KOMMENTIERTE FORMELSAMMLUNG ZUR LEHRVERANSTALTUNG METHODEN DER QUALITÄTSSTEUERUNG IN TECHNISCHEN PROZESSEN

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1 Fakultät Informatik Institut für Angewandte Informatik, Professur Technische Informationssysteme KOMMENTIERTE FORMELSAMMLUNG ZUR LEHRVERANSTALTUNG METHODEN DER QUALITÄTSSTEUERUNG IN TECHNISCHEN PROZESSEN Dipl.-Inf. Denis Stein 25. Januar 20

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3 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 3 Laplace-Transformation 5. Definitionen Ausgewählte Korrespondenzen Operationen Funktionen Pol-Nullstellen-Plan Alternative Wege für die Rücktransformation Partialbruchzerlegung Residuensatz Stabilität z-transformation 2. Definitionen Ausgewählte Korrespondenzen Operationen Funktionen Pol-Nullstellen-Plan Alternative Wege für die Rücktransformation

4 2.4. Partialbruchzerlegung Polynomdivision Residuensatz Stabilität Literaturverzeichnis 9 4 INHALTSVERZEICHNIS

5 LAPLACE-TRANSFORMATION. DEFINITIONEN (einseitige) Laplace-Transformation 2 : Transformation von Funktionen im Zeitbereich in Funktionen im Bildbereich 3 F(s) = L { f(t) } := f(t) e s t dt mit f(t < 0) = 0 4 s = σ + j ω, s C: 0 Realteil von s: Re{s} = σ R Imaginärteil von s: Im{s} = ω R Eulersche Formel: e ±j ϕ = cos(ϕ) ± j sin(ϕ) Laplace-Rücktransformation (auch inverse Laplace-Transformation) 56 : Transformation vom Bildbereich zurück in den Zeitbereich f(t) = L { F(s) } c+j 2 π j F(s) e t s ds t 0 := c j 0 t < 0 Notation: f(t) F(s) Hin- und Rücktransformation werden oft gegebenenfalls nach Partialbruchzerlegung (siehe Abschnitt.4.) mithilfe sogenannter Korrespondenzen (Zusammenhänge von Operationen sowie Funktionen im Zeit- und Bildbereich; siehe Abschnitt.2) gelöst. 2 Der Konvergenzbereich ist zu beachten. Der Begriff Bildbereich steht hier für Bildbereich der Laplace-Transformation. Insbesondere gilt für den linksseitigen Grenzwert von f an der Stelle t = 0, das heißt bei Annäherung an t = 0 von kommend: f(0 ) = lim f(t) = 0. Bei Annäherung an t = 0 von rechts, f(0+) = lim f(t), ergeben sich die t 0 t 0+ n Anfangswerte dk dt k f(t) t=0+ (0 k n ; rechtsseitige Grenzwerte) von f und dessen erster bis (n )-ter Ableitung nach t an der Stelle t = 0+. n ist dabei die Ordnung der Differenzialgleichung ( höchste Potenz ). 5 Der Konvergenzbereich ist zu beachten. 6 Siehe auch Abschnitt.4. 5

6 ( ) Anfangswertsatz 7 : f(0+) = lim f(t) = lim s F(s) t 0+ s ( ) Endwertsatz 8 : f( ) = lim f(t) = lim s F(s) t s 0.2 AUSGEWÄHLTE KORRESPONDENZEN.2. Operationen Sofern nicht anders angegeben handelt es sich in Tabelle. bei a und a j ( j n) um beliebige reellwertige Konstanten und bei j und n um natürliche Zahlen. Die Konvergenzbereiche von Hin- und Rücktransformation sind zu beachten. Bezeichnung (Bedingungen) f(t) 9 F(s) Linearität n a j f j (t) j= n a j F j (s) j= insbesondere n = 2 a f (t) + a 2 f 2 (t) a F (s) + a 2 F 2 (s) Faltung im Zeitbereich 0 f (t) f 2 (t) F (s) F 2 (s) = t 0 f (t τ) f 2 (τ) dτ Rechtsverschiebung (a > 0) f (t a) e a s F (s) ( Linksverschiebung (a > 0) f (t + a) e a s F (s) a 0 ) f (t) e s t dt Differenziation im Zeitbereich 2 dn dt f n (t) s n F (s) n j=0 ( ( d j dt j f (t) t=0+ ) s n j ) insbesondere n = d dt f (t) s F (s) f (0+) Differenziation im Bildbereich t n f (t) ( ) n dn ds n F (s) Integration im Zeitbereich 3 Integration im Bildbereich 34 t 0 f (τ) dτ s F (s) t f (t) F (τ) dτ s 7 f(0+) ist der rechtsseitige Grenzwert von f bei t = 0. 8 f( ) muss existieren. Bei gebrochenrationalen Funktion F(s) (siehe auch Gleichung. auf Seite 8) ist diese Bedingung erfüllt, wenn für alle Polstellen s Re{s} 0 gilt und dabei höchstens eine folglich reelle Polstelle mit Re{s} = 0 existiert. 9 Beachte Anfangsbedingungen f(t < 0) = 0 und f j (t < 0) = 0 ( j n). 0 Faltung im Bildbereich siehe beispielsweise [BSMM0, S. 735]. f (0+) ist der rechtsseitige Grenzwert von f bei t = 0. 2 f muss n-mal differenzierbar sein (für t = 0 zumindest rechtsseitig). 3 Mehrfachintegrale siehe beispielsweise [BSMM0, S. 733f.]. 4 f Der rechtsseitige Grenzwert lim (t) muss existieren. t 0+ t 6 Kapitel Laplace-Transformation

