数字控制系统分析基础课件

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1、第七章数字控制系统分析基础7.1采样系统的基本概念7.2信号的采样和复现的数学描述7.3z变换理论7.4脉冲传递函数7.5采样系统的稳定性与稳态误差7.6采样系统的动态性能分析7.7采样系统的数字校正7.1引言7.2信号的采样与保持7.3z变换理论7.4脉冲传递函数7.5采样系统的性能与控制一、系统：连续系统与离散系统7.1引言离散系统：脉冲系统和数字系统如果控制系统中的所有信号都是时间变量的连续函数,则这样的系统称为连续时间系统（continuoustimesystem),简称连续系统;如果控制系统中

2、有一处或几处信号是脉冲序列或数码,则这样的系统称为离散系统(discretetimesystem).通常,把系统中的离散信号是脉冲序列形式的离散系统,称为采样控制系统;而把数字序列(数码)形式的离散系统,称为数字控制系统(digitalcontrolsystem)或计算机控制系统(computercontrolsystem).03:09:314既有本质的不同，又有分析研究方面的相识性。相同点：1、采用反馈控制结构2、都有被控对象、测量元件和控制器组成3、控制系统的目的4、系统分析的内容不同点：信号的形式

3、（采样器、保持器）二、采样控制系统（Sampled-DataControlSystem)图7-1炉温采样控制系统原理图当炉温偏离给定值时，热敏电阻的阻值发生变化，使电桥失去平衡，检流计指针发生偏移，转角为S，同步电机带动凸轮使检流计指针上下周期性地运动，检流计指针每隔T秒与电信号接触一次，每次接触时间为τ秒。此时电位器输出是一串宽度τ，周期为T的脉冲电压信号，用表示。信号仅仅在检流计指针与电位器接触时才能通过，它经过放大器，电动机，减速器控制炉门角度来改变气体的进气量，使炉温趋于给定值。当检流计离开电位

4、器时，有误差信号，但执行电机不动作，相当于开关断开。te(t)0图7-1信号的采样1、采样系统：是对连续系统的信号在某些规定的时间上取值,成为断续形式的脉冲信号,而相邻两个脉冲之间是没有信号值的,如图7-1所示.te*(t)02、采样：又可分为周期采样和非周期采样(随机采样).本章仅讨论周期采样,且如果系统中有几个采样器,则它们应该是同步等周期的.为了实现两种信号的转换,在连续信号和脉冲序列之间要用采样器(sampler),而在脉冲序列和连续信号之间要用保持器(hold).采样器和保持器,是采样控制系统

5、中两个特殊环节.⑴信号采样和复现在采样控制系统中,把连续信号转变为脉冲序列的过程,称为采样过程,简称采样.实现采样的装置称为采样器,或称采样开关,如图7-2所示.te(t)0图7-2采样过程tT0T2T3Te*(t)(7-1)e(t)Te*(t)S开关闭合开关打开3、保持器：在采样控制系统中,把脉冲序列转变为连续信号的过程,称为信号复现过程.实现复现过程的装置称为保持器,如图7-3所示.保持器的作用有:①实现两种信号之间的转换;②对脉冲信号进行复现滤波,避免高频噪声加入到系统的连续部分中去.e*(t)

6、t0eh(t)t0保持器图7-3复现过程三、采样系统的典型结构图根据采样器在系统中所处的位置不同,可以构成各种采样系统.如果采样器位于系统闭合回路之外,或者系统本身不存在闭合回路,则称为开环采样系统;如果采样器位于系统闭合回路之内,则称为闭环采样系统.在各种采样控制系统中,用得最多的是误差采样控制的闭环采样系统,如图7-4所示.Gp(s)H(s)r(t)+-c(t)STGh(s)b(t)图7-4采样系统典型结构图由图7-4可见,采样开关S的输出的幅值,与其输入的幅值之间存在线性关系.当采样开关和系统其余

7、部分的传递函数都具有线性特性时,这样的系统就称为线性采样系统.四、数字控制系统(digitalcontrolsystem)图7-5小口径高炮高精度数字伺服系统1、数字控制系统介绍数字控制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系统.包括：⑴数字计算机（离散）；⑵被控对象（controlledplant）（连续）采样系统—时间离散，数值连续数字系统—时间离散，数值离散计算机作为系统的控制器（controller）,其输入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离散的

8、信号,而系统中被控对象和测量元件的输入输出是连续信号,所以在计算机控制系统中,需要A/D和D/A转换器,以实现两种信号的转换.计算机控制系统的典型原理图如图7-6所示.系统类型：数字控制器被控对象数字计算机测量元件A/DD/A-图7-6计算机控制系统典型原理图A/D：模数转换器，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。包括采样与量化两过程。D/A：数模转换器，将离散的数字信号转换为连续的模拟信号。包括解码与复现两过程。2、数字控制系统的典型结