《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》全套PPT課件

《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》全套PPT課件,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),計(jì)算機(jī),控制系統(tǒng),全套,PPT,課件 1、緒論概述概述/發(fā)展與應(yīng)用發(fā)展與應(yīng)用/理論與設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容理論與設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容1.11.1 概述概述1.1.1 1.1.1 CCSCCS組成組成閉環(huán)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)決策、實(shí)時(shí)控制在線、離線 模擬電路 采樣理論 數(shù)字控制 多樣形式 典型典型模擬式模擬式火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖 典型火炮位置典型火炮位置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖的原理結(jié)構(gòu)圖(1)被控對(duì)象被控對(duì)象：本例為火炮炮身；：本例為火炮炮身；(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：本例為直流電機(jī)；：本例為直流電機(jī)；(3)測(cè)量裝置測(cè)量裝置：本例為測(cè)量電位計(jì)及測(cè)速電機(jī)；：本例為測(cè)量電位計(jì)及測(cè)速電機(jī)；(4)指令給定裝置指令給定裝置：本例為火炮高低角及方位角的指令生成裝置；：本例為火炮高低角及方位角的指令生成裝置；(5)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括下述主要部件：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括下述主要部件：A/D變換器；變換器；D/A變換器；變換器；數(shù)字計(jì)算機(jī)（包括硬件及相應(yīng)軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換處理、工數(shù)字計(jì)算機(jī)（包括硬件及相應(yīng)軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換處理、工作狀態(tài)邏輯管理、按給定算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令等）。作狀態(tài)邏輯管理、按給定算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令等）。CCSCCS組成組成被控對(duì)象；被控對(duì)象；測(cè)量裝置；測(cè)量裝置；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（主機(jī)和輸入輸出通道）；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（主機(jī)和輸入輸出通道）；外部設(shè)備。外部設(shè)備。（基本典型；不同組合）被控對(duì)象；測(cè)量裝置；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；外部設(shè)備。系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等。應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件：過(guò)程監(jiān)視程序過(guò)程監(jiān)視程序：巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、上下限檢查及報(bào)警、操作面板服務(wù)、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換、判斷、過(guò)程分析等；過(guò)程控制計(jì)算程序過(guò)程控制計(jì)算程序：控制算法、事故處理和信息管理（信息生成調(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示等）；公共服務(wù)程序公共服務(wù)程序：基本運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式編碼等。1.1.1.1.2 2 CCS CCS特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)信號(hào)：信號(hào)：有多種（連續(xù)模擬、離散模擬、離散數(shù)字等）信號(hào)形式，是一種混有多種（連續(xù)模擬、離散模擬、離散數(shù)字等）信號(hào)形式，是一種混合信號(hào)系統(tǒng)合信號(hào)系統(tǒng)工作方式：工作方式：可同時(shí)控制多個(gè)被控對(duì)象或被控量，即可為多個(gè)控制回路服務(wù)?？赏瑫r(shí)控制多個(gè)被控對(duì)象或被控量，即可為多個(gè)控制回路服務(wù)。同一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以采用串行或分時(shí)并行方式實(shí)現(xiàn)控制，每個(gè)控制回路的控制同一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以采用串行或分時(shí)并行方式實(shí)現(xiàn)控制，每個(gè)控制回路的控制方式由軟件來(lái)形成。方式由軟件來(lái)形成。避免模擬實(shí)現(xiàn)的困難，方便復(fù)雜計(jì)算避免模擬實(shí)現(xiàn)的困難，方便復(fù)雜計(jì)算?？刂扑惴ㄓ绍浖绦?qū)崿F(xiàn)，?？刂扑惴ㄓ绍浖绦?qū)崿F(xiàn)，控制規(guī)控制規(guī)律靈活多樣；律靈活多樣；可使用各種數(shù)字部件，提高系統(tǒng)測(cè)量靈敏度并可利用數(shù)字通信來(lái)傳輸信息?？墒褂酶鞣N數(shù)字部件，提高系統(tǒng)測(cè)量靈敏度并可利用數(shù)字通信來(lái)傳輸信息。自動(dòng)檢測(cè)和故障診斷較為方便，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)及維修能力。自動(dòng)檢測(cè)和故障診斷較為方便，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)及維修能力。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，用戶界面有效能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，用戶界面有效。使控制與管理更易結(jié)合，使控制與管理更易結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)層次更高的自動(dòng)化。并實(shí)現(xiàn)層次更高的自動(dòng)化。性能價(jià)格比高。性能價(jià)格比高。開(kāi)創(chuàng)階段開(kāi)創(chuàng)階段(19551965)：?jiǎn)雾?xiàng)工程試驗(yàn)。：?jiǎn)雾?xiàng)工程試驗(yàn)。測(cè)量、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、監(jiān)督。主要任務(wù)是尋求最佳運(yùn)行條件，從事操作指導(dǎo)和設(shè)定值的計(jì)算工作，控制計(jì)算機(jī)僅按監(jiān)督方式運(yùn)行，并要求集中承擔(dān)多種任務(wù)。模擬常規(guī)調(diào)節(jié)儀表的調(diào)節(jié)規(guī)律，形式上由連續(xù)變?yōu)殡x散，調(diào)節(jié)效果得不到明顯改善。小型計(jì)算機(jī)時(shí)期小型計(jì)算機(jī)時(shí)期(19651972)：實(shí)用及普及階段。：實(shí)用及普及階段。主要是計(jì)算機(jī)集中控制，即用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制盡可能多的調(diào)節(jié)回路。直直接數(shù)字控制接數(shù)字控制DDC系統(tǒng)系統(tǒng)關(guān)注的是控制功能。出現(xiàn)了各種類型適合工業(yè)控制的小型計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)臺(tái)數(shù)迅速增長(zhǎng)。1.1.2 2.1 1 發(fā)展概況發(fā)展概況計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展與計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論控制理論的發(fā)展密不可分。