自动控制原理第七章线性离散系统讲解
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自动控制原理第7章线性离散控制系统
差分方程描述了系统在离散时间点的 行为，通过求解差分方程，可以预测 系统未来的输出。
状态方程
状态方程是描述线性离散控制系统动态行为的数学模型，其形 式为 X(k+1) = A*X(k) + B*U(k)，其中X(k)表示在时刻k的系统 状态向量，U(k)表示在时刻k的控制输入向量，A和B是系统矩 阵。
自动控制原理第7章 线性离散控制系统
目录
CONTENTS
• 引言 • 线性离散控制系统的数学模型 • 线性离散控制系统的稳定性分析 • 线性离散控制系统的性能分析 • 线性离散控制系统的设计方法 • 线性离散控制系统的应用案例
01
引言
线性离散控制系统的定义与特点
定义
线性离散控制系统是指系统的动态行为由差分方程或离散状态方程描述的一类控制系统。
适性。
常见的智能家居控制系统包括智 能照明、智能安防、智能环境监
测等。
案例三：工业自动化控制系统设计
工业自动化控制系统是线性离散 控制系统的另一个重要应用领域， 主要用于实现生产过程的自动化
和智能化。
工业自动化控制系统通常采用分 布式控制结构，通过各种传感器、 执行器和主控制器实现对生产设
备的监测和控制。
离散控制系统的稳定性判据
劳斯-赫尔维茨稳定性判据
通过计算离散控制系统的传递函数的极点和零点，判断系统的稳定性。如果所有极点都位于复平面的左半部分，则系 统稳定；否则系统不稳定。
奈奎斯特稳定性判据
通过分析离散控制系统的频率响应，判断系统的稳定性。如果频率响应的相位曲线在-π~π范围内，则系统稳定；否则系 统不稳定。
系统实现
将设计好的控制器应用于实际系统中，并进 行实验验证。
离散控制系统设计的常用方法
状态方程
状态方程是描述线性离散控制系统动态行为的数学模型，其形 式为 X(k+1) = A*X(k) + B*U(k)，其中X(k)表示在时刻k的系统 状态向量，U(k)表示在时刻k的控制输入向量，A和B是系统矩 阵。
自动控制原理第7章 线性离散控制系统
目录
CONTENTS
• 引言 • 线性离散控制系统的数学模型 • 线性离散控制系统的稳定性分析 • 线性离散控制系统的性能分析 • 线性离散控制系统的设计方法 • 线性离散控制系统的应用案例
01
引言
线性离散控制系统的定义与特点
定义
线性离散控制系统是指系统的动态行为由差分方程或离散状态方程描述的一类控制系统。
适性。
常见的智能家居控制系统包括智 能照明、智能安防、智能环境监
测等。
案例三：工业自动化控制系统设计
工业自动化控制系统是线性离散 控制系统的另一个重要应用领域， 主要用于实现生产过程的自动化
和智能化。
工业自动化控制系统通常采用分 布式控制结构，通过各种传感器、 执行器和主控制器实现对生产设
备的监测和控制。
离散控制系统的稳定性判据
劳斯-赫尔维茨稳定性判据
通过计算离散控制系统的传递函数的极点和零点，判断系统的稳定性。如果所有极点都位于复平面的左半部分，则系 统稳定；否则系统不稳定。
奈奎斯特稳定性判据
通过分析离散控制系统的频率响应，判断系统的稳定性。如果频率响应的相位曲线在-π~π范围内，则系统稳定；否则系 统不稳定。
系统实现
将设计好的控制器应用于实际系统中，并进 行实验验证。
离散控制系统设计的常用方法
自动控制原理第7章离散控制系统
差分方程描述了系统在离散时间点的行为，通过求解差分方程可 以预测系统未来的输出。
Z变换
01
Z变换是分析离散时间信号和系统 的有力工具，它将离散时间信号 或系统转化为复平面上的函数或 传递函数。
02
Z变换的基本思想是通过将离散时 间信号或系统进行无限次加权和 ，将其转化为一个复数域上的函 数或传递函数。
离散状态方程
