Файл: Microcontroller based applied digital control (D. Ibrahim, 2006).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.06.2025
Просмотров: 3314
Скачиваний: 1
PULSE TRANSFER FUNCTION AND MANIPULATION OF BLOCK DIAGRAMS |
159 |
Solution |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The transfer function of the zero-order hold is |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
G |
1 |
(s) |
= |
1 − e−T s |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
s |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and that of the RC system is |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
G(s) = |
1 |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
s |
+ |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
For this system we can write |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(s) = u*(s)G1G2(s) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y*(s) = u*(s)[G1G2]*(s) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
or, taking z-transforms, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(z) = u(z)G1G2(z). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Now, T = 1 s and |
1 − e−s |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
G |
G |
2 |
(s) |
= |
, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
s |
1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
s |
+ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and by partial fraction expansion we can write |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
G1G2(s) = (1 − e−s ) |
− |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
s |
s |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
From the z-transform tables we then find that |
+ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
G1G2(z) = (1 − z−1) |
z |
− |
z |
= |
0. |
63 |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
− |
1 |
z |
e |
− |
1 |
z |
− |
0.37 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
− |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(i) For a unit step input, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
u(z) = |
z |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
− |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and the system output response is given by |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(z) = |
0.63z |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(z |
− |
1)(z |
− |
0.37) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Using the partial fractions method, we can write |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(z) |
= |
A |
+ |
B |
, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
z |
− |
1 |
z |
− |
0.37 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
where A = 1 and B = −1; thus, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
z |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y(z) = |
− |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
z |
− |
1 |
z |
− |
0.37 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
160 SAMPLED DATA SYSTEMS AND THE Z-TRANSFORM
y(nT)
0.98 0.95
0.86
0.63
T
0 |
T |
2T |
3T |
4T |
Figure 6.24 Step input time response of Example 6.19
From the inverse z-transform tables we find that the time response is given by
y(nT ) = a − (0.37)n ,
where a is the unit step function; thus
y(nT ) = 0.63δ(t − 1) + 0.86δ(t − 2) + 0.95δ(t − 3) + 0.98δ(t − 4) + . . . .
The time response in this case is shown in Figure 6.24.
(ii) For a unit ramp input,
u(z) =
T z
(z − 1)2
and the system output response (with T = 1) is given by
y(z) = |
0.63z |
= |
0.63z |
||
. |
|||||
(z − 1)2(z − 0.37) |
z3 − 2.37z2 + 1.74z − 0.37 |
||||
Using the long division method, we obtain the first few output samples as
y(z) = 0.63z−2 + 1.5z−3 + 2.45z−4 + 3.43z−5 + . . .
and the output response is given as
y(nT ) = 0.63δ(t − 2) + 1.5δ(t − 3) + 2.45δ(t − 4) + 3.43δ(t − 5) + . . . ,
as shown in Figure 6.25.
Example 6.20
The open-loop block diagram of a system with a zero-order hold is shown in Figure 6.26. Calculate and plot the system response when a step input is applied to the system, assuming that T = 1 s.
PULSE TRANSFER FUNCTION AND MANIPULATION OF BLOCK DIAGRAMS |
161 |
y(nT)
2.45
1.5
0.63
T
2T |
3T |
4T |
Figure 6.25 Ramp input time response of Example 6.19
G1(s) |
G2(s) |
|||||||||||
u(s) |
u*(s) |
|||||||||||
Z.O.H |
1 |
y(s) |
||||||||||
s(s + 1) |
||||||||||||
Figure 6.26 Open-loop system with zero-order hold
Solution
The transfer function of the zero-order hold is
G1(s) =
1 − e−T s
s
and that of the plant is
1
G(s) = . s(s + 1)
For this system we can write
y(s) = u*(s)G1G2(s)
and
y*(s) = u*(s)[G1G2]*(s)
or, taking z-transforms,
y(z) = u(z)G1G2(z).
Now, T = 1 s and |
1 − e−s |
||||||||||||||
G |
G |
(s) |
|||||||||||||
1 |
2 |
= s2(s |
+ |
1) |
|||||||||||
or, by partial fraction expansion, |
|||||||||||||||
G1G2(s) = (1 − e−s ) |
1 |
1 |
1 |
||||||||||||
− |
+ |
||||||||||||||
s2 |
s |
s |
+ |
1 |
|||||||||||
162 SAMPLED DATA SYSTEMS AND THE Z-TRANSFORM
y(nT)
0.9145
0.7675
0.3678 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
T |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
T |
2T |
3T |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Figure 6.27 Output response |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and the z-transform is given by |
− s |
+ s 1 |
1 . |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
G1G2(z) = (1 − z−1)Z s2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
From the z-transform tables we obtain |
+ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
G |
G |
(z) |
(1 |
z−1) |
z |
z |
z |
ze−1 + 1 − 2e−1 |
||||||||||||||||||||||||||||
= |
− |
1)2 − z |
1 |
+ z |
e |
1 |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||
1 |
2 |
(z |
− |
− |
− |
− |
(z |
− |
1)(z |
− |
e |
− |
1) |
|||||||||||||||||||||||
0.3678z + 0.2644 |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
= z2 − 1.3678z + 0.3678 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
After long division we obtain the time response
y(nT ) = 0.3678δ(t − 1) + 0.7675δ(t − 2) + 0.9145δ(t − 3) + . . . ,
shown in Figure 6.27.
6.3.3 Closed-Loop Systems
Some examples of manipulating the closed-loop system block diagrams are given in this section.
Example 6.21
The block diagram of a closed-loop sampled data system is shown in Figure 6.28. Derive an expression for the transfer function of the system.
Solution |
|
For the system in Figure 6.28 we can write |
|
e(s) = r(s) − H (s)y(s) |
(6.38) |
and |
|
y(s) = e*(s)G(s). |
(6.39) |
PULSE TRANSFER FUNCTION AND MANIPULATION OF BLOCK DIAGRAMS |
163 |
||||||||||
r(s) |
e(s) |
e*(s) |
y(s) |
||||||||
G(s) |
|||||||||||
+ − |
|||||||||||
H(s) |
|||||||||||
Figure 6.28 Closed-loop sampled data system
Substituting (6.39) into (6.38),
e(s) = r(s) − G(s)H (s)e*(s)
or
e*(s) = r*(s) − GH*(s)e*(s) and, solving for e*(s), we obtain
e*(s) = |
r*(s) |
|||||||||
1 + GH*(s) |
||||||||||
and, from (6.39), |
||||||||||
y(s) = G(s) |
r*(s) |
|||||||||
. |
||||||||||
1 + GH*(s) |
||||||||||
The sampled output is then |
||||||||||
y*(s) = |
r*(s)G*(s) |
|||||||||
1 + GH*(s) |
||||||||||
Writing (6.43) in z-transform format, |
||||||||||
y(z) = |
r(z)G(z) |
|||||||||
1 |
+ |
GH(z) |
||||||||
and the transfer function is given by |
||||||||||
y(z) |
G(z) |
|||||||||
= |
. |
|||||||||
r(z) |
1 |
+ |
GH(z) |
|||||||
Example 6.22
(6.40)
(6.41)
(6.42)
(6.43)
(6.44)
(6.45)
The block diagram of a closed-loop sampled data system is shown in Figure 6.29. Derive an expression for the output function of the system.
Solution |
|
For the system in Figure 6.29 we can write |
|
y(s) = e(s)G(s) |
(6.46) |