Z transformation

z变换是离散时间信号分析中的重要工具,用于将时域的差分方程转换为z域的代数方程。它涉及到信号的收敛域、单边和双边变换、性质(如线性、移位、微分)以及反变换方法(幂级数展开和部分分式展开)。z变换在解决离散时间系统的稳定性、滤波器设计及差分方程求解等问题中发挥关键作用。系统函数的零点和极点分布决定了系统的频率响应和稳定性特性。

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z变换

z变换的数学定义

一个信号 f(t)f(t)f(t)zzz 变换 F(z)F(z)F(z) 定义为:
F(z)=∑−∞+∞f(k)z−k=Z[f(k)]F(z)=\sum_{-\infty}^{+\infty}f(k)z^{-k}=Z[f(k)]F(z)=+f(k)zk=Z[f(k)]

式中,信号 f(k)f(k)f(k) 则是 F(z)F(z)F(z) 的反 zzz 变换

工程中使用的信号往往都是因果信号。对于因果信号f(k)ε(k)f(k)\varepsilon(k)f(k)ε(k),有
F(z)=∑0+∞f(k)z−k=Z[f(k)]F(z)=\sum_{0}^{+\infty}f(k)z^{-k}=Z[f(k)]F(z)=0+f(k)zk=Z[f(k)]

上式被称为单边 zzz 变换。

对于单边 zzz 变换对,可简记为f(k)  ⟺  F(z)f(k)\iff F(z)f(k)F(z)

z变换的收敛域

为了保证 zzz 变换F(z)F(z)F(z)存在,即满足级数收敛,把所有使级数收敛的 zzz 值的集合称为 zzz 变换的收敛域(ROC)。

由于单边拉氏变换的定义为
F(z)=∑0+∞f(k)z−k=Z[f(k)]F(z)=\sum_{0}^{+\infty}f(k)z^{-k}=Z[f(k)]F(z)=0+f(k)zk=Z[f(k)]

如果F(z)F(z)F(z)要存在,则等式右边的级数要收敛,就需要有lim⁡k→+∞f(k)z−k=0\lim\limits_{k\to+\infty}f(k)z^{-k}=0k+limf(k)zk=0,所以 zzz 变换存在的收敛域为∣z∣>∣a∣|z|>|a|z>aaaa 是根据信号f(t)f(t)f(t)确定的常系数,如下图所示
z变换收敛域

关于收敛域的说明

对于单边 zzz 变换可不说明其收敛域;而对于双边 zzz 变换,应指明其收敛域。

常见信号的 z 变换对(因果信号)

  1. 指数类信号 f(k)=akε(k)f(k)=a^{k}\varepsilon(k)f(k)=akε(k)
    akε(k)  ⟺  a^{k}\varepsilon(k)\iffakε(k)zz−a\Large\frac {z} {z-a}zaz
  2. 单位阶跃信号 f(k)=ε(k)f(k)=\varepsilon(k)f(k)=ε(k)
    ε(k)  ⟺  \varepsilon(k)\iffε(k)zz−1\Large\frac {z} {z-1}z1z
  3. 冲激信号 f(k)=δ(k)f(k)=\delta(k)f(k)=δ(k)
    δ(k)  ⟺  \delta(k)\iffδ(k)111

