连续和离散系统分析
离散控制与连续控制的比较与分析
离散控制与连续控制的比较与分析离散控制与连续控制是自动控制领域中两种不同的控制方法。
离散控制适用于那些以离散事件为基础的系统，而连续控制则适用于那些以连续参数为基础的系统。
本文将对离散控制与连续控制进行比较与分析。
一、基本概念离散控制：离散控制是一种以时间为基础的控制方法，它依靠离散事件的发生来触发控制动作。
在离散控制中，系统的状态在不同的时间点上以离散的方式进行变化。
连续控制：连续控制是一种以连续参数的变化为基础的控制方法，它依靠系统的连续性状态来实时调整控制器的输出值。
在连续控制中，系统的状态在任意时间点上以连续的方式进行变化。
二、控制器设计离散控制：离散控制通常使用离散控制算法，如PID控制算法。
这些算法将采样时间作为基准，通过对离散数据进行处理来确定控制器的输出值。
离散控制器的设计相对简单，容易实现。
连续控制：连续控制通常使用连续控制算法，如模糊控制、神经网络控制等。
这些算法通过对系统状态的连续监测，实时调整控制器的输出值。
连续控制器的设计复杂度高，需要考虑系统的动力学特性等因素。
三、响应速度离散控制：离散控制的响应速度相对较慢，因为其控制动作是通过离散事件的发生来触发的。
离散控制器在两个采样点之间的时间段内，无法对系统状态进行控制。
连续控制：连续控制的响应速度相对较快，因为其控制动作是实时调整的。
连续控制器可以在任意时间点上对系统状态进行控制，能够快速响应系统的变化。
四、系统稳定性离散控制：离散控制系统相对容易保持稳定，因为其控制动作是基于对离散数据的处理。
离散控制器可以通过调整采样周期来实现系统的稳定性。
连续控制：连续控制系统相对较难保持稳定，因为其控制动作是基于对连续参数的调整。
连续控制器需要考虑系统的动力学特性以及噪声等因素，以保证系统的稳定性。
五、应用领域离散控制：离散控制适用于那些以离散事件为基础的系统，如自动化生产线、数字电子设备等。
离散控制在许多工业领域中得到广泛应用。
连续控制：连续控制适用于那些以连续参数为基础的系统，如化工过程、机械控制系统等。
连续和离散系统分析
连续和离散系统分析连续系统分析：连续系统的数学描述通常使用微分方程。
对于一个线性时不变（LTI）系统，其数学模型可以表示为：y(t)=x(t)*h(t)其中，y(t)是系统的输出，x(t)是输入，h(t)是系统的冲激响应（即单位冲激函数对系统的响应）。
该式可以进一步表示为积分形式：y(t)=∫[x(τ)*h(t-τ)]dτ这是一种卷积形式的表达。
对连续系统进行频域分析时，通常使用拉普拉斯变换。
假设输入信号x(t)的拉普拉斯变换为X(s)，输出信号y(t)的拉普拉斯变换为Y(s)，系统的传递函数（频域特性）为H(s)，则系统的频域响应可以表示为：Y(s)=X(s)*H(s)其中，*表示拉普拉斯变换中的乘法运算。
离散系统分析：离散系统的数学描述通常使用差分方程。
对于一个线性时不变系统，其数学模型可以表示为：y[n]=x[n]*h[n]其中，y[n]是系统的输出，x[n]是输入，h[n]是系统的冲激响应。
离散系统的频域分析通常使用傅里叶变换或者z变换。
在离散系统中，傅里叶变换将离散信号转换到周期连续频域上。
假设输入信号x[n]的傅里叶变换为X(e^jω)，输出信号y[n]的傅里叶变换为Y(e^jω)，系统的传递函数为H(e^jω)，则系统的频域响应可以表示为：Y(e^jω)=X(e^jω)*H(e^jω)其中，*表示傅里叶变换中的卷积运算。
另一种广泛应用的离散系统分析方法是z变换。
z变换将离散信号转换到z平面上，相当于傅里叶变换的离散形式。
假设输入信号x[n]的z变换为X(z)，输出信号y[n]的z变换为Y(z)，系统的传递函数为H(z)，则系统的频域响应可以表示为：Y(z)=X(z)*H(z)其中，*表示z变换中的乘法运算。
对于离散系统，还需要考虑采样定理以及采样频率对系统分析的影响。
采样定理指出，如果连续信号的最高频率成分小于采样频率的一半，那么可以通过离散信号获得连续信号的信息。
总之，连续和离散系统分析是信号与系统理论中的基础内容。
自动控制原理离散系统知识点总结