离散状态方程是描述离散控制系统动 态行为的数学模型，它的一般形式为 $mathbf{dot{x}}(k) = Amathbf{x}(k) + Bu(k)$，其中 $mathbf{x}(k)$表示在时刻$k$的系 统状态向量，$u(k)$表示在时刻$k$ 的输入向量，$A$和$B$是系统的系 数矩阵。
稳态误差主要来源于系统本身的结构 和参数，以及外部干扰和测量噪声。
离散控制系统的动态响应分析
动态响应定义
动态响应是指系统在输入信号作 用下，系统输出信号随时间变化 的特性。
动态响应的描述方
式
动态响应可以通过系统的传递函 数、频率特性、根轨迹图等方式 进行描述。
优化动态响应的方
法
通过调整系统参数、改变系统结 构、引入反馈控制等方法，可以 优化系统的动态响应。
离散控制系统的仿真工具与实例
仿真工具介绍
离散控制系统的仿真工具用于模拟和测试系统的性能和稳定性。常见的仿真工具包括MATLAB/Simulink、 LabVIEW等。这些工具提供了丰富的数学函数库和图形化界面，方便用户进行系统建模和仿真。
仿真实例分析
通过具体的仿真实例，可以深入了解离散控制系统的性能和特点。例如，可以设计一个温度控制系统，通过调整 系统参数和控制算法，观察系统在不同工况下的响应特性和稳定性。通过对比不同方案，可以评估各种参数和控 制策略对系统性能的影响，为实际应用提供参考和依据。
Z变换
01
Z变换是分析离散时间信号和系统 的有力工具，它将离散时间信号 或系统转化为复平面上的函数或 传递函数。
02
Z变换的基本思想是通过将离散时 间信号或系统进行无限次加权和 ，将其转化为一个复数域上的函 数或传递函数。
离散状态方程
离散状态方程是描述离散控制系统动 态行为的数学模型，它的一般形式为 $mathbf{dot{x}}(k) = Amathbf{x}(k) + Bu(k)$，其中 $mathbf{x}(k)$表示在时刻$k$的系 统状态向量，$u(k)$表示在时刻$k$ 的输入向量，$A$和$B$是系统的系 数矩阵。
稳态误差主要来源于系统本身的结构 和参数，以及外部干扰和测量噪声。
离散控制系统的动态响应分析
动态响应定义
动态响应是指系统在输入信号作 用下，系统输出信号随时间变化 的特性。
动态响应的描述方
式
动态响应可以通过系统的传递函 数、频率特性、根轨迹图等方式 进行描述。
优化动态响应的方
法
通过调整系统参数、改变系统结 构、引入反馈控制等方法，可以 优化系统的动态响应。
离散控制系统的仿真工具与实例
仿真工具介绍
离散控制系统的仿真工具用于模拟和测试系统的性能和稳定性。常见的仿真工具包括MATLAB/Simulink、 LabVIEW等。这些工具提供了丰富的数学函数库和图形化界面，方便用户进行系统建模和仿真。
仿真实例分析
通过具体的仿真实例，可以深入了解离散控制系统的性能和特点。例如，可以设计一个温度控制系统，通过调整 系统参数和控制算法，观察系统在不同工况下的响应特性和稳定性。通过对比不同方案，可以评估各种参数和控 制策略对系统性能的影响，为实际应用提供参考和依据。
自动控制原理课件_7__线性离散系统的分析与校正_1资料
一阶保持器实际很少使用！！
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持 小结
离散系统：系统中有一处或几处信号是脉冲串或数码
系统类型 采样系统 — 时间离散，数值连续
：
数字系统 — 时间离散，数值离散
A/D
t << T
字长足够
:
等效为理想采样开关
e*(t) e(t)T (t)
D/A 用 ZOH 实现
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.1离散系统的基本概念
A/D过程 计算过程
计算过程描述与 D/A 过程
D/A 过程
零阶保持器 (ZOH)
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.1离散系统的基本概念
计算机控制系统的描述方法
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持 信号采样