余弦和正弦序列的 zzz 变换,先将其使用欧拉公式转换,再利用已知序列的 zzz 变换结合线性性质即可求解。

z 变换的性质

  1. 线性
    a1f1(k)+a2f2(k)  ⟺  a_1f_1(k)+a_2f_2(k)\iffa1f1(k)+a2f2(k)a1F1(z)+a2F2(z)a_1F_1(z)+a_2F_2(z)a1F1(z)+a2F2(z)
  2. 右移
    f(k−m)ε(k−m)  ⟺  f(k-m)\varepsilon(k-m)\ifff(km)ε(km)z−mF(z)z^{-m}F(z)zmF(z),称为整体移序
    f(k−m)ε(k)  ⟺  f(k-m)\varepsilon(k)\ifff(km)ε(k)z−m[F(z)z^{-m}[F(z)zm[F(z)+∑k=−m−1f(k)z−k]+\sum^{-1}_{k=-m}f(k)z^{-k}]+k=m1f(k)zk],称为非整体移序
  3. 左移
    f(k+m)ε(k)  ⟺  f(k+m)\varepsilon(k)\ifff(k+m)ε(k)zm[F(z)z^{m}[F(z)zm[F(z)−∑k=0m−1f(k)z−k]-\sum^{m-1}_{k=0}f(k)z^{-k}]k=0m1f(k)zk]
  4. zzz域尺度变换
    akf(k)ε(k)  ⟺  a^kf(k)\varepsilon(k)\iffakf(k)ε(k)F(zaF(\Large\frac z aF(az)))
  5. zzz域微分
    (−k)mf(k)  ⟺  (-k)^mf(k)\iff(k)mf(k)zmF(m)(z)z^mF^{(m)}(z)zmF(m)(z)
  6. 时域卷积
    f1(k)∗f2(k)  ⟺  f_1(k)*f_2(k)\ifff1(k)f2(k)F1(z)F2(z)F_1(z)F_2(z)F1(z)F2(z)
  7. 初值定理
    f(0)=lim⁡z→∞F(z)f(0)=\lim\limits_{z\to\infty}F(z)f(0)=zlimF(z)
  8. 终值定理
    f(∞)=lim⁡z→1(z−1)F(z)f(\infty)=\lim\limits_{z\to1}(z-1)F(z)f()=z1lim(z1)F(z)

注意:终值定理的适用条件是F(z)F(z)F(z)的极点必须位于单位圆内(在单位圆上只能位于 z=+1z=+1z=+1 点且是一阶极点),否则终值不存在。

z 反变换

zzz 反变换的方法一般有两种:第一种是把 zzz 变换式展开为 z−1z^{-1}z1 的幂级数,由此可以直接得到一个原函数的序列;第二种是把 zzz 变换式展开为它的部分分式之和,每一个部分分式都是较简单的基本函数形式,以便把它们分别进行反变换。

幂级数展开法

根据 zzz 变换的定义
F(z)=∑0+∞f(k)z−kF(z)=\sum_{0}^{+\infty}f(k)z^{-k}F(z)=0+f(k)zk
若我们把 F(z)F(z)F(z) 展开成 z−1z^{-1}z1 的幂级数之和,则该级数的各系数就是对应序列 f(k)f(k)f(k) 的值。

展开的方法可使用长除法
长除法
注意:用这种方法可以帮助我们快速求得原函数序列开头若干个有限项的值,但使用该方法无法得到序列f(k)f(k)f(k)的解析表达式。

部分分式展开法

设有理分式
F(z)=F(z)=F(z)=N(z)D(z)\Large\frac {N(z)} {D(z)}D(z)N(z)=bmzm+…+b1z+boanzn+…+a1z+ao=\Large\frac {b_mz^m+…+b_1z+b_o} {a_nz^n+…+a_1z+a_o}=anzn++a1z+aobmzm++b1z+bo

m>=nm >= nm>=n,即F(z)F(z)F(z)为假分式时,我们可以通过长除法将F(z)F(z)F(z)分解为常数项与真分式的和,即F(z)=F(z)=F(z)=P+No(z)D(z)P + \Large\frac {N_o(z)} {D(z)}P+D(z)No(z)

也可以选择先将F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)部分分式展开,求得待定系数后再乘以 zzz,这时上式为
F(z)z=\Large\frac {F(z)} {z}=zF(z)=N(z)zD(z)\Large\frac {N(z)} {zD(z)}zD(z)N(z)=bmzm+…+b1z+boz(anzn+…+a1z+ao)=\Large\frac {b_mz^m+…+b_1z+b_o} {z(a_nz^n+…+a_1z+a_o)}=z(anzn++a1z+ao)bmzm++b1z+bo

