离散系统稳定性分析
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
实验一 离散系统稳定性分析
实验学时:2 实验类型:常规 实验要求:必作
一、实验目的:
(1)掌握利用MATLAB 绘制系统零极点图的方法; (2)掌握离散时间系统的零极点分析方法;
(3)掌握用MATALB 实现离散系统频率特性分析的方法; (4)掌握逆Z 变换概念及MATLAB 实现方法; (5)掌握用MATLAB 分析离散系统稳定性。 二、实验原理:
1、离散系统零极点图及零极点分析;
线性时不变离散系统可用线性常系数差分方程描述,即
()()N
M
i
j
i j a
y n i b
x n j ==-=
-∑∑ (8-1)
其中()y k 为系统的输出序列,()x k 为输入序列。
将式(8-1)两边进行Z 变换的
00
()()()()
()
M
j
j
j N i i
i b
z
Y z B z H z X z A z a z
-=-==
=
=
∑∑ (8-2)
将式(8-2)因式分解后有:
11
()
()()
M
j
j N
i i z q
H z C
z p ==-=-
∏∏ (8-3) 其中C 为常数,(1,2,,)j q j M = 为()H z 的M 个零点,(1,2,,)i p i N = 为()H z 的N 个极点。
系统函数()H z 的零极点分布完全决定了系统的特性,若某系统函数的零极点已知,则系统函数便可确定下来。
因此,系统函数的零极点分布对离散系统特性的分析具有非常重要意义。通过对系统函数零极点的分析,可以分析离散系统以下几个方面的特性:
● 系统单位样值响应()h n 的时域特性; ●
离散系统的稳定性;
离散系统的频率特性;
1.1、零极点图的绘制
设离散系统的系统函数为
()()()
B z H z A z =
则系统的零极点可用MA TLAB 的多项式求根函数roots()来实现,调用格式为:
p=roots(A)
其中A 为待根求多项式的系数构成的行矩阵,返回向量p 则是包含多项式所有根的列向量。如多项式为231()4
8
B z z z =+
+
,则求该多项式根的MA TLAB 命令为为:
A=[1 3/4 1/8]; P=roots(A)
运行结果为: P =
-0.5000
-0.2500
需注意的是,在求系统函数零极点时,系统函数可能有两种形式:一种是分子、分母多项式均按z 的降幂次序排列;另一种是分子、分母多项式均按1z -的升幂次序排列。这两种方式在构造多项式系数向量时稍有不同。
(1)()H z 按z 的降幂次序排列:系数向量一定要由多项式最高次幂开始,一直到常数项,缺项要用0补齐;如
3
4
3
2
2()3221
z z
H z z z z z +=
++++
其分子、分母多项式系数向量分别为A=[1 0 2 0]、B=[1 3 2 2 1]。
(2)()H z 按1z -的升幂次序排列:分子和分母多项式系数向量的维数一定要相同,不足的要用0补齐,否则0z =的零点或极点就可能被漏掉。如
1
1
2
12()11124
z H z z
z
---+=
+
+
其分子、分母多项式系数向量分别为A=[1 2 0]、B=[1 1/2 1/4]。
用roots()求得()H z 的零极点后,就可以用plot()函数绘制出系统的零极点图。下面是求系统零极点,并绘制其零极点图的MA TLAB 实用函数ljdt(),同时还绘制出了单位圆。
function ljdt(A,B)
% The function to draw the pole-zero diagram for discrete system
p=roots(A); %求系统极点 q=roots(B); %求系统零点 p=p'; %将极点列向量转置为行向量
q=q'; %将零点列向量转置为行向量 x=max(abs([p q 1])); %确定纵坐标范围 x=x+0.1; y=x;
%确定横坐标范围
clf
hold on
axis([-x x -y y])
%确定坐标轴显示范围
w=0:pi/300:2*pi; t=exp(i*w); plot(t) %画单位园
axis('square') plot([-x x],[0 0])
%画横坐标轴 plot([0 0],[-y y])
%画纵坐标轴
text(0.1,x,'jIm[z]')
text(y,1/10,'Re[z]')
plot(real(p),imag(p),'x')
%画极点
plot(real(q),imag(q),'o') %画零点 title('pole-zero diagram for discrete system') %标注标题 hold off
1.2、离散系统零极点分析
(1)离散系统零极点分布与系统稳定性 离散系统稳定的条件为:
时域条件:离散系统稳定的充要条件为()n h n ∞
=-∞
<∞
∑
,即系统单位样值响应绝对可和;
Z 域条件:离散系统稳定的充要条件为系统函数()H z 的所有极点均位于Z 平面的单位圆内。 对于三阶以下的低阶系统,可以利用求根公式求出系统函数的极点,从而判断系统的稳定性,但对于高阶系统,手工求解则显得十分困难,这时可以利用MA TLAB 来实现。实现方法是调用前述的函数ljdt()绘出系统的零极点图,然后根据极点的位置判断系统的稳定性。
2、离散系统频率特性分析;
2.1、离散系统的频率响应()j H e
ω
对于某因果稳定离散系统,如果激励序列为正弦序列:
0()sin()()x n A n u n ω=
则系统的稳态响应为:
()()sin[()]()j ss y n A H e
n u n ω
ωϕω=+
定义离散系统的频率响应为
()
()()
()j j j j z e
H e
H z H e
e
ω
ω
ω
ϕω===