线性离散系统ppt课件.ppt
《线性离散系统ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《线性离散系统ppt课件.ppt(89页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、8.1 概述,1. 离散控制系统的特点,2. 离散控制系统的定义,8.1 概述,1. 离散控制系统的特点,A/D:经采样、量化、编码转换把模拟信号变成数字信号。,D/A:经保持、解码(信号恢复)将数字信号转化成模拟信号。,数字控制系统是一种以数字计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象的闭环控制系统。,8.1 概述,1. 离散控制系统的特点,(a) 连续信号,图 8.2 A/D转换过程,(c) 数字信号,(b) 离散信号,A/D转换过程是A/D转换器每隔一个采样周期对输入的连续信号采样一次,使其变为离散时间信号,再通过量化变成以(二进制表示的)数字信号。通常,采用采样周期为常数即等速(单
2、速)采样的采样方式。,8.1 概述,1. 离散控制系统的特点,(b) 连续信号,图 8.3 D/A转换过程,(a) 数字信号,D/A转换过程是将数字信号恢复成连续信号。,8.1 概述,数字控制系统的典型结构图,图 8.4 与图 8.1 等效的离散系统结构图,r(t),e(t),b(t),c(t),uk(t),e*(t),u(t),u*(t),T,T,离散控制系统的特点:从信号上看存在离散时间信号(离散信号、采样信号、脉冲序列或数字序列);从元件上看有采样开关与信号恢复器。,Gc(s) 数字控制器的等效传递函数,Gh(s) 信号恢复器的传递函数,Gp(s) 被控对象的传递函数,H(s) 测量元件
3、的传递函数,8.1 概述,2. 离散控制系统的定义,离散控制系统的定义:当系统中某处或多处的信号为在时间上离散的脉冲序列或数码形式时,这种系统称为离散控制系统或离散时间控制系统。,8.2 信号采样与恢复,1. 信号采样,2. 采样定理,3. 信号恢复,8.2 信号采样与恢复,1. 信号采样,采样过程:通过采样开关将连续信号变为离散信号(采样信号)的过程。,输入连续信号,输出离散信号,x(t),t,0,T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,采样后,T 采样周期,t,0,x*(t),T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,8.2 信号采样与恢复,1. 信号采样,离散信号x*(t)为一理想脉冲序列
4、,脉冲仅在采样时刻t=nT(n=0,1,2)出现,而脉冲强度由nT时刻的连续函数x (nT)值来确定。,在数字式仪表或计算机中,离散信号x*(t)为一数字序列,而数字序列可以看作是以数字表示其幅值的脉冲序列,它与上述脉冲序列并没有本质区别。,数学描述:,10,8.2 信号采样与恢复,2. 采样定理,香农(Shannon)采样定理:如果采样器的输入信号x(t)具有有限带宽,并且有直到max的频率分量,如果采样频率满足,则采样信号x*(t)可以完全复现连续信号x(t)。其中,s为采样频率,T为采样周期,max为连续信号中最高次谐波的角频率。,采样定理是从离散信号完全复现原连续信号的必要条件。该定理
5、给出了信号采样的最小采样频率。,8.2 信号采样与恢复,2. 采样定理,采样周期的选择:,工程实践表明,根据表8.1给出的参考数据选择采样周期T,可以取得满意的控制效果。,表 8.1 采样周期的T参考数据,8.2 信号采样与恢复,2. 采样定理,采样周期的选择:,根据工程实践经验,随动系统的采样频率可近似取为,即采样周期可按下式选取为,通过单位阶跃响应的上升时间tr或调节时间ts,按下列经验公式选取:,或者,13,信号的恢复是指将采样信号恢复为连续信号的过程,能够实现这一过程的装置称为保持器。 保持器是具有外推功能的元件,保持器的外推作用,表现为现在时刻的输出信号取决于过去时刻离散 信号的外推
