第七章 采样控制系统
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《采样控制系统》课件
离散时间系统
采样控制系统在离散时间点上对系统 进行采样和调节，其数学模型通常采 用差分方程或离散时间状态方程表示 。
连续时间系统
在连续时间系统下，采样控制系统通 过将连续时间信号转换为离散时间信 号进行处理，其数学模型通常采用积 分方程或微分方程表示。
采样控制系统的稳定性分析
稳定性条件
为了确保采样控制系统的稳定性，需要满足一定的条件，如极点配置、状态反 馈等。
01
02
03
传感器选择
根据控制需求选择合适的 传感器，如光电传感器、 压力传感器等，确保信号 采集的准确性和稳定性。
信号调理电路设计
设计信号调理电路，对采 集的信号进行放大、滤波 等处理，以适应后续的信 号处理。
控制器选择
根据控制需求选择合适的 控制器，如PLC、单片机 等，确保控制算法的实现 和系统的稳定性。
采样控制系统的软件实现
控制算法设计
根据控制需求选择合适的控制算法，如PID控制、模糊控制等，并 进行软件编程实现。
人机界面设计
设计友好的人机界面，方便用户进行系统参数设置、实时监控等操 作。
数据存储与处理
实现数据的存储与处理，方便后续的数据分析和优化。
采样控制系统的调试与测试
系统调试
对硬件和软件进行联合调试，确保系统各部分正常工作。
采样控制系统在智能制造领域的应用前景
智能制造装备
采样控制系统将应用于 智能制造装备中，实现 设备的自动化和智能化 控制，提高生产效率和 产品质量。
工业机器人
通过采样控制系统对机 器人进行精确控制，实 现机器人自主导航、智 能感知和人机交互等功 能。
智能物流系统
利用采样控制系统对物 流系统进行优化和控制 ，实现物流信息的实时 感知和智能调度，提高 物流效率和降低成本。
采样控制系统在离散时间点上对系统 进行采样和调节，其数学模型通常采 用差分方程或离散时间状态方程表示 。
连续时间系统
在连续时间系统下，采样控制系统通 过将连续时间信号转换为离散时间信 号进行处理，其数学模型通常采用积 分方程或微分方程表示。
采样控制系统的稳定性分析
稳定性条件
为了确保采样控制系统的稳定性，需要满足一定的条件，如极点配置、状态反 馈等。
01
02
03
传感器选择
根据控制需求选择合适的 传感器，如光电传感器、 压力传感器等，确保信号 采集的准确性和稳定性。
信号调理电路设计
设计信号调理电路，对采 集的信号进行放大、滤波 等处理，以适应后续的信 号处理。
控制器选择
根据控制需求选择合适的 控制器，如PLC、单片机 等，确保控制算法的实现 和系统的稳定性。
采样控制系统的软件实现
控制算法设计
根据控制需求选择合适的控制算法，如PID控制、模糊控制等，并 进行软件编程实现。
人机界面设计
设计友好的人机界面，方便用户进行系统参数设置、实时监控等操 作。
数据存储与处理
实现数据的存储与处理，方便后续的数据分析和优化。
采样控制系统的调试与测试
系统调试
对硬件和软件进行联合调试，确保系统各部分正常工作。
采样控制系统在智能制造领域的应用前景
智能制造装备
采样控制系统将应用于 智能制造装备中，实现 设备的自动化和智能化 控制，提高生产效率和 产品质量。
工业机器人
通过采样控制系统对机 器人进行精确控制，实 现机器人自主导航、智 能感知和人机交互等功 能。
智能物流系统
利用采样控制系统对物 流系统进行优化和控制 ，实现物流信息的实时 感知和智能调度，提高 物流效率和降低成本。
自动控制原理课件：采样控制系统的分析
特性，而不能反映其在采样时刻之间的特性。
例8-2：试求函数 f(t)=1(t) 的z变换。
解:
f (kT) =1(kT) =1
(k=0,1,2,3….)
