兰州理工大学：《系统仿真技术》PPT讲义课件_第4章 频域仿真建模方法学

系统仿真技术 第4章频域仿真建模方法学 剡昌锋刘军 兰州理工大学机电工程学院

系统仿真技术 第4章 频域仿真建模方法学 剡昌锋 刘军 兰州理工大学机电工程学院

频域仿真建模方法学 ■频域仿真建模方法:面向S域的传递函数 G(s),根据相似原理,得到与它相匹配的z 域传递函数G(z) “匹配”:包括动态性能一G(S)的零点、 极点要与相应G(z)的零、极点匹配 稳态性能-对于同一个输入函数,终值相

频域仿真建模方法学 ▪ 频域仿真建模方法：面向S域的传递函数 G(s)，根据相似原理，得到与它相匹配的Z 域传递函数G(z)。 ▪ “匹配”：包括动态性能----G(s)的零点、 极点要与相应G(z)的零、极点匹配 ▪ 稳态性能----对于同一个输入函数，终值相 同

41替换法 已知z=e,这是一个超越函数,不能直 接用它来替换。 4.11、欧拉替换 微分方程:h/b=f(,根据欧拉积分公式: xkI=xr+i=xk+lx a所以可得(-1)x=Tx 即x7 X 2

4.1 替换法 ▪ 已知 ，这是一个超越函数，不能直 接用它来替换。 ▪ 4.1.1、欧拉替换 ▪ 微分方程： ，根据欧拉积分公式： ▪ 所以可得 ▪ 即 sT z = e dx / dt = f (t) k 1 k k k k x = x +Tf = x +Tx  + (z −1)x = Tx  −1 = z T x x 

欧拉替换法(续) 因为x=1故有: T n欧拉替换:简单,但是稳定性差,并不实 用。下面分析其稳定性 设S=σ+jx2 有z=1s+ 则 1+Ta)2+2r 对于z平面上的单位圆,有=1,故 1+To)2+g2T2=1 也就是:(a+1)2+92=(

欧拉替换法（续） ▪ 因为 故有： 即 ▪ 欧拉替换：简单，但是稳定性差，并不实 用。下面分析其稳定性： ▪ 设 有 ▪ 则 ▪ 对于Z平面上的单位圆，有 ，故 ▪ 也就是： x s x 1 =  1 1 − = − z T s T z s −1 = s =  + j z =Ts +1 ( ) 2 2 2 2 z = 1+ T +  T 1 2 z = (1 ) 1 2 2 2 +T +  T = 2 2 2 ) 1 ) ( 1 ( T T  + +  =

欧拉替换法(续) z平面上的单位圆按该替换式反映射到S平 面上,将是一个以(—1/7,0)为圆心, 以17为半径的圆。 一个原来稳定的系统G(s),通过替换得到 的仿真模型G(z)却可能是不稳定的 S平面 Z平面 -1/T S到z域的映射关系

欧拉替换法（续） ▪ Z平面上的单位圆按该替换式反映射到S平 面上，将是一个以（－1/T，0）为圆心， 以1/T为半径的圆。 ▪ 一个原来稳定的系统G(s)，通过替换得到 的仿真模型G(z)却可能是不稳定的。 S域到Z域的映射关系

412双线性替换 观察梯形积分公式:x1=xk+ 2 k+1 a可得:(=-1=(+1) 即: 称为双线性替换公式 T=+1 1+ST/2 也可写成为:=1-7/2 +=T 2 T

4.1.2 双线性替换 ▪ 观察梯形积分公式： ▪ 可得： ▪ 即： 称为双线性替换公式 ▪ 也可写成为： ▪ 即： ( ) 1 1 2 k+ = k + k + k+ x x T x x   ( ) (z )x T z x 1  2 −1 = + 1 2 1 + − = z z T s 1 / 2 1 / 2 sT sT z − + = 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 1         +      −         +      + = T T T T z  

双线性替换(续) 若σ0,则|> 这就是说,Z平面上的单位圆,映射到S平面上 将是整个左半平面,其逆也真。 口即如果原来Gs)稳定,那么G(z)也是稳定的。 s平面 Z平面 线性化替换的映射关系

双线性替换（续） ▪ 若 ，则 ；若 ，则 ＝1， ▪ 而若 >0，则 >1。 ▪ 这就是说，Z平面上的单位圆，映射到S平面上 将是整个左半平面，其逆也真。 ▪ 即如果原来G(s)稳定，那么G(z)也是稳定的。   0 z 1  = 0 z  z 线性化替换的映射关系

双线性替换(续) 程序替换算法 设线性系统的传递函数为 G(s) U) aoS"+a,S Fan-stan E()b5”+bs"+…+bns+b (1 在双线性替换下得到的Z传递函数为 (=)_d=+d1=n1+…+dn1+d (2) e02+e12+…+en-12+e 由a,b=0,1,…,n)确定,e1(=0

双线性替换（续） ▪ 程序替换算法 ▪ 设线性系统的传递函数为 ▪ （1） ▪ 在双线性替换下得到的Z传递函数为： ▪ （2） ▪ 由ai，bi (i=0，1，…，n) 确定di，ei (i=0， 1，…，n) ( ) ( ) ( ) n n n n n n n n b s b s b s b a s a s a s a E s U s G s + + + + + + + + = = − − − − 1 1 0 1 1 1 0 1   ( ) ( ) ( ) n n n n n n n n e z e z e z e d z d z d z d E z U z G z + + + + + + + + = = − − − − 1 1 0 1 1 1 0 1 0  

双线性替换(续) 直接将双线性替换公式代入G(s),可得 +a a T)(z+1 z T(z+1 b t b +…+b T人(z+1 将其分子、分母同乘以(=+1)",可得: T (z-1y+ (=-1)"(z+)+…+a1(z+1 32p+()y+0+…+b+B()

双线性替换（续） ▪ 直接将双线性替换公式代入G(s)，可得： ▪ 将其分子、分母同乘以 ，可得： ( ) n n n n n n n n n n n n b z z T b z z T b z z T b a z z T a z z T a z z T a G z  +      + −  + +      + −        +      + −        +      + −  + +      + −        +      + −       = − − − − − − 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0   ( ) n z +1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) =  − + + + +       − +       − + + + +       − +      = − − − − n n n n n n n n n n n n z z b z T z b T b z z a z T z a T a G z 1 1 1 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1 1 0 1 1 1 0 1 0   ( ) B(z) A z

双线性替换(续) 将A(=),B(=)写成向量形式: 0 T +1 (+1)"(=-1) a. n-1 0

双线性替换（续） ▪ 将 A(z) ， B(z) 写成向量形式： ( ) ( )                                                   = − − n n n n T T T T A z a a a a 2 0 2 2 0 2 , , , , 1 1 0 1  1 0  ( ) ( ) ( ) ( )               − + − + − n n n z z z z 1 1 1 1 1 