1.1.2 2 CCS CCS發(fā)展與應(yīng)用發(fā)展與應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)時(shí)期微型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1972現(xiàn)在現(xiàn)在)：大量推廣和分級(jí)控制階段。：大量推廣和分級(jí)控制階段。微機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)得到更為普及的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機(jī)的發(fā)展和普及，促進(jìn)發(fā)展了許多新型計(jì)算機(jī)的控制方式。簡(jiǎn)單過(guò)程裝置，單臺(tái)微機(jī)獨(dú)立控制，如單片機(jī)、工控機(jī)、可編程控制器；復(fù)雜過(guò)程裝置，采用集散型控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)分散到生產(chǎn)裝置中去，采用多級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，既能使危險(xiǎn)分散，又能實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。1.1.2 2.1 1 發(fā)展概況發(fā)展概況1.1.2 2.1 1 發(fā)展概況發(fā)展概況計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展與計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論的發(fā)展密不可分。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 主要研究單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)，單輸入單輸出制系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型采用傳遞函數(shù)表示，系統(tǒng)的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法?，F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 系統(tǒng)分析的對(duì)象為多輸入多輸出線性系統(tǒng)，系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)模型主要用狀態(tài)空間描述。主要采用最優(yōu)控制(二次型最優(yōu)控制、H控制等)、系統(tǒng)辨識(shí)和最優(yōu)估計(jì)、自適應(yīng)控制等分析和設(shè)計(jì)方法。智能控制理論智能控制理論 研究對(duì)象和系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，如(a)不確定性的模型、(b)高度非線性、(c)復(fù)雜的任務(wù)要求。智能控制包括學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。1.1.2 2.2 2 應(yīng)用分類應(yīng)用分類操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)DAS）優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全可靠。缺點(diǎn)是要由人工進(jìn)行操作，操作速度受到了人為的限制。也用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試階段，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)、處理及試驗(yàn)新模型等。生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)視操作指導(dǎo)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC 閉環(huán)系統(tǒng)。巡回檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行，與設(shè)定值進(jìn)行比較，再進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。靈活性大。主要研究對(duì)象。計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）SCC系統(tǒng)有多種形式，如：SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)；SCC+DDC控制系統(tǒng)。它是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。SCC系統(tǒng)不僅可進(jìn)行給定值控制，還可進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCS）可靠性高、速度快、結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、維護(hù)簡(jiǎn)便可靠性高、速度快、結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、維護(hù)簡(jiǎn)便生產(chǎn)管理級(jí)、過(guò)程管理級(jí)、過(guò)程控制級(jí)分級(jí)控制系統(tǒng)分級(jí)控制系統(tǒng)說(shuō)明：1、分級(jí)控制理論角度、大系統(tǒng)基礎(chǔ)理論，綜合優(yōu)化指標(biāo)，2、分布控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)角度、結(jié)構(gòu)與功能3、PLC、DCS，F(xiàn)CS；NCS4、CIMS/綜合自動(dòng)化系統(tǒng)5、按控制規(guī)律分類 程序控制與順序控制；PID控制；有限拍控制；復(fù)雜規(guī)律控制；智能控制例例:各種用途的機(jī)器人系統(tǒng)各種用途的機(jī)器人系統(tǒng) 焊接機(jī)器人系統(tǒng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)（核心為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（核心為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）具有視覺(jué)器件的機(jī)器人示意圖具有視覺(jué)器件的機(jī)器人示意圖 例例:以計(jì)算機(jī)為核心的復(fù)雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心的復(fù)雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng) 現(xiàn)代民用飛機(jī)座艙數(shù)字控制電子設(shè)備現(xiàn)代民用飛機(jī)座艙數(shù)字控制電子設(shè)備 飛機(jī)飛行高度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)飛機(jī)飛行高度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 例：現(xiàn)代工廠自動(dòng)化中，廣泛使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng)例：現(xiàn)代工廠自動(dòng)化中，廣泛使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng) 1.3 CCS的理論與設(shè)計(jì)問(wèn)題的理論與設(shè)計(jì)問(wèn)題(1)若若被被控控對(duì)對(duì)象象是是時(shí)時(shí)不不變變線線性性系系統(tǒng)統(tǒng)，通通常常所所形形成成的的連連續(xù)續(xù)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)也也是是時(shí)時(shí)不不變變系系統(tǒng)統(tǒng)。但但當(dāng)當(dāng)將將其其改改造造成成計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)后后，它它的的時(shí)時(shí)間間響響應(yīng)應(yīng)與外作用的作用時(shí)刻和與外作用的作用時(shí)刻和采樣采樣時(shí)刻是否同步有關(guān)。時(shí)刻是否同步有關(guān)。采樣系統(tǒng)的時(shí)變特性采樣系統(tǒng)的時(shí)變特性 1.3.1 理論問(wèn)題理論問(wèn)題(2)連續(xù)系統(tǒng)在正弦輸入信號(hào)的激勵(lì)下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的連續(xù)系統(tǒng)在正弦輸入信號(hào)的激勵(lì)下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的正弦信號(hào)，但計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應(yīng)與輸入信號(hào)正弦信號(hào)，但計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應(yīng)與輸入信號(hào)頻率和采樣周期有關(guān)。