1.3. Математический аппарат исследования дискретных систем

Величины, описывающие поведение автоматических систем, представляют собой функции времени. Математическое исследование дискретных систем существенно упрощается в том случае, когда все величины рассматриваются в дискретные равноотстоящие моменты времени.

Решетчатые функции и разностные уравнения. Решетчатая функция времени x[nT], или в сокращенной записи x[n] - это математическая функция, значения которой определены в дискретные равноотстоящие друг от друга моменты времени t = nT, где n - целое положительное число 0, 1, 2 ..., а Т - период дискретности. То есть решетчатая функция представляет собой числовую последовательность:

x[0], x[1T], x[2T], x[3T], ... , x[kT], ... .

Если период дискретности T задан, то решетчатая функция однозначно формируется из исходной непрерывной. Операция замены непрерывной функции решетчатой

(1.2)

показана на рис. 1.3.

Обратная задача - формирование непрерывной функции из решетчатой - не может быть решена однозначно без дополнительных сведений о поведении функции в интервале между точками t = nT, так как функции, заданной в дискретные моменты времени, может соответствовать бесконечное множество непрерывных функций.

Возникает вопрос, при каких условиях возможно точное восстановление квантованной функции. Ответ на него дает теорема Котельникова-Шеннона [5]: непрерывный сигнал x(t), частотный спектр которого ограничен полосой 0 < f < f_п, полностью определяется последовательностью своих дискретных значений, если период повторения Т этих значений удовлетворяет условию

Т < или Т <, (1.3)

где f_п[Гц], _п [с^-1] - частота пропускания.

Рис. 1.3.Временные диаграммы изменения непрерывной функции x(t)

и решетчатой функции x[nT]

Смещенная решетчатая функция времени представляет собой числовую последовательность:

x[T], x[1T+T], x[2T+T], x[3T+T], ... , x[kT+T], ... ,

образованную в результате выборки значений функции x(t) в точках t = nT+T оси времени

, (1.4)

где  - постоянное число из интервала 0    1.

Параметр  рассматривается в качестве относительного (безразмерного) времени, отсчитываемого от начала очередного (n-го) интервала повторения. Его иногда называют локальным (местным) временем.

Смещенная решетчатая функция x[n,] для всех возможных значений  позволяет однозначно восстановить “породившую” ее непрерывную функцию x(t).

Своего рода “дискретными аналогами” производных и интегралов непрерывных функций для решетчатых функций являются конечные разности и суммы.

Конечные разности решетчатых функций бывают двух видов: прямые (упреждающие) и обратные (отстающие).

Первая прямая разность

x[n,]=x[n+1,]x[n,] (1.5)

и первая обратная разность

x[n,]=x[n,]x[n-1,]. (1.6)

Разности произвольного порядка k определяются при помощи рекуррентных соотношений:

^k x[n,] = {^k-1 x[n,]}= ^k-1 x[n+1,]  ^k-1 x[n,], (1.7)

^k x[n,] = {^k-1 x[n,]}= ^k-1 x[n,]  ^k-1 x[n-1,] (1.8)

или формул общего вида

, (1.9)

, (1.10)

где биноминальные коэффициенты (число сочетаний)

. (1.11)

Прямая и обратная разности связаны соотношением

^k x[n,] = ^k x[n-k,]. (1.12)

Соотношения (1.9) и (1.10) показывают, что для вычисления разности k-го порядка в некоторой точке [n,] требуется знать значение функции x[n,] в (k+1)-й точке. Для прямой разности этими значениями являются текущее x[n,] и последующие x[n+1,], x[n+2,], ..., x[n+k,] значения; вычисление обратной разности требует знания предыдущих x[n-1,], x[n-2,], ..., x[n-k,] значений последовательности x[n,].

Обратные разности обладают важной особенностью. Если решетчатая функция определена только для положительных значений аргумента, т.е. x[n,]  0 при n  0, то, как следует из (1.10), в точке n = 0 k-я разность

^k x[0,] = x[0,] (1.13)

для любого целого положительного k.

Аналогами интеграла непрерывной функции в пределах от 0 до t для решетчатой являются неполная сумма

(1.14)

и полная сумма

(1.15)

Отличие (1.15) от (1.14) заключается в том, что значение x[n,] в момент времени t = nT + T также участвует в формировании результата.

Разностные уравнения (уравнения в конечных разностях) связывают между собой решетчатые функции и их конечные разности. При использовании прямых разностей неоднородные линейные разностные уравнения m-го порядка имеют вид [2]

b₀^my[n,] + b₁^m1y[n,] + ... + b_m1y[n,] +b_my[n,] = f[n,], (1.16)

где f[n,] - заданная, а y[n,] - искомая решетчатые функции. При f[n,]  0 уравнение (1.16) становится однородным разностным уравнением, решением которого будет y[n,].

