Solution Manual for Digital Control System Analysis Design, 4th Edition

Preview Extract
Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. CHAPTER 2 2.2-1. The rectangular rules for numerical integration are illustrated in Fig. P2.2-1. The left-side rule is depicted in Fig. P2.2-1(a), and the right-side rule is depicted in Fig. P2.2-1(b). The integral of x (t ) is approximated by the sum of the rectangular areas shown for each rule. Let y ( kT ) be the numerical integral of x (t ), 0 โ‰ค t โ‰ค kT. x(t) x(k + 1) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) x(k) kT (k + 1)T t (a) x(t) x(k + 1) kT (k + 1)T t (b) FIGURE P2.2-1 Rectangular rules for integration: (a) left side; (b) right side. (a) Write the difference equation relating y ( k + 1) , y ( k ) , and x ( k ) for the left-side rule. (b) Find the transfer function Y ( z ) /X ( z ) for part (a). (c) Write the difference equation relating y ( k + 1) , y ( k ) , and x ( k + 1) for the right-side rule. (d) Find the transfer function Y ( z ) /X ( z ) for part (c). (e) Express y ( k ) as a summation on x ( k ) for the left-side rule. (f) Express y ( k ) as a summation on x ( k ) for the right-side rule. ย  17 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. Solution: (a) y(k + 1) = y(k ) + Tx(k ) (b) zY ( z ) = Y ( z ) + TX ( z ) โ‡’ Y ( z) T = X ( z) z โˆ’ 1 (c) y(k + 1) = y(k ) + Tx(k + 1) (d) zY ( z ) = Y ( z ) + TzX ( z ) โ‡’ Y ( z) Tz = X ( z) z โˆ’ 1 (e) y(1) = y(0) + Tx(0) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) y(2) = y(1) + Tx(1) = y(0) + T ( x(0) + x(1) ) y(3) = y(2) + Tx(2) = y(0) + T [ x(0) + x(1) + x(2)] k โˆ’1 โˆด y(k ) = y(0) + T โˆ‘ x(n) n =0 (f) y(1) = y(0) + Tx(1) y(2) = y(1) + Tx(2) = y(0) + T [ x(1) + x(2)] k โˆด y(k ) = y(0) + T โˆ‘ x(n) n =1 2.2-2. The trapezoidal rule (modified Euler method) for numerical integration approximates the integral of a function x (t ) by summing trapezoid areas as shown in Fig. P2.2-2. Let y (t ) be the integral of x (t ) . x(t) x(k) x(k + 1) kT (k + 1)T t FIGURE P2.2-2 Trapezoidal rule for numerical integration. (a) Write the difference equation relating y โŽกโŽฃโŽข( k + 1)T โŽคโŽฆโŽฅ , y ( kT ), x โŽกโŽฃโŽข( k + 1)T โŽคโŽฆโŽฅ , and x ( kT ) for this rule. (b) Show that the transfer function for this integrator is given by ย  18 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. Y ( z) X ( z) = (T 2)( z + 1) z โˆ’1 Solution: (a) y(k + 1) = y(k ) + T (b) zY ( z) = Y ( z) + x(k ) + x(k + 1) 2 T T z +1 X ( z) [ X ( z) + zX ( z)] โ‡’ Y ( z) = 2 2 z โˆ’1 2.2-3. (a) The transfer function for the right-side rectangular-rule integrator was found in Problem 2.2-1 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) to be Y ( z ) /X ( z ) = Tz/ ( z โˆ’ 1) . We would suspect that the reciprocal of this transfer function should yield an approximation to a differentiator. That is, if w( kT ) is a numerical derivative of x (t ) at t = kT , W ( z) X ( z) = z โˆ’1 Tz Write the difference equation describing this differentiator. (b) Draw a figure similar to those in Fig. P2.2-1 illustrating the approximate differentiation. (c) Repeat part (a) for the left-side rule, where W ( z ) /X ( z ) = T / ( z โˆ’ 1) . (d) Repeat part (b) for the differentiator of part (c). Solution: (a) Tz W ( z) = zX ( z) โˆ’ X ( z) w(k + 1) = 1 [ x(k + 1) โˆ’ x(k )] T (b) x calculated slope kT (k + 1)T t (c) TW ( z) = zX ( z) โˆ’ X ( z) ย  19 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. x calculated slope kT (k + 1)T t w(k ) = 1 [ x(k + 1) โˆ’ x(k ) ] T 2.3-1. Find the z-transform of the number sequence generated by sampling the time function e(t ) = t every T seconds, beginning at t = 0 . Can you express this transform in closed form? e(t) = t; E(z) = 0 + Tz โˆ’1 + 2Tz โˆ’2 +! = Tz (z โˆ’ 1)2 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) Solution: 2.3-2. (a) Write, as a series, the z-transform of the number sequence generated by sampling the time function e(t ) = ฮตโˆ’t every T seconds, beginning at t = 0 . Can you express this transform in closed form? (b) Evaluate the coefficients in the series of part (a) for the case that T = 0.05 s . (c) The exponential e(t ) = ฮตโˆ’bt is sampled every T = 0.2 s , yielding the z-transform โŽ› 1โŽž โŽ› 1 โŽž2 โŽ› 1 โŽž3 E(z) = 1 + โŽœโŽœ โŽŸโŽŸโŽŸ zโˆ’1 + โŽœโŽœ โŽŸโŽŸโŽŸ zโˆ’2 + โŽœโŽœ โŽŸโŽŸโŽŸ zโˆ’3 + ๏Œ โŽœโŽ 2 โŽ  โŽœโŽ 2 โŽ  โŽœโŽ 2 โŽ  Evaluate b. Solution: (a) E( z) = 1 + ฮตโˆ’T z โˆ’1 + ฮตโˆ’2T z โˆ’2 +L = 1 + (ฮต โˆ’T z โˆ’1 ) 1+ (ฮต โˆ’T z โˆ’1 )2 +! = 1 z = โˆ’T โˆ’1 1โˆ’ ฮต z z โˆ’ ฮต โˆ’T (b) E(z) = 1+ (0.9512z โˆ’1 )1 + (0.9512z โˆ’1 )2 +! = (c) ฮตโˆ’bT T = 0.2 z z โˆ’ 0.9512 = ฮตโˆ’0.2b = 0.5 ย  20 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โˆดโˆ’0.2b = ln (0.5) = โˆ’0.6931 โ‡’ b = โˆ’3.466 2.3-3. Find the z-transforms of the number sequences generated by sampling the following time functions every T seconds, beginning at t = 0 . Express these transforms in closed form. (a) e(t ) = ฮตโˆ’at (b) e(t ) = ฮต ( โˆ’ tโˆ’T ) u (t โˆ’ T ) (c) e(t ) = ฮต ( u (t โˆ’ 5T ) Solution: T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โˆ’ tโˆ’5T ) (a) e(t) = ฮตโˆ’at โ‡’ E(z) = 1+ ฮตโˆ’aT z โˆ’1 + ฮตโˆ’2aT z โˆ’2 +! = z 2-3. z โˆ’ ฮตโˆ’aT (b) e(t ) = ฮตโˆ’(t โˆ’T )u(t โˆ’ T ) # z & 1 E(z) = z โˆ’1 + ฮตโˆ’T z โˆ’2 + ฮตโˆ’2T z โˆ’3 +! = z โˆ’1 % (= $ z โˆ’ ฮตโˆ’T ‘ z โˆ’ ฮตโˆ’T (c) e(t ) = ฮตโˆ’(t โˆ’5T )u(t โˆ’ 5T ) # z & 1 E(z) = z โˆ’5 + ฮตโˆ’T z โˆ’6 + ฮตโˆ’2T z โˆ’7 +! = z โˆ’5 % (= $ z โˆ’ ฮตโˆ’T ‘ z 4 (z โˆ’ ฮตโˆ’T ) 2.4-1. A function e(t ) is sampled, and the resultant sequence has the z-transform E ( z) = z 3 โˆ’ 2z z 4 โˆ’ 0.9z 2 + 0.8 Solve this problem using E ( z ) and the properties of the z-transform. (a) Find the z-transform of e(t โˆ’ 2T )u (t โˆ’ 2T ) . (b) Find the z-transform of e(t + 2)u (t ) . (c) Find the z-transform of e(t โˆ’ T )u (t โˆ’ 2T ) . ย  21 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. Solution: (a) [e(t โˆ’ 2T )u(t โˆ’ 2T )] = (z 3 โˆ’ 2z)z โˆ’2 z 4 โˆ’ 0.9z 2 + 0.8 (b) e(0) = 0, e(1) = 1 โˆด [e(t + T )u(t)] = z[E(z) โˆ’ e(0) โˆ’ e(1)z โˆ’1 ] โŽก z3 โˆ’ 2z 1โŽค โˆ’1.1z 2 + 0.8 = zโŽข 4 โˆ’ = โŽฅ 2 4 2 โŽฃ z โˆ’ 0.9 z + 0.8 z โŽฆ z โˆ’ 0.9 z + 0.8 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (c) [e(t โˆ’ T )u(t โˆ’ 2T )] = e(T )z โˆ’2 + e(2T )z โˆ’3 +! = z โˆ’1[E( z) โˆ’ e(0)] = z โˆ’1E( z), since e(0) = 0 = z2 โˆ’ z z 4 โˆ’ 0.9 z 2 + 0.8 2.4-2. A function e(t ) is sampled, and the resultant sequence has the z-transform E ( z) = zโˆ’b z โˆ’ cz 2 + d 2 Find the z-transform of ฮต akT e( kT ) . Solve this problem using E ( z ) and the properties of the ztransform. Solution: By complex translation zฮตโˆ’aT โˆ’ b โŽก ฮต akT e( kT )โŽค = E(zฮตโˆ’aT ) = โŽขโŽฃ โŽฅโŽฆ 