7 Ähnlichkeit (a > 0) f (a t) a F s ) ( a Dämpfung (a C) e a t f (t) F (s + a) Tabelle.: Operationstabelle der Laplace-Transformation..2.2 Funktionen Bei der hier betrachteten einseitigen Laplace-Transformation verschwinden Funktionen f(t) im Zeitbereich bekanntermaßen für Zeiten kleiner null (f(t < 0) = 0), was sich durch zwei gleichwertige Schreibweisen ausgedrücken lässt: f(t) σ(t) mit Einheitssprung σ(t) = { 0 t < 0 t 0 sowie f(t) (t 0). Im Folgenden wird letztere bevorzugt und auf die zusätzliche Angabe von σ(t) verzichtet 5. Tabelle.2 enthält die wichtigsten Korrespondenzen für Funktionen 6. Sofern nicht anders angegeben handelt es sich darin bei a um eine beliebige reellwertige Konstante und bei n um eine natürliche Zahl. Die Konvergenzbereiche von Hin- und Rücktransformation sind zu beachten. Bezeichnung (Bedingungen) f(t) 7 F(s) { Einheitsimpuls 8 0 t 0 δ(t) = t = 0 Potenzfunktion 9 n! tn s n+ insbesondere n = 0 (Einheitssprung) s insbesondere n = (Einheitsrampe) t s 2 gedämpfte Potenzfunktion 9 n! ea t t n (s a) n+ insbesondere n = 0 e a t s a insbesondere n = e a t t (s a) 2 5 Der Einheitssprung wird folglich durch f(t) = (t 0) beschrieben. 6 Weitere Korrespondenzen siehe beispielsweise [Nix64, S. 28ff.], [Doe89, S. 225ff.], [LW0, S. 8ff.], [BSMM0, S. 093ff.], [Ase58, S. 287ff.], [Gro9, S. 03ff.], [Föl07, S. 06ff.], [Lun0a, S. 697f.], [WS06, S. 276], [Mer04, S. 7] oder [MSF09, S. 396]. 7 f(t < 0) = 0. 8 Dass die Theorie des Einheitsimpulses eines bekanntermaßen nicht realisierbaren Signals komplizierter ist, als d angenommen, zeigt folgendes Beispiel: dt σ(t) s σ(0+) = = 0 (δ(t) wurde erwartet). Für weitere s Ausführungen siehe bspw. [Ase58, S. 22ff.] oder DIN k! = k i mit 0! =. i=.2 Ausgewählte Korrespondenzen 7

