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1、曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,精密测控与系统,Precision measurement & control system,曹佃国,曲师大电气信息与自动化学院 tel: 3981133,13906332652 e-mail: caodg0318,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,第1章 信号与线性系统,信号与系统 如何了解一个系统 系统的性质 系统模型的建立,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,什么是系统？,金山词霸：A group of interacting, interralated, or interdependent elements forming a comp
2、lete whole. 郑君里等，信号与系统（上），高等教育出版社，1981.5 由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具特定功能的整体,对系统的描述是通过信号来完成的,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,测控系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,了解一个系统,哪种信号更可靠？,系统本身发出信号 e.g，热辐射、磁场,需要外加激励才能给出信号 e.g，电阻、吉他弦的频率,测量审讯 最短的时间得到最多的信息 有用的信息需要自己判断,被动与主动式雷达？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,信号？,连续时间信号 x(t) t 可为任意实数值 给定 t 范围内，x(t) 可能为 0
3、离散时间信号（离散时间序列） xn n .-3,-2,-1,0,1,2,3. 整数 n 时间 t 离散时间系统 x 可能为实数或复数！,信号与函数在数学上通用 时域信号vs空域信号,物理信号一般都是实信号 建立在数学模型基础上的信号可能是复信号,什么信号是连续/离散的？ 观测到的信号是连续的还是离散的？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,连续/离散信号,离散信号： 两瞬时点之间信号不确定 信号在特定离散瞬时的t1,t2,上是时间的函数，,离散时间信号可由连续信号通过采样获得,在时间和幅度上都取离散值的信号为数字信号,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,模拟 vs. 数字,模拟信号,准
4、数字信号,模拟信号中的信息在哪里？干扰模拟信号的可能方式？ 准数字信号中的信息在哪里？干扰准数字信号的可能方式？ 对准数字信号采样需要注意什么？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,例：A simple ultrasonic experiment using a phase shift detection technique,相位检测,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,例：A simple ultrasonic experiment using a phase shift detection technique,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,例：A simple ultra
5、sonic experiment using a phase shift detection technique,振荡器信号,接收到的信号,振荡器信号（过零检测）,接收到信号（过零检测）,相位信号,参考频率,计数脉冲,问题：测量误差？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,准数字信号的频率测量,测量在单位时间内信号的脉冲个数,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,常用信号,函数，用于分析 e.g. sin(t) or sin(2 p k / 10) 数列，用于仿真 e.g. 1,2,3,2,1,阶跃信号 e.g.,t,(1),0,脉冲信号 e.g. d(t) = 0 for t 0,曹佃国
6、 2010年秋,曲师大自动化学院,系统的描述信号通过系统,系统对输入信号产生影响，输出新的信号 e.g. 单输入， 一维连续时间系统,方块图,问题：需要注意什么？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,系统？,一信号（输入信号）到另一信号（输出或响应）的转换系统 举例： 连续时间系统 y(t) = x(t) + x(t-1) y(t) = x2(t) 离散时间系统 yn = xn + xn-1 yn = x2n,问题： 这是什么样的系统？ 什么是滤波器？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,第1章 信号与线性系统,信号与系统 如何了解一个系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,第1
7、章 信号与线性系统,信号与系统 系统的性质 什么样的系统才是理想的？ 实现可靠测量的前提是什么？ 什么时候需要考虑相位？ 系统模型的建立,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,系统的性质,线性/非线性 定常/非定常（时变/非时变） 连续/离散 单/多输入输出 因果/非因果,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,线性系统和非线性系统,线性系统： 系统的输入/输出特性是线性的，系统的状态可以用线性微分方程和差分方程来描述。其基本特征是满足叠加原理：,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,线性系统和非线性系统,非线性系统 系统中只要有一个非线性元件，系统就由非线性方程来描述。用非线性方程描述的
8、系统为非线性系统。 严格地讲，一切系统都是非线性的。不存在真正的线性系统。 非线性系统在一定范围内可以近似为线性系统。 线性系统在数学上分析要比非线性系统简单的多。这是研究线性系统的实际背景。,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,线性系统和非线性系统,问题： 分析运放电路先看什么？ 如果没有电容，会如何？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,定常系统与非定常系统,定常系统(非时变系统）： x(t) 为系统输入，相应输出为y(t) ，则对任意t，定常系统满足： x(t - t) y(t - t),如果测量对象是非定常的，会如何？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,信号中不同频率成分