2 โˆ’2aT โˆ’ cz 2ฮตโˆ’2aT + d z ฮต 2.5-1. From Table 2-3, z ( z โˆ’ cos aT ) โŽกโŽขcos akT โŽคโŽฅ = โŽฆ โŽฃ 2 z โˆ’ 2z cos aT + 1 ย  22 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (a) Find the conditions on the parameter a such that โ‡ฅ โŽกโŽขโŽฃcos akT โŽคโŽฅโŽฆ is first order (pole-zero cancellation occurs). (b) Give the first-order transfer function in part (a). (c) Find a such that โ‡ฅ โŽกโŽฃโŽขcos akT โŽคโŽฆโŽฅ = โ‡ฅ โŽกโŽขโŽฃu ( kT )โŽคโŽฅโŽฆ , where u ( kT ) is the unit step function. Solution: z cos a ยฑ 4cos 2 a โˆ’ 4 = cos(a) ยฑ j sin(a) 2 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (a) poles: z = โˆด pole = cos a, provided sin a = 0 โ‡’ a = 0, ยฑ ฯ€, ยฑ 2ฯ€, K , ยฑ nฯ€ Then cos a = (โˆ’1)n โˆด poles = cos a (b) E ( z ) = z ( z โˆ’ cos a) z , a = ยฑ nฯ€, n = 0, 1, โ€ฆ = ( z โˆ’ cos a)( z โˆ’ cos a) z โˆ’ cos a (c) E ( z ) = z z , โˆด cos a = 1, a = 0, ยฑ 2ฯ€, ยฑ 4ฯ€, โ€ฆ = z โˆ’ cos a z โˆ’ 1 2.5-2. Find the z-transform, in closed form, of the number sequence generated by sampling the time function e(t ) every T seconds beginning at t = 0 . The function e(t ) is specified by its Laplace transform, E ( s) = ( 2 1 โˆ’ ฮตโˆ’5s s(s + 2) ), T = 1s Solution: E1 (s) = 2 1 โˆ’1 = + s(s + 2) s s + 2 โˆด e1 (t ) = (1 โˆ’ ฮตโˆ’2t )u(t ) โ‡’ e1 (kT ) = (1 โˆ’ ฮตโˆ’2kT )u(kT ) โˆด E1 (z) = (1+ z โˆ’1 + z โˆ’2 +!) โˆ’ (1โˆ’ ฮตโˆ’2T z โˆ’1 + ฮตโˆ’4T z โˆ’2 +!) ย  23 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. = 1 1 z z (1 โˆ’ ฮตโˆ’2 ) z โˆ’ = โˆ’ = , T =1 1 โˆ’ z โˆ’1 1 โˆ’ ฮตโˆ’2 z โˆ’1 z โˆ’ 1 z โˆ’ ฮตโˆ’2T ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ ฮตโˆ’2 ) E ( z ) = E1 ( z ) โˆ’ z โˆ’5 E1 ( z ) = (1 โˆ’ ฮตโˆ’2 )( z 5 โˆ’ 1) 0.8647( z 5 โˆ’ 1) = z 4 ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ ฮตโˆ’2 ) z 4 ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.1353) 2.6-1. Solve the given difference equation for x ( k ) using: T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โŽง1, k = 0, 1 x(k ) โˆ’ 3x(k โˆ’ 1) + 2 x(k โˆ’ 2) = e(k ), e(k ) = โŽจ โŽฉ0, k โ‰ฅ 2 x (โˆ’2) = x (โˆ’1) = 0 (a) The sequential technique. (b) The z-transform. (c) Will the final-value theorem give the correct value of x ( k ) as k โ†’ โˆž ? Solution: (a) x(0) = e(0) = 1 x(1) = e(1) + 3x(0) = 4 x(2) = e(2) + 3x(1) โˆ’ 2 x(0) = 10 x(3) = 0 + 3(10) โˆ’ 2(4) = 22 x(4) = 0 + 3(22) โˆ’ 2(10) = 46 (b) [1 โˆ’ 3z โˆ’1 + 2 z โˆ’2 ] X ( z) = E( z) = 1 + z โˆ’1 = X ( z) = z +1 z z2 z +1 z ( z + 1) 3 โŽค โŽก โˆ’2 ร— = = zโŽข + โŽฅ z ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 2) ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 2) โŽฃ z โˆ’1 z โˆ’ 2โŽฆ โˆด x(k ) = โˆ’2 + 3(2)k (c) No, since the final value does not exist. ย  24 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 2.6-2. Given the difference equation y ( k + 2) โˆ’ 3 1 y ( k + 1) + y ( k ) = e( k ) 4 8 where y (0) = y (1) = 0, e(0) = 0 , and e( k ) = 1, k = 1, 2,โ€ฆ . (a) Solve for y ( k ) as a function of k, and give the numerical values of y ( k ), 0 โ‰คk โ‰ค 4. (b) Solve the difference equation directly for y ( k ), 0 โ‰ค k โ‰ค 4, to verify the results of part (a). Solution: (a) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (c) Repeat parts (a) and (b) for e( k ) = 0 for all k, and y (0) = 1, y (1) = โˆ’2 . โŽก z โŽค 1 = E(z) = [u(k โˆ’ 1)] = z โˆ’1 โŽข โŽฅ โŽฃ z โˆ’ 1โŽฆ z โˆ’ 1 1โŽค โŽก 2 3 โŽข z โˆ’ 4 z + 8 โŽฅ Y ( z) = E( z) โŽฃ โŽฆ Y ( z) 1 1 โˆ’8 8 3 โˆ’16 64 3 = ยท = + + + 1 1 โŽžโŽ› 1 โŽž z โˆ’1 z z โˆ’1 z โˆ’ z z โˆ’1 4 โŽ› z โŽœ z โˆ’ โŽŸโŽœ z โˆ’ โŽŸ 2 2 โŽ โŽ 4โŽ  โŽ k 64 โŽ› 1 โŽž โŽ›1โŽž โˆด y (k ) = โˆ’8ฮด(0) + 8 โˆ’ 16 โŽœ โŽŸ + โŽœ โŽŸ 3 3 โŽ4โŽ  โŽ2โŽ  k โˆด y(0) = 0; y(1) = 0; y(2) = 0; y(3) = 1; y(4) = (b) y(k + 2) = e(k ) + 7 4 3 1 y (k + 1) โˆ’ y(k ) 4 8 3 1 y(2) = 0 + (0) โˆ’ (0) = 0 4 8 3 1 y (3) = 1 + (0) โˆ’ (0) = 1 4 8 3 1 y(4) = 1 + (1) โˆ’ (0) = 7 4 4 8 ย  25 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 3 1 (c) (a) y(k + 2) โˆ’ y(k + 1) + y(k ) = 0 4 8 3 1 โˆด z 2 [Y ( z ) โˆ’ y(0) โˆ’ y(1) z โˆ’1 ] โˆ’ z[Y ( z ) โˆ’ y(0)] + Y ( z ) = 0 4 8 3 1โŽค 3 โŽก โˆด โŽข z 2 โˆ’ z + โŽฅ Y ( z) = z 2 โˆ’ 2z โˆ’ z 4 8โŽฆ 4 โŽฃ โŽก โŽค k k โŽก โŽค z โˆ’1 4 โŽฅ = z โŽข โˆ’9 + 10 โŽฅ โ‡’ y(k) = โˆ’9 โŽ› 1 โŽž + 10 โŽ› 1 โŽž โˆด Y (z) = z โŽข โŽœโŽ 2 โŽŸโŽ  โŽœโŽ 4 โŽŸโŽ  โŽข โŽขz โˆ’ 1 1 1 โŽฅ zโˆ’ 1 โŽฅ โŽขโŽฃ z โˆ’ 2 z โˆ’ 4 โŽฅโŽฆ โŽฃ 4โŽฆ 2 ( )( ) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) y(0) = 1, y(1) = โˆ’2, y(2) = โˆ’13 8, y(3) = โˆ’ 31 32, y(4) = โˆ’ 67 128 (b) y(k + 2) = 3 1 y(k + 1) โˆ’ y(k ) 4 8 y(2) = 3 1 (โˆ’2) โˆ’ (1) = โˆ’13 8 4 8 y (3) = 3 โŽ› 13 โŽž 1 โŽœ โˆ’ โŽŸ โˆ’ (โˆ’2) = โˆ’31 32 4โŽ 8 โŽ  8 y (4) = 3 โŽ› 31 โŽž 1 โŽ› 13 โŽž 67 โŽœโˆ’ โŽŸ โˆ’ โŽœโˆ’ โŽŸ = โˆ’ 4 โŽ 32 โŽ  8 โŽ 8 โŽ  128 2.6-3. Given the difference equation x ( k ) โˆ’ x ( k โˆ’ 1) + x ( k โˆ’ 2) = e( k ) where e( k ) = 1 for k โ‰ฅ 0. (a) Solve for x ( k ) as a function of k, using the z-transform. Give the values of x (0), x (1) , and x (2) . (b) Verify the values x (0) , x (1) , and x (2) , using the power-series method. (c) Verify the values x (0) , x (1) , and x (2) by solving the difference equation directly. (d) Will the final-value property give the correct value for x (โˆž)? ย  26 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. Solution: (a) [1 โˆ’ z โˆ’1 + z โˆ’2 ] X ( z) = E( z) = X ( z) = z3 , ( z โˆ’ 1)( z 2 โˆ’ z + 1) z z โˆ’1 poles: z = 1 3 ยฑ j = 1โˆ  ยฑ 60ยฐ 2 2 k k* 1 X ( z) = + 1 + 1 * with p = 1โˆ 60ยฐ z z โˆ’ 1 z โˆ’ p1 z โˆ’ p1 k1 = 1โˆ 120ยฐ = 0.5774 โˆ  โˆ’ 90ยฐ 1โˆ 120ยฐ [ j 2(0.866)] T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) = z2 1โˆ 120ยฐ = ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 1โˆ  โˆ’ 60ยฐ) z =1โˆ 60ยฐ (.5 + j.866 โˆ’ 1)(.5 + j.866 โˆ’ .5 + j.866) โˆด aT = ln ( p1 ) = 0; bT = arg p1 = ฯ€ 3 A = 2 k1 = 1.155; ฮธ = arg k1 = โˆ’90ยฐ โŽ›ฯ€ โŽž โŽ›ฯ€ โŽž โˆด x(k ) = 1 + 1.155 cos โŽœ k โˆ’ 90ยฐ โŽŸ = 1 + 1.155 sin โŽœ k โŽŸ 3 โŽ โŽ  โŽ3 โŽ  x(0) = 1, x(1) = 2, x(2) = 2 1+ 2z โˆ’1 + 2z โˆ’2 +! (b) z 3 โˆ’ 2z 2 + 2z โˆ’ 1 z 3 3 2 z โˆ’ 2z + 2z โˆ’ 1 โˆด x(0) = 1 x(1) = 2 x(2) = 2 2z 2 โˆ’ 2z + 1 2z 2 โˆ’ 4z + 4 โˆ’ 2z โˆ’1 2z +! (c) x(k ) = 1 + x(k โˆ’ 1) โˆ’ x(k โˆ’ 2) x(0) = 1 + 0 โˆ’ 0 = 1 x(1) = 1 + 1 โˆ’ 0 = 2 x(2) = 1 + 2 โˆ’ 1 = 2 (d) No, 3 poles for X(z) on the unit circle. ย  27 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 2.6-4. Given the difference equation x ( k + 2) + 3x ( k + 1) + 2x ( k ) = e( k ) where โŽง 1, โŽช k=0 โŽช e( k ) = โŽจ โŽช 0, otherwise โŽช โŽช โŽฉ x (0) = 1 x (1) = โˆ’1 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (a) Solve for x ( k ) as a function of k. (b) Evaluate x (0) , x (1) , x (2) , and x (3) in part (a). (c) Verify the results in part (b) using