8 Sinusfunktion sin(a t) a s 2 +a 2 ( sin(a t) ) 2 2 a 2 s (s 2 +4 a 2 ) Kosinusfunktion cos(a t) s s 2 +a 2 ( cos(a t) ) 2 s 2 +2 a 2 s (s 2 +4 a 2 ) Hyperbelsinusfunktion sinh(a t) a s 2 a 2 Hyperbelkosinusfunktion cosh(a t) s s 2 a 2 Tabelle.2: Funktionstabelle der Laplace-Transformation..3 POL-NULLSTELLEN-PLAN Eine lineare, gebrochenrationale Funktion F(s) 20 mit konstanten Koeffizienten F(s) = Z(s) N(s) = b m s m + b m s m b s + b 0 a n s n + a n s n a s + a 0 (.) mit b i R, 0 i m, m N, a j R, 0 j n und n N besitzt m Nullstellen des Zählers Z(s) s o,i Nullstellen genannt sowie n Nullstellen des Nenners N(s) s x,j Polstellen oder kurz Pole genannt. Nach Bestimmung der Pol- und Nullstellen ergibt sich daraus die faktorisierte Form von F(s): F fakt (s) = K (s s o,) (s s o,2 )... (s s o,m ) (s s o,m ) (s s x, ) (s s x,2 )... (s s x,n ) (s s x,n ) (.2) mit K R. Die Pol- und Nullstellen können jeweils reell (z.b. s x, = σ x ) oder Paare konjugiert komplexer Zahlen (z.b. s x,2/ 3 = σ x + j ω x ) sein, die wiederum jeweils einfach oder mehrfach auftreten. 20 Meist ist die Übertragungsfunktion G(s) = Y (s) eines Systems mit Eingangssignal X (s) und Ausgangssignal Y (s) X (s) die zu untersuchende Funktion F(s). 8 Kapitel Laplace-Transformation

9 Im Hinblick auf die weitere Verwendung wird empfohlen, durch Kürzen teilerfremde Zähler und Nenner von F fakt (s) herzustellen. Der Pol-Nullstellen-Plan (P-N-Plan) ist ein kartesisches Koordinatensystem mit Abszisse Re{s} und Ordinate Im{s}, stellt also die komplexe s-ebene dar. In dieses werden alle Nullstellen von F(s) mit o und alle Polstellen mit x eingetragen. Zudem wird die Verstärkung K angegeben. Wird zusätzlich die Vielfachheit der Pol- und Nullstellen notiert, ist der P-N-Plan zu den Gleichungen. sowie.2 äquivalent. Diese grafische Beschreibungsform ist später beispielsweise bei der Stabilitätsbetrachtung (siehe auch Abschnitt.5) von Vorteil..4 ALTERNATIVE WEGE FÜR DIE RÜCKTRANSFORMATION.4. Partialbruchzerlegung Die Funktion F PBZ (s) ergibt sich aus einer beliebigen gebrochenrationalen und teilerfremden Funktion F(s) nach Gleichung. mit n Polstellen (siehe auch Abschnitt.3) durch Partialbruchzerlegung (PBZ; siehe auch [BSMM0, S. 5ff.]). Dabei werden die Ansätze aus Tabelle.3 für alle Polstellen s x,j ( j n) von F(s) addiert. Ist der Zählergrad größer oder gleich dem Nennergrad (m n), so ist zuerst eine Polynomdivision durchzuführen. Die dabei entstehende echt gebrochene Funktion F (s) (Zählergrad kleiner Nennergrad (m < n )) kann anschließend in Partialbrüche zerlegt werden. Nach Bestimmung 2 der n Konstanten c j ( j n) 22 kann jeder Summand einzeln mithilfe der Korrespondenzen aus Abschnitt.2 in den Zeitbereich zurücktransformiert werden. Art der Polstelle (Vielfachheit v) reell s x, =... = s x,v Ansatz für diese Polstelle v i= c i (s σ x) i = σ x c insbesondere v = s x, = σ x s σ x v konjugiert komplexes Paar 23 s x,/ 2 =... = s x,2 v / 2 v ( c 2 i s+c 2 i ) i i= (s σ x) 2 +ωx 2 = σ x ± j ω x insbesondere v = s x,/ 2 = σ x ± j ω x c s+c 2 (s σ x) 2 +ω 2 x Tabelle.3: Ansätze für die Partialbruchzerlegung bei der Laplace-Rücktransformation. 2 Eine Möglichkeit besteht darin, die Gleichung F(s) = F PBZ (s) mit dem Nenner N(s) zu multiplizieren und anschließend einen Koeffizientenvergleich durchzuführen. 22 Die Indices der Konstanten c j sind so zu wählen, dass zwischen unterschiedlichen Partialbrüchen keine Doppelungen auftreten. 23 Die zugehörigen Korrespondenzen für v > bleibt die automatisierungs- und regelungstechnische Literatur meist schuldig. Für v 2 empfiehlt sich [BSMM0, S. 093ff.]. Für allgemeinere Ausführungen siehe [Gra04, S. 35ff.]..4 Alternative Wege für die Rücktransformation 9

