《計算機控制系統(tǒng)》全套PPT課件

《計算機控制系統(tǒng)》全套PPT課件,計算機控制系統(tǒng),計算機,控制系統(tǒng),全套,PPT,課件 2、CCS的信號與采樣2.12.1 CCSCCS中的信號類型中的信號類型2.22.2 采樣采樣過程、數(shù)學(xué)描述、采樣定理過程、數(shù)學(xué)描述、采樣定理2.32.3 信號信號恢復(fù)恢復(fù)與重構(gòu)與重構(gòu)2.4 2.4 信號信號量化量化2.5 CCS2.5 CCS簡化結(jié)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)2.1 控制系統(tǒng)中信號分類控制系統(tǒng)中信號分類從時間上區(qū)分從時間上區(qū)分 連續(xù)時間信號連續(xù)時間信號_在任何時刻都可取值的信號；離散時間信號離散時間信號_僅在離散斷續(xù)時刻出現(xiàn)的信號。從幅值上區(qū)分從幅值上區(qū)分模擬信號模擬信號_信號幅值可取任意值的信號。離散信號離散信號_信號幅值具有最小分層單位的模擬量。數(shù)字信號數(shù)字信號_信號幅值用一定位數(shù)的二進制編碼形式表示的信號。連續(xù)系統(tǒng)（連續(xù)模擬信號）CCS系統(tǒng)（信號種類多信號種類多）系統(tǒng)中信號形式分類系統(tǒng)中信號形式分類 時間時間幅幅值值 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 二二進進制制 A/D變換變換過程過程1.采樣采樣采樣器采樣器(S/H)對模擬輸入信號，按一定時間隔對模擬輸入信號，按一定時間隔T（采樣周期）進行采樣，（采樣周期）進行采樣，變成時間離散（斷續(xù)）、幅值等于采樣時刻輸入信號值的序列信號。變成時間離散（斷續(xù)）、幅值等于采樣時刻輸入信號值的序列信號。2.量化量化將采樣時刻的信號幅值按最小量化單位取整的過程。將采樣時刻的信號幅值按最小量化單位取整的過程。3.編碼編碼將整量化的分層信號變換為二進制數(shù)碼形式，用數(shù)字量表示。將整量化的分層信號變換為二進制數(shù)碼形式，用數(shù)字量表示。A/D變換器框圖 各點信號形式的變化各點信號形式的變化 D/A變換變換過程過程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。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。2.信號恢復(fù)器信號恢復(fù)器將解碼后的模擬脈沖信號變?yōu)殡S時間連續(xù)變化的信號。將解碼后的模擬脈沖信號變?yōu)殡S時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)信號連續(xù)信號或模擬信號或模擬信號_時間及幅值均連續(xù)的信號，如點時間及幅值均連續(xù)的信號，如點A、H、I。數(shù)字信號數(shù)字信號_時間離散，幅值是二進制編碼的信號，如點時間離散，幅值是二進制編碼的信號，如點F、D、E。離散信號離散信號_時間離散，幅值具有最小分層單位的模擬量時間離散，幅值具有最小分層單位的模擬量，如點，如點C、G。采樣信號采樣信號_時間斷續(xù)時間斷續(xù)，幅值連續(xù)的信號幅值連續(xù)的信號，如點，如點B。計算機控制系統(tǒng)中信號變換計算機控制系統(tǒng)中信號變換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(信號恢復(fù)信號恢復(fù))3個變換過程。個變換過程。編碼編碼和和解碼解碼僅是信號形式的改變，其變換過程可看作無誤差的等效變換，僅是信號形式的改變，其變換過程可看作無誤差的等效變換，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)時間信號變換為離散時間信號，將連續(xù)時間信號變換為離散時間信號，保持保持將離散時間信號恢復(fù)成連將離散時間信號恢復(fù)成連續(xù)時間信號，這是涉及采樣間隔中信號有無的問題，影響系統(tǒng)的傳遞特性，續(xù)時間信號，這是涉及采樣間隔中信號有無的問題，影響系統(tǒng)的傳遞特性，因而是本質(zhì)問題，在系統(tǒng)的分析和設(shè)計中是必須要考慮的。因而是本質(zhì)問題，在系統(tǒng)的分析和設(shè)計中是必須要考慮的。量化量化使信號產(chǎn)生誤差并影響系統(tǒng)特性。但當(dāng)量化單位使信號產(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)字量字長即數(shù)字量字長較長較長)時，信號量化特性影響很小，在系統(tǒng)初步分析和設(shè)計中可不予考慮。時，信號量化特性影響很小，在系統(tǒng)初步分析和設(shè)計中可不予考慮。2.2.1 采樣過程的描述采樣過程的描述采樣周期采樣周期T遠大于采樣脈沖寬度遠大于采樣脈沖寬度p，即，即Tp。理想采樣過程：理想采樣過程：p 0。即具有瞬時開關(guān)。即具有瞬時開關(guān)功能。功能。理想采樣信號用理想采樣信號用f*(t)表示。表示。采樣過程描述均勻采樣：均勻采樣：整個采樣過程中采樣周期不變。整個采樣過程中采樣周期不變。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。隨機采樣：隨機采樣：采樣間隔大小隨機變化。采樣間隔大小隨機變化。單速率系統(tǒng)：在一個系統(tǒng)里，各點采樣器的采樣周期均相同。單速率系統(tǒng)：在一個系統(tǒng)里，各點采樣器的采樣周期均相同。多速率系統(tǒng)：各點采樣器的采樣周期不相同。多速率系統(tǒng)：各點采樣器的采樣周期不相同。2.2 理想理想采樣過程的采樣過程的數(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）、隨機采樣；2.2.2 理想采樣信號的理想采樣信號的時域描述時域描述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)來描述理想采樣開關(guān)，時域表達式函數(shù)來描述理想采樣開關(guān)，時域表達式 理想采樣開關(guān)的數(shù)學(xué)描述 2.