理想采样序列
信号的复现：把采样信号恢复为原来的连续信号 称为信号的复现。
保持器
零阶保持器（恒值外推） 一阶保持器（线性外推）
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持
零阶保持器的输入输出信号 主要特点：
1、输出信号是阶梯波，含有高次谐波。 2、相位滞后。
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持 一阶保持器
一阶保持器是一 种按照线性规律 外推的保持器。
e(nT) e[(n 1)T ]
eh (t) e(nT)
T
(t T )
nT t (n 1)T
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持
Gh ( j) T
1
(T)2
1 eTs Gh(s) L[ k(t ) ] s
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持 小结
离散系统：系统中有一处或几处信号是脉冲串或数码
系统类型 采样系统 — 时间离散，数值连续
：
数字系统 — 时间离散，数值离散
A/D
t << T
字长足够
:
等效为理想采样开关
e*(t) e(t)T (t)
D/A 用 ZOH 实现
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.1离散系统的基本概念
A/D过程 计算过程
计算过程描述与 D/A 过程
D/A 过程
零阶保持器 (ZOH)
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.1离散系统的基本概念
计算机控制系统的描述方法
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持 信号采样
理想采样序列
信号的复现：把采样信号恢复为原来的连续信号 称为信号的复现。
保持器
零阶保持器（恒值外推） 一阶保持器（线性外推）
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持
零阶保持器的输入输出信号 主要特点：
1、输出信号是阶梯波，含有高次谐波。 2、相位滞后。
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持 一阶保持器
一阶保持器是一 种按照线性规律 外推的保持器。
e(nT) e[(n 1)T ]
eh (t) e(nT)
T
(t T )
nT t (n 1)T
第七章 线性离散系统的分析与校正-7.2信号的采样与保持
Gh ( j) T
1
(T)2
1 eTs Gh(s) L[ k(t ) ] s
《自动控制原理》第七章 线性离散系统的分析与校正
第七章线性离散系统的分析与校正工业过程控制越来越多的使用计算机，从微观上看计算机是非连续的。
计算机采集数据和发生控制指令都有一定的时间间隔。
基于工程实践的需要,作为分析与设计计算机控制系统的基础理论,离散系统理论的发展非常迅速。
离散系统与连续系统相比,既有本质上的不同,又有分析研究方面的相似性。
利用z变换法研究离散系统,可以把连续系统中的许多概念和方法,推广应用于线性离散系统。
本章主要讨论线性离散系统的分析和校正方法。
首先建立信号采样和保持的数学描述,然后介绍z变换理论和脉冲传递函数,最后研究线性离散系统稳定性和性能的分析与校正方法。
在系统校正部分,我们将主要讨论数字机控制系统的校正方法。
7-1 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,换句话说,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,简称连续系统;如果控制系统中有一处或几处信号是一串脉冲或数码,换句话说,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,简称离散系统。
