采样控制系统的分析讲解
自动控制原理课件：采样控制系统的分析
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
污染源化学分析仪实时采样运行控制系统
污染源化学 分析仪实 时采样运行控制 系统
沈 志 鸿
（ 浙江 创源 环境 监控 技术 有 限公司 ， 浙江 嘉兴 ３ １ ４ ０ ０ ６ ）
摘要：针对 废 水 污 染 源 化 学 分 析 仪 检 测 数 据 的 实 时 性 问 题 ， 提 出 了一 种 提 高 检 测 数 据 实 时性 的污 染源 化 学
放 口进行采 样 ，在 监测 点工程建 设 中都 必须配 备
安装 一套对 排放 的废水 进行预 处理 的装置 ，通 过
预 处理 的采样泵 定时定 期过滤储 存排放 口采集 的
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ８ －２ ３
作者简介：沈志鸿，男，浙江创 源环境监控技 术有 限公 司副总经理 ，工程 师
图 ２ 控 制 原 理 框 图
， — —１ ｒ —一 燕列瞒 ｌ ｝ 舟 触 点 Ｄ ｗ控制 继 电器 或交 流接触 器 ，可 实现对 多 台分析仪进 行 实时同步控制 。
］
．
摹 ｜ Ｉ 蠢 羹 巍工 律 电 眭 ＿ ｌ
曩是 ｌ 甏纠－ 柬 蓑ｌ ｊ ｋ 黎邕 麓
（ Ｃ Ｏ Ｄ ）、氨氮 （ Ｎ Ｈ ３ － Ｎ ）、重金 属 （ ｃ 、Ｎ ， ）酸碱 度 （ Ｐ Ｈ ）等 的排放 情况 。但 是在 废水污 染监 测技
术 中， 由于各 排放 点的复杂 环境 条件 ，各类 化学 分析仪 采样系 统受现场 条件 的制约 以及排 放 口废 水 的粗 糙颗粒 物杂质 易对分 析仪采 样系统 管路造
翦时蒜｝ 荤 Ｉ Ｉ 璇
厂 ｌ — — — ］ ｌ
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设计 电路 原理：
Ｌ
采样周期对系统性能的影响分析
采样周期对系统性能的影响分析采样周期对系统性能的影响分析采样周期对系统性能的影响是一个重要的研究课题，它涉及到许多领域，包括控制系统、通信系统和信号处理等。
本文将从基本概念开始，逐步分析采样周期对系统性能的影响。
首先，我们来了解一下什么是采样周期。
采样周期是指连续信号在离散化过程中的采样间隔时间。
在实际系统中，连续信号会通过模数转换器（ADC）转换为离散信号，而采样周期就是ADC转换的时间间隔。
其次，我们来讨论采样周期对系统性能的影响。
首先，采样周期的选择会影响系统的响应速度。
较小的采样周期可以更快地获取到系统的动态响应，从而使系统能够更及时地对变化做出反应。
而较大的采样周期则会导致系统对变化的响应速度较慢，可能会出现系统不稳定的情况。
另外，采样周期还会影响系统的频率响应。
根据采样定理，采样频率需要满足奈奎斯特采样定理，即采样频率要大于信号频率的两倍。
如果采样周期较大，采样频率会降低，可能会导致信号频率超过了采样频率的一半，从而引发混叠现象，使得信号的频率内容无法恢复。
此外，采样周期还会影响系统的稳定性。
较小的采样周期会使得系统更容易受到噪声的影响，从而导致系统不稳定。
而较大的采样周期则会降低系统对噪声的敏感度，提高系统的稳定性。
最后，我们来讨论如何选择合适的采样周期。
采样周期的选择需要综合考虑系统的动态响应要求、信号频率特性以及噪声等因素。
一般来说，较小的采样周期可以提高系统的响应速度和频率响应，但同时也会增加系统的计算负担和噪声敏感度。
因此，在实际应用中，需要根据具体的系统要求，找到合适的采样周期。
综上所述，采样周期对系统性能有着重要的影响。
在选择采样周期时，需要充分考虑系统的动态响应要求、信号频率特性以及噪声等因素，并找到一个合适的平衡点。
这样才能确保系统的稳定性和性能达到最优化。
(自动控制原理)采样控制系统
且有 deg M( s ) ≤ deg N( s )以及 deg N( s ) = n . 展开成部分分式和的形式， 将 X(s)展开成部分分式和的形式，即
n
Ai X(s)= ∑ i =1 s + si 式中： 的零点， 的极点， 式中： i 为 N(s)的零点，即 X(s) 的极点，且设为 s
①线性性质 若 Z[ x1(t )] = X 1( z ), Z[ x2(t )] = X 2( z ) , a1, a2为常数 则 Z[a1 x1(t )+ a2 x2(t )] = a1 X 1( z )+ a2 X 2( z ) ②平移定理 若 Z[ x(t )] = X( z )