式中m<n+1m < n + 1m<n+1,对于真分式的部分分式展开,步骤就与拉氏反变换一样了,即令D(z)=0D(z)=0D(z)=0,得到极点 pip_ipi,然后根据极点将F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)展开,最后求反变换。

现根据极点的几种情况来进行讨论。

  1. 单实根情况
    我们就可将F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)分解为
    F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)=K0z=\Large\frac {K_0} {z}=zK0+K1z−p1+\Large\frac {K_1} {z-p_1}+zp1K1+K2z−p2+\Large\frac {K_2} {z-p_2}+zp2K2+……+Knz−pn+……+\Large\frac {K_n} {z-p_n}+……+zpnKn

    其中,KiK_iKi为待定系数,可以利用留数的方法求得
    Ki=(z−pi)K_i=(z-p_i)Ki=(zpi)F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)∣z=pi|_{z=p_i}z=pi

    由于Kiz−pi  ⟺  \Large\frac {K_i} {z-p_i}\iffzpiKiKi(pi)kε(k)K_i{(p_i)}^{k}\varepsilon(k)Ki(pi)kε(k)

    所以原函数f(k)f(k)f(k)
    f(k)=Koδ(k)+∑i=1nKi(pi)kε(k)f(k)=K_o\delta(k)+\sum_{i=1}^nK_i (p_i)^{k}\varepsilon(k)f(k)=Koδ(k)+i=1nKi(pi)kε(k)

  2. 多重根情况
    D(z)=0D(z)=0D(z)=0z=az=az=arrr阶重极点,例如
    F(z)=N(z)(z−a)rF(z)=\Large \frac {N(z)} {(z-a)^r}F(z)=(za)rN(z)

    可将F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)分解为
    F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)=K1(z−a)r=\Large\frac {K_1} {(z-a)^r}=(za)rK1+K2(z−a)r−1+\Large\frac {K_2} {(z-a)^{r-1}}+(za)r1K2+……+Kr(z−a)+……+\Large\frac {K_r} {(z-a)}+……+(za)Kr

    其系数为
    Ki=K_i=Ki=1(i−1)!\Large\frac {1} {(i-1)!}(i1)!1⋅\cdotdi−1dzi−1\Large\frac {d^{i-1}} {dz^{i-1}}dzi1di1[(z−a)r[(z-a)^r[(za)rF(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)]∣z=a]|_{z=a}]z=a

  3. 共轭复根情况
    假设此时D(z)D(z)D(z)中含有一对共轭复根,p1,2=c±jdp_{1,2} = c \pm jdp1,2=c±jd,则可将F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)分解为
    F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)=K1z−(c+jd)=\Large\frac {K_1} {z-(c+jd)}=z(c+jd)K1+K2z−(c−jd)+\Large\frac {K_2} {z-(c-jd)}+z(cjd)K2

    待定系数的求法与单极点的方法一样,使用留数的方法。如
    K1=(z−c−jd)K_1=(z-c-jd)K1=(zcjd)F(z)z\Large\frac {F(z)} {z}zF(z)∣z=c+jd|_{z=c+jd}z=c+jd=A+jB=A+jB=A+jB

    由于是共轭复根,所以有K2=K1∗=A−jBK_2=K_1^*=A-jBK2=K1=AjB

差分方程的 z 变换解

差分方程的解

zzz 变换将描述离散系统的时域差分方程变换为 zzz 域的代数方程,从而简化了运算。我们在使用 zzz 变换求解差分方程时,主要是应用之前介绍的 zzz 变换的左移性质。

例如,对于某一系统描述的差分方程,有
a2y(k+2)+a1y(k+1)+aoy(k)=b2f(k+2)+b1f(k+1)+b0f(k)a_2y(k+2)+a_1y(k+1)+a_oy(k)=b_2f(k+2)+b_1f(k+1)+b_0f(k)a2y(k+2)+a1y(k+1)+aoy(k)=b2f(k+2)+b1f(k+1)+b0f(k)