通常,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;而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.采样控制系统一般说来,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。
例如,控制系统中的误差信号可以是断续形式的脉冲信号,而相邻两个脉冲之间的误差信息,系统并没有收到。
如果在有规律的间隔上,系统取到了离散信息,则这种采样称为周期采样;反之,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,或随机采样。
本章仅讨论等周期采样。
在这一假定下,如果系统中有几个采样器,则它们应该是同步等周期的。
在现代控制技术中,采样系统有许多实际的应用。
例如,雷达跟踪系统,其输入信号只能为脉冲序列形式;又如分时系统,其数据传输线在几个系统中按时间分配,以降低信息传输费用。
在工业过程控制中,采样系统也有许多成功的应用。
自动控制原理胡寿松第七章解析
1、线性定理 齐次性 Z [ae (t)] aE(z ) Z[e1 (t) e 2 (t)] E1 (z ) E 2 (z ) 叠加性 2、实数位移定理
Z[e(t- kT )] z -k E(z)
Z [e(t kT)] z k [E(z)- e(nT)z -n ]
n 0
k -1
z变换实际上是采样函数拉氏变换的变形，
因此又称为采样拉氏变换
z变换只适用于离散函数，或者说只能表征
连续函数在采样时刻的特性，而不能反映其 在采样时刻之间的特性。
24
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
25
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
二、Z变换的性质
0T
*
采样器可以用一个周期性闭合的采样开关S来表示。
理想采样开关S： T (t ) (t nT )
n 0
11
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
理想单位脉冲序列 采样过程可以看成是一个幅值调制过程。
12
成都信息工程学院控制工程系
第七章 线性离散系统的分析与校正
1 jns t T ( t ) e T n -
1 jns t * 代入采样信号表达式：e ( t ) e( t ) T (t ) e( t )e T n
对采样信号表达式取拉氏变换： 1 E* (s) E(s jns ) T n 采样信号的付氏变换： 1 E* ( j ) E[j( ns )] T n
T (t)的付氏级数形式：
T (t)
n -
(t - nT) C e
自动控制原理(第三版)第七章线性离散系统分析与设计
离散系统稳态误差是指系统在稳态时输出与输入之间的误 差。
要点二
离散系统稳态误差的计算方法
离散系统稳态误差的计算方法包括解析法和仿真法，其中 解析法是通过求解差分方程得到稳态误差，仿真法则是通 过模拟系统的动态过程得到稳态误差。
05
线性离散系统的控制器设计
离散系统的状态反馈控制
01
状态反馈控制
通过测量系统的状态变量，并利 用这些信息来产生控制输入，以 实现系统的期望性能。
THANKS
感谢观看
01
离散系统响应的分类
离散系统的响应可以根据不同的标准进行分类，如根据时间响应可以分
为瞬态响应和稳态响应，根据系统参数可分为超调和调节时间等。
02
离散系统响应的数学模型
离散系统的数学模型通常采用差分方程或状态方程表示，通过求解这些
方程可以得到系统的响应。
03
离散系统响应的分析方法
离散系统响应的分析方法包括时域分析和频域分析，其中时域分析主要