頻率和采樣周期有關(guān)。頻率為頻率為4.9 Hz的輸入信號(hào)的輸入信號(hào) 連續(xù)系統(tǒng)的輸出連續(xù)系統(tǒng)的輸出采樣采樣間隔時(shí)間為間隔時(shí)間為0.1 s時(shí)，則時(shí)，則會(huì)發(fā)生振蕩周期為會(huì)發(fā)生振蕩周期為10s的差拍的差拍現(xiàn)象?，F(xiàn)象。(3)盡盡管管計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)特特性性可可以以用用連連續(xù)續(xù)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)理理論論解解釋釋，但還有很多現(xiàn)象是不能用連續(xù)系統(tǒng)理論加以解釋的。但還有很多現(xiàn)象是不能用連續(xù)系統(tǒng)理論加以解釋的。例例如如，一一個(gè)個(gè)連連續(xù)續(xù)系系統(tǒng)統(tǒng)是是可可控控可可觀觀的的，將將其其變變成成計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)時(shí)時(shí)，若若采采樣樣間間隔隔時(shí)時(shí)間間選選取取的的不不合合適適，則則可可能能會(huì)會(huì)變變得得不不可控?？煽?。(4)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的問(wèn)題。系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)對(duì)閉閉環(huán)環(huán)負(fù)負(fù)反反饋饋的的一一階階、二二階階線線性性連連續(xù)續(xù)系系統(tǒng)統(tǒng)，系系統(tǒng)統(tǒng)開(kāi)開(kāi)環(huán)環(huán)放大系數(shù)為任意值，系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。放大系數(shù)為任意值，系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。從從第第4章章的的分分析析可可以以看看到到，當(dāng)當(dāng)采采樣樣周周期期一一定定時(shí)時(shí)，計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的開(kāi)開(kāi)環(huán)環(huán)放放大大系系數(shù)數(shù)僅僅處處于于一一定定范范圍圍時(shí)時(shí)，系系統(tǒng)統(tǒng)才才能穩(wěn)定能穩(wěn)定。有限調(diào)節(jié)時(shí)間系統(tǒng)有限調(diào)節(jié)時(shí)間系統(tǒng) 實(shí)線表示連續(xù)系統(tǒng)，實(shí)線表示連續(xù)系統(tǒng)，虛線是同一被控對(duì)象虛線是同一被控對(duì)象的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。(5)一個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)時(shí)不變系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間一個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)時(shí)不變系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間通常通常是無(wú)限的。是無(wú)限的。CCS通通過(guò)過(guò)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)卻卻可可以以實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在在有有限限的的采采樣樣間間隔隔內(nèi)內(nèi)(即即有有限限時(shí)時(shí)間間內(nèi)內(nèi))達(dá)達(dá)到到穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系統(tǒng)更好的性能。穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系統(tǒng)更好的性能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中還存在字長(zhǎng)有限的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中還存在字長(zhǎng)有限的問(wèn)題。A/D或或D/A變換器、計(jì)算機(jī)內(nèi)存及運(yùn)算器的字長(zhǎng)有限。變換器、計(jì)算機(jī)內(nèi)存及運(yùn)算器的字長(zhǎng)有限。字長(zhǎng)有限引起的極限環(huán)字長(zhǎng)有限引起的極限環(huán)1.3.2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)(a)連續(xù)域設(shè)計(jì)連續(xù)域設(shè)計(jì)-離散化方法離散化方法 將將CCS看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計(jì)得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計(jì)得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此，采用不同方法將其數(shù)字化計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此，采用不同方法將其數(shù)字化(離散化離散化)。(b)直接數(shù)字域直接數(shù)字域(離散域離散域)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 把把CCS看成是純離散信號(hào)系統(tǒng)，直接在離散域進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到數(shù)字控制器，看成是純離散信號(hào)系統(tǒng)，直接在離散域進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到數(shù)字控制器，并在計(jì)算機(jī)里實(shí)現(xiàn)。并在計(jì)算機(jī)里實(shí)現(xiàn)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法實(shí)際工程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法(a)連續(xù)域設(shè)計(jì)連續(xù)域設(shè)計(jì)-離散化方法離散化方法 將將CCS看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計(jì)得到連續(xù)控制器。由于它要在設(shè)計(jì)得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此，采用不數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此，采用不同方法將其數(shù)字化同方法將其數(shù)字化(離散化離散化)。(b)直接數(shù)字域直接數(shù)字域(離散域離散域)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 把把CCS看成是純離散信號(hào)系統(tǒng)，直接看成是純離散信號(hào)系統(tǒng)，直接在離散域進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到數(shù)字控制在離散域進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到數(shù)字控制器，并在計(jì)算機(jī)里實(shí)現(xiàn)。器，并在計(jì)算機(jī)里實(shí)現(xiàn)。兩種設(shè)計(jì)方法流程兩種設(shè)計(jì)方法流程1.1.4 4 課程內(nèi)容課程內(nèi)容特性變化，需要新的理論特性變化，需要新的理論。頻率特性變化。穩(wěn)定性、可控可觀性等特性可以變化。計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)可能達(dá)到更好的效果。量化誤差可能產(chǎn)生極限環(huán)震蕩。