the power-series method. (d) Verify the results in part (b) by solving the difference equation directly. Solution: (a) z 2 [ X ( z) โˆ’ x(0) โˆ’ x(1) z โˆ’1 ] + 3z[ X ( z) โˆ’ x(0)] + 2 X ( z) = E( z) = 1 โˆด X ( z) = 1 + z 2 โˆ’ z + 3z z 2 + 2 z + 1 z + 1 = 2 = z 2 โˆ’ 3z + 2 z + 3z + 2 z + 2 1 โŽก z +1 โŽค โŽก1 โŽค โˆด X ( z) = z โŽข = zโŽข 2 + 2 โŽฅ โŽฅ + + z z z z ( 2) 2 โŽฃ โŽฆ โŽฃ โŽฆ 1 1 โˆด x(k ) = ฮด(k ) + (โˆ’2)k 2 2 (b) x(0) = 1, x(1) = โˆ’1, x(2) = 2, x(3) = โˆ’4 ย  28 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 1โˆ’ z โˆ’1 + 2z โˆ’2 โˆ’ 4z โˆ’3 +โ€ฆ (c) z + 2 z + 1 z+2 โˆ’1 โˆ’1โˆ’ 2z โˆ’1 2z โˆ’1 2z โˆ’1 + 4z โˆ’2 โˆ’4z โˆ’2 ! (d) x(k + 2) = e(k ) โˆ’ 3x(k + 1) โˆ’ 2x(k ) x(2) = 1 โˆ’ 3(โˆ’1) โˆ’ 2(1) = 2 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) x(3) = 0 โˆ’ 3(2) โˆ’ 2(โˆ’1) = โˆ’4 2.6-5. Given the difference equation x ( k + 3) โˆ’ 2.2x ( k + 2) + 1.57x ( k + 1) โˆ’ 0.36x ( k ) = e( k ) where e( k ) = 1 for all k โ‰ฅ 0, and x (0) = x (1) = x (2) = 0 . (a) Write a digital computer program that will calculate x ( k ) . Run this program solving for x (3) , x (4) , . . . , x (25) . (b) Using the sequential technique, check the values of x ( k ), 0 โ‰ค k โ‰ค 5. (c) Use the z-transform and the power-series method to verify the values x ( k ), 0 โ‰ค k โ‰ค 5. Solution: (a) x0 = 0; x1 = 0; x2 = 0; for k = 0:5; x3 = 2.2*x2 โ€“ 1.57*x1 + 0.36*x0 + 1 x0 = x1; ย  29 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. x1 = x2; x2 = x3; end (b) x(k + 3) = e(k ) + 2.2x(k + 2) โˆ’ 1.57 x(k + 1) + 0.36x(k ) x(3) = 1 + 0 โˆ’ 0 + 0 = 1 x(4) = 1 + 2.2(1) โˆ’ 0 + 0 = 3.2 x(5) = 1 + 2.2(3.2) โˆ’ 1.57(1) = 6.47 X ( z) = z z โˆ’1 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (c) [ z 3 โˆ’ 2.2 z 2 + 1.57 z โˆ’ 0.36] X ( z) = E( z) = z ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 2.2 z 2 + 1.57 z โˆ’ 0.36) 3 z โˆ’3 + 3.2z โˆ’4 + 6.47z โˆ’5 +! z 4 โˆ’ 3.2z 3 + 3.77z 2 โˆ’ 1.93z + 0.36z z โˆ’ 3.2 + 3.77z โˆ’1 โˆ’! 3.2 โˆ’ 3.77z โˆ’1 3.2 โˆ’ 10.24z โˆ’1 +! 6.47z โˆ’1 +! ! โˆด x(3) = 1 x(4) = 3.2 x(5) = 6.47 2.7-1. (a) Find e(0) , e(1) , and e(10) for E ( z) = 0.1 z ( z โˆ’ 0.9) using the inversion formula. (b) Check the value of e(0) using the initial-value property. (c) Check the values calculated in part (a) using partial fractions. ย  30 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (d) Find e( k ) for k = 0, 1, 2, 3, and 4 if โ‡ฅ โŽกโŽฃโŽข e( k )โŽคโŽฆโŽฅ is given by E ( z) = 1.98z ( z โˆ’ 0.9z + 0.9)( z โˆ’ 0.8)( z โˆ’ 1.2z + 0.27) 2 2 (e) Find a function e(t ) which, when sampled at a rate of 10 Hz (T = 0.1s) , results in the transform E ( z ) = 2z/ ( z โˆ’ 0.8) . (f) Repeat part (e) for E ( z ) = 2z/ ( z + 0.8) . Solution: (a) e(k ) = T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (g) From parts (e) and (f), what is the effect on the inverse z-transform of changing the sign on a real pole? 0.1z k โˆ’1 0.1z k โˆ’ 2 = โˆ‘ โˆ‘ residues z ( z โˆ’ 0.9) residues z โˆ’ 0.9 k = 0 : fcn = 0.1 0.1 = 0.1235 , โˆด residue z =0.9 = z ( z โˆ’ 0.9) (0.9)2 residue z =0 = d โŽก 0.1 โŽค โˆ’0.1(1) โˆ’0.1 = = = โˆ’0.1235 โŽข โŽฅ 2 dz โŽฃ z โˆ’ 0.9 โŽฆ z = 0 ( z โˆ’ 0.9) z = 0 (0.9)2 โˆด e(0) = 0 k = 1: e(1) = 2 0.1 0.1 + =0 z โˆ’ 0.9 z =0 z z =0.9 k = 10 : e(10) = 0.1(0.9)8 (b) e(0) = lim E ( z) = lim z โ†’โˆž (c) 0.1 z โ†’โˆž z ( z โˆ’ 0.9) =0 k3 k k 0.1 E( z) = 2 = 12 + 2 + z z z โˆ’ 0.9 z ( z โˆ’ 0.9) z k1 = 1 0.1 1 โˆ’0.1 = โˆ’ ; k3 = 0.9 9 (0.9)2 8.1 k2 = d โŽก 0.1 โŽค โˆ’1 = , from (a) โŽข โŽฅ dz โŽฃ z โˆ’ 0.9 โŽฆ z =0 8.1 ย  31 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โˆด e(k ) = โˆ’1 1 1 ฮด(k ) โˆ’ ฮด(k โˆ’ 1) + (0.9)k 8.1 9 8.1 x(0) = โˆ’ 1 1 1 0.9 +0+ = 0; x(1) = โˆ’ 0 โˆ’ + =0 8.1 8.1 9 8.1 x(10) = โˆ’ 0 โˆ’ 0 + (d) E(z) = 0.1 (0.9)10 = 0.1(0.9)8 (0.9)2 1.98z = 1.98z โˆ’4 + (โ‹…)z โˆ’5 + (โ‹…)z โˆ’6 +! z 5 +! โˆด e(0) = e(1) = e(2) = e(3) = 0; e(4) = 1.98 โˆดa = 2z 2z = z โˆ’ 0.8 z โˆ’ ฮตโˆ’ aT โˆดฮตโˆ’ aT = 0.8 โ‡’ aT = 0.2231 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (e) E ( z ) = 0.2231 = 2.231, โˆด e(t ) = 2ฮตโˆ’2.231t u (t ) 0.1 (f) E ( z ) = 2z ; โˆดฮตโˆ’ aT ฮต jฯ€ = โˆ’0.8 โ‡’ aT = 2.231 z โˆ’ (โˆ’0.8) โˆด e(t ) = 2eโˆ’2.231t cos10ฯ€t where (g) (e) e(k ) = (0.8) k ; ฯ‰s = 10ฯ€ 2 (f ) e(k ) = (โˆ’0.8) k โˆด sign alternates on e(k ). 2.7-2. For the number sequence {e( k )} , E ( z) = z 2 ( z + 1) (a) Apply the final-value theorem to E ( z ) . (b) Check your result in part (a) by finding the inverse z-transform of E ( z ) . 2 (c) Repeat parts (a) and (b) with E ( z ) = z/ ( z โˆ’ 1) . 2 (d) Repeat parts (a) and (b) with E ( z ) = z/ ( z โˆ’ 0.9) . ย  32 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 2 (e) Repeat parts (a) and (b) with E ( z ) = z/ ( z โˆ’ 1.1) . Solution: (a) e(โˆž) = lim ( z โˆ’ 1) E ( z ) = z โ†’1 z ( z โˆ’ 1) =0 ( z + 1) 2 z =1 โŽก z โŽค (b) e(k ) = z โˆ’1 โŽข = k (โˆ’1)k , โˆด e(โˆž)unbounded 2โŽฅ โŽฃ ( z โˆ’ 1) โŽฆ (c) (a) e(โˆž) = lim ( z โˆ’ 1) z , โˆด unbounded ( z โˆ’ 1)2 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) z โ†’1 (b) e(k ) = k , โˆด unbounded (d) (a) e(โˆž) = lim ( z โˆ’ 1) z โ†’1 z =0 ( z โˆ’ 0.9)2 (b) e(k ) = k (0.9)k ; โˆด e(โˆž) โ†’ 0 (e) (a) e(โˆž) = lim ( z โˆ’ 1) z โ†’1 z =0 ( z โˆ’ 1.1)2 (b) e(k ) = k (1.1)k ; โˆด e(โˆž) is unbounded. 2.7-3. Find the inverse z-transform of each E ( z ) below by the four methods given in the text. Compare the values of e( z ) , for k = 0, 1, 2, and 3, obtained by the four methods. (a) E ( z ) = (c) E ( z ) = 0.5z ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.6) 0.5( z + 1) ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.6) (b) E ( z) = (d) E ( z) = 0.5 ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.6) z ( z โˆ’ 0.7) ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.6) (e) Use MATLAB to verify the partial-fraction expansions. Solution: ย  33 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 0.5z โˆ’1 + 0.8z โˆ’2 + 0.98z โˆ’3 +! (a) (i) z 2 โˆ’ 1.6z + 0.6 0.5z 0.5z โˆ’ 0.8 + 0.3z โˆ’1 0.8 โˆ’ 0.3z โˆ’1 0.8 โˆ’ 1.28z โˆ’1 +! 