Файл: Microcontroller based applied digital control (D. Ibrahim, 2006).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.06.2025
Просмотров: 3300
Скачиваний: 1
150 SAMPLED DATA SYSTEMS AND THE Z-TRANSFORM
Case I: Distinct real roots. When Y (z) has distinct real roots in the form
Y (z) = |
N (z) |
, |
||||||||
(z − p1)(z − p2)(z − p3) . . . (z − pn ) |
||||||||||
then the partial fraction expansion can be written as |
||||||||||
Y (z) = |
A1 |
+ |
A2 |
+ |
A3 |
+ . . . + |
An |
|||
z − p1 |
z − p2 |
z − p3 |
z − pn |
|||||||
and the coefficients Ai can easily be found as |
||||||||||
Ai = (z − pi ) Y (z)|z= pi |
for i = 1,2,3, . . . , n. |
|||||||||
Example 6.10
Using the partial expansion method described above, find the inverse z-transform of
Y (z) = |
z |
. |
||||
(z |
− |
1)(z |
− |
2) |
||
Solution
Rewriting the function as |
|||||||||||||||||||||
Y (z) |
= |
A |
+ |
B |
, |
||||||||||||||||
z |
z |
− |
1 |
z |
− |
2 |
|||||||||||||||
we find that |
|||||||||||||||||||||
A |
= |
(z |
− |
1) |
1 |
||||||||||||||||
(z |
1)(z |
2) |
1 |
||||||||||||||||||
− |
− |
z |
|||||||||||||||||||
= |
|||||||||||||||||||||
1 |
|||||||||||||||||||||
B |
= |
(z |
− |
2) |
|||||||||||||||||
(z |
1)(z |
2) |
2 |
||||||||||||||||||
− |
− |
z |
|||||||||||||||||||
= |
|||||||||||||||||||||
Thus, |
|||||||||||||||||||||
Y (z) = |
z |
+ |
z |
||||||||||||||||||
z |
− |
1 |
z |
− |
2 |
||||||||||||||||
and the inverse z-transform is obtained from the tables as y(nT ) = −1 + 2n ,
which is the same answer as in Example 6.7.
=−1,
=1.
Example 6.11
Using the partial expansion method described above, find the inverse z-transform of
Y (z) |
= |
− |
z2 + z |
− |
. |
|||
(z |
0.5)(z |
− |
0.8)(z |
1) |
||||
THE z-TRANSFORM |
151 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Solution |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rewriting the function as |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) |
= |
A |
+ |
B |
+ |
C |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
z |
− |
0.5 |
z |
− |
0.8 |
z |
− |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
we find that |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A |
= |
(z |
− |
0.5) |
z + 1 |
= |
10, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(z |
1) |
0.5 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
− |
0.5)(z |
− |
0.8)(z |
− |
z |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
+ |
1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
B |
= |
(z |
− |
0.8) |
(z |
0.5)(z |
0.8)(z |
1) |
0.8 |
= − |
30, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
− |
− |
− |
z |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
C |
= |
(z |
− |
1) |
z |
+ |
1 |
= |
20. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(z |
0.5)(z |
0.8)(z |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
− |
− |
− |
1) z |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Thus, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) = |
10z |
− |
30z |
+ |
20z |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
− |
0.5 |
z |
− |
0.8 |
z |
− |
1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The inverse transform is found from the tables as |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(nT ) = 10(0.5)n − 30(0.8)n + 20 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The coefficients of the power series are |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(0) |
= |
0 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(T ) |
= |
1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(2T ) = 3.3 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(3T ) = 5.89 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
. . . |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and the required sequence is |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(t) = δ(t − T ) + 3.3δ(t − 2T ) + 5.89δ(t − 3T ) + . . . . |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Case II: Multiple order roots. When Y (z) has multiple order roots of the form |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) = |
N (z) |
, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(z − p1)(z − p1)2(z − p1)3 . . . (z − p1)r |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
then the partial fraction expansion can be written as |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) = |
λ1 |
+ |
λ2 |
+ |
λ3 |
+ |
. . . + |
λr |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z − p1 |
(z − p2)2 |
(z − p1)3 |
(z − p1)r |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and the coefficients λi can easily be found as
λr−k |
1 |
dk |
. |
(6.29) |
|||||||
= k! dz |
[(z |
− |
pi ) (X(z)/z)] |
z |
= |
pi |
|||||
152 |
SAMPLED DATA SYSTEMS AND THE Z-TRANSFORM |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Example 6.12 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Using (6.29), find the inverse z-transform of |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) |
= |
+ |
z2 + 3z − 2 |
− |
2)2 |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(z |
5)(z |
− |
0.8)(z |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Solution |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rewriting the function as |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) |
