采样系统的典型结构图(闭环脉冲传递函数)

第六章
离散系统
黄勤珍
西南民族大学
※ 6 — 1 线性离散系统
一、信号采样和复现
1、在采样控制系统中，把连续信号转变为 脉冲系列的过程 — 采样过程（采样）
实现采样的装置 — 采样器（开关）T 表示采 样周期(S) ，fs = 1/T （采样频率） (1/S) , 表示采样角频率。
2π ws = 2πfs = T
则：
GR * ( s) C * ( s) = 1 + HG * ( s)
上式取 Z 变换得：
RG( z ) C( z ) = 1 + GH ( z )
西南民族大学
五、采样系统的性能分析
一、稳定性： D( z ) = a0 + a1 z + a2 z 2 + ... + an z n
Z 域（朱利稳定判据）且满足： >0 n 为偶数 D(1) > 0 , D(-1) <0 n 为奇数 a 0 < an
1 z(e − e ) [ ∴G( z) = −aT −bT b − a ( z − e )( z − e )
b系统： 系统： 系统
1 z G1( s) = , G1( z) = −aT S+a z−e 1 z G2( s) = , G2( z) = S+b z − e−bT
西南民族大学
−aT −bT
G1( z)G2( z） Φ( z) = 1 + G1(z)HG 2 (z)
C*(s) R(s) – E(s) E*(s) E1(s) E1*(s) G1(s) G2(s)_ H(s)
西南民族大学
C(s)
证：由图得：
C( s) = G2 ( s) E1 * ( s) E1 ( s) = E * ( s)G1 ( s)
3、零阶保持器
使采样系统信号 e*(t) 每一个采样瞬时的值 e(kT)一直保持到下一个采样瞬时 e[(k+1)T] ，从而使采样信号 e*(t) 变成阶梯信号 en(t)
西南民族大学
e*(t)
0 T 2T 3T e*(t)
4T t en(t)
零阶保持器
西南民族大学
e*(t)
en(t)
0 T 2T 3T 4T
τ
西南民族大学
三、Z 变换与 Z 反变换
Ｚ变换定理
采样系统的动态过程用差分方程来描 述，用Ｚ变换求解差分方程。
四、脉冲传递函数
C( z) 输出采样信号的Ｚ变换 G( z) = R( z) 输入采样信号的Ｚ变换 G(z)
r(t) R(z) r*(t) G(s) C*(t) C(t)
西南民族大学
（一）开环系统的脉冲传递函数
R(s) – T
1− e S
−Ts
K S( S + 1)
C(s)
西南民族大学
解：系统的开环脉冲传递函数
K ] G( z ) = (1 − z ) Z[ 2 S ( S + 1) ( e−T + T − 1) z + (1 − e−T − Te−T ) =K ( z − 1)( z − e−T )
C*(t) C(z) C(t)
西南民族大学
证：由图得： C( s) = G( s) E( s) E( s) = R( s) − H( s)C * ( s) ∴ C( s) = G( s) R( s) − G( s) H( s)C * ( s) 对上式离散化：
C * ( s) = GR * ( s) − HG * ( s)C * ( s)
查表得：
GP( s) Tz 1 z z Z( )= ) − ( − 2 −aT S ( z −1) a z −1 z − e
∴ 有零阶保持器的开环系统脉冲传递 函数为：
GP( s) G( z) = (1 − z )Z( ) S
−1
西南民族大学
例二、设离散系统如图所示，其中
1 a G1( s) = , G2( s) = S S+ a
则： a0 = 39 < an = 45
b0 = 504, b2 = 792 ∴ b0 < b2
系统不稳定
西南民族大学
例8、已知离散系统闭环特征方程为
D( z ) = z 4 − 1.368 z 3 + 0.4 z 2 + 0.08 z + 0.002 = 0
试用朱利判据判断系统的稳定性。
西南民族大学
C( z ) G1 ( z )G2 ( z ) Φ( z ) = = R( z ) 1 + G1 ( z ) HG2 ( z )
西南民族大学
例5、设闭环离散系统结构图如图所示，试证其 输出采样信号的 Z 变换函数。
RG( z ) C( z ) = 1 + GH ( z )
r(t) R(s)
