Transformada Z y Transformada Z inversa
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Transformada Z y Transformada Z inversa
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Laboratorio de Sistemas de Control Discreto Práctica Nº 1 Transformada Z y Transformada Z inversa Semana: 23-abril al 29-abril 1. OBJETIVOS Utilizar MATLAB como herramienta de solución de la transformada Z y trasformada Z inversa. Reforzar los conocimientos adquiridos por los estudiantes en la teoría de sistemas de control discreto. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1. Transformada Z La transformada Z es una herramienta útil en teoría de control de tiempo discreto y su papel es análogo al que juega la transformada de Laplace en tiempo continuo. La Transformada Z convierte una señal que esté definida en el dominio del tiempo discreto (que es una secuencia de números reales) en una representación en el dominio de la frecuencia compleja. En la ecuación 1 se tiene la trasformada de Laplace de la señal x(t) muestreada (1) Si se dice que , se obtiene la definición la transformada Z (2) 2.2. Transformada Z inversa La transformada z en sistemas de control en tiempo discreto juega el mismo papel que la transformada de Laplace en sistemas de control en tiempo continuo. La notación para la transformada z inversa es . La trasformada z inversa de X(z) da como resultado una única x(k), pero no da una única x(t). Existen tres métodos para obtener la transformada z inversa que no implican el uso de tablas: DEPARTAMENTO DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL Pág. 1 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Laboratorio de Sistemas de Control Discreto 2.2.1. Método de la división directa: la transformada z inversa se obtiene mediante la expansión de X(z) en una serie infinita de potencias de . Este método es útil cuando es difícil obtener una expresión en forma cerrada para la transformada z inversa o se desea encontrar solo algunos de los primeros términos de x(k). Entonces x(kT) o x(k) es el coeficiente del termino . Por lo tanto, los valores de x(kT) o x(k) para k = 0, 1, 2,… se pueden determinar por inspección. Si X(z) está dada en la forma de una función racional, la expansión en una serie de potencias infinita en potencias creciente de se puede lograr sencillamente al dividir el numerador entre el denominador, donde tanto el numerador como el denominador de X(z) se escriben en potencias crecientes de . 2.2.2. Método de expansión en fracciones parciales: El método requiere que todos los términos de la expansión en fracciones parciales se puedan reconocer fácilmente en la tabla de pares de transformada z. Se debe observar que la única razón de que se expanda X(z)/z en fracciones parciales es que cada uno de los términos expandidos tenga una forma que se pueda encontrar fácilmente a partir de las tablas de transformadas x de que se dispone comúnmente. 2.2.3. Método de la integral de inversión: La integral de inversión de la transformada z X(z) está dada por: Donde C es un circulo con centro en el origen del plano z tal que todos los polos de están dentro de el. La ecuación que da la transformada z inversa en términos de los residuos se puede obtener si se utiliza la teoría de variable compleja. Esta se puede obtener como sigue: Donde denotan los residuos de respectivamente. DEPARTAMENTO DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL en los polos Pág. 2 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Laboratorio de Sistemas de Control Discreto 3. TRABAJO PREPARATORIO NOTA: PARA EL TRABAJO PREPARATORIO SE PROHIBE EL USO DE MATLAB. TODOS LOS CALCULOS DEBEN SER REALIZADOS POR EL ESTUDIANTE. 1. Consultar los archivos “.m”, que tipo de archivos hay en Matlab, cuales son las diferencias entre estos archivos. 2. Calcule la trasformada z de las señales en tiempo discreto, exprese la respuesta como una razón de polinomios en z, siempre que sea posible. a. b. c. 3. Encontrar la transformada Z inversa, utilizando los métodos vistos en clase. a. b. 4. Hallar el valor final e inicial de las siguientes funciones a. b. c. Genere un archivo “.m” que permita determinar los valores de los literales 4.a, 4.b 5. El sistema de tiempo discreto dado por la ecuación de diferencias de entrada y salida La entrada es un escalón unitario Encontrar la salida del sistema Hallar los primeros 10 valores de 4. TRABAJO EXPERIMENTAL 1.1 Usando el comando ztrans, resolver el literal 1b y 1c 2.1 Usando el comando iztrans, encuentre la transformada z inversa del literal 2.b 3.1 Para el literal 4: 1. Utilizando Matlab y el comando FILTER compruebe los resultados obtenidos en el trabajo preparatorio. 2. Calcule la respuesta al impulso unitario. 3. Calcule la respuesta a la paso unitaria. DEPARTAMENTO DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL Pág. 3 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Laboratorio de Sistemas de Control Discreto 4. Calcule para toda , si , con 5. Utilizando Simulink implemente la ecuación en diferencias del trabajo preparatorio. 1. Simule desde Matlab el modelo implementado en Simulink si la entrada es una señal paso 2. Simule desde Matlab el modelo implementado en Simulink para la señal de entrada y condiciones iniciales indicadas en literal d4 4.1 Para la siguiente función de transferencia realizar un archivo .m que calcule la trasformada z inversa usando el método de la integral de inversión. 5. INFORME 5.1. Genere un archivo “.m” que permita resolver la ecuación diferencial del literal 4. Los argumentos de entrada del programa son: Rango de k Condiciones Iniciales Tipo de Entrada (Impulso, Paso, Rampa) Los argumentos de salida 5.2. Salida almacenada en un vector Salida en forma gráfica Conclusiones DEPARTAMENTO DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL Pág. 4