F ( z ) f (kT ) z k 1 1 z 1 1 z 2
k 0
1 z k
通过外，一些高频分量也允许通过。
9
8.3
采样控制系统的数学基础
例8-1：求如下系统采样后输入到采样后输出的传递函数
解：取∗ = ，则 ∗ = ，连续对象的输出为
= − ⇒ ∗ = () + − − + − − + ⋯
⇒
(Discrete-time signal)
离散信号通常是按照一定的时间间隔对连续的模拟信号进行采样而
得到的，又称采样信号。
脉冲采样（理想情形）
1
0
t
T ( t )
理想采样器 对应脉冲序列 = σ∞
=−∞ ( − )
t
0
T
2T
8.2
采样过程和采样定理
按一定的时间间隔对连续信号采样，将其变换为在时间上离散的脉冲序列
线性采样系统稳定的充要条件是，闭环系统的全部特征根均位于
z平面的单位圆内，即满足特征根皆
i 1，i 1，
2，
，n
问题：高阶系统求取特征根不容易，如何不用求解特征方程的根
就能判别线性采样系统的稳定性呢？
问题：如何推广应用劳斯稳定判据？
首先要通过双线性变换
w 1
z
w 1Байду номын сангаас
将Z平面的单位圆映射到W平面的虚轴，然后在W平面中应用
例8-2：试求函数 f(t)=1(t) 的z变换。
解:
f (kT) =1(kT) =1
(k=0,1,2,3….)
F ( z ) f (kT ) z k 1 1 z 1 1 z 2
k 0
1 z k
通过外，一些高频分量也允许通过。
9
8.3
采样控制系统的数学基础
例8-1：求如下系统采样后输入到采样后输出的传递函数
解：取∗ = ，则 ∗ = ，连续对象的输出为
= − ⇒ ∗ = () + − − + − − + ⋯
⇒
(Discrete-time signal)
离散信号通常是按照一定的时间间隔对连续的模拟信号进行采样而
得到的，又称采样信号。
脉冲采样（理想情形）
1
0
t
T ( t )
理想采样器 对应脉冲序列 = σ∞
=−∞ ( − )
t
0
T
2T
8.2
采样过程和采样定理
按一定的时间间隔对连续信号采样，将其变换为在时间上离散的脉冲序列
线性采样系统稳定的充要条件是，闭环系统的全部特征根均位于
z平面的单位圆内，即满足特征根皆
i 1，i 1，
2，
，n
问题：高阶系统求取特征根不容易，如何不用求解特征方程的根
就能判别线性采样系统的稳定性呢？
问题：如何推广应用劳斯稳定判据？
首先要通过双线性变换
w 1
z
w 1Байду номын сангаас
将Z平面的单位圆映射到W平面的虚轴，然后在W平面中应用
自动控制原理第七章采样控制系统
第三节 信号复现与零阶保持器
一. 信号保持 把离散信号转换为连续信号，称为信号保持，该装置称
保持器。 保持器：用离散时刻信号复现连续时刻信号。
二. 零阶保持器
1. 作用：把采样信号e*(t) 每一个采样瞬时值e(kT)一直保持到下一个采 样瞬间e[(k+1)T], 从而使采样信号 e*(t)变成 阶梯信号eh(t)。
一阶保持器比零阶保持器信号恢复更
0 T 2T 3T 4T 5T 6T t
精确, 但相位滞后增加, 对稳定性不利.
图7-11 一阶保持器输出特性
第四节 Z变换理论
同拉氏变换一样, 是一种数学变换. 离散信号e*(t)的 拉氏变换为:
E*(s) e(nT )enTs n0
各项均含有 esT 因子，为S的超越函数。为便于应用，对 离散系统的分析一般采用Z变换.
G 0 ( s ) 1 s [ 1 e s] T 1 s 1 e 1 s T 1 s 1 1 s 1 T 1 T sT
零阶保持器的频率特性
信号e(t)在t = nT 及t = (n+1)T 之间的数值可以用一个级数来描述
单位脉冲响应
G h(s)L [gh(t) ]S 1S 1e TS 1 Se TS
G 0(j
)1ejT2sin T/(2 )ejT2 j
幅频特性： G 0(j)Tsi( n/ / ( s)s)2 s si( n/ / ( s)s)
上式是 eTs 的有理函数. 但 eTs是含变量S的超越函数，不便进行分析和运算， 因此常用Z变换代替拉氏变换。
三. 采样定理
从理论上指明了从采样信号中不失真的复现原连续信号 所必需的理论上的最小采样周期T.