  1. 已知零输入初始值yzi(0)y_{zi}(0)yzi(0)yzi(1)y_{zi}(1)yzi(1)

    对等式左边取部分移序,即
    y(k+m)  ⟺  y(k+m)\iffy(k+m)zm[Y(z)z^{m}[Y(z)zm[Y(z)−∑k=0m−1yzi(k)z−k]-\sum^{m-1}_{k=0}y_{zi}(k)z^{-k}]k=0m1yzi(k)zk]

    对等式右边取整体移序,即
    f(k+m)  ⟺  f(k+m)\ifff(k+m)zmF(z)z^{m}F(z)zmF(z)

  2. 已知系统初始值y(0)y(0)y(0)y(1)y(1)y(1)

    我们对等式左、右两边都取部分移序,即
    y(k+m)  ⟺  y(k+m)\iffy(k+m)zm[Y(z)z^{m}[Y(z)zm[Y(z)−∑k=0m−1y(k)z−k]-\sum^{m-1}_{k=0}y(k)z^{-k}]k=0m1y(k)zk]

    f(k+m)  ⟺  f(k+m)\ifff(k+m)zm[F(z)z^{m}[F(z)zm[F(z)−∑k=0m−1f(k)z−k]-\sum^{m-1}_{k=0}f(k)z^{-k}]k=0m1f(k)zk]

整理一下上述变换后的结果,即可得到 zzz 域下全响应Y(z)Y(z)Y(z)的表达式

对于第一种情况,说明外加激励信号对初始值没有影响;对于第二种情况,说明外加激励信号对初始值有贡献。即当题目给出的初始值不是真正的初始值 yziy_{zi}yzi 时,要考虑 f(k)f(k)f(k) 对初始值的贡献,所以要对差分方程右边进行非整体移序的 zzz 变换。

系统函数

(与连续系统的系统函数相类似)
设输出信号为yzs(k)y_{zs}(k)yzs(k),输入信号为f(k)f(k)f(k),则系统函数可表示为
H(s)=H(s)=H(s)=零状态响应的z变换激励信号的z变换\large\frac {零状态响应的 z 变换} {激励信号的 z 变换}激励信号的z变换零状态响应的z变换=Yzs(z)F(z)=\Large\frac {Y_{zs}(z)} {F(z)}=F(z)Yzs(z)

需要注意以下几点:
1.系统函数是系统本身的特性,系统一经创建就确定了系统函数,与具体的输入信号无关;
2.系统函数是在所有初始状态值均为零的情况下得出的;

在离散系统的时域分析时,零状态响应是冲激响应与激励信号的卷积。即
yzs(k)=h(k)∗f(k)y_{zs}(k)=h(k)*f(k)yzs(k)=h(k)f(k)

根据拉氏变换的时域卷积定理,可将上式表示为
Yzs(z)=H(z)F(z)Y_{zs}(z)=H(z)F(z)Yzs(z)=H(z)F(z)

所以我们可得到系统函数与冲激响应是一对 zzz 变换对。即
h(k)  ⟺  H(z)h(k)\iff H(z)h(k)H(z)

复指数信号zkz^kzk称为离散系统的本征信号,与连续系统下复指数信号este^{st}est是本征信号一样

求解系统全响应的方法

  1. 利用 zzz 变换求出 zzz 域下Y(z)Y(z)Y(z)的表达式,再通过 zzz 反变换得到全响应y(k)y(k)y(k)
  2. 利用系统函数H(z)H(z)H(z),根据Yzs(z)=H(z)F(z)Y_{zs}(z)=H(z)F(z)Yzs(z)=H(z)F(z)求得Yzs(z)Y_{zs}(z)Yzs(z),再通过 zzz 反变换求出零状态响应yzs(k)y_{zs}(k)yzs(k),然后利用时域分析的方法求出零输入响应yzi(k)y_{zi}(k)yzi(k),二者相加既是全响应y(k)=yzi(k)+yzs(k)y(k)=y_{zi}(k)+y_{zs}(k)y(k)=yzi(k)+yzs(k)

