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连续函数离散化
1.1 替换法
传递函数是控制系统应用最广泛的模型描述形式, 连续系统为S域的传递函数 G(S),离散系统为Z域的脉冲传递函数 G(Z)。
替换法的基本思想:
对给定的连续系统模型 G(S) ,设法找到S域到Z域的某种映射关系,将S域的变量映射到Z
平面上,由此得到与连续系统 G(S)相对应的离散系统的脉冲传递函数 G(Z)。然后,再由 G(Z)通过Z
反变换得到系统的时域离散模型——差分方程,从而快速求解。
G(S) G(Z) 差分方程
根据Z变换理论,S域到Z域的最基本的映射关系是:
Z eTs 或 s 1 ln Z
T
其中T是采样周期
若直接将这个映射关系代入 G(S)得到 G(Z)将会很复杂, 不便于计算,实际应用中是利用Z变换理论的基本映射关系进行简化处理,得到近似的离散模型。
1.1.1 简单替换法
由幂级数展开式:
x
x2
xn
e
1 x
n!
2!
取近似式: Z eTs 1 Ts
Z 1
或: s
T
用此式代入 G(S)就得到 G(Z),这就是简单替换法,又称 Euler 法。
Y(s) 400
例:二阶连续系统 G (s) U (s) s2 50 s , T 0.001
解:简单替换法 s Z 1 代入 G(s)
T
T
0.001代入
1.1.2
双线性替换法
1
Ts
2( Z
1)
取近似式: Z eTs
2
或 s
1
Ts
T( Z
1)
2
用此式代入 G(S)就得到 G(Z),这就是双线性替换法,又称
Tustin 变换。相当
于数值积分法中的梯形法,有较好的性能。
Y(s) 400
例:二阶连续系统 G (s) U (s) s2 50 s , T 0.001
用双线性替换法建立差分方程。
解:双线性替换: s
2( z
1) 代入 G(s)
T( z
1)
T 0.001代入
1.2 Z 域离散相似法
离散相似法将连续系统模型处理成与之等效的离散模型的一种方法。 设计一个离散系统模型, 使其中的信息流与给定的连续系统中的信息流相似。 或者是根据给定的连续系统数学模型, 通过具体的离散化方法, 构造一个离散化模型, 使之与连续系统等效。
连续系统模型
离散化模型
u(t) 经采样后是离散信号
u (t ) ,加保持器 Gh( s) 后,将离散信号 u (t) 转化
~
(t ) ,并作用于连续系统
~
成连续信号 u
G(S)上输出 y(t ) 。
Y(Z )
离散模型: G (Z ) Gh(S)G (S)
U (Z)
Y(s) 400
例:二阶连续系统 G (s) U (s) s2 50 s , T 0.001
以零阶保持器采用离散相似法求出差分方程
1 e TS
解:零阶保持器 Gh (s)
S
T 0.001代入
G(s)
bm sm
bm 1sm 1
b1 s b0
(n m) 经过 z 变换后可以写成
s
n
an 1s
n 1
a1 s a0
对于 G(s)
400
经过 z 变换
s2
50s
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