e(t) G(s) – H(s) C*(t) C(z)
a GP( s) = S( S + a)
求开环系统的脉冲传递函数 G(z)
西南民族大学
r(t)
1− e S
−TS
C*(t) GP(s)
GP( s) S GP( s) S
C(t) C*(t)
r(t)
1− e
1 e-TS
−TS
C(t) C*(t) C(t)
西南民族大学
GP( s) a = 2 解： Q S S ( S + a) 1 1 1 1 ） = 2− ( − S a S S+ a
西南民族大学
e(t)
e*(t)
e*(t)
τ
0 T 2T 3T….t 0 T 2T 3T
西南民族大学
2、在采样控制系统中，把脉冲序列转变为 连续信号的过程 — 信号复现
实现信号复现的装置 — 保持器（将 e*(t) 的 高频分量滤掉） 在采样系统中，最简单，应用最广泛的是具有常 值外推功能的保持器 — 零阶保持器
1 z G1( z) = Z( ) = S z −1 a az G2( z) = Z( )= −aT S+ a z − e
az2 ∴G( z) = G1( z)G2( z) = ( z − 1)( z − e−aT ) az3 C( z) = G( z)R( z) = ( z −1)2( z − e−aT )
西南民族大学
系统b：
a G1( s)G2( s) = S( S + a) a [ ] G( z) = G1G2( z) = Z S( S + a) z(1 − e−aT ) = −aT ( z − 1)( z − e ) 2 −aT z (1 − e ) C( z) = G( z)R( z) = ( z − 1)2( z − e−aT )
1.31 2 2 1.31 - 1.63 - 0.75 - 1.63 - 0.93
表中第三行元素为： a0 an – k bk = a a n k
西南民族大学
0.28 1 ∴ b0 = 1 0.28 -- 0.92 = 0.28 2 b1 = = -- 1.63 1 1.31 0.28 1.31 b2 = 1 2 = -- 0.75 第四行为第三行元素反顺序排列 b0 bn – 1 – k Ck = b n - 1 bk c0 cn – 2 – k dk = c …. ck n–2
西南民族大学
误差采样控制的闭环采样系统
e(t)
e*(t)
0
t
西南民族大学
r(t)
C(t) e(t) e*(t) Gh(s) Gp(s) S – b(t) 反馈元件函数 H(s)
S:理想采样开关，其采样瞬时的脉冲幅值等于 理想采样开关， 理想采样开关 的幅值， 相应采样瞬时误差信号 e(t) 的幅值，且采样持 →0 续时间
１、串联环节的脉冲传递函数
R(s)
C(s) G1(s) G2(s) G3(s)
G( s) = G1( s)G2( s)G3( s)
西南民族大学
例：有两个开环采样系统 r(t)
1 S+a
G1(s)
1 S+b
G2(s)
C(t)
r(t)
1 S+a
1 S+b
C(t)
西南民族大学
a系统： 系统： 系统
1 G( s) = G1( s)G2( s) = (S + a)( S + b)
西南民族大学
则：
a 0 = 0.28, a1 = 1,∴ a 1 < an b 0 = 0.92 , b 2 = 0.75,∴ b 0 > b n−1
所有条件均满足，所以系统为稳定系统。
西南民族大学
例7、已知系统的闭环特征方程
D( z ) = 45 z 3 − 117 z 2 + 119 z − 39 = 0
t
0 T 2T 3T 4T 5T t
传递函数，频率特性
1 − e−TS Gn (s) = S Tw sin( ) 2 e − jwT Gn ( jw) = T Tw 2 2
西南民族大学
二、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，或系统本身不存在闭合回路 — 开环采 样系统 如果采样器位于系统闭合回路之内 — 闭环采样系统
系统的开环脉冲传递函数
z z G( z) = G1( z)G2( z) = • −aT −bT z−e z−e 2 z = −aT −bT ( z − e )( z − e )
2、有零阶保持器的开环系统
1− e Gh( s) = S
−TS
西南民族大学
例一、具有零阶保持器的开环采样系统如图所示， 其中
西南民族大学