第八章采样控制系统 §8-1基本概念 重点:采样系统的基本概念 难点:离散信号与连续信号的区别 连续系统:各变量均为时间t的连续函数。 离散系统:系统中某一处或几处的信号是脉冲序列或数字编 离散信号:仅在离散的瞬时上变化,是时间的离散函数,呈 现的是脉冲信号或数码信号。 通常把系统中的离散信号是脉冲序列形成的离散系统,称为 采样控制系统或脉冲控制系统;而把数字序列形成的离散系统 称为采样控制系统或计算机控制系统。 散控制系统分为:「采样控制系统:脉冲序列信号 数字控制系统:数字序列信号。 一、采样控制系统 1.定义:指间断地对系统中某些变量进行测量和控制的系统。 2.典型结构 e(t) s e*(t) (t) r 脉冲 保持器 对象 控制器 Xr(t) H(S) 根据采样装置在系统中所处的位置不同,可以构成各种采样 系统。例如: 开环采样系统:采样器位于系统闭和回路之外,或系统本身 不存在闭合回路。 闭环采样系统:采样器位于系统闭合回路之内。 常用误差采样控制的闭环采样系统。如图,图中 (t),e(t),y(t)为输入误差,输出的连续信号
第八章 采样控制系统 §8-1 基本概念 重点：采样系统的基本概念 难点：离散信号与连续信号的区别 连续系统：各变量均为时间t的连续函数。 离散系统：系统中某一处或几处的信号是脉冲序列或数字编 码。 离散信号：仅在离散的瞬时上变化，是时间的离散函数，呈 现的是脉冲信号或数码信号。 通常把系统中的离散信号是脉冲序列形成的离散系统，称为 采样控制系统或脉冲控制系统；而把数字序列形成的离散系统， 称为采样控制系统或计算机控制系统。 散控制系统分为： 采样控制系统：脉冲序列信号； 数字控制系统：数字序列信号。 一、采样控制系统 1．定义: 指间断地对系统中某些变量进行测量和控制的系统。 2．典型结构： 根据采样装置在系统中所处的位置不同,可以构成各种采样 系统。例如： 开环采样系统：采样器位于系统闭和回路之外，或系统本身 不存在闭合回路 。 闭环采样系统：采样器位于系统闭合回路之内 。 常用误差采样控制的闭环采样系统。如图，图中： r(t),e(t),y(t)为输入误差，输出的连续信号， y(t) 脉 冲 控制器 e(t) 保持器 对象 H(s) T S e*(t) r (t) Xr (t)
S一采样开关或采样器,为实现采样的装置 T一采样周期 e*(t)一是e(t)连续误差信号经过采样开关后,获得的一系列离 散的误差信号 e*(t)作为脉冲控制器的输入,经控制器对信号进行处理,在 经过保持器(或滤波器)恢复为连续信号。即将脉冲信号e*(t) 复现为阶梯信号e(t),当采样频率足够时,e(t)接近于连续信号 从而去控制被控对象,对象输出又反馈到输入端进行调节 e(t) ex(t) Chet) τ(或γ)采样保持时间,τ<T 3.几个术语 ①采样过程:把连续信号转变为脉冲序列的过程称采样过程, 简称采样。 ②采样器:实现采样的装置,或采样开关 ③保持器:将采样信号转化为连续信号的装置(或元件) ④信号复现过程:把脉冲序列一连续信号的过程 4.特点 采用系统中既有离散信号,又有连续信号。采样开关接通时刻, 系统处于闭环工作状态。而在采样开关断开时刻,系统处于开环 工作状态。 数字控制系统 1.定义:系统中含有数字计算机或数字编码元件的系统,是一种 以数字计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象 的闭环控制系统 2.组成