10 .4.2 Residuensatz Statt der Lösung des Integrals der Laplace-Rücktransformation oder anstelle der Partialbruchzerlegung kann auch der Residuensatz zur Gewinnung der Funktion f(t) aus F(s) nach Gleichung. mit m < n angewendet werden: l Res(F(s), s x,j, v j ) t 0 f(t) = j=. 0 t < 0 Die Anzahl der verschiedenen Polstellen s x,j von F(s) ist l ( j l, l n), die Vielfachheit der j-ten Polstelle ist v j. Die Residuen ergeben sich zu: Res ( ( ) ) F(s), s x,j, v j = (v j )! lim dvj s s x,j ds v F(s) e t s (s s j x,j ) v j STABILITÄT Ein System ist BIBO 25 -stabil, wenn es auf begrenzte Signale am Eingang nur mit ebenfalls begrenzten Signalen am Ausgang reagiert. Um Stabilität nachzuweisen, müssten jedoch alle möglichen Signale angelegt werden. Existiert ein Signal, auf das das System mit keiner endlichen Antwort reagiert, ist hingegen Instabilität nachgewiesen. Da es nicht möglich ist, alle Signale zu testen, wurden algebraische Kriterien eingeführt. So sind Systeme mit einer gebrochenrationalen und teilerfremden Übertragungsfunktion G(s) nach Gleichung. genau dann stabil, wenn alle Polstellen s x,j von G(s) in der linken halboffenen s-ebene liegen: Re{s x,j } < 0 für alle j mit j n, sonst instabil. Alternativ kann im Zeitbereich geprüft werden, ob die Gewichtsfunktion g(t) eines Systems absolut integrierbar ist: 0 g(t) dt = c < mit c R. (.3) Ist Gleichung.3 erfüllt, so ist das durch g(t) beschriebene System stabil, andernfalls nicht. Stabilität kann aber auch ohne explizite Bestimmung der Polstellen von G(s) nachgewiesen werden, beispielsweise durch Anwendung des Hurwitz-Kriteriums (siehe beispielsweise [Rei06, S. 8ff.] oder [MSF09, S. 98f.]). 24 (s s x,j ) v j ist herauszukürzen. 25 Bounded input bounded output. 0 Kapitel Laplace-Transformation

11 2 Z-TRANSFORMATION 2. DEFINITIONEN (einseitige) z-transformation 26 : Transformation von Folgen im Zeitbereich 2728 in Funktionen im Bildbereich 29 F(z) = Z { f(k) } := f(k) z k ((unendliche) Laurent-Reihe) mit f(k < 0) = 0 30 k Z k=0 Abtastperiode T R + z = e T s, z C Realteil von z: Re{z} = e σ T cos(ω T ) R Imaginärteil von z: Im{z} = e σ T sin(ω T ) R Eulersche Formel: e ±j ϕ = cos(ϕ) ± j sin(ϕ) geometrische Reihe: z k = z z ( z > ) k=0 z-rücktransformation (auch inverse z-transformation) 332 : Transformation vom Bildbereich zurück in den Zeitbereich f(k) = Z { F(z) } { 2 π j z k F(z) dz k 0 := 0 k < 0 Notation: f(k) F(z) 26 Der Konvergenzbereich ist zu beachten. 27 Oft wird bei äquidistanter Abtastung statt f(kt ) nur f(k) oder f k geschrieben. Hier wird erstere Kurzschreibweise verwendet. 28 Beachte: Das zeitdiskrete Signal f(k), das aus dem zeitkontinuierlichen Signal f(t) durch rechtsseitige Grenzwertbildung f(k) = f(t = kt +), also bei Annäherung an t = kt von kommend, entsteht, ist zwischen den Abtastzeitpunkten nicht definiert. 29 Der Begriff Bildbereich steht hier für Bildbereich der z-transformation. 30 Es existieren zudem n Anfangswerte f(i) (0 i n ), wobei n die Ordnung der Differenzengleichung (größte Linksverschiebung) ist. 3 Der Konvergenzbereich ist zu beachten. 32 Siehe auch Abschnitt 2.4.

