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1、第二章 计算机控制系统构成第二章第二章 计算机控制系统构成计算机控制系统构成1.1 信号转换信号转换1.2 量化量化 1.3 信号重构信号重构1.4 模模/数数(A/D)转换器转换器1.5 开关量输入输出接口开关量输入输出接口1.6 Z变换变换第二章 计算机控制系统构成图图2-1给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。1.1 信号转换信号转换返回本章首页第二章 计算机控制系统构成一、数字信号及A/D转换图图2-1 计算机控制系统基本框图计算机控制系统基本框图第二章 计算机控制系统构成一、数字信号及一、数字信号及A/D转换转换 模拟信号模拟信号 采样信号采
2、样信号 采样保持信号采样保持信号 数字信号数字信号反馈测量的模拟信号：时间连续、幅值连续反馈测量的模拟信号：时间连续、幅值连续f(t)计算机接收的数字信号：时间离散、幅值离散计算机接收的数字信号：时间离散、幅值离散fd(nT)图图2-2 A/D转换数据关系转换数据关系图图2-3 A/D示意图示意图第二章 计算机控制系统构成二、采样定义二、采样定义 定义：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟量信号、转变成在时刻0、T、2 T、K T的一连串脉冲输出信号的过程成为采样过程 。执行采样动作的开关称为采样开关； 0、 T、2 T、K T为采样时刻；T为采样周期; 采样过程持续时间成为采
3、样宽度。采样信号在时间轴上离散的，在函数轴上是连续的。第二章 计算机控制系统构成二、采样定义二、采样定义第二章 计算机控制系统构成三、三、采样过程 采样信号用f*(t)表示，其中*代表信号在时间上离散的。采样信号f*(t) 的每个采样值f(nT)都看作是一个强度为f(nT)的脉冲函数，即f(nT)(t-nT)。整个采样信号f*(t)可看作一个加权脉冲序列：第二章 计算机控制系统构成四、四、零阶保持过程 将采样信号f*(t) 的每个瞬时采样值f(nT)一直保持到下一个瞬时采样值f(nT+T)出现之前的过程，输入输出关系表示为： 零阶保持过程对输入的每个采样脉冲都输出一个方波，零阶保持过程对输入的
4、每个采样脉冲都输出一个方波，方波幅值同采样脉冲的采样值方波幅值同采样脉冲的采样值f(f(n nT T) )相等，其时间宽相等，其时间宽度为一个采样周期度为一个采样周期T (T (绘出图形绘出图形) )第二章 计算机控制系统构成五、五、量化过程 量化量化：采用有限字长的一组数码（如二进制码）来去整量化或逼近时间离散幅值连续的采样信号。 如采样信号幅值变化0-5V，采用8位字长二进制对其量化，则：量化单位为 5000/（28-1）=19.608mv，采样信号量化后为0-255中的数字量，最小变化一个量化单位第二章 计算机控制系统构成五、五、量化过程 量化后的数字信号与采样信号之间只有微小的量化误差
5、的差别，它们对系统的作用可认为是等价的，因此研究连续信号到采样信号的转换关系与研究连续信号到数字信号之间关系等价。第二章 计算机控制系统构成六、六、采样信号分析 f(t)与f*(t)的特性有很大差别。 f(t)为时间连续函数，f*(t)为时间离散函数，由f*(t)只知道f(t)在各采样时刻的数值f(nT),相邻采样点之间f(t)状况不知。 因此，需要研究： （1）采样信号f*(t)能否完全反映连续信号f(t)的变化规律，或者f*(t)能否包含f(t)的全部信息。 （2）采样信号f*(t)的信息损失和采样周期关系如何。第二章 计算机控制系统构成六、六、采样信号分析 1. 采样过程的数学描述（见板
6、书）： （1）采样信号描述； （2）理想开关的数学模型； （3）脉冲调制器； （4）理想采样过程的描述。第二章 计算机控制系统构成六、六、采样信号分析 2. 采样信号的频谱分析（见板书）： （1）F(jw)的频带宽度是有限的，为一孤立的连续频谱，最高频谱为wmax（见图2-5）； （2） F* (jw) 由形状相似的无穷多个分频谱叠加而成，间隔为采样频率ws （见图2-6） ； （3）主频谱，次频谱（见图2-6） ； （4）混叠现象（相邻频谱之间的波形叠加） （见图2-7） ； （5）低通滤波，信息全部包含，失真。第二章 计算机控制系统构成六、六、采样信号分析图2-5第二章 计算机控制系统构成
7、六、六、采样信号分析图2-6第二章 计算机控制系统构成六、六、采样信号分析图2-7第二章 计算机控制系统构成七、七、香农采样定量 采样频率满足：w=2wmax 离散采样信号能无失真地恢复原来的连续信号(验证了六中的问题1).是离散系统分析和设计的重要定理。第二章 计算机控制系统构成七、七、香农采样定量 离散模拟信号 X*(t)是对X(t)的取样，即 X*(t)和X(t)的关系是局部与整体的关系。现在问题是这局部能否反映整体？ 香农采样定理香农采样定理告诉我们：如果随时间变化的模拟信告诉我们：如果随时间变化的模拟信号号X(t)的最高频率为的最高频率为fc，则按，则按T 1/(2fc) 来选择采样来选择采样周期周期T，所采集的采样信号，所采集的采样信号 X*(t)或或X(nT)(n=,-1,0,1,)就能完全代表模拟信号就能完全代表模拟信号X(t)。 可见，采样周可见，采样周期期T是使采样信号不失真的一个关键参数。是使采样信号不失真的一个关键参数。第二章 计算机控制系统构成返回本章首页结束放映本节到此结束，本节到此结束，谢谢您的光临！谢谢您的光临！