6、。,8.2 信号采样与恢复,3. 信号恢复,时,,3. 信号恢复,工程实践中普遍采用零阶保持器。,零阶保持器:将离散信号转换成在两个连续采样时刻之间保持常量的信号。,常值外推,x(nT+)=x(nT),(0T),8.2 信号采样与恢复,3. 信号恢复, T取得越小,xh(t)与x(t)的差别越小;, 相位滞后,xh(t)比x(t)平均滞后半个采样周期;, 时域特性(单位脉冲响应)为 gh(t)=1(t)-1(t-T);, 零阶保持器的传递函数为,8.3 Z变换与Z反变换,1. Z变换的定义,2. Z变换的基本定理,3. 求Z变换,4. 求Z反变换,8.3 Z变换与Z反变换,1. Z变换的定义,
7、离散信号x*(t)表示为,作拉氏变换可得,令z=eTs,则得离散信号x*(t)的Z变换,并记为,Z变换的定义:上式中的X(z)称为x*(t)的Z变换。, Z变换是对离散信号(采样脉冲序列)进行的一种变换;, z=eTs, z是一个复变量;, X(z)=Zx*(t)=Zx(t) ,同一信号不同表示形式对应的脉冲序列的Z变换。,8.3 Z变换与Z反变换,2. Z变换的基本定理,设x1(z)=Zx1(t),x2(z)=Zx2(t),x (z)=Zx(t)。,在Z变换中有一些与拉氏变换类似的基本定理,应用这些定理可使Z变换的运算变得简单方便。,1) 线性定理:离散信号线性组合的Z变换等于它们的Z变换的
8、线性组合。,2) 滞后定理(负偏移定理、右偏移定理),上式表明时域信号滞后k个采样周期,其Z变换需乘以z-k。,式中a1、a2为常数。,8.3 Z变换与Z反变换,2. Z变换的基本定理,4) (复数)位移定理,5) 初值定理,如果,存在,那么,6) 终值定理:如果(z-1)X(z)在z平面的单位圆上和单位圆外均无极点,那么x(t)的终值为,3) 超前定理(正偏移定理、左偏移定理),式中a为常数。,8.3 Z变换与Z反变换,3.求Z变换,1) 级数求和法,一种直接从Z变换的定义出发的Z变换方法。,Z变换的定义式,例 8.1 求单位阶跃函数x(t)=1(t)的Z变换。,x(t)=1(t),x(nT
9、)=1 (n=0,1,2,3, ),X(z)=1+z-1+z-2+z-n+,若|z|1,上式的无穷级数是收敛的,那么可得,利用Z变换的定义式及Z变换的基本定理,得到常用函数的Z变换表,如附录1所示。,解,8.3 Z变换与Z反变换,3.求Z变换,2) 部分分式法,当给定连续函数x(t)的拉氏变换X(s)时,欲求其Z变换,则先将拉氏变换式X(s)进行部分分式分解,然后查Z变换表,求得其对应的Z变换X(z)。,例 8.5 已知函数X(s)=a/s(s+a),求对应的Z变换X(z)。,解 将X(s)表示为部分分式之和,对应的Z变换为,8.3 Z变换与Z反变换,3.求Z变换,3) 留数法,已知连续函数x
10、(t)的拉氏变换X(s)及其极点si(i=1,2, ,n)时,则x(t)的Z变换X(z)可通过留数计算式求得。,式中,ri为重极点si的个数;n为彼此不等的极点个数。,8.3 Z变换与Z反变换,3.求Z变换,例 8.8 连续函数x(t)的拉氏变换为,求对应的Z变换X(z)。,解,8.3 Z变换与Z反变换,4. 求Z反变换,1) 幂级数(展开)法长除法,已知象函数X(z),求原函数x*(t)(离散信号、离散时间信号)的运算,称为Z反变换,记为Z-1X(z)=x*(t)。,设象函数X(z)是z的有理函数,将X(z)的分子和分母都写成z-1的升幂形式,则可以直接用分母去除分子,得到无穷幂级数的展开式
11、,对应的离散信号x*(t) 为,8.3 Z变换与Z反变换,4. 求Z反变换,例 8.10 已知象函数,试求其Z反变换。,解 将X(z)的分子和分母都写成z-1的升幂形式,应用长除法得,对应的离散信号x*(t) 为,x(t)在各采样时刻的值为,x(0)=0; x(T)=10; x(2T)=30; x(3T)=70;,8.3 Z变换与Z反变换,4. 求Z反变换,2) 部分分式法,先将X(z)/z展开成部分分式,的形式,然后再,乘以z,化成,的形式,通过查Z变换表求得离散,信号x*(t)或x(kT)或x(k)。,8.3 Z变换与Z反变换,4. 求Z反变换,例 8.11 已知,,试求其Z反变换。,查Z
