计算机控制系统第2版李华侯涛电子课件第9章节.ppt

在计算机控制系统里，系统输出中所含的最高频率分量由被控对象特征根中的最高频率决定的。考虑到被控对象建模时的不准确，为了减少频率混叠现象，常常要求采样频率满足： 另外，采样频率可以依系统的闭环频带确定，即把闭环频带看作是信号的最高频率，故采样频率应高于闭环频带两倍以上。工业应用时，考虑到高于闭环频带的信号分量对低频分量的影响，为减少混叠现象，常应选用: 通常，作用于系统上的干扰的频率较高，依上式来确定ωs，势必使ωs取得过高，以致工程实现较为困难。因此，工程应用中比较常用的方法可类似于图示方法。 4）系统输出平滑性与采样周期 最后，还应指出，在计算机控制系统中是否使用前置滤波器对采样周期的选取也有很大影响。如果在系统中使用前置滤波器，通常可以放宽对采样周期的限制，即允许选用相对较大的采样周期。 计算机控制系统的采样周期对系统性能及效率 影响很大，设计者应综合考虑各种因素，精心地选 取一个合理的采样周期。 总的原则是：在能满足系统性能要求的前提下 ，应尽量选取较大的采样周期（即较低的采样频率） 以降低系统的成本。 第九章结束 谢谢！ * 1.采样频率对系统性能的影响 1）对系统稳定性能的影响 在计算机控制系统里，采样周期T是系统的一个重要参数，对闭环系统的稳定性和性能有很大影响。 2）丢失采样信息的影响 兰州交通大学自动化学院 9.4 采样频率的选择 为使系统的输出能准确复现系统的输入信号，要求采样信号应能准确地包含原连续信号的信息，才可形成正确的偏差去控制输出信号。假定输出及反馈信号的最大频率为ωmax，依采样定理，采样频率ωs应当满足ωs≥2ωmax。然而对于一个实际控制系统，信号的最大频率ωmax难于确定（特别像阶跃信号等许多信号所含的频率就很高）。 * 3）采样周期与系统抑制干扰能力的关系 若干扰是变化的，且具有一定的频率，并要求像连续系统那样对干扰进行控制，那就必须依干扰信号中的最高频率ωfmax来选择采样频率ωs： 兰州交通大学自动化学院 计算机控制系统抑制干扰的能力不如连续系统，主要的原因是，信号采样使系统丢失了采样间隔之间干扰变化的信息。在极端情况下，若采样开关动作速度比干扰变化的速度慢得多，即采样间隔过长，那么系统对干扰就犹如完全没有控制作用一样（因为在采样间隔内控制作用不变）。所以，在选择系统的采样频率时，还必须要考虑系统可能受到的干扰以及系统对抑制干扰的要求 9-15 采样周期与输出方差关系图 图为某系统受到随机干扰时，输出方差与采样周期T的关系曲线。当T 增大时，输出方差增加。若给定系统输出方差的最大允许值，依图即可确定最大采样周期T允。 为了获得较好的系统性能，希望将采样周期取得小些较好，但也并不是越小越好，过小的采样周期也会带来一些欠缺和问题。 计算机产生的指令信号是通过零阶保持器输出的，为一组阶梯信号。在这组阶梯信号作用下，被控过程的输出是一组彼此相连的阶跃响应，如图所示。 为了减小这种波动，采样周期应取得小些为好，以保证在响应过程中有足够多的采样点数。经验规则是： （1）若系统的阶跃响应是非周期形状，一般要求在阶跃响应的升起时间Tr内的采样点数Nr为： （2） 若系统的阶跃响应是振荡的形状，要求在一个振荡周期Td内的采样点数Nr为： 图9-16 输出响应的不平滑性 * 5）计算机字长与采样周期 当采样周期趋于无限小时，由于计算机运算部件、A/D及D/A变换器的字长有限，计算机控制系统并不趋近连续系统，且由于字长有限所产生的量化误差反而会增大。 6）计算机的工作负荷与采样周期 兰州交通大学自动化学院 控制系统要求计算机在一个采样周期内应完成必要的系统管理、输入、输出、控制算法计算等任务。 * 2.选择采样频率的经验规则 (1)对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极点的时间常数为Td，那么采样周期T应取: (2)如果被控过程具有纯延滞时间τ，且占有一定的重要地位，采样周期T应比延滞时间τ小一定的倍数，通常要求： 兰州交通大学自动化学院 (3)如果闭环系统要求有下述特性：稳态调节时间为 ，闭环自然频率为 ，那么采样周期或采样频率可取为： 表9-1 工业过程控制典型变量的采样周期 20 10 5 1 采样周期/s 温度 液面 压力 流量 控制变量 * 3.多采样频率配置 (1)多采样速率系统的主要好处 ②对宽频带回路的快变信号选择相应高的采样速率，可以减少高频控制器数字化带来的动态误差。 兰州交通大学自动化学院 ①可以有效地减小计算机的运算量，