0.98z โˆ’1 +! (ii) 0.5 1.25 โˆ’1.25 1.25 z 1.25 z E( z) ; โˆด E( z) = = = + โˆ’ ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.6) z โˆ’ 1 z โˆ’ 0.6 z z โˆ’ 1 z โˆ’ 0.6 โˆด e(k ) = 1.25(1 โˆ’ 0.6k )u(k ) 0.5 z k ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.6) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (iii) z k โˆ’1 E ( z ) = e( k ) = 0.5(1) k 0.5(0.6) k + = 1.25(1 โˆ’ 0.6k )u ( k ) 1 โˆ’ 0.6 0.6 โˆ’ 1 (iv) E1 ( z ) = E2 ( z) = 0.5 z โ‡’ e1 (k ) = 0.5(0.6)k z โˆ’ 0.6 1 โ‡’ e2 (0) = 0; e2 (k ) = 1, k โ‰ฅ 1 z โˆ’1 e(0) = e1 (0)e2 (0) = (0.5)(0) = 0 e(1) = e1 (0)e2 (1) + e1 (1)e2 (0) = (0.5)(1) + (0.3)(0) = 0.5 e(2) = e1 (0)e2 (2) + e1 (1)e2 (1) + e1 (2)e2 (0) = 0.5 ร— 1 + 0.3 ร— 1 + 0.18 ร— 0 = 0.8 e(3) = 0.5 ร— 1 + 0.3 ร— 1 + 0.18 ร— 1 + 0.108 ร— 0 = 0.98 (b) e(0) = 0 e(k ) = 1.25 โˆ’ 2.083(0.6)k , k โ‰ฅ 1 E(z) = 0.5z โˆ’2 + 0.8z โˆ’3 + 0.98z โˆ’4 + 1.088z โˆ’5 +! (c) e(0) = 0; e(k ) = 2.5 โˆ’ 3.33(0.6)k , k โ‰ฅ 1 E(z) = 0.5z โˆ’1 + 1.30z โˆ’2 + 1.78z โˆ’3 + 2.068z โˆ’4 + 2.2408z โˆ’5 +! (d) e(k ) = 0.75 + 0.25(0.6)k ย  34 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. E(z) = 1+ 0.9z โˆ’1 + 0.84z โˆ’2 + 0.804z โˆ’3 +! (e) num=[0 0 0.5]; den=[1 โ€“1.6 0.6]; [r, p, k] = residue (num, den) 2.8-1. Given in Fig. P2.8-1 are two digital-filter structures, or realizations, for second-order filters. e(k) T T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) T d2 d1 + d0 + + + y(k) T – – y(k) T c1 c0 (a) b2 b1 e(k) + f(k) – – T T b0 + + y(k) + a1 a0 (b) FIGURE P2.8-1 Digital-filter structures: (a) 3D; (b) 1D. ย  35 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (a) Write the difference equation for the 3D structure of Fig. P2.8-1(a), expressing y ( k ) as a function of y ( k โˆ’ i) and e( k โˆ’ i) . (b) Derive the filter transfer function Y ( z ) /E ( z ) for the 3D structure by taking the z-transform of the equation in part (a). (c) Write the difference equation for the 1D structure of Fig. P2.8-1(b). Two equations are required, with one for f ( k ) and one for y ( k ) . (d) Derive the filter transfer function Y ( z ) /E ( z ) for the 1D structure by taking the z-transform of T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) the equations in part (c) and eliminating F ( z ) . (e) From parts (b) and (d), relate the coefficients ฮฑ i , ฮฒi to ai , bi such that the two filters realize the same transfer function. (f) Write a computer-program segment that realizes the 3D structure. This program should be of the form used in Example 2.10. (g) Write a MATLAB-program segment that realizes the 1D structure. This program should be of the form used in Example 2.10. Solution: (a) y(k ) = ฮฒ2e(k ) + ฮฒ1e(k โˆ’ 1) + ฮฒ0e(k โˆ’ 2) โˆ’ ฮฑ1 y(k โˆ’ 1) โˆ’ ฮฑ0 y(k โˆ’ 2) (b) โŽฃโŽก1 + ฮฑ1 z โˆ’1 + ฮฑ0 z โˆ’2 โŽคโŽฆ Y ( z ) = โŽกโŽฃฮฒ2 + ฮฒ1 z โˆ’1 + ฮฒ0 z โˆ’2 โŽคโŽฆ E ( z ) Y ( z ) ฮฒ2 z 2 + ฮฒ1 z + ฮฒ0 = 2 E( z) z + ฮฑ1 z + ฮฑ0 (c) f (k ) = e(k ) โˆ’ a1 f (k โˆ’ 1) โˆ’ a0 f (k โˆ’ 2) y(k ) = b2 f (k ) + b1 f (k โˆ’ 1) + b0 f (k โˆ’ 2) (d) F ( z ) = E ( z ) โˆ’ (a1 z โˆ’1 + a0 z โˆ’2 ) F ( z ) โ‡’ F ( z ) = Y ( z ) = (b2 + b1 z โˆ’1 + b0 z โˆ’2 ) F ( z ) = (e) ฮฑi = ai E( z) 1 + a1 z โˆ’1 + a0 z โˆ’2 b2 z 2 + b1 z + b0 z 2 + a1 z + a0 E( z) and ฮฒi = bi , i = 1, 2 ย  36 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (f) ykminus2 = 0; ykminus1 = 0; ekminus2 = 0; ekminus1 = 0; ek = 1; for k = 0:5 yk=b2*ek+b1*ekminus1+b0*ekminus2โ€“a1*ykminus1-a0*ykminus2; T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) [k, ek, yk] ekminus2 = ekminus1; ekminus1 = ek; ykminus2 = ykminus1; ykminus1 = yk; end (g) fkminus2 = 0; fkminus1 = 0; ek = 1; for k = 0:5 fk=ek-a1*fkminus1โ€“a0*fkminus2; yk = b2*fk+b1*fkminus1+b0*fkminus2; [k, ek, yk] fkminus2 = fkminus1; fkminus1 = fk; end ย  37 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 2.8-2. Shown in Fig. P2.8-2 is the second-order digital-filter structure 1X. b2 g1 e(k) g3 + + f1(k) + T – y(k) + g2 g2 + + f2(k) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) g4 T + g1 FIGURE P2.8-2 Digital-filter structure 1X. This structure realizes the filter transfer function D ( z ) = b2 + A Aโˆ— + zโˆ’ p zโˆ’ pโˆ— where p and p โˆ— (conjugate of p) are complex. The relationships between the filter coefficients and the coefficients in Fig. P2.8-2 are given by g1 = Re( p) g3 = โˆ’2 Im ( A) g2 = Im ( p) g4 = 2 Re( A) (a) To realize this filter, difference equations are required for f1 ( k ), f2 ( k ), and y ( k ) . Write these equations. (b) Find the filter transfer function Y ( z ) /E ( z ) by taking the z-transform of the equations of part (a) and eliminating F1 ( z ) and F2 ( z ) . (c) Verify the results in part (b) using Masonโ€™s gain formula. (d) Write a MATLAB-program segment that realizes the 1X structure. This program should be of the form of that is used in Example 2.10. ย  38 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. Solution: (a) f1 (k ) = g1 f1 (k โˆ’ 1) โˆ’ g2 f2 (k โˆ’ 1) + g3e(k ) f2 (k ) = g1 f2 (k โˆ’ 1) + g1 f1 (k โˆ’ 1) + g4e(k ) y(k ) = b2e(k ) + f 2 (k โˆ’ 1) (b) (1) F1 ( z) = g1 z โˆ’1F1 ( z) โˆ’ g2 z โˆ’1F2 ( z) + g3 E( z) (2) F2 ( z) = g1 z โˆ’1F2 ( z) + g2 z โˆ’1F1 ( z) + g4 E( z) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (3) Y ( z) = b0 E( z) + z โˆ’1F2 ( z) โˆด (1) ( z โˆ’ g1 ) F1 ( z) + g2 F2 ( z) = g3 zE( z) (2) โˆ’ g2 F1 ( z) + ( z โˆ’ g1 ) F2 ( z) = g4 zE( z) z โˆ’ g1 g3 zE ( z ) โˆ’ g 2 g 4 zE ( z ) ( g 4 z 2 โˆ’ g1 g 4 z + g 2 g3 z ) โˆด F2 ( s) = = E( z) z โˆ’ g1 g2 ( z โˆ’ g1 )2 + g 22 โˆ’ g2 โˆด z โˆ’ g1 g z + g 2 g3 โˆ’ g1 g 4 Y ( z) = b2 + 4 E( z) ( z โˆ’ g1 )2 + g 22 also, D( z ) = b2 + Re( A) + j Im( A) Re( A) โˆ’ j Im( A) + z โˆ’ Re( p) โˆ’ j Im( p) z โˆ’ Re( p) + j Im( p) 1 ( g โˆ’ jg3 ) 12 ( g 4 + jg3 ) = b2 + 2 4 + z โˆ’ g1 โˆ’ jg 2 z โˆ’ g1 + jg 2 = b2 + (c) D( z ) = b0 + = b0 + g 4 z โˆ’ g1 g 4 + g 2 g3 ( z โˆ’ g1 ) 2 + g 22 g2 g3 z โˆ’2 + g 4 (1 โˆ’ g1 z โˆ’1 ) 1 โˆ’ g1 z โˆ’1 โˆ’ g1 z โˆ’1 + g12 z โˆ’2 + g 22 z โˆ’2 g 4 z + g 2 g3 โˆ’ g1 g 4 z 2 โˆ’ 2 g1 z + g12 + g 22 (d) f1kminus1 = 0; f2kminus1 = 0; ย  39 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. ek = 1; for k = 0:5 yk = b0*ek+f2kminus1; [k, ek, yk] f1k = g1*f1kminus1 โ€“ g2*f2kminus1 + g3*ek; f2k = g1*f2kminus1 + g2*f1kminus1 + g3*ek; f1kminus1 = f1k; end T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) f2kminus1 = f2k; 2.8-3. Given the second-order digital-filter transfer function D( z) = 2z 2 โˆ’ 2.4z + 0.72 z 2 โˆ’ 1.4z + 0.98 (a) Find the coefficients of the 3D structure of Fig. P2.8-1 such that D ( z ) is realized. (b) Find the coefficients of the ID structure of Fig. P2.8-1 such that D ( z ) is realized. (c) Find the coefficients of the IX structure of Fig. P2.8-2 such that D ( z ) is realized. The coefficients are identified in Problem 2.8-2. (d) Use MATLAB to verify the partial-fraction expansions in part (c). (e) Verify the results in part (c) using Masonโ€™s gain formula. Solution: (a) ฮฒ2 = 2, ฮฒ1 = โˆ’2.4, ฮฒ0 = 0.72, ฮฑ1 = โˆ’1.4, ฮฑ0 = 0.98 (b) b2 = 2, b1 = โˆ’2.4, b0 = 0.72, a1 = โˆ’1.4, a0 = 0.98 (c) poles: z = ( 1.4 ยฑ 1.42 โˆ’ 4(0.98) 2 ) = 0.7 ยฑ j0.7 = 0.99 โˆ  ยฑ 45ยฐ 1 2 ย  40 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. D( z ) = 2 + โˆดA= A A* + z โˆ’ 0.7 โˆ’ j 0.7 z โˆ’ 0.7 + j 0.7 2 z 2 โˆ’ 2.4 z + 0.72 j1.96 โˆ’ (1.68 + j1.68) + 0.72 = z โˆ’ 0.7 + j 0.7 z =0.99โˆ  45ยฐ j1.4 = 0.2 + j 0.6857 โˆด g1 = 0.7 g3 = 