基于系统的输出方程和性能指标，通过设计适当的观测器来估计状 态变量，并利用这些估计值来设计输出反馈控制器。
输出反馈控制的局限性
对于非线性系统和不确定性可能存在较大的误差，并且对于状态变 量的测量可能存在噪声和延迟。
离散系统的最优控制
最优控制
01
通过优化性能指标来选择控制策略，以实现系统性能的最优化。
自动控制原理(第三版)第七章 线性离散系统分析与设计
• 线性离散系统概述 • 线性离散系统的数学模型 • 线性离散系统的稳定性分析 • 线性离散系统的动态性能分析
• 线性离散系统的控制器设计 • 线性离散系统设计案例分析
01
线性离散系统概述
定义与特点
要点二
离散系统稳态误差的计算方法
离散系统稳态误差的计算方法包括解析法和仿真法，其中 解析法是通过求解差分方程得到稳态误差，仿真法则是通 过模拟系统的动态过程得到稳态误差。
05
线性离散系统的控制器设计
离散系统的状态反馈控制
01
状态反馈控制
通过测量系统的状态变量，并利 用这些信息来产生控制输入，以 实现系统的期望性能。
THANKS
感谢观看
01
离散系统响应的分类
离散系统的响应可以根据不同的标准进行分类，如根据时间响应可以分
为瞬态响应和稳态响应，根据系统参数可分为超调和调节时间等。
02
离散系统响应的数学模型
离散系统的数学模型通常采用差分方程或状态方程表示，通过求解这些
方程可以得到系统的响应。
03
离散系统响应的分析方法
离散系统响应的分析方法包括时域分析和频域分析，其中时域分析主要
基于系统的输出方程和性能指标，通过设计适当的观测器来估计状 态变量，并利用这些估计值来设计输出反馈控制器。
输出反馈控制的局限性
对于非线性系统和不确定性可能存在较大的误差，并且对于状态变 量的测量可能存在噪声和延迟。
离散系统的最优控制
最优控制
01
通过优化性能指标来选择控制策略，以实现系统性能的最优化。
自动控制原理(第三版)第七章 线性离散系统分析与设计
• 线性离散系统概述 • 线性离散系统的数学模型 • 线性离散系统的稳定性分析 • 线性离散系统的动态性能分析
• 线性离散系统的控制器设计 • 线性离散系统设计案例分析
01
线性离散系统概述
定义与特点
石群自动控制原理(第7章)
➢ 离散(时间)系统 ①系统中至少一处信号是脉冲或数码。 ②那些信号只定义在离散时间上。
➢ 采样/脉冲控制系统： 系统中的离散信号是脉冲序列形式的离散系统。
➢ 数字/计算机控制系统 系统中的离散信号是数字序列形式的离散系统。
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，而无法获取瞬时之间的信息。
⑦若采样编码是瞬间完成，并用理想脉冲等效代替数 字信号，则数字信号可以看成脉冲信号， A/D转换器 可用每隔T秒瞬时闭合一次的理想采样开关S来表示。
⑵D/A转换器 ①将离散数字信号转换为连续模拟信号的装置。 ②D/A转换包括解码和复现两个过程。
离散数字--解码--离散模拟--复现(保持器)--连续模拟
连续信号
采样器 保持器
脉冲序列
采样系统：采样器和保持器是特殊环节。 ⑴信号采样和复现
①采样：连续信号转变为脉冲信号。 ②采样器，例如采样开关。 ③T是采样周期，fs=1/T是采样频率。 ④采样角频率：ωs=2π/T=2πfs，单位是rad/s ⑤采样持续时间τ<<T，τ<<max{连续部分的时间
常数}，通常认为τ趋近于0。 ⑥矩形面积
⑤对于传输延迟，甚至大延迟控制系统，可以引入采样 的方式稳定。
4. 离散系统的研究方法 数学基础：Z变换。
7-2 信号的采样与保持
1. 采样过程 ①采样器，又称采样开关：把连续信号变换为脉冲序列。 ②采样过程：用一个周期性闭合的采样开关S表示。
通常可认为，采样开关的闭合时间τ非常小，是ms、
μs级的，远小于采样周期T和系统连续部分的最大时间 常数。
请分析：采样信号与数字信号的区别和联系？
✓区别 采样：在离散时刻，采集连续的幅值。 编码：即A/D过程，将采样值进行0、1编码。
