线性离散控制系统分析与校正模板.pptx

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1、离散系统的设计方法离散系统性能的分析方法离散系统的数学建模离散系统的基本概念与原理1234第1页/共32页如何设计离散系统？-最少拍系统设计离散系统的数学模型-脉冲传递函数？离散系统数学基础-采样定理和z变换？什么是离散系统？第第9章章 线性离散控制系统的分析与校正线性离散控制系统的分析与校正目标（Objectives）如何分析离散系统(稳准快）？第2页/共32页第第9章章 线性离散系统的分析与校正线性离散系统的分析与校正9.1离散系统的离散系统的基本概念基本概念 9.2 信号的采样与保持信号的采样与保持9.3 Z变换理论变换理论9.4 线性离散控制系统的线性离散控制系统的数学模型数学模型（描

2、述）（描述）9.5 线性离散控制系统线性离散控制系统分析分析分析分析9.6 线性离散控制系统的数字校正（线性离散控制系统的数字校正（设计）设计）主要内容离散系统分析的数学基础第3页/共32页9.1 离散系统的基本概念 连连续续时时间间系系统统（continuous time system)：指指控控制制系系统统中中的的所所有有信信号号都都是是时时间间变变量量的的连连续续函函数数。简简称称连连续系统续系统。离离散散时时间间系系统统(discrete time system)：指指控控制制系系统统中中有有一一处处或或几几处处信信号号是是一一串串脉脉冲冲或或数数码码，即即这这些些信信号仅定义在离散时

3、间上号仅定义在离散时间上。简称。简称离散系统离散系统。一、什么是离散系统？P481 第4页/共32页0 2T 4T 6T0 2T 4T 6T数字信号 6q 4q2q连连续续(或或模模拟拟)信信号号：在在时时间间和和幅幅值值上上均均连续变化连续变化的信号。的信号。数数字字信信号号：仅仅在在离离散散时时间间取取值值，幅幅值值也离散也离散的信号。其中的信号。其中q为为量化单位量化单位。9.1 离散系统的基本概念采采样样信信号号：仅仅在在离离散散时时间间上上取取值值，幅幅值连续变化。值连续变化。如如脉冲信号脉冲信号。采样信号 一、什么是离散系统？P481 离散信号连续信号 第5页/共32页 采样控制系

4、统采样控制系统(脉冲控制系统脉冲控制系统):9.1 离散系统的基本概念一、什么是离散系统？P481 离散系统分类 采样信号 0 2T 4T 6T t数字信号 0 2T 4T 6T6q 4q2q数字控制系统数字控制系统（计算机控制系统）（计算机控制系统）:第6页/共32页9.1 离散系统的基本概念二、采样控制系统（Sampled-Data Control System)P482采样控制系统：对来自传感器的连续信息在某些规定的时间瞬时上取值，而相邻两个脉冲之间没有信号值。te(t)0te*(t)01）等周期采样2）系统中所有采样器同步工作如何采样？信号的采样信号的采样第7页/共32页炉温控制系统方

5、框图9.1 离散系统的基本概念二、采样控制系统例：炉温连续控制系统实例演示由于存在大惯性环节，导致实际控制精度和动态性能之间矛盾，控制过程产生振荡。第8页/共32页9.1 离散系统的基本概念二、采样控制系统例：炉温采样控制系统原理图T实例演示采样周期采样持续时间 第9页/共32页9.1 离散系统的基本概念r(t)e(t)c(t)-+Gh(s)G0(s)H(s)Gc(s)e*(t)eh(t)典型采样控制系统结构图（P482)二、采样控制系统（P482)1.采样过程：应用采样器(sampler)把连续信号转变为脉冲序列。采样器采样器/采样开关采样开关te(t)0T 假设1：，即采样是瞬时完成的，称

6、理想采样 演示第10页/共32页9.1 离散系统的基本概念二、采样控制系统（P482)2.复现（保持）过程：应用保持器(hold)把脉冲序列转变为连续信号。t0t0信号复现滤波器保持器演示r(t)e(t)c(t)-+Gh(s)G0(s)H(s)Gc(s)e*(t)eh(t)典型采样控制系统结构图（P482)假设2：采样频率足够高，则相当于连续信号 第11页/共32页9.1 离散系统的基本概念二、采样控制系统t0t0te(t)0小结信号采样信号保持演示r(t)e(t)c(t)-+Gh(s)G0(s)H(s)Gc(s)e*(t)eh(t)典型采样控制系统结构图（P482)第12页/共32页数字控制

7、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，也称计算机控制系统。图 9.2 典型计算机控制系统的方框图(P482)-9.1 离散系统的基本概念数字计算机A/DD/A数字控制器被控对象测量元件r(t)e(t)uh(t)c(t)e*(t)u*(t)三、数字控制系统(digital control system)第13页/共32页 1.A/D转换器转换器(模模/数转换器数转换器):9.1 离散系统的基本概念三、数字控制系统A/D转换过程采样过程量化编码假设3：A/D转换器具有足够高的精度，即量化误差可忽略若用十六进制AD转换离散化5V的模拟电压信号，量化单位多少？演

8、示第14页/共32页 2.D/A转换器转换器(数数-模转换器模转换器):9.1 离散系统的基本概念D/A转换过程三、数字控制系统（计算机控制系统）转变为脉冲序列 转变为连续信号 演示第15页/共32页9.1 离散系统的基本概念三、数字控制系统(digital control system)图 9.2 典型计算机控制系统方框图(P482)-数字计算机A/DD/A数字控制器被控对象测量元件r(t)e(t)uh(t)c(t)e*(t)u*(t)典型数字控制系统结构图r(t)e(t)e*(t)uh(t)u*(t)c(t)-+Gh(s)Gc(s)G0(s)H(s)小结第16页/共32页一个计算机一个计算