S—采样开关或采样器，为实现采样的装置。 T—采样周期。 e﹡(t)—是e(t)连续误差信号经过采样开关后，获得的一系列离 散的误差信号。 e*(t)作为脉冲控制器的输入,经控制器对信号进行处理，在 经过保持器（或滤波器）恢复为连续信号。即将脉冲信号e*(t) 复现为阶梯信号e(t),当采样频率足够时，e(t)接近于连续信号， 从而去控制被控对象，对象输出又反馈到输入端进行调节。 τ（或γ） 采样保持时间，τ<<T 3．几个术语 ①采样过程：把连续信号转变为脉冲序列的过程称采样过程， 简称采样。 ②采样器：实现采样的装置，或采样开关。 ③保持器：将采样信号转化为连续信号的装置（或元件）。 ④信号复现过程：把脉冲序列--连续信号的过程。 4 .特点： 采用系统中既有离散信号，又有连续信号。采样开关接通时刻， 系统处于闭环工作状态。而在采样开关断开时刻，系统处于开环 工作状态。 二．数字控制系统 1．定义：系统中含有数字计算机或数字编码元件的系统，是一种 以数字计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象 的闭环控制系统。 2．组成
系统包括工作于离散状态下的数字计算机和工作于连续状态 下的被控对象两大部分。 r(t) e(t) e*(t) Uh(t) A/D 计算机 D/A 被控对象 测量元件 计算机作为系统的控制器,其输入和输出只能是二进制编码的 数字信号,即在时间上和幅值上都是离散信号,而系统中被控对 象和测量元件的输入和输出是连续信号,故需要AD,D/A实现两 种信号的转换。 AD作用:∫对连续输入信号定时采样(采样) 编码:把模拟量在采样时刻的十进制变为二进制 代码。 D/A作用:「解码:把离散的数字信号转换成离散的模拟信号 复现(保持):经保持器把离散模拟信号复现为连 续的模拟信号。 模拟信号:输入输出是连续信号,即时间上和幅值上都连续的 信号。通常,测量元件、执行元件和被控对象是模拟元件。 离散模拟信号:时间上离散而幅值上连续的信号 如:控制器的脉冲元件 A/D—一采样器(采样开关) D/A—一保持器(零阶保持器) 计算机一一脉冲控制器 故数字计算机控制系统可在数学上等效于一个典型的采样控 制系统 r(t t) e*(t) (t) y(t) Xr(t) 控制器 保持器 被控对象 Xc(t) 反馈
系统包括工作于离散状态下的数字计算机和工作于连续状态 下的被控对象两大部分。 计算机作为系统的控制器，其输入和输出只能是二进制编码的 数字信号，即在时间上和幅值上都是离散信号，而系统中被控对 象和测量元件的输入和输出是连续信号，故需要 A/D,D/A 实现两 种信号的转换。 A/D 作用： 对连续输入信号定时采样 （采样） 编码：把模拟量在采样时刻的十进制变为二进制 代码。 D/A 作用： 解码：把离散的数字信号转换成离散的模拟信号。 复现（保持）：经保持器把离散模拟信号复现为连 续的模拟信号。 模拟信号：输入输出是连续信号，即时间上和幅值上都连续的 信号。通常，测量元件、执行元件和被控对象是模拟元件。 离散模拟信号：时间上离散而幅值上连续的信号。 如：控制器的脉冲元件 A/D——采样器（采样开关） D/A——保持器（零阶保持器） 计算机——脉冲控制器 故数字计算机控制系统可在数学上等效于一个典型的采样控 制系统。 e(t) e*(t) u*(t) Uh(t) y(t) 测量元件 A/D 计算机 D/A 被控对象 r(t) r(t) xr(t) e(t) e*(t) u*(t) y(t) 反馈 控制器 保持器 被控对象 T T xc(t)