➢ 采样/脉冲控制系统： 系统中的离散信号是脉冲序列形式的离散系统。
➢ 数字/计算机控制系统 系统中的离散信号是数字序列形式的离散系统。
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，而无法获取瞬时之间的信息。
⑦若采样编码是瞬间完成，并用理想脉冲等效代替数 字信号，则数字信号可以看成脉冲信号， A/D转换器 可用每隔T秒瞬时闭合一次的理想采样开关S来表示。
⑵D/A转换器 ①将离散数字信号转换为连续模拟信号的装置。 ②D/A转换包括解码和复现两个过程。
离散数字--解码--离散模拟--复现(保持器)--连续模拟
连续信号
采样器 保持器
脉冲序列
采样系统：采样器和保持器是特殊环节。 ⑴信号采样和复现
①采样：连续信号转变为脉冲信号。 ②采样器，例如采样开关。 ③T是采样周期，fs=1/T是采样频率。 ④采样角频率：ωs=2π/T=2πfs，单位是rad/s ⑤采样持续时间τ<<T，τ<<max{连续部分的时间
常数}，通常认为τ趋近于0。 ⑥矩形面积
⑤对于传输延迟，甚至大延迟控制系统，可以引入采样 的方式稳定。
4. 离散系统的研究方法 数学基础：Z变换。
7-2 信号的采样与保持
1. 采样过程 ①采样器，又称采样开关：把连续信号变换为脉冲序列。 ②采样过程：用一个周期性闭合的采样开关S表示。
通常可认为，采样开关的闭合时间τ非常小，是ms、
μs级的，远小于采样周期T和系统连续部分的最大时间 常数。
请分析：采样信号与数字信号的区别和联系？
✓区别 采样：在离散时刻，采集连续的幅值。 编码：即A/D过程，将采样值进行0、1编码。
《自动控制原理》第七章 离散控制系统
k 0
式中， ( z ) 称为离散信号e* (t ) 的z变换，记为 E( z) Z[e* (t )] E
7.3.2 z变换的方法
常用的求取离散函数的z变换方法有级数求和法、部分分式法和留数计算法。
1.级数求和法
根据z变换的定义，将连续信号 e(t ) 按周期 T 进行采样，级数展开可得
教学难点
离散时间函数的数学表达式及采样定理， 线性常系数差分方程与脉冲传递函数，采 样控制系统的时域分析，采样控制系统的 频域分析。
概述：
近年来，随着脉冲技术、数字式元器件、数字计算机，特别是微处理器
的迅速发展，数字控制器在许多场合取代了模拟控制器，比如微型数字 计算机在控制系统中得到了广泛的应用。离散系统理论的发展是非常迅 速的。 因此，深入研究离散系统理论，掌握分析与综合数字控制系统的基 础理论与基本方法，从控制工程特别是从计算机控制工程角度来看，是 迫切需要的。
图7-3 信号复现过程
7.1.2 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。 其原理方框图如图7-4所示。
图7-4 数字控制系统方框图
过程分析：A/D转换器将连续信号转换成数字序列，经数字控制器处理后生 成离散控制信号，再通过D/A转换器转换成连续控制信号作用于 被控对象。
第7章 离散控制系统
教学重点
了解线性离散系统的基本概念和基本定理，把握 线性连续系统与线性离散系统的区别与联系； 熟练掌握Z变换的方法、Z变换的性质和Z反变换； 了解差分方程的定义，掌握差分方程的解法； 了解脉冲传递函数的定义，熟练掌握开环与闭环 系统脉冲传递函数的计算方法； 与线性连续系统相对应，掌握线性离散系统的时 域和频域分析方法和原则。
式中， ( z ) 称为离散信号e* (t ) 的z变换，记为 E( z) Z[e* (t )] E
7.3.2 z变换的方法
常用的求取离散函数的z变换方法有级数求和法、部分分式法和留数计算法。
1.级数求和法
根据z变换的定义，将连续信号 e(t ) 按周期 T 进行采样，级数展开可得
教学难点
离散时间函数的数学表达式及采样定理， 线性常系数差分方程与脉冲传递函数，采 样控制系统的时域分析，采样控制系统的 频域分析。
概述：
