Qual é o significado exato do sistema instável no DSP?


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Nos sistemas físicos, entendo qual é o significado de estabilidade ou instabilidade. Um amplificador operacional, por exemplo, se trabalhar com feedback positivo irá saturar ou começar a ossilar (ou seja, não terá nenhum estado estável). isso está claro para mim.

Mas não consigo entender exatamente o que queremos dizer quando dizemos que um filtro IIR (ou qualquer outro sistema digital), por exemplo, pode se tornar muito instável.

  • O que exatamente acontece dentro do Digital Signal Proccessor, o que acontece com a saída fisicamente?
  • O que exatamente queremos dizer com sistema instável nesse contexto?

Respostas:


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Instável normalmente significa e saída ilimitada para uma entrada limitada. Em outras palavras, a saída de, digamos, um filtro pode ficar infinitamente grande, embora a entrada esteja perfeitamente correta e com tamanho "normal". Um exemplo simples seria a equação da diferença . Se calcularmos a resposta do passo, ou seja, , obtemos y [0] = 1, y [1] = 2, y [2] = 3 ... A saída cresce infinitamente, mesmo que o entrada é um sinal perfeitamente bem comportado, delimitado por 1.y[n]=x[n]+y[n-1 1]x[n]=você[n]


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Um filtro IIR instável funcionará como um circuito instável de amplificador operacional, exceto que a entrada e a saída são fluxos de números em vez de tensões.

Portanto, a saída pode oscilar, ficar presa a um valor mínimo / máximo ou geralmente apenas ficar entupida. Assim como um circuito instável de amplificador operacional, ele pode funcionar para algumas entradas e oscilar para outras.

Praticamente qualquer tipo de sistema em que o feedback esteja envolvido pode ser instável se ele for projetado incorretamente. Isso ocorre porque parte da saída é realimentada na entrada (portanto, é feedback!), Portanto, um sistema instável continuará realimentando cada vez mais até que fique louco.

Não há nada de especial nos filtros IIR vs. filtros de amplificador operacional - ambos têm feedback e podem ser estáveis ​​ou instáveis, dependendo dos polos, que representam a parte do feedback de uma função de transferência.

Essa é realmente a diferença entre um filtro digital FIR e um filtro digital IIR: os filtros FIR não têm feedback, portanto nunca podem ser instáveis ​​(a desvantagem aqui é que um filtro FIR equivalente geralmente leva uma tonelada a mais de computação). Eles são basicamente feed-forward puro, em vez de receber feedback (e provavelmente também algum feed-forward) como um IIR.


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Um filtro IIR possui polos, o que significa que ele recebe feedback da saída do sistema que é fator em seus cálculos de saída. Os pólos de um sistema de tempo discreto devem ter uma magnitude absoluta menor que 1 para que o sistema seja estável. Isso equivale a fazer com que os pólos caiam dentro de um círculo unitário no plano complexo (geralmente se referindo ao plano z associado à função de transferência de domínio z do sistema).

A situação análoga para sistemas do "mundo real" (sistemas que podem ser modelados por equações diferenciais lineares com coeficientes constantes - portanto, pode ser representada por uma função de transferência no domínio Laplace ou no domínio S), é que os pólos da função de transferência do sistema devem esteja no lado esquerdo do plano S.

Para sistemas de tempo discreto, se os pólos estiverem fora do círculo unitário, os valores representados internamente, assim como a saída do sistema, podem crescer sem limites. Se os pólos estiverem localizados no círculo da unidade, os valores internos ao sistema e a saída poderão oscilar.

Para um sistema estável, espera-se que os valores internos e a saída do sistema sejam uma função da entrada do sistema. Este não será o caso se o sistema for oscilatório ou tiver valores que excedam o tamanho dos números usados ​​para representar valores internos (excesso de registro).

Se os pólos estiverem muito próximos do círculo unitário, o sistema poderá ser marginalmente estável. Nesses casos, o sistema pode se comportar para um conjunto limitado de condições de entrada, mas pode se tornar descontrolado para outras condições. A razão para isso é que os sistemas DSP são inerentemente não lineares. Os valores internos são geralmente representados usando aritmética de ponto fixo e são sempre armazenados em registros de tamanho finito; portanto, se os valores máximos que podem ser representados forem excedidos, o sistema experimentará uma não linearidade. Outra característica dos sistemas DSP é que os sinais são quantizados. A quantização do sinal adiciona efeitos não lineares de baixo nível ao sistema. O erro de quantização é frequentemente modelado como ruído, mas pode se correlacionar com os valores do sistema e resultar em oscilações chamadas ciclos limite.

Deve-se tomar cuidado para evitar saturação (atingindo valores máximos absolutos) nas representações de ponto fixo. Geralmente, considera-se melhor, se os valores absolutos forem excedidos, que a representação seja mantida no valor máximo em vez de causar uma inversão de sinal do valor. Isso é chamado de limitação de saturação e faz um trabalho melhor de preservar o comportamento do sistema, permitindo inversões de sinal.

Em geral, um sistema DSP instável irá saturar para um valor fixo ou oscilar de maneira caótica devido a não-literários internos.


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Quando um sistema é instável, a saída do sistema pode ser infinita, mesmo que a entrada no sistema seja finita. Isso causa uma série de problemas práticos. Por exemplo, um controlador de braço de robô instável pode fazer com que o robô se mova perigosamente. Além disso, os sistemas instáveis ​​geralmente sofrem uma certa quantidade de dano físico, que pode se tornar caro. No entanto, muitos sistemas são inerentemente instáveis ​​- um avião de combate, por exemplo, ou um foguete na decolagem, são exemplos de sistemas naturalmente instáveis. Embora possamos projetar controladores que estabilizem o sistema, é importante primeiro entender o que é a estabilidade, como é determinada e por que é importante.


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Um sistema é considerado instável se sua saída for infinita para um sinal de entrada finito aplicado.

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