系统函数与系统特性

系统函数的零点和极点

H(z)=H(z)=H(z)=B(z)A(z)\Large\frac {B(z)} {A(z)}A(z)B(z)=bmzm+…+b1z+boanzn+…+a1z+ao=\Large\frac {b_mz^m+…+b_1z+b_o} {a_nz^n+…+a_1z+a_o}=anzn++a1z+aobmzm++b1z+bo

上式可以表示为
H(z)=H(z)=H(z)=k∏i=1m(z−zi)∏j=1n(z−pj)k\frac {\displaystyle\prod_{i=1}^{m}(z-z_i)} {\displaystyle\prod_{j=1}^{n}(z-p_j)}kj=1n(zpj)i=1m(zzi)

其中,ziz_izi为系统函数H(z)H(z)H(z)的零点,pjp_jpj为系统函数H(z)H(z)H(z)的极点。

零极点分布与冲激响应

当系统函数为有理真分式且具有单极点时,系统函数可按部分分式展开为
H(z)H(z)H(z)=∑i=1nzKiz−pi=\Large\sum_{i=1}^n\frac {zK_i} {z-p_i}=i=1nzpizKi

对其进行 zzz 反变换,即可得到系统的冲激响应为
h(k)h(k)h(k)=∑i=1nKi(pi)kε(k)=\sum_{i=1}^nK_i(p_i)^{k}\varepsilon(k)=i=1nKi(pi)kε(k)

从上式可以看出,冲激响应h(k)h(k)h(k)的性质完全由系统函数H(z)H(z)H(z)的极点 pip_ipi 决定(即系统的时间特性完全由其极点分布决定)。pip_ipi 称为系统的自然频率或者固有频率。而待定系数 KiK_iKi 则由零点与极点共同决定。

系统的稳定性

渐近稳定(内部稳定性)
~zzz
~系统函数H(z)H(z)H(z)的极点 pip_ipi 全部位于 zzz 平面的单位圆内(不包括单位圆本身),则系统是渐近稳定的
~系统函数H(z)H(z)H(z)在单位圆上有单极点,则系统是临界稳定
~其余情况,系统都是不稳定的

系统的强迫响应

(与连续系统时相类似)

假设系统函数H(z)H(z)H(z)
H(z)H(z)H(z)=Ho∏i=1m(z−zi)∏j=1n(z−pj)=H_o\frac {\displaystyle\prod_{i=1}^{m}(z-z_i)} {\displaystyle\prod_{j=1}^{n}(z-p_j)}=Hoj=1n(zpj)i=1m(zzi)

输入信号的 zzz 变换为
F(z)F(z)F(z)=Fo∏l=1u(z−zl)∏k=1v(z−pk)=F_o\frac {\displaystyle\prod_{l=1}^{u}(z-z_l)} {\displaystyle\prod_{k=1}^{v}(z-p_k)}=Fok=1v(zpk)l=1u(zzl)

H(z)H(z)H(z)F(z)F(z)F(z)没有相同的极点,则系统的零状态响应可表示为
所以就有 Yzs(z)=H(z)F(z)Y_{zs}(z)=H(z)F(z)Yzs(z)=H(z)F(z)=K∏i=1m(z−zi)∏j=1n(z−pj)=K\frac {\displaystyle\prod_{i=1}^{m}(z-z_i)} {\displaystyle\prod_{j=1}^{n}(z-p_j)}=Kj=1n(zpj)i=1m(zzi)  ⋅  \;\Large\cdot\;∏l=1u(z−zl)∏k=1v(z−pk)\frac {\displaystyle\prod_{l=1}^{u}(z-z_l)} {\displaystyle\prod_{k=1}^{v}(z-p_k)}k=1v(zpk)l=1u(zzl)=∑i=1nzKiz−pi=\Large\sum_{i=1}^n\frac {zK_i} {z-p_i}=i=1nzpizKi+∑k=1vzKkz−pk+\Large\sum_{k=1}^v\frac {zK_k} {z-p_k}+k=1vzpkzKk=Yh(z)+Yp(z)=Y_{h}(z)+Y_p(z)=Yh(z)+Yp(z)