12、变换表得,那么,x(kT)或x(k)=10(-1+2k) (k=0,1,2, ),解,8.3 Z变换与Z反变换,4. 求Z反变换,3) 留数法,留数法是求Z反变换的一种普遍方法。x(kT)等于函数X(z)zk-1在其全部极点上的留数和。,8.3 Z变换与Z反变换,4. 求Z反变换,例 8.13 已知,,试求其Z反变换。,那么,解,8.4 离散系统的数学模型,4. 开环系统的脉冲传递函数,5. 闭环系统的脉冲传递函数,3. 脉冲传递函数的推导,2. 脉冲传递函数的定义,1. 差分方程,8.4 离散系统的数学模型,1. 差分方程,离散系统各变量之间的动态关系可以用下列n阶后向差分方程描述:,式中,
13、ai(i=1,2, ,n) 和bj(j=1,2, ,m) 为常系数。上式称为n阶线性常系数差分方程。,也可以用下列n阶前向差分方程描述:,8.4 离散系统的数学模型,1. 差分方程,求解差分方程常用的方法有迭代法和Z变换法。,1) 迭代法,已知线性定常离散系统的差分方程式,并且给定输出序列的初值,则可以递推计算出输出序列。,例 已知下列二阶差分方程,输入序列r(k)=1,初始条件c(0)=0,c(1)=1,试用迭代法求输出序列c(k) (k=0,1,2, ,10) 。,8.4 离散系统的数学模型,1. 差分方程,解 由给定的差分方程可得递推关系,根据初始条件及递推关系,求得,8.4 离散系统的
14、数学模型,1. 差分方程,2) Z变换法,例 8.14 用Z变换法解下列二阶差分方程,初始条件为c(0)=0,c(T)=1。,解 设c*(t)的Z变换为C(z),由超前定理知,对差分方程求Z变换,可得,对C(z)求Z反变换,得到,或,8.4 离散系统的数学模型,2. 脉冲传递函数的定义,脉冲传递函数(z传递函数):在线性定常离散系统中,当初始条件为零时,系统(或环节)输出离散信号的Z变换与输入离散信号的Z变换之比,即 。,8.4 离散系统的数学模型,3. 脉冲传递函数的推导,在大多数情况下,系统的输出是连续信号c(t),而不是离散信号,这时可在输出端虚设一个与输入采样开关同步的采样开关得到离散
15、信号c*(t),从而推导出系统的脉冲传递函数。,脉冲过渡函数:脉冲信号 作用于线性环节G(s)上时,该环节的输出信号称为其脉冲过渡函数,为g(t)。,8.4 离散系统的数学模型,3. 脉冲传递函数的推导,假设当n=-1,-2,-3, 时, c(nT)=g(nT)=r(nT)=0,即当nk时, g(kT-nT)=0。则有,输入脉冲序列,根据叠加原理,输出量c(t)为一系列脉冲响应之和,即,8.4 离散系统的数学模型,3. 脉冲传递函数的推导,根据Z变换的定义,输出量c(t)的Z变换C(z)为,8.4 离散系统的数学模型,3. 脉冲传递函数的推导,那么脉冲传递函数,上式可以写为,脉冲传递函数的物理
16、意义:脉冲传递函数G(z)是系统脉冲过渡函数g(t)经采样后g*(t)的Z变换。,8.4 离散系统的数学模型,3. 脉冲传递函数的求取,例 8.15 已知开环离散系统连续部分的传递函数为G(s)=k/(s+a)(s+b),试求对应的脉冲传递函数G(z)。,解 将G(s)展开为部分分式,对应的Z变换为,脉冲响应g(t),级数求和法,脉冲传递函数G(z),传递函数G(s),部分分式法或留数法,差分方程,Z变换,脉冲传递函数G(z),脉冲传递函数G(z),8.4 离散系统的数学模型,4. 开环系统的脉冲传递函数,1) 串联环节的脉冲传递函数, 环节间有采样开关隔开的情况,两个环节相串联,且环节之间有
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 线性 离散系统 ppt 课件
链接地址:https://www.31ppt.com/p-1358596.html