自动控制原理离散系统知识点总结自动控制原理中的离散系统是指在时间域和数值范围上都是离散的系统。
在离散系统中，信号是以离散时间点的形式传递和处理的。
本文将对自动控制原理离散系统的知识点进行总结，包括离散系统的概念、离散信号与离散系统的数学表示、离散系统的稳定性分析与设计等。
一、离散系统的概念与特点离散系统是指系统输入、输出和状态在时间上都是以离散的方式存在的系统。
与连续系统相比，离散系统具有以下特点：1. 离散时间：离散系统的输入、输出和状态是在离散时间点上采样得到的，而不是连续的时间信号。
2. 离散数值：离散系统的输入、输出和状态都是以离散数值的形式存在的，而不是连续的模拟数值。
二、离散信号与离散系统的数学表示离散信号是指在离散时间点上采样得到的信号。
离散系统可以通过离散信号的输入与输出之间的关系进行描述。
常见的离散系统数学表示方法有差分方程和离散时间传递函数。
1. 差分方程表示：差分方程是通过离散时间点上的输入信号和输出信号之间的关系来描述离散系统的。
差分方程可以是线性的或非线性的，可以是时不变的或时变的。
2. 离散时间传递函数表示：离散时间传递函数描述了离散系统输入与输出之间的关系，类似于连续时间传递函数。
离散时间传递函数可以通过Z变换得到。
三、离散系统的稳定性分析与设计离散系统的稳定性是指系统的输出在有限时间内收敛到有限范围内，而不是无限增长或震荡。
离散系统的稳定性分析与设计是自动控制原理中的重要内容。
1. 稳定性分析：离散系统的稳定性可以通过判断系统的极点位置来进行分析。
若系统的所有极点都位于单位圆内，则系统是稳定的；若存在至少一个极点位于单位圆外，则系统是不稳定的。
2. 稳定性设计：若离散系统不稳定，可以通过调整系统的参数或设计控制器来实现稳定性。
常见的稳定性设计方法包括PID控制器调整、根轨迹设计等。
四、离散系统的性能指标与优化离散系统的性能指标与优化是指通过调整控制器参数或控制策略，使离散系统的性能得到优化。
仿真建模中的离散事件仿真与连续系统模拟技术
仿真建模中的离散事件仿真与连续系统模拟技术在仿真建模领域中，离散事件仿真（Discrete Event Simulation, DES）与连续系统模拟技术是两种常用的方法。
离散事件仿真通过模拟系统组成部分之间的事件交互，以离散的时间步长进行模拟，适用于涉及离散事件和事件交互的系统。
而连续系统模拟技术则基于连续时间模型，将系统的状态从一个时间点演化到下一个时间点，适用于涉及连续变量和连续过程的系统。
本文将对离散事件仿真与连续系统模拟技术进行详细介绍和对比。
离散事件仿真是一种在离散事件驱动的基础上进行系统模拟的方法。
离散事件驱动指的是系统的状态变化是由离散事件的发生所触发的。
这些事件可以是任何可能影响系统行为的事物，如任务到达、资源请求和完成等。
离散事件仿真将系统中的所有活动建模为一系列事件，并通过事件的发生和处理来模拟系统的行为。
在仿真过程中，建模者需要明确定义系统中的各个事件及其发生的条件，以及事件发生后系统状态的变化规则。
离散事件仿真的优点是能够精确地模拟系统中的时间和事件交互，使得仿真结果具有较高的精确度。
它常用于模拟涉及排队、流程调度、供应链管理等问题的系统，如银行业务、交通系统和制造业生产线。
在离散事件仿真中，时间步长是指仿真模型中的事件触发机制。
不同的仿真模型可以选择不同的时间步长，以确保仿真结果的准确性和效率。
时间步长的选择应考虑系统中事件的发生频率和对结果的精确度要求。
当事件发生频率较高时，适合选择较小的时间步长，以提高仿真的精确度。
而当事件发生频率较低时，可以选择较大的时间步长以提高模拟效率。
常用的时间步长选择策略包括固定时间步长和自适应时间步长。
固定时间步长是指在整个仿真过程中使用相同的时间间隔，适用于事件发生频率稳定的仿真模型。
自适应时间步长则根据事件发生的频率动态调整时间间隔，以保持较高的仿真精确度和效率。
相比之下，连续系统模拟技术则更适用于描述连续变量和连续过程的系统。
在连续系统模拟中，系统的状态是以连续的时间点为基准进行演化的。
连续系统与离散系统的概念
连续系统与离散系统的概念连续系统和离散系统是系统控制理论中两种基本的模型类型。
连续系统是指系统的输入和输出信号是连续变化的，并且系统的状态可以在任意时间点进行测量和控制。