不同編裁內(nèi)容 基礎(chǔ)理論模型、分析與綜合（設(shè)計(jì)）；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（硬件、軟件）；典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；典型應(yīng)用實(shí)例；課程內(nèi)容課程內(nèi)容 采樣理論；采樣理論；經(jīng)典模型、分析、設(shè)計(jì)經(jīng)典模型、分析、設(shè)計(jì)：微分方程差分方程；S傳遞函數(shù)Z傳遞函數(shù)；穩(wěn)定性、控制特性分析；控制器設(shè)計(jì)（間接、直接）；狀態(tài)空間方程狀態(tài)空間方程離散狀態(tài)空間方程；可控可觀性；狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)；CCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。課程內(nèi)容課程內(nèi)容 第1章（概述）2學(xué)時(shí) （組成、分類、必要性等）第2章（信號(hào)采樣恢復(fù)）2學(xué)時(shí) （2.12.5。信號(hào)、采樣、恢復(fù)、整量化、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)）第3章（數(shù)學(xué)描述-經(jīng)典）2學(xué)時(shí) （3.1和3.2提前預(yù)習(xí)，課堂作業(yè)0.5學(xué)時(shí)；3.3和3.4共1.5學(xué)時(shí)）第4章（系統(tǒng)分析-經(jīng)典）8學(xué)時(shí) （4.1、4.2、4.3、4.4；4.6討論課2學(xué)時(shí)）第5章（系統(tǒng)設(shè)計(jì)-經(jīng)典）7學(xué)時(shí) （5.1、5.2、5.5和最小拍）第6章（狀態(tài)空間）4學(xué)時(shí) （3.6、6.1、6.2）；課程總結(jié)及復(fù)習(xí) 1學(xué)時(shí) 專業(yè)基礎(chǔ)課（2 26 6+6 6）考核方式考核方式 1 1平時(shí)成績(jī)（平時(shí)成績(jī)（2525分）：分）：課堂討論課堂討論 5分；分；作業(yè)作業(yè) 5分；分；出勤出勤10分；分；課堂測(cè)驗(yàn)課堂測(cè)驗(yàn)5分分 2 2實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：15分分 3 3課程總結(jié)報(bào)告：課程總結(jié)報(bào)告：10分（手寫，不少于分（手寫，不少于1000字）字）4 4期末考試：期末考試：50分分公共郵箱：公共郵箱： 密碼：密碼：ccs2014ccs2014實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 1 2 2 3 3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型原理結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型原理結(jié)構(gòu)圖 2、CCS的信號(hào)與采樣2.12.1 CCSCCS中的信號(hào)類型中的信號(hào)類型2.22.2 采樣采樣過(guò)程、數(shù)學(xué)描述、采樣定理過(guò)程、數(shù)學(xué)描述、采樣定理2.32.3 信號(hào)信號(hào)恢復(fù)恢復(fù)與重構(gòu)與重構(gòu)2.4 2.4 信號(hào)信號(hào)量化量化2.5 CCS2.5 CCS簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)2.1 控制系統(tǒng)中信號(hào)分類控制系統(tǒng)中信號(hào)分類從時(shí)間上區(qū)分從時(shí)間上區(qū)分 連續(xù)時(shí)間信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)_在任何時(shí)刻都可取值的信號(hào)；離散時(shí)間信號(hào)離散時(shí)間信號(hào)_僅在離散斷續(xù)時(shí)刻出現(xiàn)的信號(hào)。從幅值上區(qū)分從幅值上區(qū)分模擬信號(hào)模擬信號(hào)_信號(hào)幅值可取任意值的信號(hào)。離散信號(hào)離散信號(hào)_信號(hào)幅值具有最小分層單位的模擬量。數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)_信號(hào)幅值用一定位數(shù)的二進(jìn)制編碼形式表示的信號(hào)。連續(xù)系統(tǒng)（連續(xù)模擬信號(hào)）CCS系統(tǒng)（信號(hào)種類多信號(hào)種類多）系統(tǒng)中信號(hào)形式分類系統(tǒng)中信號(hào)形式分類 時(shí)間時(shí)間幅幅值值 連連 續(xù)續(xù) 離離 散散 連連 續(xù)續(xù) 離離 散散 數(shù)字?jǐn)?shù)字 二二進(jìn)進(jìn)制制 A/D變換變換過(guò)程過(guò)程1.采樣采樣采樣器采樣器(S/H)對(duì)模擬輸入信號(hào)，按一定時(shí)間隔對(duì)模擬輸入信號(hào)，按一定時(shí)間隔T（采樣周期）進(jìn)行采樣，（采樣周期）進(jìn)行采樣，變成時(shí)間離散（斷續(xù)）、幅值等于采樣時(shí)刻輸入信號(hào)值的序列信號(hào)。變成時(shí)間離散（斷續(xù)）、幅值等于采樣時(shí)刻輸入信號(hào)值的序列信號(hào)。2.量化量化將采樣時(shí)刻的信號(hào)幅值按最小量化單位取整的過(guò)程。將采樣時(shí)刻的信號(hào)幅值按最小量化單位取整的過(guò)程。3.編碼編碼將整量化的分層信號(hào)變換為二進(jìn)制數(shù)碼形式，用數(shù)字量表示。將整量化的分層信號(hào)變換為二進(jìn)制數(shù)碼形式，用數(shù)字量表示。A/D變換器框圖 各點(diǎn)信號(hào)形式的變化各點(diǎn)信號(hào)形式的變化 D/A變換變換過(guò)程過(guò)程1.解碼器解碼器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為幅值等于該數(shù)字量的模擬脈沖信號(hào)。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為幅值等于該數(shù)字量的模擬脈沖信號(hào)。2.信號(hào)恢復(fù)器信號(hào)恢復(fù)器將解碼后的模擬脈沖信號(hào)變?yōu)殡S時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。將解碼后的模擬脈沖信號(hào)變?yōu)殡S時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)或模擬信號(hào)或模擬信號(hào)_時(shí)間及幅值均連續(xù)的信號(hào)，如點(diǎn)時(shí)間及幅值均連續(xù)的信號(hào)，如點(diǎn)A、H、I。數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)_時(shí)間離散，幅值是二進(jìn)制編碼的信號(hào)，如點(diǎn)時(shí)間離散，幅值是二進(jìn)制編碼的信號(hào)，如點(diǎn)F、D、E。離散信號(hào)離散信號(hào)_時(shí)間離散，幅值具有最小分層單位的模擬量時(shí)間離散，幅值具有最小分層單位的模擬量，如點(diǎn)，如點(diǎn)C、G。采樣信號(hào)采樣信號(hào)_時(shí)間斷續(xù)時(shí)間斷續(xù)，幅值連續(xù)的信號(hào)幅值連續(xù)的信號(hào)，如點(diǎn)，如點(diǎn)B。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)變換計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)變換A/D和和D/A變換中，最重要的是變換中，最重要的是采樣采樣、量化量化和和保持保持(信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù))3個(gè)變換過(guò)程。個(gè)變換過(guò)程。編碼編碼和和解碼解碼僅是信號(hào)形式的改變，其變換過(guò)程可看作無(wú)誤差的等效變換，僅是信號(hào)形式的改變，其變換過(guò)程可看作無(wú)誤差的等效變換，因此在系統(tǒng)的分析中可以略去；因此在系統(tǒng)的分析中可以略去；采樣采樣將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換為離散時(shí)間信號(hào)，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換為離散時(shí)間信號(hào)，保持保持將離散時(shí)間信號(hào)恢復(fù)成連將離散時(shí)間信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)時(shí)間信號(hào)，這是涉及采樣間隔中信號(hào)有無(wú)的問(wèn)題，影響系統(tǒng)的傳遞特性，續(xù)時(shí)間信號(hào)，這是涉及采樣間隔中信號(hào)有無(wú)的問(wèn)題，影響系統(tǒng)的傳遞特性，因而是本質(zhì)問(wèn)題，在系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中是必須要考慮的。因而是本質(zhì)問(wèn)題，在系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中是必須要考慮的。