9、通过测量系统,各路输出信号相对输入信号有不同的幅值增益和相角滞后 什么情况下信号会发生畸变？ 测量的结果作为反馈控制信号时，输出对输入的时间滞后有可能破坏系统的稳定性,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,不失真测试条件,测试装置的输出y(t)和输入x(t)满足关系 傅立叶变换： 当t0时，x(t)=0、y(t)=0，有 若要求装置的输出波形不失真，则其幅频和相频特性应满足,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,不失真测试条件,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例,S,线性？ 定常？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,系统的性质,调幅 Amplitude Modulation
10、 (AM) y(t) = A x(t) cos(2 fc t) fc 载波频率 Carrier frequency (frequency of radio station) A constant 线性?定常？,A,x(t),cos(2 p fc t),y(t),曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,系统的性质,调频 Frequency Modulation (FM) FM radio: fc carrier frequency (frequency of radio station) A & kf constants 线性？定常？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,连续时间系统与离散时
11、间系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,恒温恒湿箱测控系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,单输入单输出系统和多输入多输出系统,单输入单输出系统 系统的输入和输出信号都只有一个，主反馈信号（由输出至输入）只有一个。局部反馈可以有多个。 多输入多输出系统 也叫多变量系统，如飞行姿态控制、航空发动机控制，冶金化学过程等,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,单输入单输出系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,多输入多输出系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,因果系统,什么是三世因果？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,因果系统,郑君里：如果tt0时系统的激励信
12、号为零，相应的输出信号在tt0也等于零，则该系统具有因果性（causality)，称为因果系统，否则为非因果系统 A V 奥本海姆：如果一个系统的任何时刻的输出仅决定于当前和过去时刻的输入，则称为因果系统 由于因果系统的输入不能预测未来的输入值，又称非预测系统 因果系统是物理上唯一可实现的系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,因果系统与非因果系统,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,什么时候需要考虑因果问题？,实验表明，GGBP修饰的表面等离子共振传感器可应用于测量葡萄糖的浓度,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,因果系统与非因果系统,因果系统是物理上唯一可实现的系统 什么时候
13、需要考虑因果问题？ 理想的滤波器是不可能实现的 非因果系统有用吗？,预测，使用当前及以往的数据对未来数据进行估计,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,系统的性质,什么样的系统才是理想的？ 实现可靠测量的前提是什么？ 什么时候需要考虑相位？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,第1章 信号与线性系统,信号与系统 系统的性质 系统模型的建立 多复杂的系统模型才是合理的？,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,数学模型 描述系统或元件的动态特性的数学表达式 建模 深入了解元件及系统的动态特性，准确建立它们的数学模型 物理模型 任何元件或系统实际上都是很复杂的，难以对它作出精确、全面的描述，
14、必须进行简化或理想化。简化后的元件或系统为该元件或系统的物理模型。简化是有条件的，要根据问题的性质和求解的精确要求，来确定出合理的物理模型,基本概念,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,Physical System,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,Physical System,Engineering Model,Modeling,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,Physical System,Engineering Model,Mathematical Model,Physical Law,曹
15、佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,Physical System,Engineering Model,Mathematical Model,Mathematical Solution,Mathematics,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,模型要素:,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,模型要素: 惯性(stores kinetic energy),1,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,模型要素: 惯性 (stores kinetic energy) 弹性 (stores potential energy),2,1,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,模型要素: 惯性(stores kinetic energy) 弹性 (stores potential energy),2,3,1,实际情况: 能量耗散,曹佃国 2010年秋,曲师大自动化学院,实例振动系统的建模与分析,模型要素: Mass, m Stiffness, k,k,c,m,Realistic Addition: Damping, c,曹佃国 2010
