参考书籍:《自动控制原理》(第七版).胡寿松主编.
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1.离散系统的基本概念
如果控制系统中的所有信号都是时间变量的连续函数,即这些信号在全部时间上都是已知的,则这样的系统称为连续时间系统,亦称连续系统;如果控制系统中有一处或几处信号是一串脉冲或数码,即这些信号仅定义在离散时间上,则这样的系统称为离散时间系统,亦称离散系统;把系统中的离散信号是脉冲序列形式的离散系统,称为采样控制系统或脉冲控制系统;把数字序列形式的离散系统,称为数字控制系统或计算机控制系统;1.1 采样控制系统
采样系统是对来自传感器的连续信息在某些规定的时间瞬时上取值;
如果在有规律的间隔上,系统取到离散信息,则这种采样称为周期采样;如果信息之间的间隔是时变的,或随机的,则称为非周期采样;
在采样系统中不仅有模拟部件,还有脉冲部件;通常,测量元件、执行元件和被控对象是模拟元件,其输入和输出是连续信号,即时间上和幅值上都连续的信号,称为模拟信号;控制器中的脉冲元件,其输入和输出为脉冲序列,即时间上离散而幅值上连续的信号,称为离散模拟信号;
为了使模拟信号和离散模拟信号在系统中能相互传递,在连续信号和脉冲序列间采用采样器,在脉冲序列和连续信号间用保持器,实现两种信号的转换;
信号采样和复现
在采样控制系统中,把连续信号转变为脉冲序列的过程称为采样过程,简称采样,实现采样的装置称为采样器,或称采样开关;用TTT表示采样周期,单位为sss;fs=1/Tf_s=1/Tfs=1/T表示采样频率,单位为s−1s^{-1}s−1;ωs=2πfs=2π/T\omega_s=2\pi{f_s}=2\pi/Tωs=2πfs=2π/T表示采样角频率,单位为rad/srad/srad/s;在采样控制系统中,把脉冲序列转变为连续信号的过程称为信号复现过程;实现复现过程的装置称为保持器;
采样系统的典型结构
如果采样器位于系统闭环回路之外,或系统本身不存在闭合回路,则称为开环采样系统;如果采样器位于系统闭合回路内,则称为闭环采样系统;图7-4中,SSS为理想采样开关,其采样瞬时的脉冲幅值,等于相应采样瞬时误差信号e(t)e(t)e(t)的幅值,且采样持续时间τ\tauτ趋于零;Gh(s)G_h(s)Gh(s)为保持器的传递函数;G0(s)G_0(s)G0(s)为被控对象的传递函数;H(s)H(s)H(s)为测量变送反馈元件的传递函数;
1.2 数字控制系统
数字控制系统是一种以数字计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象的闭环控制系统;
数字控制系统包括工作于离散状态下的数字计算机和工作于连续状态下的被控对象两部分;
计算机作为系统的控制器,其输入和输出只能是二进制编码的数字信号,即在时间上和幅值上都离散的信号,系统中被控对象和测量元件的输入和输出是连续信号,在计算机控制系统中,应用A/D(模/数)和D/A(数/模)转换器,以实现这种信号的转换;
计算机控制系统的典型原理图:
A/D转换器
A/D转换器是把连续的模拟信号转换为离散数字信号的装置;A/D转换包括两个过程:一是采样过程,即每隔TTT秒对连续信号e(t)e(t)e(t)进行一次采样,得到采样后的离散信号e∗(t)e^*(t)e∗(t);二是量化过程,在计算机中,任何数值的离散信号必须表示为最小二进制的整数倍,成为数字信号,才能运算;采样信号e∗(t)e^*(t)e∗(t)经量化后变成数字信号e‾∗(t)\overline{e}^*(t)e∗(t)的过程,称为编码过程;
D/A转换器
D/A转换器是把离散的数字信号转换为连续模拟信号的装置;D/A转换包括两个过程:一是解码过程,把离散数字信号转换为离散的模拟信号;二是复现过程,离散的模拟信号无法直接控制连续的被控对象,需要经过保持器将离散模拟信号复现为连续的模拟信号;
数字控制系统的典型结构图