12 Hin- und Rücktransformation werden oft gegebenenfalls nach Partialbruchzerlegung (siehe Abschnitt 2.4.) mithilfe sogenannter Korrespondenzen (Zusammenhänge von Operationen sowie Funktionen im Zeit- und Bildbereich; siehe Abschnitt 2.2) gelöst. Anfangswertsatz 33 : f(0) = lim k 0 f(k) = lim z F(z) Endwertsatz 3435 : f( ) = lim f(k) = lim k z + ( (z ) F(z) ) 2.2 AUSGEWÄHLTE KORRESPONDENZEN 2.2. Operationen Sofern nicht anders angegeben handelt es sich in Tabelle 2. bei a und a j ( j n) um beliebige reellwertige Konstanten und bei j und n um natürliche Zahlen. Die Konvergenzbereiche von Hin- und Rücktransformation sind zu beachten. Bezeichnung (Bedingungen) f(k) 36 F(z) Linearität n a j f j (k) j= n a j F j (z) j= insbesondere n = 2 a f (k) + a 2 f 2 (k) a F (z) + a 2 F 2 (z) Faltung im Zeitbereich f (k) f 2 (k) F (z) F 2 (z) = k f (k j) f 2 (j) Rechtsverschiebung 37 f (k n) z F n (z) insbesondere n = f (k ) z F (z) ( ) Linksverschiebung 38 f (k + n) z n F (z) n f (j) z j j=0 ( ) insbesondere n = f (k + ) z F (z) f (0) j=0 33 Es handelt es sich hierbei streng genommen um den rechtsseitigen Grenzwert f(0+), vgl. die Entstehung von f(k) aus f(t). Da f nur für ganzzahlige k definiert ist, ist eine Unterscheidung von links- und rechtsseitigem Grenzwert nicht notwendig. 34 f( ) muss existieren. Bei gebrochenrationalen Funktionen F(z) (siehe auch Gleichung 2. auf Seite 5) ist diese Bedingung erfüllt, wenn alle Polstellen z nicht außerhalb des Einheitskreises liegen ( z ) und dabei höchstens eine folglich reelle Polstelle auf dem Einheitskreis ( z = ) existiert. 35 z = + bezeichnet die Stelle des rechtsseitigen Grenzwertes bei z =. 36 Beachte Anfangsbedingungen f(k < 0) = 0 und f j (k < 0) = 0 ( j n). 37 Für k < n wird f (k n) mit Nullen aufgefüllt. 38 Um die Anfangsbedingung f (k < 0) = 0 einzuhalten, gilt f (k + n < 0) = 0. 2 Kapitel 2 z-transformation

13 Differenzenbildung im Zeitbereich Vorwärtsdifferenz f (k + ) f (k) (z ) F (z) z f (0) Rückwärtsdifferenz f (k) f (k ) z z F (z) Differenziation im Bildbereich (n > 0) k n f (k) z d dz F 2(z) insbesondere n = k f (k) z d dz F (z) Summation im Zeitbereich Integration im Bildbereich 42 k f (j) j=0 k f (k) mit F 2 (z) = Z { k n f (k) } z z F (z) Dämpfung (a C, a 0) a k f (k) F ( z a ) Zeitdehnung (n > 0) 43 f ( k n ) F (z n ) Tabelle 2.: Operationstabelle der z-transformation. z F (τ) τ dτ Funktionen Bei der hier betrachteten einseitigen z-transformation verschwinden Folgen f(k) im Zeitbereich ebenfalls für Zeiten kleiner null (f(k < 0) = 0), was sich durch zwei gleichwertige Schreibweisen ausgedrücken lässt: f(k) σ(k) mit Einheitssprungfolge σ(k) = { 0 k < 0 k 0 sowie f(k) (k 0). Im Folgenden wird letztere bevorzugt und auf die zusätzliche Angabe von σ(k) verzichtet Auch als Multiplikationssatz bezeichnet. 40 Beachte, dass die z-transformierte hier rekursiv definiert ist. Die Angabe mit dn dz n in manch anderer Literaturstelle ist falsch! 4 Beachte, dass f(kt) hier für k n f (kt ) und nicht für k n T n f (kt ) steht. T n kann jedoch zusätzlich als konstanter Faktor ( Linearität) aufgenommen werden: T n f(kt ) = k n T n f (kt ). 42 Auch als Divisionssatz bezeichnet. 43 Beachte: f(n k + ) = f(n k + 2) =... = f(n k + n ) = Die Einheitssprungfolge wird folglich durch f(k) = (k 0) beschrieben. 2.2 Ausgewählte Korrespondenzen 3