Z[ x(t + kT )] = z k X( z )− z k − j x( j ) ∑ 则 j =0 Z[ x(t − kT )] = z − k X( z ) 若 k = 1时，有 Z[ x(t + T )] = z[ X( z )− x(0)] Z[ x(t − T )] = z −1 X( z )
若上述级数收敛，则称 E ( z ) 为采样信号的z变换。 为采样信号的z变换。 若上述级数收敛， 为了书写方便， 为了书写方便，通常写成 E ( z ) = Z [e(t )] ,但仍理 变换。 解为是对取 Z 变换。
（2）常用函数的 Z 变换和 Z 变换的性质 变换见表8 1）常用普通时间函数的 Z 变换见表8-1 表8-1 Z 变换表
* n=0
+∞
( n 式中 e nT ) = e t )t = nT ， (
自动控制原理第七章 采样控制系统
展开为部分分式，即
E ( s)
1 1 1 [ ] 2 j s j s j
求拉氏反变换得 e(t ) 1 [e jt e jt ] 2j 分别求各部分的Z变换，得 Z [e* (t )] 1 [ 化简后得
E( z) z sinT z 2 2 z cosT 1
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.
只取第一项 ---- 零阶保持器. 只取前两项 ---- 一阶保持器.
e*(t)
一阶保持器比零阶保持器信号恢复更
自动控制原理
蒋大明
一.Z变换
1. Z变换定义：
Z e
TS
S
*
1 ln Z T
代入上式得:
E ( z) E ( s)
1 s ln z T
e( nT ) z
n 0
n
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。
-at
(a >0)的Z变换。
e(nT) = e
-a nT
(n = 0, 1, …)
代入Z变换的定义式可得
E(z) = 1 + e
若|e
–aT
-aTz -1
+ e
-2aTz -2
+ e
-3aTz -3
+ …
z
-1|
< 1，该级数收敛，利用等比级数求和公式，其Z变换
控制工程基础-计算机采样控制系统(2)
11
脉冲传递函数（10）
1.有采样开关分隔的两个环节串联时，其脉冲传递函数等于各 环节的脉冲传递函数之积。
X (z) G1(z) R(z)
C(z) G2 (z) X (z)
将X(z)代入C(z) C(z) G2 (z)G1zRz
Cz Rz
G1
z
G2
z
2.没有采样开关分隔的两环节串联时，其脉冲传递函数为各个
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第九章 计算机采样控制系统
15
脉冲传递函数（14）
令
G' p s Gp ss
并根据前面介绍的环节串、并联脉冲传递函数求取方法，参照上图
，则带保持器的广义控制对象脉冲传递函数
Gz
C1
z C2 U z
z
G1z
G2
z
G1z
C1 z U z
Z
Gp' s
Z
g p' t
G2z
1 G1H (z)
闭环传递函数 (z) 的推导步骤：
1) 在主通道上建立输出 C(z)与中间变量 E(z)的关系；
2) 在闭环回路中建立中间变量 E(z) 与输入 R(z) 的关系；
3) 消去中间变量 E(z)，建立C(z) 和 R(z) 的关系。
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第九章 计算机采样控制系统
21
脉冲传递函数（20）
Gz ZGs
即符号 ZGs、ZL1Gs 和 Z g*(t) 、 ZgkT 是等价的。
Gz Zg*(t) ZgkT ZL1Gs ZGS
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第九章 计算机采样控制系统
7
脉冲传递函数（6）
如果系统的输入为任意函数 的采样脉冲序列 r(kT) ，其Z变换
采样控制系统的稳定性分析
稳定性分析的重要性
系统性能的保证
01
稳定性是控制系统正常工作的基础，只有稳定的系统才能保证
其性能。
避免系统失控
02
不稳定系统可能导致系统失控，造成严重后果，因此需要进行
稳定性分析。
优化系统设计
03
通过稳定性分析，可以指导系统设计，优化系统参数，提高系
统性能。
稳定性分析的方法与工具
时域分析法
通过分析系统的响应曲线来判断系统的稳定 性。
采样周期过长
可能导致系统对快速变化的过程参数响应不足，同样影响系统的 稳定性。
合适采样周期
选择合适的采样周期是确保系统稳定性的关键，需要根据具体应 用场景和系统特性进行合理设置。
控制参数对系统稳定性的影响
