计算机控制技术第四章ppt课件.ppt

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1、计算机控制系统的理论基础第四章宁波大学信息学院8/22/2021把连续信号变换为脉冲序列的装置称为采样开关，又称采样器。如果系统中有一处或多处采样开关，则该系统称为采样系统，如图4-1所示，其中的S即为采样开关。采样开关后面的信号不是连续的模拟信号，而是在时间上离散的脉冲序列，称为离散信号。第4章计算机控制系统的理论基础图4-1采样控制系统宁波大学信息学院8/22/20212第4章计算机控制系统的理论基础计算机控制系统则属于采样控制系统，一个典型的计算机控制系统如图4-2所示，注意，其中采样开关的功能是通过A/D转换器

2、来完成的。模拟信号经A/D转换器转换后，不仅在时间上离散，在幅值上也是离散的，称为数字信号。数字信号是离散信号的一种特殊形式，它能被计算机接收、处理和输出。图4-2计算机控制系统宁波大学信息学院8/22/20213第4章计算机控制系统的理论基础信号的采样采样过程可以用一个周期性闭合的采样开关S来表示，如图4-3所示。假设采样开关每隔T秒闭合一次，T称为采样周期，闭合的持续时间为τ。采样器的输入为连续信号，输出为等宽度的调幅脉冲序列图4-3实际采样过程宁波大学信息学院8/22/20214采样开关的闭合时间τ非常小，一般远

3、小于采样周期T和系统连续部分的最大时间常数，因此在分析时，可以认为。这样，系统中的采样器就可以用一个理想采样器来代替。理想的采样过程如图4-4所示，其中图4-4d为采样器。图4-4理想采样过程第4章计算机控制系统的理论基础信号的采样宁波大学信息学院8/22/20215采样信号是在时间上离散，在幅值上连续变化的信号，称为离散模拟信号，它不能直接进入计算机，必须经量化后成为数字信号，才能被计算机接受。所谓量化，就是采用一组数码（例如8位A/D转换器的数码范围是0－255）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。第4章

4、计算机控制系统的理论基础量化宁波大学信息学院8/22/20216量化过程可用图4-5说明，在模拟量的幅值变化范围内，等间隔地分布若干条水平线，这些水平线对应将要量化成的那一组数码，每一采样时刻的模拟量幅值则被量化为。第4章计算机控制系统的理论基础量化图4-5量化过程宁波大学信息学院8/22/20217在计算机控制系统中将转换为的采样以及将转换为的量化都是由A/D转换器完成的，因此一般将这两个过程合称为采样。第4章计算机控制系统的理论基础采样、量化宁波大学信息学院8/22/20218第4章计算机控制系统的理论基础采样过程

5、的数学描述及特性分析如图4-4，采样开关的周期性动作相当于产生一串理想脉冲序列，数学上可表示成如下形式：调制过程在数学上的表示为两者相乘，即调制后的采样信号可表示为宁波大学信息学院8/22/20219第4章计算机控制系统的理论基础零阶保持器采样控制系统的连续部分只能接收连续信号，因此需要保持器来将离散信号转换为连续信号。零阶保持器，采用恒值外推规律的保持器。它把前一采样时刻的不增不减地保持到下一个采样时刻，其输入信号和输出信号的关系如图4-6所示。图4-6零阶保持器的输入和输出信号宁波大学信息学院8/22/202110

6、第4章计算机控制系统的理论基础零阶保持器零阶保持器的单位脉冲响应如图4-7所示，可表示为图4-7零阶保持器的单位脉冲响应宁波大学信息学院8/22/202111第4章计算机控制系统的理论基础零阶保持器上式中令，可以求得零阶保持器的频率特性宁波大学信息学院8/22/202112第4章计算机控制系统的理论基础零阶保持器图4-8零阶保持器的幅频特性和相频特性宁波大学信息学院8/22/202113第4章计算机控制系统的理论基础零阶保持器零阶保持器频率特性的幅值随角频率的增大而衰减，具有明显的低通特性。另外，它造成相位滞后。因此，

7、连续信号由采样器转换成，再经零阶保持器后，其输出信号与原始信号是有差别的。宁波大学信息学院8/22/202114第4章计算机控制系统的理论基础采样定理连续信号经过采样器转换成后，如果立刻进入某种理想的保持器，则其输出信号与原始信号是否就完全相同了呢？香农（Shannon）采样定理给出了答案：采样定理如果被采样的连续信号的频谱为有限宽，且频谱的最大宽度为，又如果采样角频率，并且采样后再加理想滤波器，则连续信号可以不失真地恢复出来。宁波大学信息学院8/22/202115第4章计算机控制系统的理论基础采样定理该定理简单的解释

8、如下：一般来说，连续信号的频谱是单一的连续频谱，如图4-9所示，其中为频谱中的最大角频率。图4-9连续信号频谱宁波大学信息学院8/22/202116第4章计算机控制系统的理论基础采样定理采样信号的频率特性其频谱是由无穷多个以采样角频率为周期的孤立频谱组成的，如图4-10所示图4-10采样信号频谱宁波大学信息学院8/22/20211