而离散系统则是指系统的输入和输出信号是离散的，即只在离散的时刻进行测量和控制，而在两个离散时刻之间的信号变化是未知的。
首先，我们来详细介绍连续系统。
连续系统可以用微分方程来描述，通常采用微分方程的求解方法来求得系统的时域响应。
连续系统可以是线性的，也可以是非线性的。
线性连续系统的特点是具有叠加性质，即输入的线性组合对应于输出的线性组合。
而非线性连续系统则是具有非线性性质，输入的线性组合对应于输出的非线性组合。
连续系统的状态可以通过求解微分方程来得到，并且可以通过选择系统的控制输入来实现对系统状态的调节。
在连续系统中，我们可以利用传递函数来描述系统的频域特性，传递函数是输入和输出的拉普拉斯变换的比值。
传递函数可以用来分析系统的稳定性、频率响应、阻尼特性等。
接下来，我们来介绍离散系统。
离散系统可以用差分方程来描述，通过求解差分方程可以得到系统的时域响应。
离散系统也可以是线性的或非线性的，线性离散系统满足叠加性质，非线性离散系统则不满足叠加性质。
离散系统的状态可以通过迭代差分方程来得到，并且可以通过选择系统的控制输入来实现对系统状态的调节。
离散系统的频域特性可以用离散时间傅里叶变换（DTFT）或离散傅里叶变换（DFT）来描述，这些变换可以将系统的输入和输出信号从时域转换到频域。
离散系统的稳定性、频率响应等也可以通过这些变换来进行分析。
在实际应用中，连续系统和离散系统都有各自的优缺点。
连续系统具有高精度和高灵敏度的特点，适用于需要高精度控制和测量的应用，如机器人控制、飞行器导航等。
而离散系统则具有较低的复杂度和较好的实时性，适合于计算机控制、数字信号处理等应用。
此外，由于实际系统中往往存在传感器采样和控制执行的离散性，所以很多情况下需要将连续系统进行离散化，从而使用离散系统进行建模和控制。
控制工程基础应掌握的重要知识点
控制工程基础应掌握的重要知识点控制工程是一门研究控制系统及其应用的理论和方法的学科。
其核心任务是通过对被控对象以及环境的监测和测量，对系统进行控制和调节，以达到预期的控制效果。
以下是控制工程基础中应掌握的重要知识点：1.连续系统与离散系统：控制系统可以分为连续系统和离散系统。
连续系统是指系统变量是连续变化的，通常使用微分方程描述。
离散系统是指系统变量是离散变化的，通常使用差分方程描述。
掌握连续系统与离散系统的建模与分析方法是控制工程的基础。
2.传递函数与状态空间模型：传递函数描述了系统输入与输出之间的关系，是一个复频域函数。
状态空间模型则是通过描述系统的状态量对时间的导数来建模。
掌握传递函数的提取与描述以及状态空间模型的建立与分析方法是进行系统分析与控制设计的基础。
3.控制系统的基本性能指标：控制系统的基本性能指标包括稳定性、快速性、精确性和抗干扰性。
稳定性是系统在受到干扰或参数变化时保持状态有界的能力；快速性是系统输出快速收敛到期望值的能力；精确性是系统输出与期望值之间的偏差大小；抗干扰性是系统对干扰的敏感性。
掌握这些性能指标的衡量方法是控制系统设计的基础。
4.反馈控制原理：反馈控制是一种常用的控制方式，通过对系统输出进行测量并与期望输出进行比较，根据差值来修正输入以调节系统行为。
掌握反馈控制的原理，包括比例控制、积分控制和微分控制的组合应用是进行控制系统设计和分析的关键。
5.PID控制器：PID控制器是一种基于比例、积分和微分操作的控制器。
它能够通过调整三个参数来适应不同的系统需要，并具有较好的稳定性和快速性能。
掌握PID控制器的设计和调节方法是控制工程的重要内容。
6.控制系统的稳定性分析与设计：稳定性是控制系统的基本要求。
控制系统的稳定性分析包括对开环传递函数的极点位置、稳定裕量、相角裕量等指标的评估。
稳定性设计则是通过修改系统参数或者设计合适的控制器来保证系统的稳定性。
掌握稳定性分析与设计的方法是进行控制系统设计的重要基础。
自动控制原理
特征方程 Dz 1Gz 0
z2 0.632K 1.368 z 0.368 0
将
z w1 w 1
代入上式，得
w w
1 1
2
0.632
K
1.368
w w
1 1
0.368
0
0.632Kw2 1.264w 2.736 0.632K 0