1.371 g2 = 0.7 g4 = 0.4 (d) num =[2 -2.4 .72]; T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) den =[1 -1.4 0.98]; [r,p,k,]=residue(num, den) (e) ฮ” = 1 โˆ’ (0.7 z โˆ’1 + 0.7 z โˆ’1 + 0.4z โˆ’2 ) + 0.49z โˆ’2 = 1 โˆ’ 1.4 z โˆ’1 + 0.98z โˆ’2 D( z) = 2 + = 2+ 1 [1.371 (0.7) z โˆ’2 + 0.4 z โˆ’1 (1 + 0.7 z โˆ’1 )] ฮ” 0.4 z โˆ’ 1.24 2 z 2 โˆ’ 2.4 z + 0.72 = 2 z โˆ’ 1.4 z + 0.98 z โˆ’ 1.4 z + 0.98 2 2.9-1. Find two different state-variable formulations that model the system whose difference equation is given by: (a) y ( k + 2) + 6 y ( k + 1) + 5y ( k ) = 2e( k ) (b) y ( k + 2) + 6 y ( k + 1) + 5y ( k ) = e( k + 1) + 2e( k ) (c) y ( k + 2) + 6 y ( k + 1) + 5y ( k ) = 3e( k + 2) + e( k + 1) + 2e( k ) Solution: (a) Y ( z) 2 = 2 U ( z) z + 6z + 5 (1) control canonical: ย  41 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. b2 O b1 u(k) + T x2(k) O x1(k) T y(k) + b0 2 -a1 -5 -6 -a0 โŽก0 1โŽค โŽก0 โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ โˆ’5 โˆ’6 โŽฆ โŽฃ1 โŽฆ (2) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) y(k ) = [2 0] x(k ) observer canonical: u(k) b1 b0 Z + -a0 b2 O T -5 x2(k) + -a1 T x1(k) + O y(k) -6 โŽก โˆ’6 1 โŽค โŽก0โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ โˆ’5 0 โŽฆ โŽฃ 2โŽฆ y(k ) = [1 0] x(k ) (b) x(k + 1) = same as (a) Y ( z) z+2 (1) control canonical: = 2 y (k ) = [2 1]x(k ) U ( z) z + 6 z + 5 (2) observer canonical: โŽก โˆ’6 1 โŽค โŽก1 โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ โˆ’5 0 โŽฆ โŽฃ 2โŽฆ y(k ) = [1 0] x(k ) (c) x(k + 1) = same as (a) Y ( z ) 3z 2 + z + 2 (1) control canonical: = 2 y (k ) = [โˆ’13 โˆ’17]x( k ) + 3u (k ) U ( z) z + 6 z + 5 ย  42 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (2) observer canonical: โŽก โˆ’6 1 โŽค โŽก1 โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ โˆ’5 0 โŽฆ โŽฃ 2โŽฆ y(k ) = [1 0] x(k ) + 3u(k ) 2.9-2. Write the state equations for the observer canonical form of a system, shown in Fig. 2-10, which has the transfer function given in (2-51) and (2-61) Solution: bnโˆ’1z nโˆ’1 + ๏Œ + b1z + b0 z n + anโˆ’1z nโˆ’1 + ๏Œ + a1z + a0 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) G ( z) = ” a $ nโˆ’1 $ x(k + 1) = $ anโˆ’2 $ ” $# 0 ” b % 1 0 ! 0 % $ nโˆ’1 ‘ ‘ 0 1 ! 0 ‘ x(k) + $ bnโˆ’2 ‘ u(k) $ ‘ ‘ $ ” ‘ ” ” ” ‘ $ b ‘ 0 0 ! 0 ‘& # 0 & y(k) = !” 1 0 0 ! 0 #$ x(k) 2.10-1. Find a state-variable formulation for the system described by the coupled second-order difference equations given. The system output is y ( k ) , and e1 ( k ) and e2 ( k ) are the system inputs. Hint: Draw a simulation diagram first. x ( k + 2) + v ( k + 1) = 4e1 ( k ) + e2 ( k ) v ( k + 2) โˆ’ v ( k ) + x ( k ) = 2e1 ( k ) y ( k ) = v ( k + 2) โˆ’ x ( k + 1) + e1 ( k ) Solution: ย  43 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. e1(k) 4 + T + – x2(k) T x1(k) x(k) + 2 – + e2(k) T + 0โŽค โŽก0 โŽฅ โŽข4 0 0 โˆ’1โŽฅ x( k ) + โŽข โŽข0 0 0 1โŽฅ โŽฅ โŽข 0 1 0โŽฆ โŽฃ2 1 0 x4(k) T x3(k) n(k) 0โŽค 1 โŽฅโŽฅ e( k ) 0โŽฅ โŽฅ 0โŽฆ T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โŽก0 โŽข0 x(k + 1) = โŽข โŽข0 โŽข โŽฃ โˆ’1 y(k) y(k ) = x4 (k + 1) โˆ’ x2 (k ) + e1 (k ) = โˆ’ x1 (k ) + x3 (k ) โˆ’ x2 (k ) + e1 (k ) โˆด y(k ) = [โˆ’1 โˆ’1 1 0] x(k ) + [1 0] e(k ) 2.10-2. Consider the system described by โŽก โŽค โŽก โŽค x ( k + 1) = โŽขโŽข 0 1 โŽฅโŽฅ x ( k ) + โŽขโŽข 1 โŽฅโŽฅ u ( k ) โŽขโŽฃ 0 3 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ 1 โŽฅโŽฆ y ( k ) = โŽกโŽข โˆ’2 1 โŽคโŽฅ x ( k ) โŽฃ โŽฆ (a) Find the transfer function Y ( z ) /U ( z ) . (b) Using any similarity transformation, find a different state model for this system. (c) Find the transfer function of the system from the transformed state equations. (d) Verify that A given and A w derived in part (b) satisfy the first three properties of similarity transformations. The fourth property was verified in part (c). Solution: โŽก z โˆ’1 โŽค โŽฅ ; ฮ” = zI โˆ’ A = z ( z โˆ’ 3) = ฮ” โŽฃ 0 z โˆ’ 3โŽฆ (a) zI โˆ’ A = โŽข ย  44 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โŽก z โˆ’ 3 1 โŽค โŽก1โŽค Y ( z) 1 = C[ zI โˆ’ A]โˆ’1 B = [ โˆ’2 1] โŽข z โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ1โŽฅโŽฆ U ( z) ฮ” โŽฃ 0 = โŽก1โŽค โˆ’ z + 4 1 [ โˆ’2 z + 6 z โˆ’ 2] โŽข โŽฅ = ฮ” โŽฃ1โŽฆ z ( z โˆ’ 3) โŽก 1 โŽก1 โˆ’1โŽค ; P โˆ’1 = โŽข 2 โŽฅ โŽฃ1 1 โŽฆ โŽฃโˆ’ 12 (b) P = โŽข 1 2โŽค 1 2โŽฆ โŽฅ 1โŽค โŽก1 โˆ’1โŽค โŽก 1 2 โŽฅ โŽข โŽฅ โŽข 1 โŽฅ = โŽขโˆ’ 1 1 โŽฆ โŽฃ 2 2 โŽฆ โŽฃ 0 3โŽฆ โŽฃ1 โŽก 1 A w = P โˆ’1AP = โŽข 2 โŽฃโˆ’ 12 1 2 โŽค โŽก0 2 โŽค โŽก1 1โŽค โŽฅ โŽข โŽฅ 1 2 โŽฆ โŽฃ 3 3โŽฆ 1 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โŽก2 2โŽค =โŽข โŽฅ โŽฃ1 1 โŽฆ โŽก1 B w = P โˆ’1B = โŽข 2 โŽฃ โˆ’1 2 1 1 2 โŽค โŽก1โŽค โŽก1 โŽค โŽฅ โŽข1โŽฅ = โŽข0 โŽฅ โŽฃ โŽฆ 2โŽฆ โŽฃ โŽฆ โŽก1 โˆ’1โŽค Cw = CP = [ โˆ’2 1] โŽข โŽฅ = [ โˆ’1 3] โŽฃ1 1 โŽฆ โŽก2 2โŽค โŽก1 โŽค โˆด w (k + 1) = โŽข w ( k ) + โŽข โŽฅ u( k ) โŽฅ โŽฃ1 1 โŽฆ โŽฃ0 โŽฆ y(k ) = [โˆ’1 3] w(k ) โŽก z โˆ’ 2 โˆ’2 โŽค 2 โŽฅ ; ฮ” = zI โˆ’ A w = z โˆ’ 3z + 2 โˆ’ 2 = z ( z โˆ’ 3) โˆ’ 1 z โˆ’ 1 โŽฃ โŽฆ (c) zI โˆ’ A w = โŽข 2 โŽค โŽก1 โŽค โŽกz โˆ’1 Y ( z) 1 = Cw [ zI โˆ’ A w ]โˆ’1 B w = [ โˆ’1 3] โŽข z โˆ’ 2 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ0 โŽฅโŽฆ U ( z) ฮ” โŽฃ 1 = โŽก z โˆ’ 1โŽค โˆ’ z + 4 1 [ โˆ’1 3] โŽข โŽฅ = ฮ” โŽฃ 1 โŽฆ z ( z โˆ’ 3) (d) zI โˆ’ A = z 1 0 z โˆ’3 = z 2 โˆ’ 3z; zI โˆ’ A w = zโˆ’2 โˆ’2 โˆ’1 z โˆ’1 = z ( z โˆ’ 3) โˆด z1 = 0, z2 = 3 A = 0 1 0 3 = 0 = z1 z2 ; A w = 2 2 1 1 =0 tr A = 3 = z1 + z2 ; tr Aw = 3 ย  45 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 2.10-3. Consider the system of Problem 2.10-2. A similarity transformation on these equations yields โŽก d โŽค โŽข 1 0 โŽฅ w( k + 1) = โŽข โŽฅ w( k ) + B wu ( k ) โŽข 0 d2 โŽฅ โŽขโŽฃ โŽฆโŽฅ y ( k ) = C wx ( k ) (a) Find d1 and d2 . (b) Find a similarity transformation that results in the A w matrix given. Note that this matrix is T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) diagonal. (c) Find B w and C w . (d) Find the transfer functions of both sets of state equations to verify the results of this problem. Solution: (a) Let z1 , z2 be the characteristic value of A. d1 = z1 , d2 = z2 โŽก z โˆ’1 โŽค zI โˆ’ A = โŽข โŽฅ , โˆด zI โˆ’ A = z ( z โˆ’ 3); โˆด z1 = 0, z2 = 3 โŽฃ 0 z โˆ’ 3โŽฆ โˆ’m21 = 0 โŽก 0 โˆ’1โŽค โŽก m11 โŽค โŽก0 โŽค =โŽข โŽฅโ‡’ โŽข โŽฅ โŽฅ โˆ’3m21 = 0 โŽฃ 0 โˆ’3โŽฆ โŽฃ m21 โŽฆ โŽฃ 0 โŽฆ (b) ( z1I โˆ’ A)m1 = โŽข โŽก1 โŽค โˆด m21 = 0, let m11 = 1, โˆด m1 = โŽข โŽฅ โŽฃ0โŽฆ โŽก 3 โˆ’1โŽค โŽก m12 โŽค โŽก 0 โŽค ( z2 I โˆ’ A)m2 = โŽข โŽฅ = โŽข โŽฅ โ‡’ 3m12 โˆ’ m22 = 0 โŽฅโŽข โŽฃ 0 0 โŽฆ โŽฃ m22 โŽฆ โŽฃ 0 โŽฆ โŽก1โŽค โˆด let m12 = 1, m22 = 3, โˆด m2 = โŽข โŽฅ โŽฃ 3โŽฆ โŽก1 1โŽค โŽก1 โˆ’1 3โŽค โˆดM = โŽข , M = 3, M โˆ’1 = โŽข โŽฅ โŽฅ โŽฃ 0 3โŽฆ โŽฃ0 1 3 โŽฆ โŽก1 โˆ’1 3โŽค โŽก0 1โŽค โŽก1 1โŽค โŽก1 