量化量化使信號(hào)產(chǎn)生誤差并影響系統(tǒng)特性。但當(dāng)量化單位使信號(hào)產(chǎn)生誤差并影響系統(tǒng)特性。但當(dāng)量化單位q很小很小(即數(shù)字量字長(zhǎng)即數(shù)字量字長(zhǎng)較長(zhǎng)較長(zhǎng))時(shí)，信號(hào)量化特性影響很小，在系統(tǒng)初步分析和設(shè)計(jì)中可不予考慮。時(shí)，信號(hào)量化特性影響很小，在系統(tǒng)初步分析和設(shè)計(jì)中可不予考慮。2.2.1 采樣過(guò)程的描述采樣過(guò)程的描述采樣周期采樣周期T遠(yuǎn)大于采樣脈沖寬度遠(yuǎn)大于采樣脈沖寬度p，即，即Tp。理想采樣過(guò)程：理想采樣過(guò)程：p 0。即具有瞬時(shí)開(kāi)關(guān)。即具有瞬時(shí)開(kāi)關(guān)功能。功能。理想采樣信號(hào)用理想采樣信號(hào)用f*(t)表示。表示。采樣過(guò)程描述均勻采樣：均勻采樣：整個(gè)采樣過(guò)程中采樣周期不變。整個(gè)采樣過(guò)程中采樣周期不變。非均勻采樣：采樣周期是變化的。非均勻采樣：采樣周期是變化的。隨機(jī)采樣：隨機(jī)采樣：采樣間隔大小隨機(jī)變化。采樣間隔大小隨機(jī)變化。單速率系統(tǒng)：在一個(gè)系統(tǒng)里，各點(diǎn)采樣器的采樣周期均相同。單速率系統(tǒng)：在一個(gè)系統(tǒng)里，各點(diǎn)采樣器的采樣周期均相同。多速率系統(tǒng)：各點(diǎn)采樣器的采樣周期不相同。多速率系統(tǒng)：各點(diǎn)采樣器的采樣周期不相同。2.2 理想理想采樣過(guò)程的采樣過(guò)程的數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)描述描述及特性分析及特性分析采樣周期T（單位s）、采樣頻率fs=1/T、采樣角頻率s=2fs=2/T（rad/s）均勻采樣、非均勻采樣（均勻采樣疊加）、隨機(jī)采樣；2.2.2 理想采樣信號(hào)的理想采樣信號(hào)的時(shí)域描述時(shí)域描述1.理想采樣理想采樣的數(shù)學(xué)描述的數(shù)學(xué)描述 用用 函數(shù)來(lái)描述理想采樣開(kāi)關(guān)，時(shí)域表達(dá)式函數(shù)來(lái)描述理想采樣開(kāi)關(guān)，時(shí)域表達(dá)式 理想采樣開(kāi)關(guān)的數(shù)學(xué)描述 2.理想采樣信號(hào)理想采樣信號(hào)時(shí)域數(shù)學(xué)描述時(shí)域數(shù)學(xué)描述 理想采樣信號(hào)理想采樣信號(hào)f*(t)：連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)f(t)經(jīng)過(guò)一個(gè)理想采樣開(kāi)關(guān)而獲得，是經(jīng)過(guò)一個(gè)理想采樣開(kāi)關(guān)而獲得，是f(t)被單位脈被單位脈沖序列串沖序列串 T調(diào)制的過(guò)程調(diào)制的過(guò)程。f*(t)=f(t)T=f(t)理想采樣信號(hào)理想采樣信號(hào)的數(shù)學(xué)描述的數(shù)學(xué)描述 函數(shù)（脈沖函數(shù)）函數(shù)（脈沖函數(shù)）采樣性質(zhì)（篩選性質(zhì)）函數(shù)和任意連續(xù)有界函數(shù)相乘的積分能篩選出脈沖發(fā)生時(shí)刻的函數(shù)值；2.2.3 理想采樣信號(hào)的理想采樣信號(hào)的復(fù)域描述復(fù)域描述1.理想采樣信號(hào)的拉氏變換理想采樣信號(hào)的拉氏變換 F*(s)（1）已知理想采樣信號(hào)的時(shí)域表示式）已知理想采樣信號(hào)的時(shí)域表示式（2）已知連續(xù)信號(hào)的拉氏變換式）已知連續(xù)信號(hào)的拉氏變換式 F(s)（Z變換的基礎(chǔ)）變換的基礎(chǔ)）傅里葉級(jí)數(shù)：周期函數(shù)2.F*(s)的特性的特性（不做證明）(1)F*(s)是周期函數(shù)，其周期值為是周期函數(shù)，其周期值為j s。(2)假設(shè)假設(shè)F(s)在在ss1處有一極點(diǎn)，那么處有一極點(diǎn)，那么F*(s)必然在必然在s=s1+jm s處具有極點(diǎn)，處具有極點(diǎn)，m1，2，。，。(3)采樣信號(hào)的拉氏變換采樣信號(hào)的拉氏變換與與連續(xù)信號(hào)的拉氏變換的乘積再離散化，則前者連續(xù)信號(hào)的拉氏變換的乘積再離散化，則前者可從離散符號(hào)中提取出來(lái)，即可從離散符號(hào)中提取出來(lái)，即F*(s)描述了采樣信號(hào)的復(fù)域特性。描述了采樣信號(hào)的復(fù)域特性。m1，2，。F(s)及及F*(s)極點(diǎn)分布圖極點(diǎn)分布圖2.2.4 理想采樣信號(hào)的理想采樣信號(hào)的頻域描述頻域描述1.理想采樣信號(hào)的頻譜理想采樣信號(hào)的頻譜s=js 工程近似為：工程近似為：(1)當(dāng)當(dāng)n0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)*(j)F(j)/T，該項(xiàng)稱為采樣信號(hào)的基本頻譜，它，該項(xiàng)稱為采樣信號(hào)的基本頻譜，它正比于原連續(xù)信號(hào)正比于原連續(xù)信號(hào)f(t)的頻譜，僅幅值相差的頻譜，僅幅值相差1/T。(2)當(dāng)當(dāng)n 0時(shí)，派生出以時(shí)，派生出以s為周期的高頻諧波分量，稱為旁帶。每隔為周期的高頻諧波分量，稱為旁帶。每隔1個(gè)個(gè)s，就重復(fù)原連續(xù)頻譜，就重復(fù)原連續(xù)頻譜F(j)/T 1次。次?；绢l譜n=0時(shí)，；高頻頻譜分量n0，產(chǎn)生以s為周期的高頻頻譜分量（旁帶）；頻譜混疊s 2 m 時(shí)，不重疊，s 2m時(shí)，頻譜混疊；2.頻譜混疊頻譜混疊理想采樣信號(hào)頻譜產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象的情況：理想采樣信號(hào)頻譜產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象的情況：(1)當(dāng)連續(xù)信號(hào)的頻譜帶寬是有限時(shí)，當(dāng)連續(xù)信號(hào)的頻譜帶寬是有限時(shí)，m為信號(hào)中的最高頻率，為信號(hào)中的最高頻率，若采樣頻率若采樣頻率 s/2 s/2時(shí)頻率響應(yīng)產(chǎn)生混疊時(shí)頻率響應(yīng)產(chǎn)生混疊2.2.5 采樣定理采樣定理1采樣定理采樣定理 如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)中所含頻率分量的最高頻率為如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)中所含頻率分量的最高頻率為 max，那么就完全，那么就完全可以用周期可以用周期T c時(shí)銳截止；而零階保持器有無(wú)限多個(gè)截止頻率時(shí)銳截止；而零階保持器有無(wú)限多個(gè)截止頻率 cn s(n1，2，)，在，在0 s內(nèi)，幅值隨內(nèi)，幅值隨 增加而衰減。增加而衰減。零階保持器允許采樣信號(hào)的高頻分量通過(guò)，不過(guò)它的幅值是逐漸衰減零階保持器允許采樣信號(hào)的高頻分量通過(guò)，不過(guò)它的幅值是逐漸衰減的。的。相頻特性：零階保持器是一個(gè)相位滯后環(huán)節(jié)，相位滯后的大小與信號(hào)相頻特性：零階保持器是一個(gè)相位滯后環(huán)節(jié)，相位滯后的大小與信號(hào)頻率頻率 及采樣周期及采樣周期T成正比。成正比。零階保持器的頻率特性零階保持器的頻率特性*物理效應(yīng)：物理效應(yīng)：產(chǎn)生高頻擾動(dòng)輸出產(chǎn)生高頻擾動(dòng)輸出*非理想，易非理想，易實(shí)現(xiàn)；允許高頻分量通過(guò)；滯后允許高頻分量通過(guò)；滯后*后置后置濾波器波器 零零階保持器允保持器允許高高頻分量通分量通過(guò)，且自身，且自身產(chǎn)生高生高頻分量（特性、分量（特性、階梯）；梯）；后置后置濾波器：平滑波器：平滑對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的沖行機(jī)構(gòu)的沖擊，引入滯后，引入滯后，不加（噪聲不大、不加（噪聲不大、執(zhí)行機(jī)構(gòu)行機(jī)構(gòu)慣性大）；性大）；q1/2n2.4 信號(hào)的整量化信號(hào)的整量化將一個(gè)模擬量變成二進(jìn)制數(shù)字量時(shí)，二進(jìn)制的位數(shù)設(shè)為將一個(gè)模擬量變成二進(jìn)制數(shù)字量時(shí)，二進(jìn)制的位數(shù)設(shè)為n，則，則n位位二進(jìn)制數(shù)只能表示二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)不同狀態(tài)，最低位所代表的量，稱為量化個(gè)不同狀態(tài)，最低位所代表的量，稱為量化單位單位q。