近年来，随着脉冲技术、数字式元器件、数字计算机，特别是微处理器
的迅速发展，数字控制器在许多场合取代了模拟控制器，比如微型数字 计算机在控制系统中得到了广泛的应用。离散系统理论的发展是非常迅 速的。 因此，深入研究离散系统理论，掌握分析与综合数字控制系统的基 础理论与基本方法，从控制工程特别是从计算机控制工程角度来看，是 迫切需要的。
图7-3 信号复现过程
7.1.2 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。 其原理方框图如图7-4所示。
图7-4 数字控制系统方框图
过程分析：A/D转换器将连续信号转换成数字序列，经数字控制器处理后生 成离散控制信号，再通过D/A转换器转换成连续控制信号作用于 被控对象。
第7章 离散控制系统
教学重点
了解线性离散系统的基本概念和基本定理，把握 线性连续系统与线性离散系统的区别与联系； 熟练掌握Z变换的方法、Z变换的性质和Z反变换； 了解差分方程的定义，掌握差分方程的解法； 了解脉冲传递函数的定义，熟练掌握开环与闭环 系统脉冲传递函数的计算方法； 与线性连续系统相对应，掌握线性离散系统的时 域和频域分析方法和原则。
第7章线性离散控制系统(自动控制原理)
◆
5
7.1 引言
◆ 时间上离散的信号，其幅值可能是连续的，亦可能是离散
的。将时间上、幅值上都连续的模拟信号，转换成时间上离 散、但幅值上仍然连续的离散模拟序列信号的过程，而这一 过程就称为采样，又称为波形的离散化过程，相应的控制系 统则称为采样控制系统。
若由数字计算机实现控制，受计算机字长限制，还需要进 一步将幅值连续的理想化序列信号量化为数字序列信号，进 一步得到时间和幅值上都是离散的数字序列信号，相应的控 制系统则称为数字控制系统。
采样定理：为使离散信号不失真的还原成连续信号，采样频 率必须大于等于原连续信号所含最高频率的两倍： s 2max
3
7.1 引言
4
7.1 引言
◆ 采样控制系统由于其控制对象本身是连续信号部件，因而
它与离散系统有所区别；又由于其输出信号及控制作用的给 定都是以数码形式出现的，因而它与连续系统有所区别。总 的来说，采样系统的分析与设计是按离散系统的方法来处理 的，所以常把它归结为离散系统。
严格地说，这两者是有区别的，主要表现在采样信号与离 散信号的描述上。采样信号(或函数)是在整个实数轴上取值 其定义域是一维数集，而离散信号(或函数)则是实数轴上取 正整数，其定义域是孤立点集。离散信号是客观存在的信号， 而采样信号是连续信号经采样器采样后人为得到的。
第 7章 线性离散控制系统
1
主要内容 7.1 引言
7.2 采样与保持
7.3 Z 变换
7.4 脉冲传递函数
7.5 离散控制系统的稳定性分析
7.6 离散控制系统的时间响应
7.7 离散控制系统的校正
2
7.1 引言
◆ 由于电子计算机进入自动控制领域，出现了数字计算机控
制系统。出入计算机的信号都是断续的数字信号，故必须将 原来的连续信号变成断续信号，即采样信号。从某种意义上 说采样信号具有人为的性质。这样的系统必然在某一处或几 处出现脉冲信号或数码信号，通常称为采样控制系统。
5
7.1 引言
◆ 时间上离散的信号，其幅值可能是连续的，亦可能是离散
的。将时间上、幅值上都连续的模拟信号，转换成时间上离 散、但幅值上仍然连续的离散模拟序列信号的过程，而这一 过程就称为采样，又称为波形的离散化过程，相应的控制系 统则称为采样控制系统。
若由数字计算机实现控制，受计算机字长限制，还需要进 一步将幅值连续的理想化序列信号量化为数字序列信号，进 一步得到时间和幅值上都是离散的数字序列信号，相应的控 制系统则称为数字控制系统。
采样定理：为使离散信号不失真的还原成连续信号，采样频 率必须大于等于原连续信号所含最高频率的两倍： s 2max
3
7.1 引言
4
7.1 引言
◆ 采样控制系统由于其控制对象本身是连续信号部件，因而
