Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (688.65 KB, 21 trang )
Mô tả hệ thống rời rạc bằng
phương trình trạng thái
Bởi:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân
Vế phải của phương trình sai phân không chứa sai phân của tín hiệu vào
Xét hệ thống rời rạc có quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra mô tả bởi phương trình
sai phân:
Chú ý: Ở phương trình trên hệ số a
o
= 1. Nếu a
o
# 1 ta chia hai vế cho ao để được phương
trình sai phân có dạng (7.26).
Tương tự như đã làm đối với hệ liên tục, ta đặt các biến trạng thái để biến đổi tương
đương phương trình sai phân bậc n ở trên thành hệ n phương trình sai phân bậc một.
Đặt các biến trạng thái như sau:
Thay vào phương trình (7.26) ta được:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
1/21
Kết hợp phương trình trên với các biểu thức đặt biến trạng thái ta được hệ phương trình
sau:
Viết lại dưới dạng ma trận:
Đáp ứng của hệ thống:
Đặt:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
2/21
Ta được hệ phương trình biến thái:
Ví dụ 7.9. Cho hệ thống điều khiển rời rạc mô tả bởi phương trình sai phân:
Hãy viết hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ thống.
Giải. Ta có:
Đặt biến trạng thái như sau:
Hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ thống đã cho là:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
3/21
trong đó:
Vế phải của phương trình sai phân có chứa sai phân của tín hiệu vào
Xét hệ thống rời rạc có quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra mô tả bởi phương trình
sai phân:
Chú ý: Ở phương trình trên hệ số a
o
= 1. Nếu a
o
? 1 ta chia hai vế cho ao để được phương
trình sai phân có dạng (7.27)
Đặt các biến trạng thái như sau:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
4/21
Từ cách đặt biến trạng thái trên ta rút ra phương trình sau:
Trong đó:
Do đó hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ thống có dạng:
Trong đó:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
5/21
Ví dụ 7.10. Cho hệ thống rời rạc mô tả bởi phương trình sai phân:
Hãy viết hệ phương trình trạng thái mô tả hệ thống trên.
Giải. Ta có:
Đặt các biến trạng thái:
Trong đó:
Hệ phương trình biến trạng thái có dạng:
Trong đó:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
6/21
Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc
Cho hệ thống mô tả bởi hàm truyền:
Chú ý: Ở hàm truyền trên hệ số a
o
= 1. Nếu a
0
? 1 ta chia tử số và mẫu số cho ao để
được hàm truyền có dạng (7.28).
Cách 1: Biến đổi tương đương hàm truyền về dạng phương trình sai phân:
Áp dụng phương pháp đã trình bày ở mục 7.4.1.2 ta rút ra được hệ phương trình biến
trạng thái.
Ví dụ . Hãy thành lập hệ phương trình trạng thái mô tả hệ thống có hàm truyền là:
Giải.Cách 1: Hàm truyền đã cho tương đương với:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
7/21
xem tiếp lời giải đã trình bày ở ví dụ 7.10.
Cách 2: Do
nên ta có thể đặt biến phụ E(z) sao cho:
Áp dụng phương pháp đã trình bày ở mục 7.4.1.1, đặt các biến trạng thái:
Ta được phương trình:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
8/21
Tóm lại ta được hệ phương trình trạng thái:
Trong đó:
Ví dụ. Cho hệ thống mô tả bởi hàm truyền:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
9/21
Hãy thành lập hệ phương trình trạng thái.
Giải. Hàm truyền đã cho tương đương với:
Đặt biến phụ E (z) sao cho:
Đặt biến trạng thái:
Ta được hệ phương trình:
Trong đó:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
10/21
Ví dụ . Hãy thành lập hệ phương trình trạng thái mô tả hệ thống có hàm truyền là:
Giải. Đặt biến phụ E(z) sao cho:
Đặt biến trạng thái:
Ta được hệ phương trình:
Trong đó:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
11/21
Thành lập phương trình trạng thái hệ rời rạc từ phương trình trạng thái hệ
liên tục
Phương pháp này chỉ áp dụng được cho hệ thống có sơ đồ khối như sau:
Trình tự thành lập phương trình trạng thái
Bước 1: Thành lập hệ phương trình biến trạng thái liên tục:
Bước 2: Tính ma trận quá độ của hệ liên tục:
Với:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
12/21
Bước 3: Rời rạc hóa phương trình biến trạng thái ở bước 1, ta được:
Trong đó:
Bước 4: Hệ phương trình biến trạng thái của hệ rời rạc cần tìm với tín hiệu vào r(kT) là:
Chứng minh: Bước 1 và bước 2 thành lập phương trình trạng thái và tính ma trận quá độ
của hệ liên tục không có gì phải chứng minh. Ta chứng minh từ bước 3, ở bước này ta
suy ra phương trình trạng thái của hệ rời rạc từ phương trình trạng thái của hệ liên tục.
Bước 3: Ở chương 2, ta đã biết nghiệm của phương trình trạng thái hệ liên tục cho bởi
công thức:
Tổng quát:
Áp dụng công thức trên với:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
13/21
Ta được:
Ta lại có:
(do e
R
(t) là tín hiệu ở ngõ ra của khâu giữ ZOH)
Thay vào công thức trên, ta được:
Do e(kT) không phụ thuộc vào biến lấy tích phân
nên:
Đổi biến phép tính lấy tích phân, ta được:
(7.31)
Rời rạc hóa phương trình ngõ ra của hệ liên tục, ta được:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
14/21
Bước 4: Theo sơ đồ khối của hệ thống, ta thấy:
Thay vào (7.31) ta được kết quả cần chứng minh.
Ví dụ. Cho hệ thống rời rạc có sơ đồ như hình vẽ. Hãy thành lập hệ phương trình biến
trạng thái mô tả hệ thống với các biến trạng thái được xác định trên hình vẽ.
Giải
Bước 1: Thành lập hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ liên tục:
Theo hình vẽ ta có:
Kết hợp (7.32) và (7.33) ta được hệ phương trình:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
15/21
Đáp ứng của hệ thống:
Do đó:
Bước 2: Tính ma trận quá độ:
Bước 3: Rời rạc hóa các phương trình trạng thái của hệ liên tục, ta được:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
16/21
Trong đó:
Bước 4: Hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ thống rời rạc với tín hiệu vào r(kT) là:
Trong đó:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
17/21
Ví dụ bằng số cụ thể: a = 2, T = 0,5sec, K = 10
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
18/21
Kết luận: hệ phương trình biến trạng thái cần tìm là:
Tính hàm truyền hệ rời rạc từ hệ phương trình trạng thái
Cho hệ thống rời rạc mô tả bởi hệ phương trình biến trạng thái:
Bài toán đặt ra là tìm hàm truyền:
Biến đổi Z hệ phương trình trạng thái, ta được:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
19/21
Lập tỉ số, ta được:
(7.35)
Ví dụ. Cho hệ thống mô tả bởi phương trình trạng thái:
Trong đó:
Hãy viết hàm truyền của hệ thống trên.
Giải. Áp dụng công thức (7.35), hàm truyền của hệ thống là:
Ta có:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
20/21
Vậy:
Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái
21/21