模擬量和有限字長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)之間不是一一對(duì)應(yīng)的，用數(shù)字量表示模擬量和有限字長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)之間不是一一對(duì)應(yīng)的，用數(shù)字量表示模擬量是有誤差的，這種誤差稱為量化誤差。模擬量是有誤差的，這種誤差稱為量化誤差。顯然，增加字長(zhǎng)顯然，增加字長(zhǎng)n可以減小量化單位，從而降低量化誤差。當(dāng)字長(zhǎng)可以減小量化單位，從而降低量化誤差。當(dāng)字長(zhǎng)n很大，則其量化單位很大，則其量化單位q較小，在系統(tǒng)中所引入的量化誤差亦較小，較小，在系統(tǒng)中所引入的量化誤差亦較小，常常可以忽略。常常可以忽略。量化誤差引入隨機(jī)噪聲信號(hào)量化誤差引入隨機(jī)噪聲信號(hào)2.5 CCS簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖重要的環(huán)節(jié)：采樣、量化、保持。（編碼和解碼僅是表現(xiàn)形式的變化，無(wú)誤差的等效變換過(guò)程可略去）采樣與保持過(guò)程：信號(hào)有無(wú)、延遲，影響系統(tǒng)傳遞特性。量化誤差：有影響，較小。作作 業(yè)業(yè) 寫出理想采樣開(kāi)關(guān)、理想采樣信號(hào)的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式。敘述采樣信號(hào)不失真恢復(fù)的三個(gè)基本條件。簡(jiǎn)述前置濾波器和后置濾波器的作用。P450 2-1、2-73、CCS的數(shù)學(xué)描述3.1 離散系統(tǒng)時(shí)域描述離散系統(tǒng)時(shí)域描述差分方程差分方程3.2 z變換變換 3.3 脈沖傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)3.4 離散系統(tǒng)的方塊圖分析離散系統(tǒng)的方塊圖分析 3.5 離散系統(tǒng)的頻域描述離散系統(tǒng)的頻域描述（自學(xué)，基本了解）3.6 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述（第六章講述）3.7 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（不講）課堂測(cè)驗(yàn)3.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義脈沖傳遞函數(shù)的定義 定義：在初始條件為零時(shí)，定義：在初始條件為零時(shí)，離散系統(tǒng)脈沖傳遞離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)函數(shù) 又稱為又稱為z傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)輸出量輸出量z變換變換輸入量輸入量z變換變換輸出的采樣信號(hào)：輸出的采樣信號(hào)：脈沖傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù) 3.3 脈沖傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)*輸出虛設(shè)采樣開(kāi)關(guān)輸出虛設(shè)采樣開(kāi)關(guān)3.3.2 脈沖傳遞函數(shù)特性脈沖傳遞函數(shù)特性1.離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的求取離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的求取 離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)可以看作是系統(tǒng)輸入為單位脈沖時(shí)，其脈沖離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)可以看作是系統(tǒng)輸入為單位脈沖時(shí)，其脈沖響應(yīng)的響應(yīng)的z變換。變換。若已知采樣系統(tǒng)的連續(xù)傳遞函數(shù)若已知采樣系統(tǒng)的連續(xù)傳遞函數(shù)G(s)，當(dāng)其輸出端加入，當(dāng)其輸出端加入虛擬開(kāi)關(guān)變?yōu)殡x散系統(tǒng)時(shí)，其脈沖傳遞函數(shù)可按下述步驟求?。禾摂M開(kāi)關(guān)變?yōu)殡x散系統(tǒng)時(shí)，其脈沖傳遞函數(shù)可按下述步驟求?。海?）對(duì)）對(duì)G(s)做拉氏反變換，求得脈沖響應(yīng)做拉氏反變換，求得脈沖響應(yīng)（2）對(duì)）對(duì) 采樣，求得離散系統(tǒng)脈沖的響應(yīng)為采樣，求得離散系統(tǒng)脈沖的響應(yīng)為（3）對(duì)離散脈沖響應(yīng)做）對(duì)離散脈沖響應(yīng)做z變換，即得系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為變換，即得系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為 幾種脈沖傳遞函數(shù)的表示法均可應(yīng)用幾種脈沖傳遞函數(shù)的表示法均可應(yīng)用 脈沖傳遞函數(shù)完全表征了系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入與輸出之間的特性，脈沖傳遞函數(shù)完全表征了系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入與輸出之間的特性，并且也只由系統(tǒng)或環(huán)節(jié)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。并且也只由系統(tǒng)或環(huán)節(jié)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。2.脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)與零點(diǎn)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)與零點(diǎn)極點(diǎn)極點(diǎn)當(dāng)當(dāng)G(z)是是G(s)由通過(guò)由通過(guò)z變換得到時(shí)，它的極點(diǎn)是變換得到時(shí)，它的極點(diǎn)是G(s)的極點(diǎn)按的極點(diǎn)按z=e-sT的關(guān)的關(guān)系一一映射得到。由此可知，系一一映射得到。由此可知，G(z)的極點(diǎn)位置不僅與的極點(diǎn)位置不僅與G(s)的極點(diǎn)有關(guān)，的極點(diǎn)有關(guān)，還與采樣周期還與采樣周期T密切相關(guān)。當(dāng)采樣周期密切相關(guān)。當(dāng)采樣周期T足夠小時(shí)，足夠小時(shí)，G(s)的極點(diǎn)都將將的極點(diǎn)都將將密集地映射在密集地映射在z=1附近。附近。零點(diǎn)零點(diǎn)G(z)的零點(diǎn)是采樣周期的零點(diǎn)是采樣周期T的復(fù)雜函數(shù)。采樣過(guò)程會(huì)增加額外的零點(diǎn)。的復(fù)雜函數(shù)。采樣過(guò)程會(huì)增加額外的零點(diǎn)。若連續(xù)系統(tǒng)若連續(xù)系統(tǒng)G(s)沒(méi)有不穩(wěn)定的零點(diǎn)，且極點(diǎn)數(shù)與零點(diǎn)數(shù)之差大于沒(méi)有不穩(wěn)定的零點(diǎn)，且極點(diǎn)數(shù)與零點(diǎn)數(shù)之差大于2，當(dāng)采樣周期較小時(shí)，當(dāng)采樣周期較小時(shí)，G(z)總會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的零點(diǎn)，變成非最小相位系總會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的零點(diǎn)，變成非最小相位系統(tǒng)。統(tǒng)。有不穩(wěn)定零點(diǎn)的連續(xù)系統(tǒng)有不穩(wěn)定零點(diǎn)的連續(xù)系統(tǒng)G(s)，只要采樣周期取得合適，離散后也可，只要采樣周期取得合適，離散后也可得到?jīng)]有不穩(wěn)定零點(diǎn)的得到?jīng)]有不穩(wěn)定零點(diǎn)的G(z)。3.3.3 差分方程與脈沖傳遞函數(shù)差分方程與脈沖傳遞函數(shù)1.由差分方程求脈沖傳遞函數(shù)由差分方程求脈沖傳遞函數(shù)已知差分方程已知差分方程，設(shè)初始條件為零。，設(shè)初始條件為零。兩端進(jìn)行兩端進(jìn)行z變換變換 脈沖傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式 系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出 2.由脈沖傳遞函數(shù)求差分方程由脈沖傳遞函數(shù)求差分方程 z反變換反變換 z反變換反變換 3.4.1 環(huán)節(jié)連接的等效變換環(huán)節(jié)連接的等效變換1.