01
02
03
控制增益过大
可能导致系统超调量增大， 甚至出现振荡，影响系统 的稳定性。
控制增益过小
案例二：某电力系统的采样控制稳定性改进
总结词
该案例针对某电力系统的采样控制稳定 性问题，提出了一种改进方案。
VS
详细描述
该案例中，研究者首先对电力系统的采样 控制进行了稳定性分析，发现系统存在不 稳定性问题。为了解决这个问题，他们提 出了一种新的采样策略和控制算法。通过 实验验证，新方案有效地提高了电力系统 的稳定性和响应速度。
效果。
采样控制系统的应用有助于推动 相关领域的技术创新和产业升级， 为社会经济的发展提供重要支撑。
采样控制系统的历史与发展
采样控制系统的概念最早可以追溯到20世纪50年代，随着计算机技术的发展，采样 控制系统逐渐得到广泛应用。
近年来，随着数字信号处理、嵌入式系统、物联网等技术的快速发展，采样控制系 统的理论和应用得到了进一步拓展和完善。
采样控制系统分析
自动控制原理实验报告（七）采样控制系统分析班级：自动1002班学号：06101049姓名：强倩瑶3.5 采样控制系统分析一．实验目的1.了解判断采样控制系统稳定性的充要条件。
2.了解采样周期T对系统的稳定性的影响及临界值的计算。
3 观察和分析采样控制系统在不同采样周期T时的瞬态响应曲线。
三、实验内容及步骤1．闭环采样系统构成电路如图3-5-1所示。
了解采样周期T对系统的稳定性的影响及临界值的计算，观察和分析采样控制系统在不同采样周期T时的瞬态响应曲线。
2.改变采样控制系统的被控对象，计算和测量系统的临界稳定采样周期T。
图3-5-1 闭环采样系统构成电路闭环采样系统实验构成电路如图3-5-1所示，其中被控对象的各环节参数：积分环节（A3单元）的积分时间常数Ti=R2*C2=0.2S，惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T=R1*C1=0.5S，增益K=R1/R3=5。
（1）用函数发生器（B5）单元的方波输出作为系统振荡器的采样周期信号。
（D1）单元选择“方波”，（B5）“方波输出”孔输出方波。
调节“设定电位器1”控制相应的输出频率。
（2）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号R（t）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。
阶跃信号输出（B1-2的Y测孔）调整为2.5V（调节方法：调节电位器，用万用表测量Y测孔）。
（3）构造模拟电路；（4）运行、观察、记录：①运行LABACT程序，选择自动自动控制菜单下的采样系统分析实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。
②调节“设定电位器1”，D1单元显示方波频率，将采样周期T（B5方波输出）依次调整为15ms(66.6Hz) 、30ms(33.3Hz)和90ms(11.1Hz)，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+2.5V阶跃），使用虚拟示波器CH1观察A6单元输出点OUT（C）的波形。
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东南大学自动控制实验室
实验报告
课程名称：热工过程自动控制原理
实验名称：采样控制系统的分析
院（系）：能源与环境学院专业：热能动力姓名：范永学学号：03013409 实验室：实验组别：
同组人员：实验时间：2015.12.15 评定成绩：审阅教师：
实验八 采样控制系统的分析 一、实验目的 1. 熟悉并掌握Simulink 的使用；
2. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器ZOH 的原理及其实现方法；
3. 研究开环增益K 和采样周期T 的变化对系统动态性能的影响；
二、实验原理
1. 采样定理
图2-1为信号的采样与恢复的方框图，图中X(t)是t 的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号)(*t x 。
图2-1 连续信号的采样与恢复
香农采样定理证明要使被采样后的离散信号X *(t)能不失真地恢复原有的连续信号X(t)，其充分条件为：
max 2ωω≥S
式中S ω为采样的角频率，max ω为连续信号的最高角频率。
由于T S πω2=
，因而式可为 m ax
ωπ≤
T T 为采样周期。
2. 采样控制系统性能的研究
图2-2为二阶采样控制系统的方块图。