14 Tabelle 2.2 enthält die wichtigsten Korrespondenzen für Folgen und Funktionen 45. Sofern nicht anders angegeben handelt es sich darin bei a um eine beliebige reellwertige Konstante und bei n um eine natürliche Zahl. Die Konvergenzbereiche von Hin- und Rücktransformation sind zu beachten. Bezeichnung (Bedingungen) f(k) 46 F(z) { 0 k 0 Einheitsimpulsfolge δ(k) = k = 0 Potenzfolge 47 k n insbesondere n = 0 (Einheitssprungfolge) z z insbesondere n = (Einheitsrampenfolge) k z (z ) 2 insbesondere n = 2 k 2 z (z+) (z ) 3 gedämpfte Potenzfolge 48 e a k k n insbesondere n = 0 e a k z z e a insbesondere n = e a k k e a z (z e a ) 2 Exponenzialfolge 48 a k k n insbesondere n = 0 a k z z a insbesondere n = a k k a z (z a) 2 alternierende Folge ( ) k z z+ Sinusfolge sin(a k) Kosinusfolge cos(a k) Hyperbelsinusfolge sinh(a k) Hyperbelkosinusfolge cosh(a k) z sin(a) z 2 2 z cos(a)+ ( ) z z cos(a) z 2 2 z cos(a)+ z sinh(a) z 2 2 z cosh(a)+ ( ) z z cosh(a) z 2 2 z cosh(a)+ Tabelle 2.2: Funktionstabelle der z-transformation. 45 Weitere Korrespondenzen siehe beispielsweise [LW0, S. 53ff.], [Jur64, S. 278ff.], [BSMM0, S. 3ff.], [Föl07, S. 300f.], [Gro9, S.ff.], [WS06, S. 278], [Lun0b, S. 659f.] oder [MSF09, S. 403]. 46 f(k < 0) = Aus Platzgründen keine allgemeine Angabe im Bildbereich. Verwendung der Korrespondenzen für die Differenziation im Bildbereich und die Einheitssprungfolge liefert das gewünschte Resultat. 48 Aus Platzgründen keine allgemeine Angabe im Bildbereich. Verwendung der Korrespondenzen für die Differenziation im Bildbereich, die Dämpfung und die Einheitssprungfolge liefert das gewünschte Resultat. 4 Kapitel 2 z-transformation

15 2.3 POL-NULLSTELLEN-PLAN Eine lineare, gebrochenrationale Funktion F(z) 49 mit konstanten Koeffizienten F(z) = Z(z) N(z) = b m z m + b m z m b z + b 0 a n z n + a n z n a z + a 0 (2.) mit b i R, 0 i m, m N, a j R, 0 j n und n N besitzt m Nullstellen des Zählers Z(z) z o,i Nullstellen genannt sowie n Nullstellen des Nenners N(z) z x,j Polstellen oder kurz Pole genannt. Nach Bestimmung der Pol- und Nullstellen ergibt sich daraus die faktorisierte Form von F(z): F fakt (z) = K (z z o,) (z z o,2 )... (z z o,m ) (z z o,m ) (z z x, ) (z z x,2 )... (z z x,n ) (z z x,n ) (2.2) mit K R. Die Pol- und Nullstellen können jeweils reell (z.b. z x, = σ x ) oder Paare konjugiert komplexer Zahlen (z.b. z x,2/ 3 = σ x + j ω x ) sein, die wiederum jeweils einfach oder mehrfach auftreten. Im Hinblick auf die weitere Verwendung wird empfohlen, durch Kürzen teilerfremde Zähler und Nenner von F fakt (z) herzustellen. Der Pol-Nullstellen-Plan (P-N-Plan) ist ein kartesisches Koordinatensystem mit Abszisse Re{z} und Ordinate Im{z}, stellt also die komplexe z-ebene dar. In dieses werden alle Nullstellen von F(z) mit o und alle Polstellen mit x eingetragen. Zudem wird die Verstärkung K angegeben. Wird zusätzlich die Vielfachheit der Pol- und Nullstellen notiert, ist der P-N-Plan zu den Gleichungen 2. sowie 2.2 äquivalent. Diese grafische Beschreibungsform ist später beispielsweise bei der Stabilitätsbetrachtung (siehe auch Abschnitt 2.5) von Vorteil. 49 Meist ist die Übertragungsfunktion G(z) = Y (z) eines Systems mit Eingangssignal X (z) und Ausgangssignal Y (z) X (z) die zu untersuchende Funktion F(z). 2.3 Pol-Nullstellen-Plan 5

