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第2章 计算机控制系统的信号特征
数字计算机只能接受和处理二进制代码,这些二进制代码可以表示某一种物理量的大小或某个数值,称为数字信号。实际系统中的被控制量大都是一些在时间上连续的信号,一般称为模拟量或连续量。因此计算机控制系统也可以称为数字控制系统、离散控制系统或采样控制系统,而模拟控制系统也称为连续控制系统。
本章首先介绍离散时间控制系统中信号类型,并从频域角度研究离散模拟信号的特性。
2.1信息变换原理
2.1.1数字控制系统方框图及系统信息
+
+
-
图2.1计算机控制系统中前后的信息转换关系
采样器
A/D
被控对象
保持器
D/A
计算机
A/D
采样器
001
010
011
001
010
011
001
010
011
-
-PAGE2-
算机主要起着控制器的作用。系统方框图及信号形式如图
所示。
名词说明:
连续信号—指在时间上是连续的,在幅值上也是连续的信号,在数学上可以用连续函数表示。
离散模拟信号—指在时间上是离散的,而在幅值上表示连续量大小的信号。
数字信号—在时间上是离散的,而在幅值上也是离散
(已经被量化)的信号。
采样过程及理想采样信号的特征
1、采样过程
所谓采样,就是一种作用或过程,取某种东西的一小部分用于测试或分析。在计算机控制系统中,将连续信号转变成离散信号。
采样过程如图2.2所示。
连续信号f(t)通过采样开关后变成一组脉冲序列f*(t),“*”表
示在时间上是离散的。
脉冲宽度τ代表采样一个信号所需要的时间(即采样开始到结
束的时间),相邻两次采样之间间隔时间T称为采样周期,通常比脉宽τ大得多。
f*(t)
f*(t)
?
0
t
T
采样开关
T
0 t
图2.2采样过程
理想采样过程:当T??时
有限宽度的脉冲序列可以近似看成理想脉冲序列,如图2.3所示。
f*(t)0
f*(t)
0
T
t
采样开关
T
0 t
图2.3理想采样过程
理采样间隔大小可以是随机的,也可以按规定规律变化。
如图2.4所示。今后我们讨论的采样信号都是指均匀采样。若计算机控制系统中各点采样的采样周期都相同,称为单速率采样系统;若一个系统中有几种采样周期,则称为多速率采样系统。
2、理想采样信号的特性
⑴理想采样信号的时域数学描述
图2.3所示的理想采样信号可以看成是连续信号f(t)调
(a)
0
T 2T 3T 4T 5T 6T
0? T
+2T 3T 4T 5T 6T
+
(b)
0
T 2T 3T 4T 5T 6T
0+?
T+?
2T+?
3T+?
4T+?
5T+?
6T+?
(C)
0
图2.4采样形式
(a)均匀采样;(b)非均匀采样;(c)随机采样
制一组脉冲序列?T(t)的幅度调制脉冲信号,如图2.5所示。
其中,?T(t)为单位脉冲周期函数。
采样开关
f(t)
T
f*(t)
f(t)
?T(t)
0
f*(t
f*(t)
?T(t)
t
0
T
t
f(t)
f*(t)
脉冲幅度调制器
???
?
?T(t)? ?T(t?nT)????(t?2T)??(t?T)??(t)??(t?T)??(t?2T)?
n???
(2.1)
f(t)由t=0时刻开始,则
f*(t)?
?
?
f(t)?T(t)
f(t)?(t)?
f(0)?(t)?
f(t)?(t?T)?
f(T)?(t?T)?
f(t)?(t?2T)??
f(2T)?(t?2T)??
(2.2)
式(2.2)不仅描述了采样信号的基本特征,更重要
的是给出了被采样的连续信号f(t)和采样信号f*(t)在时域中的关系。由式(2.2)不难理解,理想采样信号f*(t)可以看作连续信号f(t)对单位脉冲序列?T(t)调制的结果,理想采样过程可以看作是脉冲调制过程,连续信号f(t)为调制信号,单位脉冲序列?T(t)为载波信号,理想采样开关就是单位脉冲发生器,每隔时间T瞬时接通一次,就相当于产生一个单位脉冲。
⑵理想采样信号的特性分析
①采样信号f*(t)损失了连续信号f(t)采样时刻之间的变化信息;
②损失信息的多少与采样周期T和连续信号f(t)的变化速度快慢有关。
采样信号f*(t)能否完全反映连续信号f(t)的变化规律,或者说f*(t)能否包含f(t)中的全
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