图2-2
采样控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均位于Z 平面上以坐标原点为圆心的单位圆内，且这种系统的动、静态性能均只与采样周期T 有关。
由图2-2所示系统的开环脉冲传递函数为： ]2
5.05.01[)1(25])2(2[)1(25])15.0()1(25[)(21212++--=+-=+-==---S S S Z Z S S Z Z S S e Z z G S T ]5.015.0)1([)1(25221T
e Z Z Z Z Z TZ Z Z ---+----=
)
)(1()]21()12[(5.122222T T T T e Z Z Te e Z e T --------++-= 闭环脉冲传递函数为： )]
21(]12[5.12)1()]21(12[5.12)()(222222222T T T T T T T T Te e Z e T e Z e Z Te e Z e T z R z C ----------++-+++---++-=）（ 5
.12)5.1125()5.115.1325()]21(12[5.12222222++-+-+--++-=-----T e Z e T Z Te e Z e T T T T T T ）（
根据上式，根据朱利判据可判别该采样控制系统否稳定，并可用迭代法求出该系统的阶跃输出响应。
三、实验设备：
装有Matlab 软件的PC 机一台
四、实验内容
1. 使用Simulink 仿真采样控制系统
2. 分别改变系统的开环增益K 和采样周期T S ，研究它们对系统动态性能及稳态精度的影响。
五、实验步骤
5-1. 验证香农采样定理
利用Simulink 搭建如下对象，如图2-3。
图2-3
设定正弦波的输入角频率w = 5，选择采样时间T 分别为0.01s 、0.1s 和1s ，观察输入输出波形，并结合香农定理说明原因，感兴趣的同学可以自选正弦波频率和采样时间T 的值.。
5-2.采样系统的动态特性
利用Simulink 搭建如下二阶系统对象，如图2-4。
当系统的增益K=10，采样周期T 分别取为0.003s ，0.03s ，0.3s 进行仿真实验。
更改增益K 的值，令K=20，重复实验一次。
感兴趣的同学可以自己设定采样时间以及增益K 的值，要求能够说明系统的动态特性即可。
系统对象simulink 仿真图：
图2-4
六、实验数据及分析
5-1. 验证香农采样定理
Simulink所搭建对象，如上面图2-3所示。
1正弦波的输入角频率w = 5，采样时间T为0.01s时，输入输出波形为
由香农定理推导得T≤π/ω，π/ω=π/5=0.628，此时T=0.01<0.628，由采样图可知，能够完全复现原有连续信号。
2正弦波的输入角频率w = 5，采样时间T为0.1s时，输入输出波形为
由香农定理推导得T≤π/ω，π/ω=π/5=0.628，此时T=0.1<0.628，由采样图可知，虽然不能够完全复现原有连续信号，但已能够大致复现。
3正弦波的输入角频率w = 5，采样时间T为1s时，输入输出波形为
由香农定理推导得T≤π/ω，π/ω=π/5=0.628，此时T=1>0.628，由采样图可知，完全
不能复现原有连续信号。
5-2.采样系统的动态特性
系统的增益K=10时，系统对象simulink仿真图如上面图2-4所示。
当系统的增益K=10，采样周期T取为0.003s时
此时由于采样周期小，频率高，输入输出曲线几乎重合。
当系统的增益K=10，采样周期T取为0.03s时
此时由于采样周期变大，频率变小，采样器的负作用变大，减低了系统的稳定性裕量，波动相对于理想值变大，但此时系统依旧稳定。
此时由于采样周期很大，频率很小，使系统出现不稳定的现象。
系统的增益K=20时，系统对象simulink仿真图：
两曲线基本能够重合。
当系统的增益K=20，采样周期T取为0.03s时
与K=10时相比，偏差已经较为明显，采样图线需要经过很长时间才能趋于稳定。
与K=10时相比，采样图线振荡更为剧烈。
七、思考题
1.采样周期T的变化对系统性能的影响？
对于有采样器和保持器的反馈系统，如果采样周期很短，采样系统就很接近于连续系统，加大采样周期而不改变系统的整定参数必然会降低系统的稳定性裕量，甚至使系统变为不稳定。
但是过分地缩短采样周期会受到实际设备的限制，而且也失去了采样控制系统的优点。
2.为什么离散后的二阶系统在K大到某一值会产生不稳定？
连续二阶线性定常系统，不论开环增益K多大，闭环系统均是稳定的，在加入采样器和零阶保持器后，随着开环增益增大，系统稳定性也会变化。