采樣系統(tǒng)中連續(xù)部分的結(jié)構(gòu)形式采樣系統(tǒng)中連續(xù)部分的結(jié)構(gòu)形式并不是所有結(jié)構(gòu)都能寫出環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)并不是所有結(jié)構(gòu)都能寫出環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù) 3.4 離散系統(tǒng)的方塊圖分析離散系統(tǒng)的方塊圖分析 2.串聯(lián)環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)串聯(lián)環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)3.并聯(lián)環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)并聯(lián)環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)根據(jù)疊加定理有：根據(jù)疊加定理有：3.4.2 閉環(huán)反饋系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)閉環(huán)反饋系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)采樣控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)采樣控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)E(z)=R(z)-B(z)B(z)=G2G3H(z)U(z)E(z)=R(z)-G2G3H(z)U(z)U(z)=G1(z)E(z)E(z)=R(z)/1+G1(z)G2G3H(z)一般系統(tǒng)輸出一般系統(tǒng)輸出z變換可按以下公式直接給出：變換可按以下公式直接給出：C(z)=G2G3(z)U(z)C(z)=G2G3(z)G1(z)E(z)3.4.3 CCS閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)1.數(shù)字部分的脈沖傳遞函數(shù)數(shù)字部分的脈沖傳遞函數(shù)控制算法，通常有以下兩種形式：控制算法，通常有以下兩種形式：差分方程差分方程 脈沖傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)D(z)連續(xù)傳遞函數(shù)連續(xù)傳遞函數(shù) 脈沖傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)D(z)(z變換法變換法)(第第5章的離散法章的離散法)2.連續(xù)部分的脈沖傳遞函數(shù)連續(xù)部分的脈沖傳遞函數(shù)計(jì)算機(jī)輸出的控制指令計(jì)算機(jī)輸出的控制指令u*(t)是經(jīng)過(guò)零階保持器加到系統(tǒng)的是經(jīng)過(guò)零階保持器加到系統(tǒng)的被控對(duì)象上的，因此系統(tǒng)的連續(xù)部分由零階保持器和被控被控對(duì)象上的，因此系統(tǒng)的連續(xù)部分由零階保持器和被控對(duì)象組成。對(duì)象組成。被控對(duì)象傳被控對(duì)象傳遞函數(shù)遞函數(shù) 圖圖3-11 連續(xù)部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連續(xù)部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.閉環(huán)傳遞函數(shù)的求取閉環(huán)傳遞函數(shù)的求取 例例：求下圖所示計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，已知求下圖所示計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，已知T=1秒。秒。解：解：T=1s3.4.4 干擾作用時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的輸出干擾作用時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的輸出根據(jù)線性系統(tǒng)疊加定理，可分別計(jì)算指令信號(hào)和干擾信號(hào)根據(jù)線性系統(tǒng)疊加定理，可分別計(jì)算指令信號(hào)和干擾信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)。作用下的輸出響應(yīng)。有干擾時(shí)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有干擾時(shí)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)R(s)單獨(dú)作用時(shí)的單獨(dú)作用時(shí)的系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出N(s)=0干擾單獨(dú)作用時(shí)的干擾單獨(dú)作用時(shí)的系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出 R(s)=0共同作用時(shí)共同作用時(shí)的系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)輸出第3章 內(nèi)容結(jié)束！3.1.1 差分的定義差分的定義連續(xù)函數(shù)連續(xù)函數(shù) ，采樣后為，采樣后為 簡(jiǎn)寫簡(jiǎn)寫一階向前差分：一階向前差分：二階向前差分：二階向前差分：n階向前差分：階向前差分：一階向后差分：一階向后差分：二階向后差分：二階向后差分：n階向后差分：階向后差分：3.1 離散系統(tǒng)的時(shí)域描述離散系統(tǒng)的時(shí)域描述差分方程差分方程3.1.2 差分方程差分方程差分方程是時(shí)間序列的方程差分方程是時(shí)間序列的方程 連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)微分用差分代替微分用差分代替 一般離散系統(tǒng)的差分方程：一般離散系統(tǒng)的差分方程：差分方程還可用向后差分表示為：差分方程還可用向后差分表示為：代替代替代替代替（線性常系數(shù)（線性常系數(shù)差分方程差分方程）3.1.3 差分方程差分方程（迭代）（迭代）求解求解差分方程的解也分為通解與特解。差分方程的解也分為通解與特解。通解是與方程初始狀態(tài)有關(guān)的解。通解是與方程初始狀態(tài)有關(guān)的解。特解與外部輸入有關(guān)，它描述系統(tǒng)在外部輸入作用下的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)。特解與外部輸入有關(guān)，它描述系統(tǒng)在外部輸入作用下的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)。例例3-1 已知差分方程已知差分方程，試試求求解：采用解：采用遞推迭代法遞推迭代法，有：，有：說(shuō)明：另一個(gè)求解方法是利用說(shuō)明：另一個(gè)求解方法是利用z變換求解。變換求解。（通式困難；計(jì)算機(jī)有限項(xiàng)）（通式困難；計(jì)算機(jī)有限項(xiàng)）3.2.1 Z變換定義變換定義1.z變換變換采樣信號(hào)采樣信號(hào) 采樣信號(hào)的采樣信號(hào)的z變換變換注意：注意：z變換中，變換中，z-1代表信號(hào)滯后一個(gè)采樣周期，可稱為單位延遲因子。代表信號(hào)滯后一個(gè)采樣周期，可稱為單位延遲因子。3.2 Z變換變換特殊的拉氏變換特殊的拉氏變換（超越函數(shù)；冪級(jí)數(shù)）采樣脈沖序列進(jìn)行采樣脈沖序列進(jìn)行z變換的寫法變換的寫法在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)控制工程中多數(shù)信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)控制工程中多數(shù)信號(hào)，z變換所表示的無(wú)窮級(jí)數(shù)是收斂的，變換所表示的無(wú)窮級(jí)數(shù)是收斂的，并可寫成閉和形式。并可寫成閉和形式。z的有理分式：的有理分式：z-1的有理分式的有理分式:零、極點(diǎn)形式：零、極點(diǎn)形式：表達(dá)式形式（表達(dá)式形式（實(shí)際中，有理分式）1）級(jí)數(shù)求和法）級(jí)數(shù)求和法步驟：步驟：i)代入采樣信號(hào)的定義式；代入采樣信號(hào)的定義式；ii)求出相應(yīng)的求出相應(yīng)的F（z）的級(jí)數(shù)展開(kāi)式；）的級(jí)數(shù)展開(kāi)式；iii)找出收斂條件，寫出閉公式。找出收斂條件，寫出閉公式。2）部分分式展開(kāi)法）部分分式展開(kāi)法（常用。查表查表）步驟：步驟：i)將將F（s）展開(kāi)成簡(jiǎn)單分式；）展開(kāi)成簡(jiǎn)單分式；（f(t)時(shí)）時(shí)）ii)利用利用F（s）與）與F（z）的對(duì)應(yīng)關(guān)系查表。）