由上式可以知道,Yzs(z)Y_{zs}(z)Yzs(z)的极点包含两部分,一部分是H(z)H(z)H(z)的极点pip_ipi,另一部分是F(z)F(z)F(z)的极点pkp_kpkYh(z)Y_{h}(z)Yh(z)H(z)H(z)H(z)的极点pip_ipi决定,Yp(z)Y_p(z)Yp(z)F(z)F(z)F(z)的极点pkp_kpk决定。

再进行反变换即可得到强迫响应yp(k)y_p(k)yp(k)与由激励决定的部分自由响应yh(k)y_{h}(k)yh(k)
yzs(k)=yh(k)+yp(k)=y_{zs}(k)=y_{h}(k)+y_{p}(k)=yzs(k)=yh(k)+yp(k)=∑i=1nKi(pi)kε(k)\sum_{i=1}^nK_i(p_i)^{k}\varepsilon(k)i=1nKi(pi)kε(k)+∑k=1vKk(pk)kε(k)+\sum_{k=1}^vK_k(p_k)^{k}\varepsilon(k)+k=1vKk(pk)kε(k)

在这里插入图片描述

一定要记住下面这个结论!!!
若输入信号为f(k)=akε(k)f(k)=a^{k}\varepsilon(k)f(k)=akε(k),则系统的强迫响应为yp(k)=H(a)akε(k)y_p(k)=H(a)a^{k}\varepsilon(k)yp(k)=H(a)akε(k)

系统实现

系统框图是系统模型的另一种形式,系统框图也称为系统模拟图。

系统实现方式

  1. 直接形式(即直接根据系统函数的表达式来实现系统)
  2. 级联形式(将系统函数H(z)H(z)H(z)分为多个子系统相乘的形式)
  3. 并联形式(将系统函数H(z)H(z)H(z)分为多个子系统相加的形式)

不同的系统实现方式,本质上是系统函数的不同表达方式。

系统实现的过程
  1. 确定系统实现的方式;
  2. 对系统函数H(z)H(z)H(z)进行相应的转换;
  3. 对于单个系统(每个子系统),利用中间变量W(z)W(z)W(z)表示出系统的激励F(z)F(z)F(z)与响应Y(z)Y(z)Y(z)
  4. 利用基本的模拟单元画出系统框图。
由系统框图得到系统函数的过程
  1. 总是选取与激励信号相连接的加法器的输出作为中间变量W(z)W(z)W(z)
  2. 利用中间变量W(z)W(z)W(z)表示出单个系统(每个子系统)的激励F(z)F(z)F(z)与响应Y(z)Y(z)Y(z)
  3. 根据系统实现的方式以及H(z)=Y(z)F(z)H(z)=\Large\frac {Y(z)} {F(z)}H(z)=F(z)Y(z),消除中间变量W(z)W(z)W(z)即可得到系统函数H(s)H(s)H(s)

信号流图与梅森公式

也与连续系统相类似,这里不再赘述。

系统的频率响应

所谓“频率响应”指的是系统在正弦信号激励之下稳态响应随信号频率的变化情况。包括幅度随频率的响应,即幅频特性;相位随频率的响应,即相频特性。

z=ejΩz=e^{j\Omega}z=ejΩ时,系统函数H(z)H(z)H(z)就变成了系统频率特性H(ejΩ)H(e^{j\Omega})H(ejΩ)。即
H(ejΩ)=∣H(ejΩ)∣ejφ(Ω)H(e^{j\Omega})=|H(e^{j\Omega})|e^{j\varphi(\Omega)}H(ejΩ)=H(ejΩ)ejφ(Ω)