โˆ’1 3โŽค โŽก0 3โŽค โŽก0 0 โŽค M โˆ’1AM = โŽข โŽฅโŽข โŽฅโŽข โŽฅ=โŽข โŽฅโŽข โŽฅ=โŽข โŽฅ โŽฃ 0 1 3 โŽฆ โŽฃ 0 3โŽฆ โŽฃ 0 3โŽฆ โŽฃ 0 1 3 โŽฆ โŽฃ 0 9 โŽฆ โŽฃ 0 3 โŽฆ ย  46 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โŽก1 โˆ’1 3โŽค โŽก 2 3โŽค โŽฅ=โŽข โŽฅ โŽฃ0 1 3 โŽฆ โŽฃ1 3 โŽฆ (c) B w = M โˆ’1B = โŽข โŽก1 1 โŽค Cw = CM = [ โˆ’2 1] โŽข โŽฅ = [ โˆ’2 1] โŽฃ 0 3โŽฆ โŽก0 0โŽค โŽก 2 3โŽค โˆด w(k + 1) = โŽข โŽฅ w ( k ) + โŽข 1 3 โŽฅ u( k ) 0 3 โŽฃ โŽฆ โŽฃ โŽฆ y(k ) = [โˆ’2 1] w(k ) (d) See Problem 2.10-2(a) for the first transfer function. T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) 0 โŽค โŽกz zI โˆ’ A w = โŽข โŽฅ ; zI โˆ’ A w = z ( z โˆ’ 3) = ฮ” โŽฃ 0 z โˆ’ 3โŽฆ โŽก z โˆ’ 3 0 โŽค โŽก 2 3โŽค Y ( z) 1 = Cw [ zI โˆ’ A w ]โˆ’1 B w = [ โˆ’2 1] โŽข z โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ 1 3 โŽฅโŽฆ U ( z) ฮ” โŽฃ 0 = โŽก 2 3โŽค โˆ’ 4 z + 4 + 13 z โˆ’z + 4 1 = [ โˆ’2 z + 6 z ] โŽข โŽฅ = 3 ฮ” ฮ” z ( z โˆ’ 3) โŽฃ1 3 โŽฆ 2.10-4. Repeat Problem 2.10-2 for the system described by โŽก โŽค โŽก โŽค x ( k + 1) = โŽขโŽข 1 0 โŽฅโŽฅ x ( k ) + โŽขโŽข 2 โŽฅโŽฅ u ( k ) โŽขโŽฃ 0 0.5 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ 1 โŽฅโŽฆ y ( k ) = โŽกโŽข 1 2 โŽคโŽฅ x ( k ) โŽฃ โŽฆ (a) Find the transfer function Y ( z ) /U ( z ) . (b) Using any similarity transformation, find a different state model for this system. (c) Find the transfer function of the system from the transformed state equations. (d) Verify that A given and A w derived in part (b) satisfy the first three properties of similarity transformations. The fourth property was verified in part (c). Solution: (a) ย  47 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โŽก 1 โŽข z โˆ’1 Y ( z) = C[ zI โˆ’ A]โˆ’1 B = [1 2 ] โŽข U ( z) โŽข 0 โŽขโŽฃ โŽค โŽฅ โŽก2โŽค โŽฅ 1 โŽฅ โŽขโŽฃ 1 โŽฅโŽฆ z โˆ’ 0.5 โŽฅโŽฆ 0 โŽก 2 โŽค โŽข z โˆ’1 โŽฅ 2 2 4z โˆ’ 3 = [1 2 ] โŽข + = โŽฅ= โŽข 1 โŽฅ z โˆ’ 1 z โˆ’ 0.5 ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.5) โŽฃโŽข z โˆ’ 0.5 โŽฆโŽฅ โŽก1 โŽก1 โˆ’1โŽค , P โˆ’1 = โŽข 2 โŽฅ โŽฃ1 1 โŽฆ โŽฃ โˆ’1 2 1 (b) P = โŽข โŽก1 โˆด A w = P โˆ’1AP = โŽข 2 โŽฃ โˆ’1 2 1 2โŽค 1 โŽฅ 2โŽฆ 2 โŽค โŽก1 0 โŽค โŽก1 โˆ’1โŽค โŽก 1 2 = 1 โŽฅ โŽข1 1 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ โˆ’1 2 2โŽฆ โŽฃ 1 4 โŽค โŽก1 1 โŽฅ โŽข1 4โŽฆ โŽฃ โˆ’1โŽค โŽก 3 4 = 1 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ โˆ’1 4 โˆ’1 3 4โŽค โŽฅ 4โŽฆ T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) 1 โŽฅ โŽข0 2โŽฆ โŽฃ โŽก1 B w = P โˆ’1B = โŽข 2 โŽฃ โˆ’1 2 โŽก 32 โŽค = โŽข โˆ’1 โŽฅ 1 โŽฅ โŽข1 โŽฅ 2โŽฆ โŽฃ โŽฆ โŽฃ 2โŽฆ 1 2 โŽค โŽก 2โŽค โŽก1 โˆ’1โŽค Cw = CP = [1 2] โŽข โŽฅ = [3 1] โŽฃ1 1 โŽฆ โˆ’ 14 โŽค โŽก 3 โŽก 3 โŽค โˆด w (k + 1) = โŽข 4 w ( k ) + โŽข 2 โŽฅ u( k ) โŽฅ 3 4 โŽฆ โŽฃโˆ’ 14 โŽฃโˆ’ 12 โŽฆ y(k ) = [3 1] x(k ) โŽกz โˆ’ 34 (c) zI โˆ’ A w = โŽข 1 โŽฃ 4 9 1 4 โŽค , zI โˆ’ A w = z 2 โˆ’ 1.5 z + โˆ’ = z 2 โˆ’ 1.5 z + 0.5 = ฮ” z โˆ’ 3 4 โŽฅโŽฆ 16 16 1 Y ( z) 1 โŽกz โˆ’ 34 = Cw [ zI โˆ’ A w ]โˆ’1 B w = [3 1] โŽข U ( z) ฮ” โŽฃ โˆ’ 14 = โˆ’ 14 โŽค โŽก 3 2 โŽค z โˆ’ 3 4 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ โˆ’ 1 2 โŽฅโŽฆ โŽก 3 โŽค 1 4z โˆ’ 3 [3z โˆ’2.5 z โˆ’ 1.5] โŽข 2 โŽฅ = 1 ฮ” โŽฃ โˆ’ 2 โŽฆ ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.5) (d) zI โˆ’ A = z โˆ’1 0 0 z โˆ’ 0.5 = z 2 โˆ’ 1.5 z + 0.5; zI โˆ’ A w = z 2 โˆ’ 1.5 z + 0.5 โˆด z1 = 1, z2 = 0.5 A = 1 0 0 0.5 = 0.5 = z1 z2 ; A w = 3 4 โˆ’ 14 โˆ’ 14 3 4 = 9 1 โˆ’ = 0.5 16 16 tr A = 1.5 = z1 + z2 ; tr A w = 1.5 ย  48 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. 2.11-1. Consider a system with the transfer function G ( z) = Y ( z) U ( z) = 2 z ( z โˆ’ 1) (a) Find three different state-variable models of this system. (b) Verify the transfer function of each state model in part (a), using (2-84). Solution: (1) 2 2 z โˆ’2 = z 2 โˆ’ z 1 โˆ’ z โˆ’1 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (a) G ( z ) = G1 ( z )G2 ( z ) = x1(k) + Z T x2 x1 y(k) T change Z to 2 โŽก 0 1โŽค โŽก0โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ 0 1โŽฆ โŽฃ2โŽฆ y(k ) = [1 0] x(k ) (2) G( z ) = 2 2 โˆ’2 = + = G1 ( z ) + G2 ( z ) z ( z โˆ’ 1) z z โˆ’1 T x1(k) Z – x1(k) + T x2(k) y(k) Z – change Z to 2 โŽก0 0โŽค โŽก1โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ0 1 โŽฆ โŽฃ1โŽฆ y(k ) = [โˆ’2 2] x(k ) ย  49 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (3) u(k) T Z x2 + T x1 y(k) + change Z to 2 โŽก1 1 โŽค โŽก0โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ0 0โŽฆ โŽฃ 2โŽฆ y(k ) = [1 0] x(k ) (b) (1) โŽก z โˆ’1 โŽค 2 zI โˆ’ A = โŽข โŽฅ ; zI โˆ’ A = z โˆ’ z = ฮ” โŽฃ 0 z โˆ’ 1โŽฆ โŽก z โˆ’ 1 1โŽค โŽก0โŽค 1 โŽก0โŽค 1 2 = [ z โˆ’ 1 1] โŽข โŽฅ = [1 0] โŽข โŽฅ โŽข โŽฅ z โŽฆ โŽฃ 2โŽฆ ฮ” ฮ” โŽฃ 0 โŽฃ 2 โŽฆ z ( z โˆ’ 1) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) G( z ) = C[ zI โˆ’ A]โˆ’1 B = 0 โŽค โŽกz 2 (2) zI โˆ’ A = โŽข โŽฅ ; zI โˆ’ A = ฮ” = z โˆ’ z 0 z โˆ’ 1 โŽฃ โŽฆ G ( z ) = C[ zI โˆ’ A]โˆ’1 B = โŽก z โˆ’ 1 0โŽค โŽก2โŽค 1 โŽก2 z โˆ’ 2โŽค 1 2 = [ โˆ’1 1] โŽข = [โˆ’1 1] โŽข โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฅ z โŽฆ โŽฃ 2โŽฆ ฮ” ฮ” โŽฃ 0 โŽฃ 2 z โŽฆ z ( z โˆ’ 1) โŽก z โˆ’ 1 โˆ’1โŽค (3) zI โˆ’ A = โŽข ; zI โˆ’ A = z 2 โˆ’ z = ฮ” z โŽฅโŽฆ โŽฃ 0 G ( z ) = C[ zI โˆ’ A]โˆ’1 B = 1 โŽค โŽก0โŽค 1 โŽกz โŽก0โŽค 1 2 [1 0] โŽข โŽฅ โŽข 2 โŽฅ = ฮ” [ z 1] โŽข 2 โŽฅ = z ( z โˆ’ 1) 0 z 1 โˆ’ ฮ” โŽฃ โŽฆโŽฃ โŽฆ โŽฃ โŽฆ 2.11-2. Consider a system described by the coupled difference equation y ( k + 2) โˆ’ v ( k ) = 0 v ( k + 1) + y ( k + 1) = u ( k ) where u ( k ) is the system input. (a) Find a state-variable formulation for this system. Consider the outputs to be y ( k + 1) and v ( k ) . Hint: Draw a simulation diagram first. (b) Repeat part (a) with y ( k ) and v ( k ) as the outputs. ย  50 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (c) Repeat part (a) with the single output v ( k ) . (d) Use (2-84) to calculate the system transfer function with v ( k ) as the system output, as in part (c); that is, find V ( z ) /U ( z ) . (e) Verify the transfer function V ( z ) /U ( z ) in part (d) by taking the z-transform of the given system difference equations and eliminating Y ( z ) . (f) Verify the transfer function V ( z ) /U ( z ) in part (d) by using Masonโ€™s gain formula on the Solution: (a) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) simulation diagram of part (a). y(k + 2) u(k) u(k + 1) + – T T y(k + 1) x2(k) T y(k) x1(k) u(k1) x3(k) โŽก0 1 0โŽค โŽก0 โŽค x(k + 1) = โŽขโŽข 0 0 1 โŽฅโŽฅ x(k ) + โŽขโŽข 0 โŽฅโŽฅ u (k ) โŽขโŽฃ 0 โˆ’1 0 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ1 โŽฅโŽฆ โŽก x (k ) โŽค โŽก 0 1 0 โŽค y0 (k ) = โŽข 2 โŽฅ = โŽข โŽฅ x(k ); y0 (k ) = output โŽฃ x3 (k ) โŽฆ โŽฃ 0 0 1 โŽฆ (b) x(k + 1) = same as (a) โŽก x (k ) โŽค โŽก1 0 0 โŽค y0 (k ) = โŽข 1 โŽฅ = โŽข