La trasformata Z unilaterale porta il tempo discreto, t∈Z, nel complesso, z∈C. A una sequenza f(t) nulla per t<0 associa:
F(z)=Z[f(t)]=t=0∑∞f(t)z−t
È lineare, e il ritardo di un passo diventa un fattore z−1. Applicata a x(t+1)=Ax(t)+Bu(t), y(t)=Cx(t)+Du(t) separa, come Laplace, la parte dovuta allo stato iniziale da quella dovuta all'ingresso:
È la struttura del caso continuo, con zI−A al posto di sI−A. Il fattore z in Φ e Ψ viene dall'anticipo: Z[x(t+1)]=zX(z)−zx0. Per usarla servono una tabella di trasformate e il modo di tornare alla sequenza.
Trasformate elementari e convergenza
La serie non converge per ogni z: la regione di convergenza dipende dalla sequenza. L'impulso δ(t) vale 1 in t=0 e 0 altrove, quindi Z[δ(t)]=1 per ogni z. Per il modo naturale λt, con λ complesso, la somma è una serie geometrica di ragione λ/z:
Converge se ∣λ/z∣<1, cioè per ∣z∣>∣λ∣. Con λ=1 si ottiene il gradino δ−1(t), con trasformata z/(z−1) per ∣z∣>1. Per sequenze reali i poli complessi sono coppie coniugate, λ=ρeiθ e λ∗=ρe−iθ, con lo stesso modulo ρ.
Dove converge la trasformata di un modo
λλ∗ReIm
non converge: ∣z∣≤ρ
La serie converge fuori dal cerchio che passa per i poli, qualunque sia l'angolo. Cambiando ρ il cerchio si allarga; cambiando θ i poli girano e il cerchio resta.
Per un esponenziale eat=(ea)t, con a complesso, vale λ=ea e quindi z/(z−ea) per ∣z∣>∣ea∣. Seno e coseno si riducono a due esponenziali, con sinθt=(eiθt−e−iθt)/(2i):
Per t2 la derivata seconda non basta. Derivando due volte compare t(t+1), un prodotto in anticipo, scomodo da trasformare. L'anticipo costa un termine, Z[f(t+1)]=zF(z)−zf(0), mentre il ritardo è semplice, Z[f(t−1)]=z−1F(z). Ritardando di un passo resta t(t−1):
Le trasformate della forma polinomiale discreta convergono per ∣z∣>1. In generale, per una sequenza qualsiasi, Z[tf(t)]=−zF′(z).
Antitrasformata con fratti semplici
Le trasformate sono funzioni razionali proprie: il grado del numeratore non supera quello del denominatore, ed è strettamente propria se è minore. Nella tabella ogni termine ha z al numeratore, come z/(z−zi)↔zit. Una somma di fratti R/(z−zi) è però strettamente propria, quindi non basta per una F(z) propria.
Si divide per z: F(z)/z è strettamente propria, con i poli z1,…,zn di F e il polo z=0. Qui i poli di F sono semplici e non nulli.
zF(z)=zR1+z−z1R2+⋯+z−znRn+1
I coefficienti sono residui: R1=F(0) e Ri+1=limz→zi(z−zi)F(z)/z. Moltiplicando di nuovo per z e usando la tabella:
Se F(z) è strettamente propria si può anche svilupparla subito e raccogliere un ritardo. I coefficienti sono allora i residui di F, non di F(z)/z: Ri+1=limz→zi(z−zi)F(z).
Con poli multipli lo sviluppo contiene le potenze (z−zi)−j; per zi=1 i termini sono quelli della forma polinomiale discreta, perché z/(z−1)k+1↔t[k]/k!.
Il sistema a tempo campionato
Un sistema continuo con funzione di trasferimento W(s) riceve un ingresso discreto ud(t) attraverso il mantenitore d'ordine zero (ZOH), che tiene ogni campione fino al successivo e produce l'ingresso continuo uc(t). L'uscita continua yc(t) si campiona ogni T:
yd(k)=yc(t)t=kT
Si cerca Wd(z) tale che Yd(z)=Wd(z)Ud(z) dia gli stessi campioni. Deve quindi valere, per ogni ingresso:
Z−1[Yd(z)]=L−1[W(s)Uc(s)]t=kT
L'uscita si campiona senza difficoltà. Il problema è l'ingresso: la relazione vale per ogni ud, quindi basta un ingresso solo, purché sia semplice da trasformare in z e, dopo il mantenitore, in s. L'impulso discreto si potrebbe usare, ma il mantenitore lo trasforma in un rettangolo lungo T, con una trasformata meno semplice. Il gradino invece resta un gradino, e le sue trasformate sono note: ud(t)=δ−1(t) ha Ud(z)=z/(z−1), e dopo il mantenitore Uc(s)=1/s.
Il polo continuo −10 diventa il polo discreto e−10T, quindi Wd(z) cambia con il periodo T anche se W(s) resta la stessa.
Ricavare W(s) da una prova
Se il sistema non è noto, W(s) si ricava dalla risposta forzata yF a un ingresso noto, perché YF(s)=W(s)U(s). Con un ingresso e un'uscita, p=q=1, il gradino dà:
Con p ingressi, invece, W(s) ha p colonne e una prova dà soltanto la combinazione W1U1+⋯+WpUp, che non le separa. Servono p esperimenti con ingressi indipendenti: per esempio un ingresso alla volta, gli altri nulli, così ogni prova dà una colonna. Con due ingressi, la prova con u=(δ−1(t),0) dà la prima colonna, e ne serve una seconda indipendente dalla prima.
Matrici del sistema e passaggio diretto
Dalle funzioni nel tempo si risale alle matrici. Con Φ(t)=eAt, H(t)=eAtB, Ψ(t)=CeAt e la risposta impulsiva W(t), antitrasformata di W(s):
D è il coefficiente dell'impulso in W(t): se l'impulso c'è, c'è il passaggio diretto, altrimenti D=0. Nel dominio di s, in W(s)=C(sI−A)−1B+D il primo termine è strettamente proprio e D è la costante, quindi con D=0 la funzione è propria ma non strettamente:
D=s→∞limW(s)
Per esempio, con W(t)=e2t+δ(t):
W(s)=s−21+1=s−2s−1
Il passaggio diretto non si vede con ogni ingresso. Con u(t)=et lo zero di W cancella il polo dell'ingresso, e l'uscita è strettamente propria:
YF(s)=s−2s−1⋅s−11=s−21
Con l'impulso, U(s)=1, l'uscita è W(s) stessa, propria: YF(s)=1+1/(s−2), e la costante 1 è D.