9、机(微型机、单片机微型机、单片机)可控制多个回路；可控制多个回路；4系统中含有离散系统中含有离散数字数字信号；信号；1易于修改控制规律易于修改控制规律(控制算法，计算程序控制算法，计算程序)；2具有逻辑判断功能，能实现复杂控制规律；具有逻辑判断功能，能实现复杂控制规律；3易于实现大系统协调控制、多系统联网工作。易于实现大系统协调控制、多系统联网工作。59.1 离散系统的基本概念3数字控制系统的特点（P483)-了解三、数字控制系统(digital control system)第17页/共32页第第9章章 线性离散系统的分析与校正线性离散系统的分析与校正9.1离散系统的离散系统的基本概念基本概

10、念 9.2 信号的采样与保持信号的采样与保持9.3 Z变换理论变换理论9.4 线性离散控制系统的线性离散控制系统的数学模型数学模型（描述）（描述）9.5 线性离散控制系统线性离散控制系统分析分析分析分析9.6 线性离散控制系统的数字校正（线性离散控制系统的数字校正（线性离散控制系统的数字校正（线性离散控制系统的数字校正（设计）设计）设计）设计）主要内容离散系统分析的数学基础第18页/共32页9.2 信号的采样与保持r(t)e(t)c(t)-Gh(s)G0(s)H(s)Gc(s)e*(t)u(t)eh(t)回顾典型采样控制系统的结构图（P482)一、信号的采样过程（P483）采样器采样器/采样开

11、关采样开关te(t)0T演示第19页/共32页一、信号的采样过程（P483）2.采样角频率采样角频率:9.2 信号的采样与保持采样器采样器/采样开关采样开关te(t)0T丢失采样间隔之间的信息=01.采样周期采样周期：采样开关两次闭合的采样开关两次闭合的时间间隔时间间隔T。如何数学表示？演示第20页/共32页r(t)e(t)c(t)-Gh(s)G0(s)Gc(s)e*(t)u(t)eh(t)9.2 信号的采样与保持T结论：由一系列脉冲构成，仅表示采样发生时刻，而 则表示在nT采样时刻（瞬间）的准确的幅度。e(t)理想采样脉冲序列T 脉冲调制器 采样周期或频率如何设置？0 T 2T 3Tte*(

12、t)0 T 2T 3T一、信号的采样过程（P483）第21页/共32页（P485 式（式（9.5）设连续信号设连续信号 的的傅立叶变换傅立叶变换为为 ，则可以证明离散信号，则可以证明离散信号 的傅立叶变换为的傅立叶变换为:说明：是以采样角频率 为周期的函数，它建立了连续信号频谱和相应的采样信号频谱之间的关系。二、香农（Shannon）采样定理（）P4859.2 信号的采样与保持1采样信号的频域描述（即采样信号的频谱）第22页/共32页连续信号 离散信号 FF频谱9.2 信号的采样与保持对比分析二、香农（Shannon）采样定理（）P4851采样信号的频域描述（即采样信号的频谱）第23页/共32

13、页理想滤波器采样开关采样定理 信号完全复现的必要条件二、香农采样定理（P485）第25页/共32页二、香农(Shannon)采样定理（）(P485)如果采样器的输入信号 具有有限带宽（），则当采样角频率满足 ，（即 ）时，离散信号 可以无失真地恢复原连续信号 。其中，为采样角频率。实际采样周期如何？P4869.2 信号的采样与保持用什么复现信号？低通滤波器2采样角频率的选择第26页/共32页三、信号的保持（复现）9.2 信号的采样与保持r(t)e(t)c(t)-Gh(s)G0(s)Gc(s)e*(t)u(t)eh(t)T典型的采样控制系统的结构图（P482)t0t0信号复现滤波器保持器回顾演示

14、第27页/共32页三、信号的保持（复现）9.2 信号的采样与保持r(t)e(t)c(t)-Gh(s)G0(s)Gc(s)e*(t)u(t)eh(t)T典型的采样控制系统的结构图（P482)t0t0信号复现滤波器保持器（P487）保持器是一种时域外推装置。将输入脉冲在采样间隔时间内按某种规律保持到下一个采样时刻，由下一个采样时刻采样值取代。演示第28页/共32页拉氏变换三、信号的保持（复现）9.2 信号的采样与保持1T0t 零阶保持器零阶保持器（zero-order hold,ZOH）P487te(t)eh(t-T/2)eh(t)（P487）零阶保持器的输出特性图 第29页/共32页9.2 信号的采样与保持r(t)e(t)c(t)-Gh(s)G0(s)Gc(s)e*(t)u(t)eh(t)T典型的采样控制系统的结构图（P482)t0t0小结e*(t)e(t)理想采样脉冲序列 零阶保持器 0 T 2T 3T0 T 2T 3T 1第30页/共32页9.2 信号的采样与保持t0t0小结e*(t)e(t)理想采样序列 零阶保持器 0T 2T 3T0 T 2T 3T 1典型数字控制系统结构图r(t)e(t)e*(t)uh(t)u*(t)c(t)-Gh(s)Gc(s)G0(s)第31页/共32页感谢您的观看！第32页/共32页