數位控制

Z-Transform

x(k)
x(t)
的離散時間,則
x(k)
的單邊 Z-Transform 為

(1)x(z)=Z{x(k)}=k=0x(k)zk,

  1. Z-Transform 是離散時間的函數做 Laplace transform 後,再做變數變換
    Z=esT
    得到的
  2. Zk
    屬於時間延遲 (
    Z=esT
    中的 T 是取樣週期)

特性

  • 離散時間函數乘上

    ak ( k 想像成是 t )
    假如
    Z{x(k)}=x(z)
    ,則
    (2)Z{akx(k)}=x(a1z),

  • 平移定理 (Shifting theorem)

    (3)Z{x(kn)}=znx(z),
    (4)Z{x(k+n)}=zn[x(z)k=0n1x(k)],

  • 初值定理

    (5)x(0)=limzx(z),

  • 終值定理

    (6)limkx(k)=limz1(1z1)x(z),=limz1(z1)x(z),


Inverse Z-Transform

有三種方法

冪級數法 (Power series)

降冪形式做長除法,得到的級數可以對應到

k=0x(k)zk ,級數的係數即為
x(0),x(1),x(2)...

部分分式展開法

先將分式做部分分式展開,再對每個簡單的分式 inverse z-transform 。展開前記得要先將分式除以

z ,之後再乘回去
eg.
E(z)=0.1z(z+1)(z1)2(z0.6)
,求
E(z)
之 inverse z-transform

E(z)z=1z0.61z1+0.5(z1)2E(z)=1z1+1z2soe(k)=Z1{E(z)}=1k1+2k1

注意
若欲 inverse z-transform 的分式具有共軛複數之極點在

z=P,P ,則將該分式無條件展開成
KzP+KzP
or
KzzP+KzzP
的型式 (分子有沒有
z
取決於對象分式的分子有無
z
)
Ex:
Given
E(z)=3.894zz2+0.6065
, find
e(k)
.

E(z)=3.894z(zj0.7788)(z+j0.7788)=Kz(zj0.7788)+Kz(z+j0.7788)thenK=zj0.7788zE(z)|z=j0.7788=2.5j=2.5εjπ2P=j0.7788=0.7788εjπ2soE(z)=2.5(zεjπ2z0.78εjπ2+zεjπ2z0.78εjπ2)e(k)=Z1{E(z)}=2.5[εjπ2(0.78εjπ2)k+εjπ2(0.78εjπ2)k]=5(0.78)k(εj(π2+kπ2)+εj(π2+kπ2)2)=5(0.78)kcos(π2+kπ2)=5(0.78)ksin(kπ2)

Inversion-formula method (利用餘數定理)

不要用,在

s=0 會錯

eg.E(z)=z(z1)2,e(k)=?

for multiple poles at

z=a
(residue)z=a=1(m1)!dm1dzm1[(za)mE(z)zk1]|z=a

E(z)zk1=zk(z1)2e(k)=(residue)z=1=1(21)!d21dz21[(z1)2zk(z1)2]|z=1=ddzzk|z=1=k

狀態方程式 State equation 的 Z-Transform

求 Transfer function

給一 State equation 如下:

x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)     (1)y(k)=Cx(k)+Du(k)     (2)

  • 對 (1) 做 z-transform ,假設

    x(0)=0
    zx(z)zx(0)=Ax(z)+Bu(z)(zIA)x(z)=Bu(z)x(z)=(zIA)1Bu(z)

  • 對 (2) 做 z-transform

    y(z)=Cx(z)+Du(z)

  • G(z)=Y(z)U(z)=C[zIA]1B+D

State equation 的解

x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)     (1)y(k)=Cx(k)+Du(k)     (2)

  • 遞迴解法

    x(1)=Ax(0)+Bu(0)x(2)=Ax(1)+Bu(1)=A2x(0)+ABu(0)+Bu(1)x(3)=A3x(0)+A2Bu(0)+ABu(1)+Bu(2)

  • z-transform 解法

define the fundamental matrix

Φ=Akx(k)=Φ(k)x(0)+j=0k1Φ(k1j)Bu(j)y(k)=CΦ(k)x(0)+Cj=0k1Φ(k1j)Bu(j)+Du(k)

eg.A=[0123],Φ(k)=?

zIA=[z12z+3],det(zIA)=(z+2)(z+1)z(zIA)1=[2zz+1+zz+2zz+1+3z+22zz+1+2zz+2zz+1+2zz+2]=zΦ(k)Φ(k)=z1z(zIA)1=[2(1)k(2)k(1)k(2)k2(1)k+(2)k((1)k+2(2)k)]