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Laplace变换 Z变换之间的关系

$\mathcal{S}$域$\mathcal{Z}$域映射关系

复数S平面

\[s=\sigma+j\omega\]

说明$\mathcal{S}$域是个直角坐标系,其中$\sigma$是实轴坐标,$\omega$是虚轴坐标

复数Z平面

\[z=e^{sT}=e^{(\sigma+j\omega)T}=e^{ \sigma T } e^{j \omega T}=re^{j \omega T}\]

其中$r=e^{ \sigma T }$

$\sigma<0\rightarrow r<1$

$\mathcal{S}$域上是左半平面,$\mathcal{Z}$域上是单位圆内。

$\sigma =0 \rightarrow r=1$ $\mathcal{S}$域上是虚轴,$\mathcal{Z}$域上是单位圆。

$ \sigma >0 \rightarrow r>1$

$\mathcal{S}$域上是右半平面,$\mathcal{Z}$域上是单位圆外。

这也是为什么控制理论中判断系统稳定性时,S域判断的是极点在否左半平面,Z域判断极点是否在单位圆内。

个人理解:可能涉及到了拓扑学中的内容,S域平面向左边挤压成一个圆。其几何形状虽然发生了变化,但是相互之间的位置维系依旧保存下来了(Z与S之间转换的边界除外)。

${\mathcal{S}}$ 域 ${\mathcal{Z}}$ 域转换

欧拉和Tustin

Tustin变换

采样周期为

\[T=\frac{2\pi}{\omega_s}\]

其中$\omega_s$为采样频率

两者之间的关系为

\[z=e^{sT}=e^{( \sigma +j \omega )T}=e^{ \sigma T}e^{j \omega T}\]
$\mathcal{S} \rightarrow \mathcal{Z}$
\[z=e^{sT}=\frac{e^{sT/2}}{e^{-sT/2}}{\approx}{\frac{1+sT/2}{1-sT/2}}\]
$\mathcal{Z} \rightarrow \mathcal{S}$
\[s=\frac{ln(z)}{T} {\approx} \frac{2}{T} \frac{z-1}{z+1}=\frac{2}{T}\frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}\]

通过Tustin变换就可以把S域的传递函数用时序数字信号的输入和输出表示出来。