采样与保持仿真实验

微分与平滑仿真实验

一．实验目的

1．数/模转换器得零阶保持器作用

零阶保持器：zero-order holder（ZOH）。

实现采样点之间插值的元件，基于时域外推原理，把采样信号转换成连续信号。

零阶保持器的作用是在信号传递过程中，把第nT时刻的采样信号值一直保持到第(n+1)T时刻的前一瞬时，把第(n+1)T时刻的采样值一直保持到(n+2)T时刻，依次类推，从而把一个脉冲序列变成一个连续的阶梯信号。因为在每一个采样区间内连续的阶梯信号的值均为常值，亦即其一阶导数为零，故称为零阶保持器。

零阶保持器的传递函数为：

2．零阶保持器在控制系统中的作用

零阶保持器的作用是使采样信号e*(t) 每一采样瞬时的值e(kT) 一直保持到下一个采样瞬时e[(k+1)T]，从而使采样信号变成阶梯信号eh(t)。

二．实验原理

如下图，控制系统中，给输入阶跃信号，有函数：

plot(y.time,y.signals.values,x.time,x.signals.values)可以画出其输入输出波形图1-1如下所示。

图1-1仿真原理图

三．仿真过程

图1-2 采样周期T-10MS时系统的输入输出波形

图1-3 采样周期T-20MS时系统的输入输出波形

图1-4 采样周期T-30MS时系统的输入输出波形

图1-5 采样周期T-40MS时系统的输入输出波形

四．思考与总结

1.在微机控制系统中采样周期T的选择因注意哪些方面？

采样定理只是作为控制系统确定采样周期的理论指导原则，若将采样定理直接用于计算机控制系统中还存在一些问题。主要因为模拟系统f（t）的最高角频率不好确定，所以采样定理在计算机控制系统中的应用还不能从理论上得出确定各种类型系统采样周期的统一公式。目前应用都是根据设计者的实践与经验公式，由系统实际运行实验最后确定。

显然，采样周期取最小值，复现精度就越高，也就是说“越真”。当T 0时，则计算机控制系统就变成连续控制系统了。若采样周期太长。计算机控制系统受到的干扰就得不到及时克服而带来很大误差，使系统动态品质恶化，甚至导致计算机控制系统的不稳定。

在工程应用的实践中，一般根据系统被控制对象的惯性大小和加在该对象上的预期干扰程度和性质来选择采样周期。例如，温度控制系统的热惯性大，反应慢，调节不宜过于频繁，采样周期选得要长一些。对于一些快速系统，如交、直流可逆调速系统、随动系统，要求动态响应速度快，抗干扰能力强，采样周期要短些。总之，根据理论指导原则，结合实际被控对象性质或参数，可以得出采样周期T选择的实用公式。表2-2-1列出了不同被控参数物理量的采样周期T选择的参考数值。

2.若模拟量在A/D转换时变化较大，是否要加保持器？为什么？

从启动信号转换到转换结束的数字输出，经过一定时间，而模拟量转换期间，要求模拟量信号保持不变，所以必须用采样保持器.

该电路具有两个功能：采样跟踪输入信号；保持暂停跟踪输入信号，保持已采集的输入信号，确保在A/D转换期间保持输入信号不变。在A/D转换期间，为了使输入信号不变，保持在开始转换时的值，通常要采用一个采样保持电路。对于MCS-96单片机的A/D转换器，启动转换实际上是把采样开关接通，进行采样，过一段时间后，开关断开，采样电路进入保持模式，才是A/D 真正开始转换。

3.D/A转换器为什么会具有零阶保持器的作用？

在这种结构中每一个通道都有一个D/A转换器。D/A转换器是按照采样周期T对控制器输出的数字量进行D/A转换的，但由于D/A转换器具有数据输入锁存功能，它能够在接收下一组数字量之前，一直保持前一组数字量不变，因而D/A转换器的输出模拟量，能够在一个采样周期内保持不变，也就是说，D/A转换器本身就具有零阶保持器的功能。

4.计算机控制系统模拟量输出通道中若无零阶保持器会出现什么问题？

模拟量输出通道中要有输出保持器，这是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期地在一个时间片上得到输出信号，即这时执行部件得到

的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却要求连续的模拟信号，因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内仍然能得到输出信号，就必须有输出保持器，通过它将前一采样控制时刻的输出信号保持下来，直到下一个采样控制时刻到来，重新得到新的输出信号

计算机控制系统中通常采用零阶保持器，即前一采样时刻的输出值原封不动的（理想化的）保持到下一采样时刻到来。

零阶保持器通常用和模拟量输入通道中的采样保持器一样的电容保持电路来实现。

5.系统的平滑性与什么有关？

计算机控制系统平滑性与采样周期有关。

当一个连续被控过程由计算机控制时，计算机产生的指令信号是通过零阶保持器输出的，因此，它是一组阶梯信号。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。由于信号阶梯的大小与采样周期成正比，在采样周期较大时，信号阶梯增大，使被控对象的输出响应不平滑，产生不允许的高频波动。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。