离散系统的稳定性分析
19
0.632Kw2 1.264w 2.736 0.632K 0
临界稳定 (不稳定)
j Z平面
1
不稳定 稳定区域 区域
0
1
离散系统的稳定性分析
9
说明：
设系统的闭环特征方程的根(闭环极点)为pi (i=1,2,…,n)，则在理想单位脉冲函数输入时
[R(z)=1]，输出的 Z变换为
n
C(z)
Ai z
i1 z pi
作Z反变换，得
n
c(kT ) Ai pik i 1
小结
21
离散系统的稳定条件 ➢全部特征根均分布在Z平面上的单位圆内
离散系统的稳定判据 ➢在z域直接求特征根(一阶二阶系统) ➢利用z平面到w平面的双线性变换，在w域
应用连续系统中代数判据(劳斯判据) ➢离散系统的稳定性与系统的结构和参数有
关外，还与采样周期有关
22
s
2
次要带
j 3s 2
Im z平 面
Re
-1
O1
离散系统的稳定性分析
7
s平面上的稳定区域(左半s平面)在z平面上 的映像是单位圆的内部区域，
➢单位圆之内是z平面的稳定区域
➢单位圆之外是z平面的不稳定区域
离散系统的稳定性分析
8
离散控制系统的特点及其优势
离散控制系统的特点及其优势离散控制系统是一种基于数字信号进行操作和控制的系统，与连续控制系统相对。
它的出现可以追溯到计算机的发展和数字技术的应用。
离散控制系统具有一些独特的特点和优势，本文将就其特点和优势进行深入探讨。
一、离散控制系统的特点离散控制系统与连续控制系统在信号和操作方式上存在明显差异。
离散控制系统的特点主要体现在以下几个方面：1. 信号离散化：离散控制系统采用离散的信号进行数据传输和控制操作，相邻时间间隔内的信号值是离散的，呈现“脉冲”状。
2. 状态离散化：离散控制系统的状态描述和切换是基于离散的状态变量进行的。
系统的输入和输出以及内部状态都是离散的，通过离散的切换过程来实现控制。
3. 实时性要求高：离散控制系统通常需要对系统的状态和输入进行高速采样和处理，以满足实时控制的需求。
系统及时响应外部变化并进行相应的控制操作。
4. 程序化控制：离散控制系统通常采用程序化控制方式，通过预先编写好的程序来实现控制逻辑，将控制过程进行离散化的运算和判断。
二、离散控制系统的优势离散控制系统相较于连续控制系统具有一些优势，使得其在许多领域得到广泛应用。
1. 精度高：离散控制系统在信号与状态离散化的过程中，能够较为准确地测量和处理系统的输入和输出。
通过高速采样和精确的信号处理，能够实现精确的控制。
2. 稳定性强：离散控制系统能够通过离散的状态切换和控制操作，对系统的输出进行精确的调节和控制。
由于离散控制系统的控制逻辑更为清晰可见，从而可以更好地保持系统的稳定运行。
3. 扩展性好：离散控制系统可以通过编写不同的程序来应对不同的控制需求。
其灵活性和可扩展性使得它可以适应不同规模和复杂度的控制任务。
4. 可靠性较高：离散控制系统的数字化和计算化特点使得其能够对信号进行有效的检测和处理，从而提高了系统的可靠性和稳定性。
同时，离散控制系统的模块化设计也使得故障排查和修复更加容易。
5. 抗干扰性强：离散控制系统对于外界干扰信号的抗干扰能力较强。
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实验一连续与离散系统分析
一、实验目得
学习连续系统与离散系统响应得matlab求解方法;
二、实验主要仪器设备与材料
计算机
三、实验方法、步骤及结果测试
实验方法:编程,上机调试,分析实验结果;
步骤: 编程实现上述各实验内容
四、实验结果
1、某系统得传递函数为：
试求系统得冲激响应与阶跃响应。
2、编制程序求解下列两个系统得单位冲激响应与阶跃响应,并绘出其图形。
要求
分别用filtｅr、coｎｖ、ｉｍpz三种函数完成。
给出理论计算结果与程序计算结果并讨论。
(I)
理论计算结果:
程序计算结果:
Ａ：单位冲激响应
（１)用Fiｌter函数(２)用Conｖ函数
(3）用impz函数
单位冲激响应:
n 0 1 2 3 4 5
h(n) 1 -1、75 1、19 -0、67 0、355 -0、18 单位阶跃响应:
n 0 1 2 3 4 5