โŽฅ x( k ) โŽฃ x3 (k ) โŽฆ โŽฃ0 0 1 โŽฆ (c) x(k + 1) = same as (a) y0 (k ) = x3 (k ) = [0 0 1] x(k ) โŽก z โˆ’1 0 โŽค z โˆ’1โŽฅโŽฅ ; zI โˆ’ A = z 3 โˆ’ (โˆ’ z ) = z 3 + z = ฮ” โŽขโŽฃ 0 1 z โŽฅโŽฆ (d) zI โˆ’ A = โŽขโŽข 0 ย  51 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โŽก z2 + 1 z2 โŽข Cof[ zI โˆ’ A] = โŽข z z2 โŽข z โŽฃโŽข 1 โŽก z2 + 1 z 0โŽค โŽฅ โŽข 1 z โŽฅ ; [ zI โˆ’ A]โˆ’1 = โŽข z 2 z2 ฮ” โŽฅ โŽข z 2 โŽฆโŽฅ z โŽฃโŽข 0 โŽก z2 + 1 z โŽข Y ( z) 1 โˆด 0 = C[ zI โˆ’ A ]โˆ’1 B = [0 0 1] โŽข z 2 z2 ฮ” U ( z) โŽข z โŽฃโŽข 0 1 = โŽกโŽฃ 0 z ฮ” 1โŽค โŽฅ zโŽฅ โŽฅ z 2 โŽฆโŽฅ 1 โŽค โŽก0โŽค โŽฅ z โŽฅ โŽขโŽข 0 โŽฅโŽฅ โŽฅ z 2 โŽฆโŽฅ โŽขโŽฃ 1 โŽฅโŽฆ โŽก0โŽค z2 z โŽค z โŽฆ โŽขโŽข 0 โŽฅโŽฅ = 3 = 2 z โˆ’ z z +1 โŽขโŽฃ1 โŽฅโŽฆ 2 1 V ( z) z2 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (e) z 2Y ( z ) โˆ’ V ( z ) = 0 โ‡’ Y ( z ) = 1 zV ( z) + zY ( z) = zV ( z) + V ( z) = U ( z) z โˆด V ( z ) Y0 ( z ) 1 z = = = 2 1 U ( z) U ( z) z + z +1 z (f) From (a): 1 u(z) 1 z-1 z-1 -1 y0(z) z-1 make u and y capital letters Y ( z) z โˆ’1 z โˆด 0 = = 2 โˆ’2 U ( z) 1 + z z +1 2.11-3. Given the system described by the state equations โŽก 1 0 0 โŽค โŽก 1 โŽค โŽฅ โŽฅ โŽข โŽข โŽฅ โŽข x ( k + 1) = โŽข 1 1 0 โŽฅ x ( k ) + โŽขโŽข 0 โŽฅโŽฅ u ( k ) โŽข 0 1 0 โŽฅ โŽข 0 โŽฅ โŽฆ โŽฆ โŽฃ โŽฃ y ( k ) = โŽกโŽข 0 0 1 โŽคโŽฅ x ( k ) โŽฃ โŽฆ ย  52 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (a) Calculate the transfer function Y ( z ) /U ( z ) , using (2-84). (b) Draw a simulation diagram for this system, from the state equations given. (c) Use Masonโ€™s gain formula and the simulation diagram to verify the transfer function found in part (a). Solution: โŽกz โˆ’1 0โŽค z โˆ’ 1 0 โŽฅโŽฅ ; ฮ” = z 3 โˆ’ 2 z 2 + z = z ( z โˆ’ 1) 2 โˆ’1 z โŽฅโŽฆ 0 (a) zI โˆ’ A = โŽขโŽข โˆ’1 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โŽขโŽฃ 0 โŽก 1 โŽข โˆ’1 z โŽข โŽก z ( z โˆ’ 1) 1 โŽค z โŽข 1 โŽข โŽฅ Cof ( zI โˆ’ A) = โŽข 0 z ( z โˆ’ 1) z โˆ’ 1 โŽฅ , ( zI โˆ’ A) โˆ’1 = โŽข 2 โŽข ( z โˆ’ 1) 2โŽฅ โŽข 0 โˆ’ 0 ( 1) z โŽฃ โŽฆ โŽข 1 โŽข 2 โŽฃโŽข z ( z โˆ’ 1) 0 1 z โˆ’1 1 z ( z โˆ’ 1) โŽค 0โŽฅ โŽฅ โŽฅ 0โŽฅ โŽฅ 1โŽฅ โŽฅ z โŽฆโŽฅ โŽก1 โŽค G ( z ) = C[ zI โˆ’ A] B = [0 0 1][ zI โˆ’ A] โŽข 0 โŽฅโŽฅ โŽขโŽฃ 0 โŽฅโŽฆ โˆ’1 โŽข โˆ’1 โŽก1 โŽค โŽก 1 1 1โŽค โŽข โŽฅ 1 1 =โŽข = 3 โŽฅ โŽข0โŽฅ = 2 2 z z z ( โˆ’ 1) z z z z z z2 + z ( 1) ( 1) 2 โˆ’ โˆ’ โˆ’ โŽฃ โŽฆ โŽข0โŽฅ โŽฃ โŽฆ (b) e(k) + T x1(k) + + T x2(k) + T x3(k) y(k) (c) ฮ” = 1 โˆ’ z โˆ’1 โˆ’ z โˆ’1 + z โˆ’2 = 1 โˆ’ 2 z โˆ’1 + z โˆ’2 ย  53 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โˆด G( z) = 1 z โˆ’3 = 3 ฮ” z โˆ’ 2z2 + z 2.11-4. Section 2.9 gives some standard forms for state equations (simulation diagrams for the control canonical and observer canonical forms). The MATLAB statement โŽกโŽข A,B,C,DโŽคโŽฅ = tf 2ss( num,den) โŽฆ โŽฃ generates a standard set of state equations for the transfer function whose numerator coefficients are given in the vector num and denominator coefficients in the vector den. (a) Use the MATLAB statement given to generate a set of state equations for the transfer function 3z + 4 z + 5z + 6 T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) G ( z) = 2 (b) Draw a simulation diagram for the state equations in part (a). (c) Determine if the simulation diagram in part (b) is one of the standard forms in Section 2.9. Solution: (a) n = [0 3 4]; d = [1 5 6]; [A,B,C,D] = tf2ss(n, d) โŽก โˆ’5 โˆ’6 โŽค โŽก1 โŽค x(k + 1) = โŽข x( k ) + โŽข โŽฅ u ( k ) โŽฅ โŽฃ1 0โŽฆ โŽฃ0โŽฆ y(k ) = [3 4] x(k ) (b) 3 u(k) + T x1(b) T x2(b) 4 + + y(k) 5 6 ย  54 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (c) Yes, it is the control canonical form with the states renumbered. 2.12-1. Consider the system described in Problem 2.10-2. โŽก โŽค โŽก โŽค x ( k + 1) = โŽขโŽข 0 1 โŽฅโŽฅ x ( k ) + โŽขโŽข 1 โŽฅโŽฅ u ( k ) โŽขโŽฃ 0 3 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ 1 โŽฅโŽฆ y ( k ) = โŽกโŽข โˆ’2 1 โŽคโŽฅ x ( k ) โŽฃ โŽฆ (a) Find the transfer function of this system. T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (b) Let u ( k ) = 1, k โ‰ฅ 0 (a unit step function) and x (0) = 0 . Use the transfer function of part (a) to find the system response. (c) Find the state transition matrix ฮฆ( k ) for this system. (d) Use (2-90) to verify the step response calculated in part (b). This calculation results in the response expressed as a summation. Then check the values y (0) , y (1) , and y (2) . (e) Verify the results of part (d) by the iterative solution of the state equations. Solution: โŽก z โˆ’1 โŽค โŽฅ ; ฮ” = zI โˆ’ A = z ( z โˆ’ 3) = ฮ” โŽฃ 0 z โˆ’ 3โŽฆ (a) zI โˆ’ A = โŽข โŽก z โˆ’ 3 1 โŽค โŽก1โŽค Y ( z) 1 = C[ zI โˆ’ A]โˆ’1 B = [ โˆ’2 1] โŽข z โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ1โŽฅโŽฆ U ( z) ฮ” โŽฃ 0 = (b) Y ( z ) = โŽก1โŽค โˆ’ z + 4 1 [ โˆ’2 z + 6 z โˆ’ 2] โŽข โŽฅ = ฮ” โŽฃ1โŽฆ z ( z โˆ’ 3) (โˆ’ z + 4) z z ( z โˆ’ 3)( z โˆ’ 1) 4 1 โˆ’ 32 Y ( z) โˆ’z + 4 = = 3+ + 6 z z ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 3) z z โˆ’ 1 z โˆ’ 3 ย  55 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โˆด y (0) = 0 โŽงโŽช 4 3 โˆ’ 3 2 + 1 6 = 0, k = 0 โˆด y (k ) = โŽจ k k โ‰ฅ1 โŽชโŽฉ โˆ’ 3 2 + 1 6 (3) 3 1 + = โˆ’1 2 2 3 3 y (2) = โˆ’ + = 0 2 2 y (1) = โˆ’ (c) 1 โŽค โŽก1 โŽข z ( z โˆ’ 3) โŽฅ โŽฅ = zโŽขz z โŽฅ โŽข0 z ( z โˆ’ 3) โŽฅโŽฆ โŽฃโŽข โŽก 1 1 k โŽข ฮด(k) โˆ’ ฮด(k) + (3) โˆด ฮฆ(k) = โŽข 3 3 k โŽข 0 (3) โŽฃ โŽค โŽฅ โŽฅ โŽฅ โŽฆ k โˆ’1 1 โˆ’ 13 โŽค + 3 โŽฅ z z โˆ’3 โŽฅ 1 โŽฅ z โˆ’ 3 โŽฆโŽฅ T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โŽก z โˆ’3 โŽข z ( z โˆ’ 3) ฮฆ( z ) = z ( zI โˆ’ A) โˆ’1 = z โŽข โŽข โŽข 0 โŽฃ k โˆ’1 โŽก โŽค j=0 โŽฃ โŽฆ (d) y(k) = โˆ‘ Cฮฆ(k โˆ’ 1 โˆ’ j)Bu( j) = โˆ‘ โŽกโŽฃ โˆ’2 1 โŽคโŽฆ ฮฆ(k โˆ’ 1 โˆ’ j) โŽข 1 โŽฅ 1 j=0 โŽก 2 1 k โˆ’ jโˆ’1 โŽค k โˆ’1 โŽข ฮด(k โˆ’ 1 โˆ’ j) + (3) โŽฅ โŽก โˆ’4 1 k โˆ’ jโˆ’1 โŽค = โˆ‘ โŽกโŽฃ โˆ’2 1 โŽคโŽฆ โŽข 3 3 โŽฅ = โˆ‘ โŽข 3 ฮด(k โˆ’ j โˆ’ 1) + 3 (3) โŽฅ โŽฆ j=0 k โˆ’ jโˆ’1 โŽข โŽฅ j=0 โŽฃ (3) โŽฃ โŽฆ k โˆ’1 k โˆ’1 โŽค โŽก โˆ’4 1 = โˆ‘ โŽข ฮด(k โˆ’ 1 โˆ’ j) + (3) k โˆ’1โˆ’ j โŽฅ 3 โŽฆ j=0 โŽฃ 3 4 1 4 1 y(0) = 0; y(1) = โˆ’ ฮด(0) + (3)0 = โˆ’ + = โˆ’1 3 3 3 3 4 1 4 1 4 1 y(2) = โˆ’ ฮด(1) + (3)1 โˆ’ ฮด(0) + (3)0 = 1 โˆ’ + = 0 3 3 3 3 3 3 โŽก 0 1โŽค โŽก0 โŽค โŽก1โŽค โŽก1โŽค โŽก1โŽค + โŽข โŽฅ = โŽข โŽฅ ; y (1) = [ โˆ’2 1] โŽข โŽฅ = โˆ’1 โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฃ 0 3โŽฆ โŽฃ 0 โŽฆ โŽฃ1โŽฆ โŽฃ1โŽฆ โŽฃ1โŽฆ (e) x(1) = โŽข โŽก 0 1โŽค โŽก1โŽค โŽก1โŽค โŽก 2 โŽค โŽก 2โŽค x(2) = โŽข + โŽข โŽฅ = โŽข โŽฅ ; y(2) = [ โˆ’2 1] โŽข โŽฅ = 0 โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฃ 0 3โŽฆ โŽฃ1โŽฆ โŽฃ1โŽฆ โŽฃ 4 โŽฆ โŽฃ 4โŽฆ 2.12-2. The system described by the equations โŽก โŽค โŽก โŽค x ( k + 1) = โŽขโŽข 1 0 โŽฅโŽฅ x ( k ) + โŽขโŽข 2 โŽฅโŽฅ u ( k ) โŽขโŽฃ 