的對(duì)應(yīng)關(guān)系查表。3）留數(shù)法）留數(shù)法（不記）步驟：直接利用公式：步驟：直接利用公式：2 2 求求Z Z變換的方法變換的方法（對(duì)f(t)或F(s)）1）級(jí)數(shù)求和法）級(jí)數(shù)求和法步驟：步驟：i)代入采樣信號(hào)的定義式；代入采樣信號(hào)的定義式；ii)求出相應(yīng)的求出相應(yīng)的F（z）的級(jí)數(shù)展開(kāi)式；）的級(jí)數(shù)展開(kāi)式；iii)找出收斂條件，寫出閉公式。找出收斂條件，寫出閉公式。當(dāng)?shù)缺燃?jí)數(shù)的公比當(dāng)?shù)缺燃?jí)數(shù)的公比例例例例求求 F(z)表中查不到，部分分式分解：表中查不到，部分分式分解：求系數(shù)方法：求系數(shù)方法：解方程組。解方程組。得到得到查表，得到：查表，得到：說(shuō)明：說(shuō)明：極點(diǎn)按極點(diǎn)按 對(duì)應(yīng)；對(duì)應(yīng)；T。零點(diǎn)零點(diǎn) 無(wú)對(duì)應(yīng)；無(wú)對(duì)應(yīng)；個(gè)數(shù)一般多于個(gè)數(shù)一般多于F(s)。2）部分分式展開(kāi)法）部分分式展開(kāi)法（常用）步驟：步驟：i)將將F（s）展開(kāi)成簡(jiǎn)單分式；）展開(kāi)成簡(jiǎn)單分式；ii)利用利用F（s）與）與F（z）的對(duì)應(yīng)關(guān)系查表。）的對(duì)應(yīng)關(guān)系查表。2）右位移（延遲）定理）右位移（延遲）定理3）左位移（超前）定理）左位移（超前）定理4）位移定理）位移定理3 3 Z Z變換的基本定理變換的基本定理1）線性定理）線性定理5）初值定理）初值定理6）終值定理）終值定理*條件：系統(tǒng)穩(wěn)定條件：系統(tǒng)穩(wěn)定 假定函數(shù)假定函數(shù)全部極點(diǎn)均在全部極點(diǎn)均在z平面的平面的單單位位圓圓內(nèi)內(nèi)或最多有一個(gè)極點(diǎn)或最多有一個(gè)極點(diǎn) 在在z=1處處，則則 建立在理想采樣基礎(chǔ)上（建立在理想采樣基礎(chǔ)上（）；）；只反映采樣時(shí)刻的信息；只反映采樣時(shí)刻的信息；系統(tǒng)為零初始輸出。系統(tǒng)為零初始輸出。*G（s）中分母比分子高兩個(gè)階次時(shí)，可保證輸出有零初值。）中分母比分子高兩個(gè)階次時(shí)，可保證輸出有零初值。Z Z變換應(yīng)注意問(wèn)題變換應(yīng)注意問(wèn)題Z反變換只反映了采樣時(shí)刻的信息。反變換只反映了采樣時(shí)刻的信息。1）求法）求法冪級(jí)數(shù)展開(kāi)法（長(zhǎng)除法）冪級(jí)數(shù)展開(kāi)法（長(zhǎng)除法）留數(shù)法留數(shù)法部分分式展開(kāi)法（查表法）部分分式展開(kāi)法（查表法）對(duì)對(duì)F(z)/z進(jìn)行求解（分子中通常含進(jìn)行求解（分子中通常含z）。查表。查表。f(t)f(kT)f(k)i）無(wú)重根：）無(wú)重根：ii）有重根：）有重根：4 4 Z Z反變換反變換 （F(z)f(t)）（）例例1 長(zhǎng)除法長(zhǎng)除法，求求 難于得到通式；計(jì)算機(jī)便于實(shí)現(xiàn)。難于得到通式；計(jì)算機(jī)便于實(shí)現(xiàn)。）例例2 部分分式展開(kāi)法部分分式展開(kāi)法，求求（方程組求系數(shù)）（方程組求系數(shù)）3.2.4 差分方程差分方程 z變換解法變換解法例例3-11 用用z變換法求差分方程變換法求差分方程 利用利用z變換求解線性常系數(shù)差分方程，將差分方程的求解轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程的求解變換求解線性常系數(shù)差分方程，將差分方程的求解轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程的求解c(k+2)-3c(k+1)+2c(k)=4k解：解：(1)對(duì)每一項(xiàng)做對(duì)每一項(xiàng)做z變換變換(2)歸納整理歸納整理 特解特解 通解通解 (3)z反變換反變換 查表得查表得 部分分式展開(kāi)部分分式展開(kāi) 假設(shè)初始條件為零，上式第假設(shè)初始條件為零，上式第2項(xiàng)為零項(xiàng)為零 例：例：3.5.1 離散系統(tǒng)頻率特性定義離散系統(tǒng)頻率特性定義在離散系統(tǒng)中，一個(gè)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性是指，在正弦在離散系統(tǒng)中，一個(gè)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性是指，在正弦信號(hào)作用下，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸出與輸入的復(fù)數(shù)比隨輸信號(hào)作用下，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸出與輸入的復(fù)數(shù)比隨輸入正弦信號(hào)頻率變化的特性。入正弦信號(hào)頻率變化的特性。頻率特性定義：頻率特性定義：離散系統(tǒng)的頻率特性離散系統(tǒng)的頻率特性3.5 離散系統(tǒng)的頻域描述離散系統(tǒng)的頻域描述3.5.2 離散系統(tǒng)頻率特性的計(jì)算離散系統(tǒng)頻率特性的計(jì)算離散系統(tǒng)頻率特性的指數(shù)形式離散系統(tǒng)頻率特性的指數(shù)形式 幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性1.數(shù)值計(jì)算法數(shù)值計(jì)算法按按 表達(dá)式逐點(diǎn)計(jì)算它的幅相頻率特性。表達(dá)式逐點(diǎn)計(jì)算它的幅相頻率特性。連續(xù)系統(tǒng)：連續(xù)系統(tǒng)：離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)：例例 例例 的幅頻和相頻特性曲線的幅頻和相頻特性曲線3.5.3 離散系統(tǒng)頻率特性的特點(diǎn)離散系統(tǒng)頻率特性的特點(diǎn)1.特點(diǎn)特點(diǎn) (1)周期性：周期為周期性：周期為 (2)幅頻特性為幅頻特性為 的偶對(duì)稱的偶對(duì)稱 (3)相頻特性為相頻特性為 的奇對(duì)稱的奇對(duì)稱說(shuō)明：說(shuō)明：由于離散環(huán)節(jié)由于離散環(huán)節(jié) 頻率特性不是頻率特性不是 的有理分式函數(shù)，的有理分式函數(shù)，在繪制對(duì)數(shù)頻率特性時(shí)，不能像連續(xù)系統(tǒng)那樣使用漸近對(duì)數(shù)頻率特性。在繪制對(duì)數(shù)頻率特性時(shí)，不能像連續(xù)系統(tǒng)那樣使用漸近對(duì)數(shù)頻率特性。2.應(yīng)注意問(wèn)題應(yīng)注意問(wèn)題(1)離散環(huán)節(jié)頻率特性不是離散環(huán)節(jié)頻率特性不是 的有理分式函數(shù)，在繪制對(duì)數(shù)頻的有理分式函數(shù)，在繪制對(duì)數(shù)頻率特性時(shí)，不能像連續(xù)系統(tǒng)那樣使用漸近對(duì)數(shù)頻率特性。率特性時(shí)，不能像連續(xù)系統(tǒng)那樣使用漸近對(duì)數(shù)頻率特性。但由于對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)能壓縮頻率區(qū)間、簡(jiǎn)化運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)，離但由于對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)能壓縮頻率區(qū)間、簡(jiǎn)化運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)，離散系統(tǒng)頻域分析中仍常用對(duì)數(shù)頻率特性。散系統(tǒng)頻域分析中仍常用對(duì)數(shù)頻率特性。(2)離散環(huán)節(jié)頻率特性形狀與連續(xù)系統(tǒng)頻率特性形狀有較大差離散環(huán)節(jié)頻率特性形狀與連續(xù)系統(tǒng)頻率特性形狀有較大差別，特別是當(dāng)采樣周期較大以及頻率較高時(shí)，由于混疊，別，特別是當(dāng)采樣周期較大以及頻率較高時(shí)，由于混疊，使頻率特性形狀有較大變化，主要表現(xiàn)有使頻率特性形狀有較大變化，主要表現(xiàn)有:高頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值；高頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值；可能出現(xiàn)正相位；可能出現(xiàn)正相位；僅在較小的采樣周期或低頻段與連續(xù)系統(tǒng)頻率特性相接近。僅在較小的采樣周期或低頻段與連續(xù)系統(tǒng)頻率特性相接近。作作 業(yè)業(yè) P453：題3-10的的(c)和和(f)；題3-11；