирова- ния и суммирования, получим
*
0 0
0
( )
(
)
(
)
(
)
st
skT
k
k
F s
f kT e
t kT dt
f kT e
∞
∞
∞
−
−
=
=
=
δ −
=
∑
∑
∫
. (4.3.4)
В формуле (4.3.4) отсутствует δ-функция, и она может быть использо- вана непосредственно для решетчатой функции.
Нетрудно получить альтернативную формулу для вычисления дис- кретного преобразования Лапласа функции
( )
f t
по ее обычному преоб- разованию Лапласа.
Опять воспользуемся выражениями (4.3.2) и (4.3.3).
Имеем
{
}
{
}
*
*
( )
( )
( ) ( ) .
T
F s
L f t
L f t
t
=
=
δ
Для вычисления правой части последнего выражения используем тео- рему свертки в области изображений (см. формулу (3.3.22)), учитывая, что
{
}
0 0
0
( )
(
)
st
skT
T
k
k
L
t
e
t kT dt
e
∞
∞
∞
−
−
=
=
δ
=
δ −
=
∑
∑
∫
207
Ряд в правой части последнего выражения сходится при
1
sT
e
−
< ,т.е. при Re
0
s > и его сумма равна 1 1
sT
e
−
−
(сумма геометрической про- грессии).
Таким образом, получим
{
}
*
(
)
1 1
( )
( ) ( )
( )
2 1
c j
T
T s
c j
F s
L f t
t
F
d
j
e
+ ∞
−
−ξ
− ∞
=
δ
=
ξ
ξ
π
−
∫
. (4.3.5)
При записи выражения (4.3.5) использована формула (3.3.22), причем в качестве функций
F
1
(
s), F
2
(
s) взяты соответственно 1 1
sT
e
−
−
и
F(s), а величина
с удовлетворяет соотношениям (3.3.23) и (3.3.24), следователь- но, все полюсы функции
F(s) лежат левее линии интегрирования. Абс- цисса абсолютной сходимости функции
( )
T
t
δ
, представляющей сумму
δ- функций, как известно, равна нулю, следовательно, для сходимости инте- грала (4.3.5) требуется, чтобы Re
s c
> . Из выражения (4.3.5) следует, что дискретное преобразование Лапласа существует для всех функций, для которых существует и обычное преобразование Лапласа.
Вычислить интеграл (4.3.5) можно, воспользовавшись теоремой о выче- тах (теорема Коши), как сумму вычетов подынтегрального выражения в его полюсах, расположенных внутри контура интегрирования, который не должен иметь на себе особенностей подынтегрального выражения. Для этого необходимо замкнуть путь интегрирования. Это можно сделать, до- бавив к пути интегрирования бесконечно большую полуокружность либо в левой полуплоскости (
)
R → −∞ , либо в правой (
)
R → +∞ , как показано на рис. 4.1. При этом получим замкнутый контур Г
1
, либо Г
2
Рис. 4.1. Контур интегрирования при вычислении интеграла (4.3.5)
c j
− ∞
c j
+ ∞
Г
2
Г
1
208
В первом случае (контур Г
1
) имеем в полюсах
*
(
)
(
)
1 1
в полюсах вычеты ( )
( )
( )
вычеты
,
1 1
i
i
i
n
n
T s
T s
i
i
F
F
F s
e
e
ξ=ξ
−
−ξ
−
−ξ
=
=
ξ=ξ
ξ
ξ
=
=
−
−
∑
∑
(4.3.6) где
ξ
i
– полюсы функции
F(s), так как внутри контура Г
1
расположены только они.
Во втором случае получим выражение
*
(
)
в полюсах
1
( )
( ) вычеты
1
k
n
k
T s
k
F s
F
e
−
−ξ
=−∞
ξ=ξ
= −
ξ
−
∑
, (4.3.7) где
ξ
к
– полюсы функции
(
)
1 1
T s
e
−
−ξ
−
, а знак «минус» возникает потому, что интегрирование по контуру Г
2
осуществляется по часовой стрелке.
Полюсы
ξ
к
в формуле (4.3.7) определяются уравнением
(
)
1 0,
T s
e
−
−ξ
−
= откуда находим
2
k
s j
k
T
π
ξ = +
, (
k=0, ±1, ±2, …).