0 0.5 โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ 1 โŽฅโŽฆ ย  56 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. y ( k ) = โŽกโŽขโŽฃ1 2โŽคโŽฅโŽฆ x ( k ) T is excited by the initial conditions x (0) = โŽกโŽขโŽฃ โˆ’1 2 โŽคโŽฅโŽฆ with u ( k ) = 0 for all k. (a) Use (2-89) to solve for x ( k ), k โ‰ฅ 0. (b) Find the output y ( z ) . (c) Show that ฮฆ( k ) in (a) satisfies the property ฮฆ(0) = I. (d) Show that the solution in part (a) satisfies the given initial conditions. T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) (e) Use an iterative solution of the state equations to show that the values y ( k ) , for k = 0, 1, 2, and 3, in part (b) are correct. (f) Verify the results in part (e) using MATLAB. Solution: (a) 0 โŽค โŽกz โˆ’1 zI โˆ’ A = โŽข ; zI โˆ’ A = ฮ” = ( z โˆ’ 1)( z โˆ’ 0.5) 0 z โˆ’ 0.5โŽฅโŽฆ โŽฃ โŽก 1 โŽข z โˆ’1 z 0.5 0 โˆ’ โŽก โŽค 1 =โŽข ( zI โˆ’ A โˆ’1 ) = โŽข โŽฅ z โˆ’ 1โŽฆ โŽข ฮ”โŽฃ 0 0 โŽฃโŽข โŽก z โŽข z โˆ’1 โˆด ฮฆ(k ) = / โˆ’1 โŽข โŽข 0 โŽฃโŽข โŽค โŽฅ โŽฅ 1 โŽฅ z โˆ’ 0.5 โŽฆโŽฅ 0 โŽค โŽฅ โŽก1 0 โŽค โŽฅ=โŽข โŽฅ z โŽฅ โŽฃ 0 0.5k โŽฆ z โˆ’ 0.5 โŽฆโŽฅ 0 โŽก1 0 โŽค โŽก 1 โŽค โŽก 1 โŽค โˆด x(k ) = ฮฆ(k )x(0) = โŽข =โŽข kโŽฅ โŽข โŽฅ kโŽฅ โŽฃ0 0.5 โŽฆ โŽฃ 2 โŽฆ โŽฃ 2(0.5) โŽฆ โŽก 1 โŽค (b) y(k ) = Cx(k ) = [1 2] โŽข = 1 + 4(0.5) k kโŽฅ โŽฃ 2(0.5) โŽฆ โŽก1 0 โŽค โŽก1 0 โŽค (c) ฮฆ(0) = โŽข =โŽข โŽฅ=I 0โŽฅ โŽฃ0 0.5 โŽฆ โŽฃ0 1 โŽฆ ย  57 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โŽก 1 โŽค โŽก1 โŽค (d) x(k ) k =0 = โŽข =โŽข โŽฅ kโŽฅ โŽฃ 2(0.5) โŽฆ โŽฃ 2 โŽฆ y (0) = 5 y (2) = 2 y (1) = 3 y (3) = 1.5 (e) From (b), โŽก1 โŽค y (0) = Cx(0) = [1 2 ] โŽข โŽฅ = 5 โŽฃ2โŽฆ โŽก1 0 โŽค โŽก 1 โŽค โŽก1โŽค โŽก1โŽค x(1) = โŽข = โŽข โŽฅ , y (1) = [1 2] โŽข โŽฅ = 3 โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฃ 0 0.5โŽฆ โŽฃ 2 โŽฆ โŽฃ1โŽฆ โŽฃ1โŽฆ T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โŽก1 0 โŽค โŽก1โŽค โŽก 1 โŽค โŽก1 โŽค x(2) = โŽข = โŽข โŽฅ , y(2) = [1 2 ] โŽข โŽฅ = 2 โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฃ0 0.5โŽฆ โŽฃ1โŽฆ โŽฃ0.5โŽฆ โŽฃ0.5โŽฆ โŽก1 0 โŽค โŽก 1 โŽค โŽก 1 โŽค โŽก 1 โŽค x(3) = โŽข =โŽข , y (3) = [1 2] โŽข โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฅ โŽฅ = 1.5 โŽฃ 0 0.5โŽฆ โŽฃ 0.5โŽฆ โŽฃ 0.25โŽฆ โŽฃ 0.25โŽฆ (f) A = [1 0;0 .5]; B = [2; 1]; C = [1 2]; x=[1; 2]; u = 0; for k = 0:3 x1 = A*x + B*u; y = C*x; [k,y] x = x1; end 2.12-3. The system described by the equations โŽก 1.1 1 โŽค โŽก โŽค โŽฅ x (k ) + โŽข 1 โŽฅ u(k ) x ( k + 1) = โŽขโŽข โŽฅ โŽข 1 โŽฅ โŽขโŽฃ โŽฅโŽฆ โŽขโŽฃ โˆ’0.3 0 โŽฅโŽฆ y ( k ) = โŽกโŽข 1 โˆ’1 โŽคโŽฅ x ( k ) โŽฃ โŽฆ T is excited by the initial conditions x (0) = โŽกโŽขโŽฃ โˆ’1 2 โŽคโŽฅโŽฆ with u ( k ) = 0 for all k. ย  58 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. (a) Use (2-89) to solve for x ( k ), k โ‰ฅ 0. (b) Find the output y ( k ) . (c) Show that ฮฆ( k ) in part (a) satisfies the property ฮฆ(0) = I . (d) Show that the solution in part (a) satisfies the given initial conditions. (e) Use an iterative solution of the state equations to show that the values y ( k ) , for k = 0, 1, 2, and 3, in part (b) are correct. (a) T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) Solution: โŽก z โˆ’ 1.1 โˆ’1โŽค zI โˆ’ A = โŽข ; zI โˆ’ A = ฮ” = z 2 โˆ’ 1.1z + 0.3 = ( z โˆ’ 0.5)( z โˆ’ 0.6) โŽฅ zโŽฆ โŽฃ 0.3 ( zI โˆ’ A)โˆ’1 = 1 โŽค 1โŽก z โŽข ฮ” โŽฃ โˆ’0.3 z โˆ’ 1.1โŽฅโŽฆ โŽ› โŽก z โŽœ โŽข ( z โˆ’ 0.5)( z โˆ’ 0.6) ฮฆ(k ) = / โˆ’1[ z ( zI โˆ’ A) โˆ’1 ] = / โˆ’1 โŽœ z โŽข โŽœ โŽข โˆ’0.3 โŽœ โŽข ( z โˆ’ 0.5)( z โˆ’ 0.6) โŽ โŽฃ โŽ› โŽก โˆ’5 6 + โŽœ โŽข z .5 z .6 โˆ’ โˆ’ = / โŽœzโŽข 3 3 โˆ’ โŽœ โŽข + โŽœ โŽข โŽ โŽฃ z โˆ’ .5 z โˆ’ .6 โˆ’1 โŽก โˆ’5(0.5)k + 6(0.6)k =โŽข k k โŽฃโŽข 3(0.5) โˆ’ 3(0.6) 1 โŽคโŽž โŽŸ ( z โˆ’ 0.5)( z โˆ’ 0.6) โŽฅ โŽŸ โŽฅ z โˆ’ 1.1 โŽฅโŽŸ โŽŸ ( z โˆ’ 0.5)( z โˆ’ 0.6) โŽฅโŽฆ โŽ  โˆ’10 10 โŽค โŽž + โŽŸ z โˆ’ .5 z โˆ’ .6 โŽฅ โŽŸ โŽฅ 6 โˆ’5 โŽฅ โŽŸ + โŽŸ z โˆ’ .5 z โˆ’ .6 โŽฅโŽฆ โŽ  โˆ’10(0.5)k + 10(0.6)k โŽค โŽฅ 6(0.5)k โˆ’ 5(0.6)k โŽฆโŽฅ โŽก โˆ’5(0.5)k + 6(0.6)k โˆด x(k ) = ฮฆ(k )x(0) = โŽข k k โŽฃโŽข 3(0.5) โˆ’ 3(0.6) โˆ’10(0.5)k + 10(0.6)k โŽค โŽก โˆ’1โŽค โŽก โˆ’15(0.5)k + 14(0.6)k โŽค โŽฅโŽข โŽฅ = โŽข โŽฅ 6(0.5)k โˆ’ 5(0.6)k โŽฆโŽฅ โŽฃ 2 โŽฆ โŽฃโŽข 9(0.5)k โˆ’ 7(0.6)k โŽฆโŽฅ โŽก โˆ’15(0.5)k + 14(0.6)k โŽค k k (b) y(k ) = Cx(k ) = [1 โˆ’1] โŽข โŽฅ = โˆ’24(0.5) + 21(0.6) k k 9(0.5) 7(0.6) โˆ’ โŽฃโŽข โŽฆโŽฅ โŽก โˆ’5 + 6 โˆ’10 + 10 โŽค โŽก1 0 โŽค = =I 6 โˆ’ 5 โŽฆโŽฅ โŽฃโŽข 0 1 โŽฆโŽฅ โŽฃ 3โˆ’3 (c) ฮฆ(0) = โŽข ย  59 ย  Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. โŽก โˆ’15 + 14 โŽค โŽก โˆ’1โŽค โŽฅ=โŽข โŽฅ โŽฃ 9โˆ’7 โŽฆ โŽฃ 2 โŽฆ (d) x(k ) k =0 = โŽข (e) From (b), y (0) = โˆ’3 y (2) = 1.56 y (1) = 0.6 y (3) = 1.536 โŽก โˆ’1โŽค y (0) = Cx(0) = [1 โˆ’1] โŽข โŽฅ = โˆ’3 โŽฃ2โŽฆ โŽก 1.1 1 โŽค โŽก โˆ’1โŽค โŽก 0.9 โŽค โŽก 0.9 โŽค x(1) = โŽข = โŽข โŽฅ ; y (1) = [1 โˆ’1] โŽข โŽฅ = 0.6 โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฃ โˆ’0.3 0 โŽฆ โŽฃ 2 โŽฆ โŽฃ 0.3โŽฆ โŽฃ 0.3โŽฆ T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) โŽก 1.1 1 โŽค โŽก0.9 โŽค โŽก 1.29 โŽค โŽก 1.29 โŽค x(2) = โŽข โŽฅ โŽข 0.3โŽฅ = โŽข โˆ’0.27 โŽฅ ; y(2) = [1 โˆ’1] โŽข โˆ’0.27 โŽฅ = 1.56 โˆ’ 0.3 0 โŽฃ โŽฆโŽฃ โŽฆ โŽฃ โŽฆ โŽฃ โŽฆ โŽก 1.1 1 โŽค โŽก 1.29 โŽค โŽก 1.149 โŽค โŽก 1.149 โŽค x(3) = โŽข =โŽข ; y (3) = [1 โˆ’1] โŽข โŽฅ โŽข โŽฅ โŽฅ โŽฅ = 1.536 โŽฃ โˆ’0.3 0 โŽฆ โŽฃ โˆ’0.27 โŽฆ โŽฃ โˆ’0.387 โŽฆ โŽฃ โˆ’0.389 โŽฆ MATLAB: A = [1.1 1;โ€“0.3 0]; B = [1; 1]; C = [1 โ€“1]; x=[โ€“1; 2]; u = 0; for k = 0:3 x1 = A*x + B*u; y = C*x; [k,y] x = x1; end 2.12-4. Let ฮฆ( k ) be the state transition matrix for the equations x ( k + 1) = Ax ( k ) Show that ฮฆ( k ) satisfies the difference equation ฮฆ( k + 1) = Aฮฆ( k ) ย  60 ย  T an his th d wo sa eir is p rk w le co ro is ill o u vi pr de f a rse de ot st ny s d s ec ro p an o te y ar d le d th t o a ly by e s in f th se for Un te is ss th ite gr w in e ity o g us d S of rk ( stu e o tat th inc de f i es e lu nt ns co w d le tr p or in a uc y k g rn to rig an on in rs h d th g. in t la is e D t w no W iss ea s t p or em ch in er ld m W ina g itt id tio ed e n . We or b) Early Draft — Final Version Expected 2/2015 — can be updated via the Instructor Resource website. Solution: x(k + 1) = Ax(k ); x(k ) = ฮฆ(k )x(0) โˆด ฮฆ(k + 1)x(0) = Aฮฆ(k )x(0) Since this is true for any x(0), โˆด ฮฆ(k + 1) = Aฮฆ(k ) ย  ย  61 ย 

Document Preview (45 of 279 Pages)

User generated content is uploaded by users for the purposes of learning and should be used following SchloarOn's honor code & terms of service.
You are viewing preview pages of the document. Purchase to get full access instantly.

Shop by Category See All


Shopping Cart (0)

Your bag is empty

Don't miss out on great deals! Start shopping or Sign in to view products added.

Shop What's New Sign in