y(n) 1 -0、75 0、44 -0、234 0、12 -0、06
Ｂ:单位阶跃响应(1)用Fil ｔer 函数
(2)用Ｃｏnv 函数
(3)用Imp ｚ函数
(II ）
理论计算结果:
程序计算结果：
A:单位冲激响应(1)用f ｉlter 函数
单位冲激响应: n 0 1 2 3 4 5 h(n) 0 0、25
0、25
0、25
0、25
单位阶跃响应:
N 0 1 2 3 4 5 y(n) 0
0、25 0、5 0、75 1
1
（２)用Conｖ函数
（3)用Impｚ函数
B:单位阶跃响应
（1）用fｉlter函数
（2)用Ｃｏｎv函数
(3)用Impz函数
结论：
● y=ｆilte ｒ(p,d ，x)用来实现差分方程,d 表
示差分方程输出ｙ得系数，p 表示输入x 得系数，而x 表示输入序列。
输出结果长度数等于x 得长度;
● 而y=conv(x ，h)就是用来实现卷积得,对x 序列与h 序列进行卷积,输出得结果个数等于x 得长度与h 得
长度之与减去1;
● y ＝impz(p,d,N)就是用来实现冲击响应得,d 与p 得定义同fi ｌte ｒ,N 表示冲击响应输出得序列个数。
3 已知描述某连续系统得微分方程为
求该系统得单位冲激响应。
4 计算上述系统在输入为时得零状态响应。
程序:
ts=0;te=10;dt=0、01; sys=tf([2 8],[1 5 6]); t=ts:dt:te; f=exp(-t); y=lsim(sys,f,t); plot(t,y) xlabel('time(sec)') ylabel('y(t)')
程序:
b=[2 8];a=[1 5 6]; sys=tf(b,a); t=0:0、1:10; y=impulse(sys,t); plot(t,y);
xlabel(‘时间(t)’);ylabel(‘y(t)’);tltle(‘单位冲激响应’);
5 已知系统函数,求
1)离散系统得单位冲激响应h(ｎ);
２) 输入为,求系统得零状态响应。
程序:
num=[1 2];den=[1 0、4 0、12]; % system model y1=impz(num,den,20);
subplot(121); stem(y1); title('impulse response');
n=0:20;
x2=ones(1,21);
y1filter=filter(num,den,x2);
subplot(122);
stem(n,y1filter);
title('filter_step');
xlabel('x');
ylabel('y');
6 已知某离散因果系统得系统函数,试
分析该系统得幅频特性。
程序:
num=[1 1]; den=[1 -1 0、5];
sys=tf(num,den);
w=-10:0、001:10;
H=freqs(num,den,w);
subplot(2,1,1);plot(w,abs(H));title
('幅频特性');
subplot(2,1,2);plot(w,angle(H));tit
le('相频特性');
五、思考题
1）连续系统响应得计算机求解可以分为哪些方法？各就是什么原理？
答：①连续时间系统零状态响应得求解
t表示计算系统响应得抽样点向量,f就是系统输入信号向量
sys就是LＴＩ系统模型,借助ｔf函数获得。
②连续系统冲激响应与阶跃响应得求解
连续时间系统冲激响应可用impｕlsｅ函数直接求出，其调用形式为:
y=impｕlｓｅ(ｓys,t)
连续时间系统阶跃响应可用step函数直接求出,其调用形式为:
ｙ＝step(sys,ｔ)
t表示计算系统响应得抽样点向量，ｓyｓ就是LTI系统模型、
2）matlab中用于离散系统求解得命令有哪些？各基于什么求解方法？
答:①ｙ=fｉlteｒ（p,d,x)用来实现差分方程，d表示差分方程输出y得系数,p表示输入x 得系数,而x表示输入序列。
输出结果长度数等于x得长度;
ﻩ②y＝cｏnv(x,h）就是用来实现卷积得,对x序列与h序列进行卷积，输出得结果个数等于x得长度与ｈ得长度之与减去１；
ﻩ③y=iｍpz（ｐ，d,N)就是用来实现冲击响应得,d与ｐ得定义同filｔｅr,N表示冲击响应输出得序列个数。