The influence of limited bit on the implementation of the transfer in digital system

Abstract

Проаналізовано малодосліджену проблему в цифрових системах керування – вплив на їхню поведінку обмеженої розрядності апаратної частини і, відповідно, коефіцієнтів дискретних передавальних функцій. Дослідження здійснено методом нулів і полюсів та перехідних хаLviv Polytechnic National University Institutional Repository http://ena.lp.edu.ua86 рактеристик з використанням математичного застосунку MATLAB з бібліотекою Control System Toolbox і підтвердили актуальність цієї проблеми. Мета досліджень – визначення мінімального періоду дискретизації в цифрових системах за умови забезпечення їхньої стійкості та відповідності поведінці неперервної системи (прототипу) за обмеженої розрядності обчислень і точності задавання даних. Це дасть змогу запропонувати рішення для зменшення негативного впливу обмеженої розрядності в розроблюваних цифрових системах і розширити діапазон раціональної частоти дискретизації. Сформульовані граничні залежності для мінімального кроку дискретизації та сталої часу елементарних передавальних функцій першого і другого порядків. Показано, що у випадку обмеженої розрядності підвищення порядку полінома передавальної функції збільшує його чутливість до точності задавання його коефіцієнтів. Дослідження впливу обмеженої розрядності обчислень виконано на прикладі передавальних функцій, що відповідають біноміальним формам п’ятого та сьомого порядків. Показано вплив точності задавання коефіцієнтів поліномів на перехідні функції та розміщення нулів і полюсів дискретних передавальних функцій на комплексній площині залежно від кроку дискретизації. Порівняно перехідні характеристики дискретних систем з обмеженою розрядністю з їхнім неперервним аналогом. Дослідження підтверджують, що метод декомпозиції неперервної передавальної функції для розкладу на елементарні складові не вище ніж другого порядку з подальшою їх дискретизацією дає змогу розширити межі допустимих частот дискретизації у цифрових системах з обмеженою розрядністю даних. Показано вплив похибок на прикладі поліномів з другого по сьомий порядок, зокрема зі збільшенням порядку полінома зростає його чутливість до точності задавання його коефіцієнтів.

The unexploring problem of digital control systems analyzes in this article – the impact on their behavior of the limited bit resolution of the hardware and, accordingly, the discrete transfer functions coefficients. The research conducted by the zeros/poles and transient characteristics methods using the mathematical application MATLAB with the package Control System Toolbox and confirmed the relevance of this problem. The research purpose is to determine the minimum sampling period in digital systems, provided there stability and adequacy to the behavior of a continuous system (prototype), given the limited binary resolution and the data accuracy. This will make it possible to offer solutions to reduce the negative impact of the limited bit resolution in the developed digital systems and expand the range of rational sampling rate. Boundary dependences for the minimum sampling period and inertial time of elementary first- and second-order transfer functions formulated. It is shown that in the case of limited precision arithmetic the order’s growing of the transfer function polynomial increases its sensitivity to the its coefficients accuracy. The study of the limited arithmetic precision impact carried out on the example of transfer functions corresponding to the fifth and seventh orders binomial forms. The influence of the accuracy of the transfer functions polynomials coefficients and the placement of zeros and poles of discrete transfer functions on the complex plane shown on depending on the sampling step. The transient characteristics of discrete systems with limited bit resolution compared to their continuous analogue. Studies confirm that the method of a continuous transfer function decomposition for decomposition into elementary components of the first and second orders and their following sampling, allows expanding the bounds of allowable sampling steps in digital systems with limited precision arithmetic. The influence of errors shown on the example of polynomials from the second to the seventh order, where in particular with growing order the polynomial increases its sensitivity to the accuracy of its coefficients setting.