第7章 采样控制系统分析基础2
第七章 采样控制系统分析基础
因此 , 必须采用一种线性变换方法 , 使 z 平面上
的单位圆映射为新坐标系的虚轴。这种坐标变换称
为双线性变换, 又称为W变换。 注意, 因z=eTs是超越方程, 故不能将特征方程式变
换为代数方程。令
w 1 z w 1
z 1 w z 1
则
第七章 采样控制系统分析基础
令复变量 z=x+jy w=u+jv 代入双线性变换公式得 x jy 1 ( x 2 y 2 1) 2 yj u jv x jy 1 ( x 1)2 y 2 对于w平面上的虚轴, 实部u=0, 即 x2+y2-1=0 这就是z平面上以坐标原点为圆心的单位圆的方程。单 位圆内x2+y2＜1, 对应于w平面上u为负数的虚轴左半部; 单位圆外x2+y2＞1, 对应于w平面上u为正数的虚轴右半
闭环传递函数为
G( z ) Gc ( z ) 1 G( z )
闭环系统的特征方程为
T ( z eT ) ( z 1)2 0
即 z2+(T-2)z+1-Te-T=0
当T=1 s时, 系统的特征方程为 z2-z+0.632=0
第七章 采样控制系统分析基础
直接解得极点为 z1,2=0.5±j0.618 。由于极点都 在单位圆内, 所以系统稳定。 当T=4s时, 系统的特征方程为 z2+2z+0.927=0 解得极点为z1=-0.73, z2=-1.27。有一个极点在单 位圆外, 所以系统不稳定。
2 2
z
第七章 采样控制系统分析基础
j s平 面
Im z平 面
j
π T
仿真_7_采样控制系统
y( n) x1( n) y( n 1) T x 2 ( n 1)
设计程序时用两个循环嵌套实现不同的计算周期 初始化 k1、k0、、 for n=1: TT/T %TT 总仿真时间
e(n) r (n) y (n 1)
u(n) u(n 1) k1[e(n) e(n 1)]
1
1
其中， e
计算周期也为 T
x2 ( n) x2 ( n 1) k0 (1 )u( n 1)
1 e 1 G ( z ) Z Gh 2 ( s ) Z s s
T s
③第二部分对象为
计算周期为 T’
1 T k0 s z 1
R(t ) e (t )
e (k )
e (kT )
u(kT )
~ u(t )
采样 量化 D/A 区别：采样控制系统的采样开关（A/D），保持器 控制器 对象 （D/A）是真实存在的，采样周期与仿真步长不一定相等。 A散相似法中的采样开关和保持器是虚拟的，离散 化时取的采样周期与计算步长是一致的。
例：被控对象为二阶系统 G ( s )
k0
s (T0 s 1)
1
s T0 s 1
G(z )
k0
若以被控对象状态变量为目标，则需分解成两个环节串联。
G (z )
y(n)
r (t )
T
D(z )
T
Gh1 ( s )
-
e(n)
u(n)
k0 T0 s 1
T
Gh 2 ( s )
x 2 ( n)
end
7.4
基于SIMULINK的多采样速率系统仿真
第24讲第7章 采样控制系统
−1 3
−1
−2
−3
2011-5-14
3 2 −2 9 2 −3 n2 2 −n = T z + T z +⋯+ T z +⋯ 2 2 2 第8章 采样控制系统
17
表明：
e(0) = e(T ) = 0, e(2T) = e(3T) = ⋯= 0 3 2 n2 2 c(0) = c(T) = 0, c(2T) = T ,⋯c(nT) = T ⋯ 2 2
8
设典型输入信号分别为单位阶跃信号、单 位速度信号和单位加速度信号时，其 z 变换分 别为：
r(t) =1(t)
r(t) = t
1 2 r(t) = t 2
2011-5-14
Tz−1 R(z) = (1− z−1)2
T z (1+ z ) R(z) = 2(1− z−1)3
第8章 采样控制系统 9
可见最少拍采样系统经过三拍便可完全跟踪 加速度输入，其调节时间ts=3T 。
2011-5-14
第8章 采样控制系统
18
最少拍系统反应位置阶跃输入、等速输入及 等加速输入信号时的过渡过程c*(t)，分别示于图 7-32，图7-33，图7-34。
图7-32 最少拍阶跃输入过渡过程
2011-5-14 第8章 采样控制系统 19
−1
−2
−m
2011-5-14
第8章 采样控制系统
6
为使数字控制器的脉冲传递函数D(z)具有物理 实现性，在式中，需要有n≥m的条件存在。当n＞m 时，分子多项式中可能缺少前面几项，但其分母各 项式在n＞m和n=m时并没有变化，z0项系数仍为1。 因此，式(7-57)分母多项式中z0项系数的存在，便 说明条件n≥m是成立的。 在这里，对系统控制性能的要求，由闭环脉冲 传递函数Φ(z)或Φe(z)来反映。因此,在闭环脉冲传 递函数和系统性能指标间的联系便是需要讨论的一 个重要问题。
自动控制原理第七部分采样系统
⑵ 部分分式法 先求出已知连续函数 e(t) 的拉氏变换 E(s), 然后将其分解为部分分式 之和,再利用z变换表求出每一部分分式对应的z变换,最后相加即可.