可以看出∣H(ejΩ)∣|H(e^{j\Omega})|H(ejΩ)φ(Ω)\varphi(\Omega)φ(Ω)都是随频率 Ω\OmegaΩ 变化的函数,所以我们可以画出幅频特性∣H(ejΩ)∣|H(e^{j\Omega})|H(ejΩ)和相频特性φ(Ω)\varphi(\Omega)φ(Ω)的图像,而从频率响应的图中很容易表述一个系统对各种频率的正弦波作出的响应。因此,一个系统的频率响应就代表了它的滤波特性

系统函数零极点与滤波器设计

几何作图法确定频率响应

利用系统函数的零极点分布并借助于几何作图的方法可以确定系统的频率响应。
下面介绍这种方法的原理

z=ejΩz=e^{j\Omega}z=ejΩ时,系统函数H(z)H(z)H(z)就变成了系统频率特性
H(ejΩ)H(e^{j\Omega})H(ejΩ)=K∏(ejΩ−zi)∏(ejΩ−pj)=K\frac {\displaystyle\prod(e^{j\Omega}-z_i)} {\displaystyle\prod(e^{j\Omega}-p_j)}=K(ejΩpj)(ejΩzi)

zzz 平面上,任一复数都可以用一向量来表示,如某一极点 pjp_jpj 可以看成自坐标原点指向该极点的向量。所以对于上式中的 (ejΩ−pj)(e^{j\Omega}-p_j)(ejΩpj) ,就相当于是两个向量相减,其对应的结果仍然是一个向量。

而根据欧拉公式,我们可以将复数向量写成坐标式,即模和幅角的形式,那么就有
ejΩ−pj=MjΘje^{j\Omega}-p_j=M_j\phase{\varTheta_j}ejΩpj=MjΘj
ejΩ−zi=Niϕie^{j\Omega}-z_i=N_i\phase{\phi_i}ejΩzi=Niϕi

进而就可以将系统频率特性的表达式转换为
H(ejΩ)H(e^{j\Omega})H(ejΩ)=K∏(ejΩ−zi)∏(ejΩ−pj)=K\frac {\displaystyle\prod(e^{j\Omega}-z_i)} {\displaystyle\prod(e^{j\Omega}-p_j)}=K(ejΩpj)(ejΩzi)=K∏Ni∏Mj=K\frac {\displaystyle\prod N_i} {\displaystyle\prod M_j}=KMjNiϕi−Θj\phase{\phi_i-\varTheta_j}ϕiΘj

Ω\OmegaΩ0→2π0\rarr2\pi02π 时(Ω\OmegaΩ在单位圆上从0°0°开始逆时针移动)变化时,H(ejΩ)H(e^{j\Omega})H(ejΩ)的幅值与相位也随之变化。其中,∣H(ejΩ)∣|H(e^{j\Omega})|H(ejΩ)=∏Ni∏Mj=\frac {\displaystyle\prod N_i} {\displaystyle\prod M_j}=MjNi随频率的变化称为幅频特性φ(Ω)=\varphi(\Omega)=φ(Ω)=ϕi−Θj\phase{\phi_i-\varTheta_j}ϕiΘj随频率的变化称为相频特性

显然,适当地配置极点和零点能获取各种不同的频率选择特性,可以利用这些观察结果设计LPF、HPF、BPF、BSF。

根据零极点分布图判断系统的滤波特性(幅频特性)

首先大致判断出幅频特性H∣(ejΩ)∣H|(e^{j\Omega})|H(ejΩ)的形式,假设 zzz 平面的单位圆上存在一点PPPH∣(ejΩ)∣H|(e^{j\Omega})|H(ejΩ)的分子是点PPP到所有零点ziz_izi距离的乘积,分母是点PPP到所有极点pjp_jpj距离的乘积。