При использовании (1.9) разностное уравнение (1.16) можно записать в другом виде:

a₀y[n+m,] + a₁y[n+m1,] + ... + a_my[n,] = f[n,]. (1.17)

Коэффициенты этого уравнения определяются

, (1.18)

где биноминальные коэффициенты (число сочетаний)

. (1.19)

При использовании обратных разностей неоднородные линейные разностные уравнения m-го порядка будут

b₀^my[n,] + b₁^m1y[n,] + ... + b_m1y[n,] +b_my[n,] = f[n,]. (1.20)

С учетом (1.10) последнее выражение приобретает вид

a₀y[n,] + a₁y[n1,] + ... + a_my[nm,] = f[n,]. (1.21)

Коэффициенты этого уравнения определяются

, (1.22)

где биноминальные коэффициенты (число сочетаний)

. (1.23)

Разностные уравнения можно рассматривать как рекуррентные соотношения, позволяющие вычислять значения y[n+m,] при n = 0, 1, 2, ... для уравнения (1.17) и заданных начальных значений y[0,], y[1,], ..., y[m-1,] или значения y[n,] при n = 0, 1, 2, ... для уравнения (1.21) и заданных начальных значений y[n-m,], y[n-m+1,], ..., y[n-1,].

Решение уравнения (1.21) при  = 0 представляет собой рекуррентную формулу:

, для n=0, 1, 2, ... (1.24)

при нулевых начальных условиях y[n]  0 при n < 0. Структурная схема решения приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4.Структурная схема решения разностного уравнения

Общее решение однородного разностного уравнения при некратных корнях характеристического уравнения может быть записано следующим образом:

y[n,] =, (1.25)

где z_i - корни характеристического уравнения

a₀ z^m + a₁z^m-1 + ... + a_m = 0, (1.26)

C_i - постоянные коэффициенты.

Для получения возможности исследования решений разностных уравнений в общем виде широко используются дискретное преобразование Лапласа, z-преобразование, w-преобразование, а также частотные методы.

Z - преобразование. Подобно тому, как применение преобразования Лапласа к линейным дифференциальным уравнениям дало возможность получить удобную методику анализа непрерывных систем, для дискретных систем также был разработан ряд специальных преобразований. Из них наибольшее распространение получили дискретное пребразование Лапласа, введенное в 1949 г. Я.З.Цыпкиным [18], и z-преобразование, предложенное в конце 40-х годов Штибицем и Шенноном.

Z-пребразованием решетчатой функции x[nT] называется функция комплексного аргумента z, определяемая выражением

(1.27)

при z>R=1/ , где  - радиус сходимости ряда.

Функция x[nT] называется оригиналом, а функция X(z) - изображением или z-пребразованием функции x[nT].

Преобразование, в котором z = e^sT, было введено Я.З.Цыпкиным под названием “дискретное преобразование Лапласа”.

Z-пребразование (1.27) дает возможность получить из X(z) значение ординат решетчатой функции x[nT] в моменты квантования. Но в системах управления с непрерывными динамическими частями процесс непрерывен и между моментами n = 0, 1, 2 ... Для нахождения этих ординат необходимо рассмотреть последовательности для других дискретных моментов с тем же интервалом повторения, но смещенных на значение T: t = (n+)T при 0    1. Это можно делать с помощью модифицированного z-преобразования.

Модифицированное z-преобразование решетчатой функции x[nT+T]:

. (1.28)

Функция X(z,), определяемая выражением (1.28), называется z-преобразованием непрерывной функции времени x(t) и обозначается как

X(z,) = Z_ {x(t)}; (1.29)

z-преобразование функции x(t) можно также представить следующим образом:

X(z,) = Z_ {X(s)}, (1.30)

где X(s) - преобразование Лапласа от x(t). В этом случае подразумевается, что преобразованию подвергается функция времени и запись (1.30) носит чисто формальный характер.

Т а б л и ц а 1. 1

Z- преобразования функций времени

Для нахождения z-изображений решетчатых функций по заданному оригиналу и наоборот имеются специальные таблицы [2, 15, 17], фрагмент такой таблицы приведен выше. Необходимо отметить, что все функции времени, имеющие одинаковые значения в дискретные моменты времени, обладают одинаковыми z-преобразованиями и поэтому связь между функцией времени и ее z-изображением не является взаимно однозначной. Однако, семейство модифицированных z-преобразований решетчатой функции для всех  от 0 до 1 однозначно определяет непрерывную функцию.