16 2.4 ALTERNATIVE WEGE FÜR DIE RÜCKTRANSFORMATION 2.4. Partialbruchzerlegung Die Funktion F PBZ (z) ergibt sich aus einer beliebigen gebrochenrationalen und teilerfremden Funktion F(z) nach Gleichung 2. mit n Polstellen (siehe auch Abschnitt 2.3) durch Partialbruchzerlegung (PBZ; siehe auch [BSMM0, S. 5ff.]). Hier wird jedoch F (z) = F(z) z = N (z) Z (z) als Ausgangspunkt gewählt und wiederum die Ansätze aus Tabelle 2.3 für alle Polstellen z x,j ( j n) von F(z) addiert. Ist der Zählergrad größer oder gleich dem Nennergrad (m n), so ist zuerst eine Polynomdivision durchzuführen. Die dabei entstehende echt gebrochene Funktion F 2 (z) (Zählergrad kleiner Nennergrad (m 2 < n 2 )) kann anschließend in Partialbrüche zerlegt werden. Nach Bestimmung 50 der n Konstanten c j ( j n) 5 kann jeder Summand mit z multipliziert, um aus F PBZ, (z) wieder F PBZ (z) zu erhalten einzeln mithilfe der Korrespondenzen aus Abschnitt 2.2 in den Zeitbereich zurücktransformiert werden. Art der Polstelle (Vielfachheit v) reell z x, =... = z x,v Ansatz für diese Polstelle v i= c i (z σ x) i = σ x c insbesondere v = z x, = σ x z σ x v konjugiert komplexes Paar 52 z x,/ 2 =... = z x,2 v / 2 v ( c 2 i z+c 2 i ) i i= (z σ x) 2 +ωx 2 = σ x ± j ω x insbesondere v = z x,/ 2 = σ x ± j ω x c z+c 2 (z σ x) 2 +ω 2 x Tabelle 2.3: Ansätze für die Partialbruchzerlegung bei der z-rücktransformation Polynomdivision Aus einer beliebigen gebrochenrationalen F(z) mit Zählergrad kleiner oder gleich Nennergrad (m n) nach Gleichung 2. kann durch Polynomdivision ebenfalls die zugehörige Folge f(k) im Zeitbereich gewonnen werden. Für die dabei entstehende Funktion F PDiv (z) = c k z k gilt nach Definition der z-transformation c k = f(k). Folglich lassen sich die Werte von f(k) für k 0 direkt ablesen. k=0 50 Eine Möglichkeit besteht darin, die Gleichung F (z) = F PBZ, (z) mit dem Nenner N (z) zu multiplizieren und anschließend einen Koeffizientenvergleich durchzuführen. 5 Die Indices der Konstanten c j sind so zu wählen, dass zwischen unterschiedlichen Partialbrüchen keine Doppelungen auftreten. 52 Die zugehörigen Korrespondenzen für v > bleibt die Literatur meist schuldig. Für weitere Ausführungen siehe [Gra04, S. 02ff.]. 6 Kapitel 2 z-transformation

17 2.4.3 Residuensatz Statt der Lösung des Integrals der z-rücktransformation, der Partialbruchzerlegung oder der Polynomdivision kann auch der Residuensatz zur Gewinnung der Folge f(k) aus der Funktion F(z) nach Gleichung 2. mit m < n angewendet werden: l Res(z k F(z), z x,j, v j ) k 0 f(k) = j=. 0 k < 0 Die Anzahl der verschiedenen Polstellen z x,j von F(z) ist l ( j l, l n), die Vielfachheit der j-ten Polstelle ist v j. Die Residuen ergeben sich zu: Res ( ( ) z k ) F(z), z x,j, v j = (v j )! lim dvj z z x,j dz v z k F(z) (z z j x,j ) v j STABILITÄT Ein System ist BIBO 54 -stabil, wenn es auf begrenzte Signale am Eingang nur mit ebenfalls begrenzten Signalen am Ausgang reagiert. Um Stabilität nachzuweisen, müssten jedoch alle möglichen Signale angelegt werden. Existiert ein Signal, auf das das System mit keiner endlichen Antwort reagiert, ist hingegen Instabilität nachgewiesen. Da es nicht möglich ist, alle Signale zu testen, wurden algebraische Kriterien eingeführt. So sind Systeme mit einer gebrochenrationalen und teilerfremden Übertragungsfunktion G(z) nach Gleichung 2. genau dann stabil, wenn alle Polstellen z x,j von G(z) im Inneren des Einheitskreises der z-ebene liegen: z x,j < für alle j mit j n, sonst instabil. Alternativ kann im Zeitbereich geprüft werden, ob die Gewichtsfolge g(k) eines Systems absolut summierbar ist: g(k) = c < mit c R. (2.3) k=0 Ist Gleichung 2.3 erfüllt, so ist das durch g(k) beschriebene System stabil, andernfalls nicht. Stabilität kann aber auch ohne explizite Bestimmung der Polstellen von G(z) nachgewiesen werden, beispielsweise durch Anwendung des Jury-Kriteriums (siehe auch [Lun0b, S. 477f.]). 53 (z z x,j ) v j ist herauszukürzen. 54 Bounded input bounded output. 2.5 Stabilität 7