假设有一系统如下图所示
在这里插入图片描述
则可设∣H(ejΩ)∣|H(e^{j\Omega})|H(ejΩ)=N1N2M1M2=\Large\frac {N_1N_2} { M_1M_2}=M1M2N1N2,然后令PPP从单位圆上的0°0° 开始逆时针转动,根据∣H(ejΩ)∣|H(e^{j\Omega})|H(ejΩ)的变化判断系统的滤波特性。其实根据幅频特性的表达分式,我们可以得出一个结论,就是离极点近的地方就是通带,离零点近的地方就是阻带。

<think>好的,用户想了解Tustin变换在数值方法或控制系统中的相关概念和实现方法。首先,我需要回忆Tustin变换的基本定义和应用场景。Tustin变换,也称为双线性变换,主要用于将连续时间的控制系统转换为离散时间系统,这在数字控制系统中非常重要。 接下来,我需要确定用户可能的背景。用户提到了控制系统的转换方法,比如传递函数(tf)和零极点-增益(zpk)转换为状态空间(ss),这可能意味着他们熟悉控制系统中的不同模型表示方法。因此,在解释Tustin变换时,应该与这些概念联系起来,说明Tustin变换如何在这些模型转换中应用。 然后,我需要整理Tustin变换的数学公式。记得Tustin变换的公式是将连续时间的传递函数中的s域变量替换为离散时间的z域变量,通常使用$s = \frac{2}{T} \frac{z-1}{z+1}$,其中T是采样周期。这个替换需要正确使用LaTeX格式,按照用户的要求,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$。 还要考虑用户可能需要的实现方法,比如如何应用这个变换到具体的传递函数上,或者如何在MATLAB等工具中实现。例如,MATLAB中的c2d函数可以使用Tustin方法进行离散化,这可能是一个实用的信息点。 另外,用户的问题中提到了数值方法,可能想了解Tustin变换在数值积分中的应用。这时候需要说明Tustin变换与梯形积分法的关系,即它实际上是对积分过程的一种近似,具有较好的数值稳定性。 在生成相关问题的时候,需要涵盖基本概念、数学推导、实现步骤、比较优势以及应用场景等方面,确保用户能全面理解Tustin变换的不同层面。同时,要检查引用的正确性,用户提供的引用[1]提到的是convert方法用于系统转换,这可能与Tustin变换在控制系统中的应用相关,因此在适当的地方加入引用标识。 最后,确保回答结构清晰,分点说明,并按照要求使用中文,避免使用Markdown格式,保持自然的口语化表达,同时遵循系统级指令中的格式要求。</think>### Tustin变换(双线性变换)详解 Tustin变换是控制系统领域中将连续系统转换为离散系统的核心方法,通过代数替换实现s域到z域的映射[^1]。其基本公式为: $$s = \frac{2}{T} \cdot \frac{z - 1}{z + 1}$$ 其中$T$表示采样周期,$z$为离散系统的复变量。该变换具有保持系统稳定性、避免频率混叠的特性。 #### 实现步骤 1. **变量替换**:将传递函数$G(s)$中的$s$替换为上述表达式 2. **有理化处理**:通过分子分母同乘$(z+1)^n$消去分母 3. **系数整理**:将表达式整理为$z^{-1}$的多项式形式 *MATLAB实现示例:* ```matlab sys_cont = tf([1],[1 2 5]); % 创建连续系统 T = 0.1; % 采样周期 sys_disc = c2d(sys_cont, T, 'tustin'); % Tustin变换 ``` #### 特性比较 | 特性 | Tustin变换 | 前向差分 | 后向差分 | |------------|----------------|------------|------------| | 稳定性保持 | ✓ | ✗ | ✓ | | 频率畸变 | 预畸变可补偿 | 严重畸变 | 中度畸变 | | 计算复杂度 | 中等 | 低 | 低 |
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