z2 + 3z − 2 |
A |
B |
C |
D |
E |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
= z(z |
+ |
5)(z |
− |
0.8)(z |
− |
2)2 |
= z |
+ z |
+ |
5 |
+ z |
− |
0.8 |
+ |
(z |
− |
2) |
+ (z |
− |
2)2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
we obtain |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A |
= |
z |
z(z |
z2 + 3z − 2 |
2) |
2 |
0 |
= |
5 |
( |
−2 |
4 |
= |
0.125, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
+ |
5)(z |
− |
0.8)(z |
− |
z |
× |
− |
0.8) |
× |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
B |
= |
(z |
+ |
5) |
z2 + 3z − 2 |
= |
8 |
= |
0.0056, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z(z |
+ |
5)(z |
− |
0.8)(z |
− |
2) |
z |
=− |
5 |
− |
5 |
× |
( |
− |
5.8) |
× |
49 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
C |
= |
(z |
− |
0.8) |
z |
2 |
+ 3z − 2 |
= |
1.04 |
= |
0.16, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z(z |
2) |
2 |
0.8 |
0.8 |
5.8 |
1.14 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
+ |
5)(z |
− |
0.8)(z |
− |
z |
× |
× |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
E |
= |
(z |
− |
2)2 |
z2 + 3z − 2 |
= |
8 |
= |
0.48, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z(z |
+ |
5)(z |
− |
0.8)(z |
− |
2) |
z |
= |
2 |
2 |
× |
7 |
× |
1.2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
D |
= |
d |
z2 + 3z − 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dz |
z(z |
5)(z |
0.8) |
2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
+ |
− |
z |
= |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
+ − |
+ |
− |
2 |
2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
+ |
0.29. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= |
3 |
4.2z |
2 |
4z) |
2 |
+ 8.4z − |
4) |
= − |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z(z |
5)(z |
0.8(2z |
3) |
(z |
− |
3z |
− 2)(3z |
z |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
+ |
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
We can now write Y (z) as |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) = 0.125 + |
0.0056z |
+ |
0.016z |
− |
0.29z |
+ |
0.48z |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
+ |
5 |
z |
− |
0.8 |
(z |
− |
2) |
(z |
− |
2)2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The inverse transform is found from the tables as
y(nT ) = 0.125a + 0.0056(−5)n + 0.016(0.8)n − 0.29(2)n + 0.24n(2)n ,
where
a = |
0, |
n = |
0. |
1, |
n |
0, |
=
Method 3: Inversion formula method. The inverse z-transform can be obtained using the inversion integral, defined by
y(nT ) = |
2π j |
Y (z)zn−1dz. |
(6.30) |
|
1 |
||||
r
PULSE TRANSFER FUNCTION AND MANIPULATION OF BLOCK DIAGRAMS |
153 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Using the theorem of residues, the above integral can be evaluated via the expression |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(nT ) |
= |
at |
[residues of Y (z)zn−1]. |
(6.31) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
poles of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
[Y (z)zk−1] |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
If the function has a simple pole at z = a, then the residue is evaluated as |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
[residue]|z=a |
= [(z − a)Y (z)zn−1]. |
(6.32) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Example 6.13 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Using the inversion formula method, find the inverse z-transform of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) = |
z |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(z |
− |
1)(z |
− |
2) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Solution |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Using (6.31) and (6.32): |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(nT ) |
zn |
zn |
1 |
2n |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= z |
1 + z |
2 = − |
+ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
− |
2 z |
= |
− |
1 z |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
which is the same answer as in Example |
6.9. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Example 6.14 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Using the inversion formula method, find the inverse z-transform of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Y (z) = |
z |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(z |
− |
1)(z |
− |
2)(z |
− |
3) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Solution |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Using (6.31) and (6.32), |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(nT ) |
zn |
zn |
zn |
1 |
2n |
3n |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= (z |
2)(z |
3) |
1 |
+ (z |
1)(z |
3) |
2 |
+ |
(z |
1)(z |
2) |
3 |
= |
2 |
− |
+ 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
− |
− |
z |
= |
− |
− |
z |
= |
− |
− |
z |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6.3PULSE TRANSFER FUNCTION AND MANIPULATION OF BLOCK DIAGRAMS
The pulse transfer function is the ratio of the z-transform of the sampled output and the input at the sampling instants.
Suppose we wish to sample a system with output response given by
y(s) = e*(s)G(s). |
(6.33) |