《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 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?？梢院雎?。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(xiě)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、2-7