Эти полюсы простые и, с учетом того, что Re
s c
> , находятся дей- ствительно внутри контура Г
2
Вычет в простом полюсе
ξ
к
находится по известной формуле
(
)
(
)
(
)
в полюсах
1 1
1
вычет
1 1
k
k
T s
T s
d
T
e
e
d
−
−ξ
−
−ξ
ξ=ξ
ξ=ξ
=
= −
−
−
ξ
. (4.3.8)
Подставляя выражение (4.3.8) в (4.3.7) получим
*
1
( )
(
)
s
k
F s
F s j k
T
∞
=−∞
=
+ ω
∑
, (4.3.9)
209 где
2
s
T
ω = π – круговая частота отсчетов времени t kT
=
Чтобы пользоваться формулами (4.3.6) и (4.3.9) необходимо убедить- ся в равенстве нулю интеграла по бесконечно большому радиусу в левой или правой полуплоскости от подынтегрального выражения (4.3.5).
Формулы (4.3.4) и (4.3.9) дают дискретное преобразование Лапласа в незамкнутой форме, а формула (4.3.6) – в замкнутой, что и определяет удобство пользования последней. Из свойств дискретного преобразова- ния Лапласа полезно упомянуть свойство периодичности функции
F
*
(
s).
Действительно, периодом такой функции будет
jω
s
. Это нетрудно пока- зать, например, используя формулу (4.3.9). Подставим вместо
s величину
s+jnω
s
в выражение (4.3.9), где
n – целое число:
*
*
1 1
(
)
(
)
(
(
))
1
(
)
( ),
s
s
s
s
k
k
s
m
F s jn
F s j k j n
F s j
k n
T
T
F s j m
F s
T
∞
∞
=−∞
=−∞
∞
=−∞
+ ω =
+ ω + ω
=
+ ω
+
=
=
+ ω
=
∑
∑
∑
где
m=k+n.
Этот же результат можно получить и из формулы (4.3.4):
(
)
*
2 0
0
*
0
(
)
(
)
(
)
(
)
( ),
s
s j n kT
skT
j
nk
s
k
k
skT
k
F s jn
f kT e
f kT e
e
f kT e
F s
∞
∞
− + ω
−
−
π
=
=
∞
−
=
+ ω =
=
=
=
=
∑
∑
∑
так как
2
s
T
ω = π , а экспонента в степени 2 jm
− π , где m kn
=
– целое число, равна единице.
4.3.2. z-преобразование
Определение z-преобразования.
Дискретное преобразование Лапласа обладает одним недостатком, который существенно ограничивает его применение для исследования дискретных во времени систем, именно: наличие экспоненты в степени переменной
s (это явно заложено в фор- мулах (4.3.4) и (4.3.6) и неявно – в формуле (4.3.9)). То есть дискретное преобразование Лапласа не является дробно-рациональной функцией
s, а появление множителя
Ts
e
−
может привести к большим трудностям в вы-
210 числении обратного преобразования Лапласа. Желательно было бы пре- образовать
F
*
(
s) к такой форме, чтобы это стало дробно-рациональным выражением относительно некоторой новой переменной. Выбор такой переменной очевиден: это
1
или ln
Ts
z e
s
z
T
=
=
. (4.3.10)
Из формул (4.3.10) видно, что
z – это комплексная переменная, дей- ствительная и мнимая часть которой определяется как
Re cos
,
Im sin
,
T
T
z e
T
z e
T
σ
σ
=
ω
=
ω
где
s
j
= σ + ω .
Таким образом,
z-преобразование некоторой непрерывной функции
f(t) можно определить как ее дискретное преобразование Лапласа после замены (4.3.10):
{
}
{
}
*
*
1 1
ln ln
( )
( )
( )
( )
s
z
s
z
T
T
F z
Z f t
F s
L f t
=
=
=
=
=
. (4.3.11)
Из определения (4.3.11) следует, что
z-преобразование существует для любой функции, имеющей преобразование Лапласа.
Для вычисления
z-преобразования можно применить формулы (4.3.4),
(4.3.6) и (4.3.9), из которых после замены переменной (4.3.10) получают- ся соответственно
0
( )
(
)
,
k
k
F z
f kT z
∞
−
=
=
∑
(4.3.12) в полюсах
1 1
вычеты ( )
( )
,
1
i
i
n
T
i
F
F z
z
e
ξ=ξ
ξ
−
=
ξ
=
−
⋅
∑
(4.3.13)
1
ln
1
( )
(
)
s
k
s
z
T
F z
F s j k
T
∞
=−∞
=
=
+ ω
∑
(4.3.14)