采样系统硏究方法可直接应用于数学控制系统 小结:本节主要讨论了采样控制系统和数字控制系统,简单介绍 了系统组成。 §8-2信号采样过程和采样定理 重点:采样定理 难点:采样过程、采样定理 离散系统的特点:系统中某一处或数处信号是脉冲序列或数字序 列。为了把连续序列变换为脉冲信号器,另 方面,为了控制连续式之部件,又需要使用保 持器将脉冲信号变换为连续信号。为定量研究 离散系统,必须对信号的采样过程和保持过程 用数学方法加以描述。 采样过程 设采样的器每隔T秒闭合一次(接通一次)。接通时间为τ Fct) fct 采样器可用一个周期性闭合的采样开关S表示 f(t)一输入连续信号 f"(t)为定宽度等于τ的 调幅脉冲序列,在采样瞬时nT(n=0.1.2.3…)时出现
采样系统研究方法可直接应用于数学控制系统。 小结：本节主要讨论了采样控制系统和数字控制系统，简单介绍 了系统组成。 §8-2 信号采样过程和采样定理 重点：采样定理 难点：采样过程、采样定理 离散系统的特点：系统中某一处或数处信号是脉冲序列或数字序 列。为了把连续序列变换为脉冲信号器，另一 方面，为了控制连续式之部件，又需要使用保 持器将脉冲信号变换为连续信号。为定量研究 离散系统，必须对信号的采样过程和保持过程 用数学方法加以描述。 一、采样过程 设采样的器每隔 T 秒闭合一次（接通一次）。接通时间为τ 采样器可用一个周期性闭合的采样开关 S 表示 f(t)—输入连续信号 f * (t)为定宽度等于τ的 调幅脉冲序列，在采样瞬时 nT（n=0.1.2.3…）时出现
1.过程∫=0时 采样器闭和τ秒 f”(t)=f(t) 1t=τ秒时采样器打开 f”(t)=0 以后每隔T秒重复一次,丢失采样的信息 由于采样器(采样开关闭合时间τ很小)。τ<<T,分析认为 τ=0采样器的输出f*(t)等于输入于采样器的连续信号在采 样时刻的数值。采样过程可以看成是一个幅值的过程。理想 采样器好象是一个滤波为δr(t)的幅值调制器, f(t) 0 f(t)可以认为是输入连续信号f(t)调制在找到δT(t)上的 结果。δ(1) 理想脉冲序列81(t)=δ(1)+6(1-7)+6(t-27)+… d(t-nl) ∑6(t-nT) f"(t)=f(t)&T(t)=f(t)28(t-nT) f(t)δ(t-nT) ∑fanT)8(t-nT) (由于f(t)只在f(nT)时才被采样,他只和采样时刻的有 关。又f(t)=0,t<0.) 2.物理意义 采样过程是单位理想脉冲序列δr(t)被输入信号f(t) 进行幅值调节的过程 3.数学描述
1.过程 t=0 时 采样器闭和τ秒 f * (t)=f(t) t=τ秒时 采样器打开 f * (t)=0 以后每隔 T 秒重复一次，丢失采样的信息 由于采样器（采样开关闭合时间τ很小）。τ<<T，分析认为 τ=0 采样器的输出 f*(t)等于输入于采样器 的连续信号在采 样时刻的数值。采样过程可以看成是一个幅值的过程。理想 采样器好象是一个滤波为δT（t）的幅值调制器， f * (t)可以认为是输入连续信号 f(t)调制在找到δT（t）上的 结果。 (t) 理想脉冲序列 (t) T = (t) + (t − T) + (t − 2T) +…+ (t − nT) = n=− δ（t-nT） f * (t) =f(t) δT（t）= f(t) n=− δ（t-nT） = n=− f(t) δ（t-nT） = n=0 f(nT) δ（t-nT） (由于f（t）只在f(nT)时才被采样，他只和采样时刻的 有 关。又 f(t)=0,t<0.) 2.物理意义： 采样过程是单位理想脉冲序列δT（t）被输入信号 f(t) 进行幅值调节的过程 3.数学描述：