Свойства z-преобразования изложены в [2], поэтому ограничимся рассмотрением некоторых из них, которые потребуются в дальнейшем.

1. Свойство линейности. Если F₁(z,)=Z_ {f₁(t)} и F₂(z,)=Z_ {f₂(t)}, то

Z_ {a₁f₁(t) + a₂f₂(t)}= a₁ F₁(z,) + a₂ F₂(z,). (1.31)

2. Теорема сдвига (смещения). Если Z_ {f(t)} = F(z,) и  - произвольное положительное число, тогда

(1.32)

где , m - целая,- дробная часть числаT;

если  = mT, тогда

Z_ {f(tmT)}=z^mF(z,). (1.33)

3. Изображение обратных разностей

Z{^kf[nT]}= (1  z^1)^kF(z). (1.34)

4. Изображение конечных сумм:

полных , (1.35)

неполных . (1.36)

5. Предельные значения. Если дискретные значения функции в установившемся режиме существуют, то они могут быть найдены путем следующего предельного перехода:

, (1.37)

начальное значение функции оригинала:

. (1.38)

6. Свертка функций. Если F₁(z) = Z{f₁(t)} и F₂(z) = Z{f₂(t)}, то

(1.39)

и

(1.40)

7. Формула обращения. Дискретные значения функции по ее z-преобразованию определяют следующим контурным интегралом:

(1.41)

8. Изображение разностных уравнений. Пусть разностное уравнение, связывающее выходную координату y[nT] импульсной системы с ее входным воздействием f[nT], имеет следующий вид:

a₀y[n]+a₁y[n1]+...+a_my[nm] = b₀f[n]+b₁f[n1]+...+b_lf[nl], (1.42)

при m  l и y[n]  0, f[n]  0 для всех n < 0.

Подвергнув исходное уравнение z-преобразованию, получим

a₀Y(z)+a₁ z^1Y(z)+...+a_m z^mY(z) = b₀F(z)+b₁ z^1F(z)+...+b_l z^lF(z),

которое можно переписать в виде

A(z)Y(z)=B(z)F(z), (1.43)

где полиномы

и . (1.44)

Из (1.43) находим изображение выходной координаты

Y(z)=W(z)F(z), (1.45)

где . (1.46)

По аналогии с определением передаточной функции непрерывных систем выражение W(z) называется дискретной передаточной функцией импульсной системы.

Данная запись отличается от передаточной функции для непрерывных систем тем, что переменная z в полиномах имеет отрицательные степени. Для того, чтобы была полная аналогия с передаточными функциями непрерывных систем, степень переменной z делают положительной путем домножения числителя и знаменателя выражения (1.46) на z^m . Тогда получим формулу, которая полностью аналогична записи для непрерывной функции

. (1.47)

Задача получения разностного уравнения по дискретной передаточной функции решается в обратной последовательности.

Пример. Написать разностное уравнение, связывающие выходную координату у[nT] и входное воздействие f[nT] импульсной системы, заданной передаточной функцией

.

Решение. Домножим числитель и знаменатель W(z) на z^2. В результате получим

.

На основании последнего выражения разностное уравнение будет

a₀y[n] + a₁y[n1] + a₂y[n2] = b₁f[n1] + b₂f[n2].

Его решение при нулевых начальных условиях y[n]  0, f[n]  0 для всех n < 0:

y[n] = [1/a₀]{b₁f[n1] + b₂f[n2]  a₁y[n1]  a₂y[n2]}.

Полученному решению соответствует структурная схема, приведенная на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Структурная схема импульсной системы

Комплексный спектр решетчатой функции времени. Комплексный спектр решетчатой функции времени f[n,] представляет собой комплексную функцию вещественного переменного , определяемую следующим выражением:

при  <  <  . (1.48)

Таким образом, для получения комплексного спектра необходимо в изображении решетчатой функции произвести замену z = e^jT, откуда следует, что функция z является периодической функцией  с периодом, равным 2T. По этой причине комплексный спектр решетчатой функции также является периодической функцией  того же самого периода:

(1.49)

и, следовательно, может рассматриваться на любом интервале значений , длина которого равна 2T. В качестве такого интервала принят интервал

(1.50)

Подобно любой комплексной функции спектр (1.48) может быть представлен в показательной или алгебраической форме записи:

F(e^jT,) = А( )e^{j(, )} = U( ) + jV(), (1.51)

где A( ), ( ), U( ), V( ) называются соответственно амплитудным, фазовым, вещественным и мнимым спектрами решетчатой функции f[n,]. При фиксированном значении  спектр (1.51) изображается вектором в плоскости (U, jV); при изменении  от T до T, конец вектора F(e^jT,) прочерчивает некоторую кривую, которая является графическим изображением спектра.