图79零阶保持器的频率特零阶保持器的近似实现零阶保持器的近似实现tstststs取前三项取前两项更高阶的近似使无源网络变得非常复更高阶的近似使无源网络变得非常复r2r3阶实现零阶保持器t043一阶保持器firstorderhold自学不仅可以保持采样点的幅值而且可以保持采样点的斜不仅可以保持采样点的幅值而且可以保持采样点的斜率至下一时刻
图7-9 零阶保持器的频率特 性 ③ 时间滞后特性.零阶保持器的输出为阶梯信号eh(t),其平均响应
,表明其输出比输入在时间上要滞后T/2,对系统的稳定性 不利.此外,阶梯输出也同时增加了系统输出的波纹.
et (T 2)
零阶保持器的近似实现
1 e Ts Gh ( s ) s
1 1 1 1 (1 Ts ) 1 T 2s2 s e s 1 Ts 2
上式右边中括号内是一个首项为 z -1 , 公比为 z -1 的 几何级数 . E ( z) z 1 1 则: dz C C z 1 1 Tz 1 z z 1 此方程两边对 z 微分得 : E ( z) 1 . z 1 2 Tz ( z - 1) Tz E ( z) . z 1 2 ( z - 1)
解: 因为 T 为采样周期,故
*
e (t ) T (t ) (t nT )
由拉氏变换知 因此
E * ( s ) e nsT
n 0
E ( z ) z n 1 z 1 z 2
的z变换为 (t )
自动控制原理第七章采样系统
n>m
pi— 极点
Ai— 待定系数
第二节 采样控制系统的数学基础
例 求F(s)的z变换F(z)。
F (s)=
1 S(S+1)
解：
F (s)=
1 S(S+1)
=
1 S
–
1 S+1
F (z)=
z z–1
–
z z–e –T
=
z(1–e –T ) (z–1)(z–e–T
)
第二节 采样控制系统的数学基础
例 求F(s)的z变换F(z)。
+
=Σ k=0
8
f
(kT)∫0∞δ(t
–
kT
)e–stdt
+
=Σ f(kT)e –kTS k=0
第二节 采样控制系统的数学基础
二、求Z变换的方法
1．级数求和法
根据定义式展开
+
F (z)= Σ f (kT) k=0
= f (0)z0 + f (T)z-1 + f (2T)z-2 + f (3T)z-3 + ··· 利用级数求和法可求得常用函数
+(S+2)
S+3 (S+1)(S+2)
z z–eST S=-2
F (z)=
2z z–e –T
–
z–e
z
–2T
=
z2+z(e-T -2e-2T z2-(e-T +e-2T )z+e
)
-3T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 采样控制系统的数学基础
三、Z变换的基本定理
例 z变求换Z[的t –基T 本] 定理为z变换的运算 提供了方便。
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E(z) e(0)Z 0 e(T )Z 1 e(2T )Z 2
e(kT)表征采样脉冲的幅值，Z的幂次表征采样脉冲出现的时刻。
E( z) Z[e* (t )] Z[e(nT )] e(nT )z n n0
自动控制原理 蒋大明
单位脉冲响应
Gh (s) L[gh (t)]
1 S
1 eTS S
1 e TS S
频率特性:
G0
(
j
)
1
e jT
j
2
sin(T
jT
/ 2) e 2
幅频特性：
G0 ( j )
T
sin( /s ) ( /s )
2 s
sin( /s ) ( /s )
相频特性: 其中:
arg G( j ) sin( /s )
e*(t) 只取第一项 ---- 零阶保持器. 只取前两项 ---- 一阶保持器.
一阶保持器比零阶保持器信号恢复更
0 T 2T 3T 4T 5T 6T t
精确, 但相位滞后增加, 对稳定性不利.
自动控制原理 蒋大明
图7-11 一阶保持器输出特性
第四节 Z变换理论
同拉氏变换一样, 是一种数学变换. 离散信号e*(t)的 拉氏变换为:
e nT e nTs
e 2 nT nTs
n0
n0
1
1 e T
( s 1)
1
e
1
T
(
s
2
)
(eT e2T )eTs (eTs eT )(eTs e2T )
上式是 eTs 的有理函数. 但 eTs是含变量S的超越函数，不便进行分析和运算， 因此常用Z变换代替拉氏变换。
自动控制原理 蒋大明
三. 采样定理
n0
e(t)只有在采样瞬间才有意义.