理想采樣信號理想采樣信號時域數(shù)學(xué)描述時域數(shù)學(xué)描述 理想采樣信號理想采樣信號f*(t)：連續(xù)信號連續(xù)信號f(t)經(jīng)過一個理想采樣開關(guān)而獲得，是經(jīng)過一個理想采樣開關(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)制的過程調(diào)制的過程。f*(t)=f(t)T=f(t)理想采樣信號理想采樣信號的數(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)生時刻的函數(shù)值；2.2.3 理想采樣信號的理想采樣信號的復(fù)域描述復(fù)域描述1.理想采樣信號的拉氏變換理想采樣信號的拉氏變換 F*(s)（1）已知理想采樣信號的時域表示式）已知理想采樣信號的時域表示式（2）已知連續(xù)信號的拉氏變換式）已知連續(xù)信號的拉氏變換式 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，那么處有一極點，那么F*(s)必然在必然在s=s1+jm s處具有極點，處具有極點，m1，2，。，。(3)采樣信號的拉氏變換采樣信號的拉氏變換與與連續(xù)信號的拉氏變換的乘積再離散化，則前者連續(xù)信號的拉氏變換的乘積再離散化，則前者可從離散符號中提取出來，即可從離散符號中提取出來，即F*(s)描述了采樣信號的復(fù)域特性。描述了采樣信號的復(fù)域特性。m1，2，。F(s)及及F*(s)極點分布圖極點分布圖2.2.4 理想采樣信號的理想采樣信號的頻域描述頻域描述1.理想采樣信號的頻譜理想采樣信號的頻譜s=js 工程近似為：工程近似為：(1)當(dāng)當(dāng)n0時，時，F(xiàn)*(j)F(j)/T，該項稱為采樣信號的基本頻譜，它，該項稱為采樣信號的基本頻譜，它正比于原連續(xù)信號正比于原連續(xù)信號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，派生出以時，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個個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，；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，不重疊，s 2m時，頻譜混疊；2.頻譜混疊頻譜混疊理想采樣信號頻譜產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象的情況：理想采樣信號頻譜產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象的情況：(1)當(dāng)連續(xù)信號的頻譜帶寬是有限時，當(dāng)連續(xù)信號的頻譜帶寬是有限時，m為信號中的最高頻率，為信號中的最高頻率，若采樣頻率若采樣頻率 s/2 s/2時頻率響應(yīng)產(chǎn)生混疊時頻率響應(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 如果一個連續(xù)信號中所含頻率分量的最高頻率為如果一個連續(xù)信號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時銳截止；而零階保持器有無限多個截止頻率時銳截止；而零階保持器有無限多個截止頻率 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的高頻分量通過，不過它的幅值是逐漸衰減零階保持器允許采樣信號的高頻分量通過，不過它的幅值是逐漸衰減的。的。相頻特性：零階保持器是一個相位滯后環(huán)節(jié)，相位滯后的大小與信號相頻特性：零階保持器是一個相位滯后環(huán)節(jié)，相位滯后的大小與信號頻率頻率 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)生高頻擾動輸出產(chǎn)生高頻擾動輸出*非理想，易非理想，易實現(xiàn)；允許高頻分量通過；滯后允許高頻分量通過；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，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：平滑對執(zhí)行機構(gòu)的沖行機構(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)行機構(gòu)行機構(gòu)慣性大）；性大）；q1/2n2.4 信號的整量化信號的整量化將一個模擬量變成二進制數(shù)字量時，二進制的位數(shù)設(shè)為將一個模擬量變成二進制數(shù)字量時，二進制的位數(shù)設(shè)為n，則，則n位位二進制數(shù)只能表示二進制數(shù)只能表示2n個不同狀態(tài)，最低位所代表的量，稱為量化個不同狀態(tài)，最低位所代表的量，稱為量化單位單位q。模擬量和有限字長二進制數(shù)之間不是一一對應(yīng)的，用數(shù)字量表示模擬量和有限字長二進制數(shù)之間不是一一對應(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，增加字長顯然，增加字長n可以減小量化單位，從而降低量化誤差。當(dāng)字長可以減小量化單位，從而降低量化誤差。當(dāng)字長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。量化誤差引入隨機噪聲信號量化誤差引入隨機噪聲信號2.5 CCS簡化結(jié)構(gòu)圖簡化結(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，無誤差的等效變換過程可略去）采樣與保持過程：信號有無、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) 寫出理想采樣開關(guān)、理想采樣信號的時域數(shù)學(xué)表達式。敘述采樣信號不失真恢復(fù)的三個基本條件。簡述前置濾波器和后置濾波器的作用。P450 2-1、2-7