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8-1采样周期的选取.doc
8-1 采样周期的选取
8-1-1 采样定理
采样定理也称香农(Shannon)定理,其结论如下:
如果采样角频率ωs(或频率fs)大于或等于2ωm(或2fm),即
(8-1)
式中ωm(或fm)是连续信号频谱的上限频率,见图8-1,则经采样得到的脉冲序列能无失真
的再恢复到原连续信号.
从物理意义上来理解采样定理那就是,如果选择这样一个采样频率,使得对连续信号所含的最高频率来说,能做到在其一个周期内采样两次以上,则在经采样获得的脉冲序列中将包含连续信号的全部信息.反之,如果采样次数太少,即采样周期太长,那就做不到无失真的再现原连续信号.
8-1-2 采样周期的选取
采样周期T0是数字控制系统设计的一个关键因素,必须
给以充分注意.工程实践证明,采样周期T0根据表8-1给出的参考数据选取时,可以取得满意的控制效果.
对于随动系统,采样周期的选取在很大程度上取决于系统的性能指标.在一般情况下, 控制系统的闭环频率响应具有低通滤波特性,当随动系统输入信号的频率高于其闭环幅频特性的谐振频率ωr时,信号通过系统将会很快衰减,而在随动系统中,一般可近似认为,开环频率响应幅频特性的剪切频率ωc与闭环频率响应幅频特性的谐振频率ωr相当接近,即幅频特性的谐振频率ωc≈ωr.也就是说,通过随动系统的控制信号的最高频率分量ωc,超过ωc的分量通过系统时将被大幅度的衰减掉.根据工程实践经验,随动系统的采样频率ωs可选为
ωs≈10ωc (8-2)
考虑到T0=2π/ωs,则按式(8-2)选取的采样周期T0与系统剪切频率ωc的关系为
(8-3)
从时域性能指标来看,采样周期T0通过单位阶跃响应的上升时间tr及调整时间ts可按下列经验关系式选取,即
(8-4)
(8-5)
8-2 信号保持
信号保持是指将离散信号—脉冲序列转换成(或恢复到)连续信号的转换过程.用于
这种转换过程的元件称为保持器.从数学意义上来讲,保持器的任务是解决各采样时刻
之间的插值问题.
8-2-1 零阶保持器
零阶保持器是在数字控制系统中应用最广泛的且具有常值外推功能的保持器,用
符号H0来表示.也就是说,对于零阶保持器有下式成立,即
(8-6)
式中αp为常值,τ的变化范围是0≤τ≤T0.显然,在τ=0时,式(8-6)也成立,这时有
(8-7)
由式(8-6)及(8-7)求得
(8-8)
式(8-8)说明零阶保持器是一种按常值规律外推的保持器.它把前一个采样时刻nT0的采
样值ε(nT0)不增不减的保持到下一个采样时刻(n+1)T0到来之前的一瞬间.当下一个采
样时刻(n+1)T0到来时,应以ε[(n+1)T0]为常值继续外推.也就是说,任何一个采样时刻的
采样值只能作为常值保持到下一个相邻的采样时刻到来之前,其保持时间显然是一个
为采样周期T0.零阶保持器的输出信号εH(t)如图8-2所示
零阶保持器的时域特性gH(t)如图8-3(a)所示,它是高度为1,宽度为T0的方脉冲.高度等
于1,说明采样值经过保持器既不放大,也不衰减;宽度等于T0,说明零阶保持器对采样值
只能不增不减地保持一个采样周期.由图求得零阶保持器的传递函数GH(s)为
由式求得零阶保持器的频率响应为
从图8-2看到,经由零阶保持器转换得到的连续信号具有阶梯形状,它并不等于采样前
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