18 8 Kapitel 2 z-transformation

19 LITERATURVERZEICHNIS [Ase58] ASELTINE, J.A.: Transform method in linear system analysis. New York [u.a.] : McGraw-Hill, 958 [BSMM0] BRONSTEIN, I.N. ; SEMENDJAJEW, K.A. ; MUSIOL, G. ; MÜHLIG, H.: Taschenbuch der Mathematik. 5., überarb. u. erw. Aufl., unveränd. Nachdr. Thun; Frankfurt am Main : Deutsch, 200. ISBN [Doe89] [Föl07] DOETSCH, G.: Anleitung zum praktischen Gebrauch der Laplace-Transformation und der Z-Transformation. 6. Aufl., Nachdr. d. 3., neubearb. Aufl. München ; Wien : Oldenbourg, 989. ISBN FÖLLINGER, O.: Laplace-, Fourier- und z-transformation. 9., überarb. Aufl. / bearb. von Mathias Kluwe. Heidelberg : Hüthig, 2007 (Studium). ISBN [Gra04] GRAF, U.: Applied Laplace transforms and z-transforms for scientists and engineers : a computational approach using a Mathematica package. Basel ; Berlin [u.a.] : Birkhäuser, ISBN [Gro9] GROVE, A.C.: An introduction to the Laplace transform and the z transform. New York [u.a.] : Prentice Hall, 99. ISBN [Jur64] JURY, E.I.: Theory and application of the z-transform method. New York [u.a.] : Wiley, 964 [Lun0a] [Lun0b] [LW0] [Mer04] [MSF09] LUNZE, J.: Regelungstechnik. Bd., Systemtheoretische Grundlagen, Analyse und Entwurf einschleifiger Regelungen. 8., neu bearb. Aufl. Berlin ; Heidelberg [u.a.] : Springer, 200 LUNZE, J.: Regelungstechnik. Bd. 2, Mehrgrößensysteme, digitale Regelung. 6., neu bearb. Aufl. Berlin ; Heidelberg [u.a.] : Springer, 200 LUTZ, H. ; WENDT, W.: Taschenbuch der Regelungstechnik : mit MATLAB und Simulink. 8., erg. Aufl. Frankfurt am Main : Harri Deutsch, 200. ISBN MERZIGER, G.: Formeln + Hilfen zur höheren Mathematik. 4. Aufl., [Nachdr.]. Springe : Binomi, ISBN X MANN, H. ; SCHIFFELGEN, H. ; FRORIEP, R.: Einführung in die Regelungstechnik: analoge und digitale Regelung, Fuzzy-Regler, Regler-Realisierung, Software.., neu bearb. Aufl. München : Hanser, ISBN

20 [Nix64] [Rei06] NIXON, F.E.: Beispiele und Tafeln zur Laplace-Transformation. Stuttgart : Franckh, 964. Originaltitel: Handbook of Laplace Transformation; Aus dem Amerik. übertr. von Theo Lutz REINSCHKE, K.: Lineare Regelungs- und Steuerungstheorie : Modellierung von Regelstrecken, robuste Stabilität und Entwurf robuster Regler, Trajektoriensteuerung mit Folgeregelung, polynomiale Beschreibung von MIMO-Systemen, Zeitdiskrete und Abtastregelkreise. Berlin ; Heidelberg [u.a.] : Springer, ISBN [WS06] WUNSCH, G. ; SCHREIBER, H.: Analoge Systeme. 4. Aufl. Dresden : TUDpress, 2006 (Lehrbuch). ISBN LITERATURVERZEICHNIS