连续信号
理想采样器(单位脉冲序列) 自动控制原理 蒋大明
幅值调制过程
采样过程的拉氏变换
E* (s) L[e* (t)] L[ e(nT ) (t nT )] n0
根据拉氏变换的位移定理
L[ (t nT )] enTs (t )est dt enTs 0
从理论上指明了从采样信号中不失真的复现原连续信号 所必需的理论上的最小采样周期T. 香农采样定理：
如果采样器的输入信号e(t)具有有限带宽，并且最高角 频率为 Wmax ,则只要采样频率满足Ws≥2Wmax，则采样后的脉 冲序列中将包含了连续信号的全部信息。
自动控制原理 蒋大明
第三节 信号复现与零阶保持器
有:
E* (s) e(nT ) enTs e(0) e(T )eTs e(2T )e2Ts n0
自动控制原理 蒋大明
举例
设 e(t) et e2t (t 0) ，试求采样拉氏变换E*(s)
解：
E* (s)
e(nT )enTs
(enT e2nT )enTs
n0
n0
1 s
1 1
1 sT
T 1 sT
自动控制原理 蒋大明
零阶保持器的频率特性
信号e(t)在t = nT 及t = (n+1)T 之间的数值可以用一个级数来描述
e(t) e(nT ) e(nT )(t nT ) e(nT ) (t nT )2 2!
nT t (n 1)T
外推法: 用采样点数值外推求得采样点之间的数值.
自动控制原理 蒋大明
二.采样过程的数学描述
τ非常小，通常为毫秒到微秒级，一般远小于采样周期T。
e*(t) = e(t) δT(t）
其中:
T (t ) (t nT )
δ(t-nT)是时刻t=nT时强度为1的单位脉冲
n 0
e* (t) e(t) (t nT )
n0
e* (t) e(nT ) (t nT )
E * (s)
e(nT )e nTs
n0
各项均含有 esT 因子，为S的超越函数。为便于应用，对 离散系统的分析一般采用Z变换.
自动控制原理 蒋大明
一.Z变换
1. Z变换定义：
Z eTS
S
1 T
ln Z
代入上式得:
E ( z) E * (s) 1 e(nT ) z n
s T
ln z
n0
s
/s
ωS=2∏/T
自动控制原理 蒋大明
传递函数
零阶保持器的频率特性
低通特征：
|G0(jω)|
幅频特性中幅值随频率值的增大而迅速衰减.
相角滞后特性：
ωS -∏
2ωS 3ωS
w = ws 处，相角滞后可达－180° 零阶保持器可以用无源网络近似代替.
G0 (s)
1 [1 esT s
]
1 s
1
1 e sT
一. 信号保持 把离散信号转换为连续信号，称为信号保持，该装置称
保持器。 保持器：用离散时刻信号复现连续时刻信号。
自动控制原理 蒋大明
二. 零阶保持器
1. 作用：把采样信号e*(t) 每一个采样瞬时值e(kT)一直保持到下一个采 样瞬间e[(k+1)T], 从而使采样信号 e*(t)变成 阶梯信号eh(t)。
放大器与 转速
燃料
开度
炉
执行电机
供应阀
-
炉温
自动控制原理 蒋大明
其它典型采样控制系统
1. 青藏铁路环境监测系统 2. 微机监测 3. 日本新干线综合安全监测系统 4. 计算机控制系统
自动控制原理 蒋大明
第二节 采样过程与采样定理
一. 采样过程 连续信号变换为脉冲信号。
输出为宽度等于τ的调幅脉冲系列，在采样瞬时nT(n= 0,1,2,…)时出现。
例：炉温采样控制系统
连续控制方式：由于炉温上升有惰性，阀门敏感, 造成炉温大幅度震荡。 采样控制方式：只有检流计指针与电位器接触时，电动机才旋转。间隔T时
间, 接通τ时间, 等待炉温变化, 避免振荡。
自动控制原理 蒋大明
采样系统典型结构图
误差 信号
离散误 差信号
T
τ
误差信号 离散误差处在每个采样区间内的信号值为常数，导数为零，故得名。
将阶梯信号eh(t) 的每个区间中点连接起来，可得到与e(t)形状一 致时间上落后T/2的曲线e(t-T/2)。
自动控制原理 蒋大明
3.零阶保持器的传递函数和频率特性
r(t)=δ(t) , R(s)=1
理想单位脉冲
gh(t)=1(t)-1(t-T)
第七章 采样系统分析
连续系统： 控制系统中的所有信号都是时间变量的连续函数。
离散系统： 控制系统中有一处或几处信号是间断的脉冲或数码。
采样控制系统(脉冲控制系统)： 系统中的离散信号以脉冲序列形式出现。
数字控制系统(计算机控制系统)： 系统中的离散信号以数码形式出现。
自动控制原理 蒋大明
第一节 采样基本概念