它与离散系统有所区别；又由于其输出信号及控制作用的给 定都是以数码形式出现的，因而它与连续系统有所区别。总 的来说，采样系统的分析与设计是按离散系统的方法来处理 的，所以常把它归结为离散系统。
严格地说，这两者是有区别的，主要表现在采样信号与离 散信号的描述上。采样信号(或函数)是在整个实数轴上取值 其定义域是一维数集，而离散信号(或函数)则是实数轴上取 正整数，其定义域是孤立点集。离散信号是客观存在的信号， 而采样信号是连续信号经采样器采样后人为得到的。
第 7章 线性离散控制系统
1
主要内容 7.1 引言
7.2 采样与保持
7.3 Z 变换
7.4 脉冲传递函数
7.5 离散控制系统的稳定性分析
7.6 离散控制系统的时间响应
7.7 离散控制系统的校正
2
7.1 引言
◆ 由于电子计算机进入自动控制领域，出现了数字计算机控
制系统。出入计算机的信号都是断续的数字信号，故必须将 原来的连续信号变成断续信号，即采样信号。从某种意义上 说采样信号具有人为的性质。这样的系统必然在某一处或几 处出现脉冲信号或数码信号，通常称为采样控制系统。
自动控制原理第7章 线性离散控制系统分析
7. 2 信号采样与保持
7.2.1 信号采样与采样定理
7. 2 信号采样与保持
7.2.1 信号采样与采样定理
香农（Shannon）采样定理 ： 可以从采样信号 e* (中t) 完全复现连续信号 的e(条t) 件是采样频率 必须大于或s 等于输入采样开关的连续信号 频谱中的最e高(t)频 率 的2倍，即 max
7.5.3 线性离散系统的稳定误差
由于G(Z)与采样周期T有关，因而，线性定常离散系统的
稳态误差不仅与系统的结构和参数及输入信号的形式及幅
值有关，而且还与采样周期T有关。
7. 6 线性离散系统的动态性能分析
7.6.1 线性离散系统的单位阶跃响应
离散系统的闭环脉冲传递函数为 式中， R(z) z /(z 1) 。系统输出的变换式为
平面上以原点为圆心的单位圆内。
z，i 即1所有 均位z于i [z]
否则，系统不稳定。
对于线性定常离散系统不能直接应用劳斯判据，需采用一种
变换方法，使[z]平面上的单位圆映射为新坐标系的虚轴。这
种坐标变换称为双线性变换，亦称为W 变换。
7. 5 线性离散系统的稳定性与稳态误差
7.5.1 线性定常离散系统稳定的充要条件
7.5.3 线性离散系统的稳定误差
单位反馈误差采样系统如图所示
如果系统稳定，即系统的闭环极点全部位于[Z]平面上的单
位圆内，则用Z变换的终值定理求出采样瞬时的稳态误差
为
e()
lim
t
e*
(t)
lim(1
z 1
z
1
)E(z)
lim
z 1
(1 z)R(z)
z1 G(z)
第七章自动控制原理
采样定理给出了选择采样周期T的依据。
7.2.2 信号复现及零阶保持器
▪ 信号复现 将数字信号转换复原成连续信号的过程称信号复现。该装置称 为保持器或复现滤波器。
▪ 零阶保持器 零阶保持器是最简单也是工程中使用最广泛的保持器。零
阶保持器的输入输出特性可用下图描述。
e*(t)
eh(t)
e*(t) 零阶保持器 eh(t)
n0
n0
采样信号的拉氏变换
E * (s) L[e* (t)] e(nT )e nTS
n0
例 e(t)=eat,试写出e*(t)表达式。
解：e (t ) e anT (t nT ) n0
物理意义：可看成是单位理想脉冲串T (t) 被输入信号e(t)进行
调制的过程，如下图所示
在图中，T(t)为载波信号；e(t)为调制信号； e*(t)为
n0
z z 1
两端对z求导数，得
(n)z n1
n0
1 (z 1)2
两边同乘(-Tz)，得单位斜坡信号的z变换
nT z n
Tz
,( z 1)
n0
(z 1)2
(5) 指数函数 e(t)=e-at(a为实常数〕，则
E( Z ) e anT z n n0
1 e aT z 1 e 2aT z 2 e 3aT z 3 (*)
(s ) s o s
1/ Ts Fs ()
o TS
t
s om s
3. 采样定理（香农定理）
如果采样器的输入信号最高角频率为ωmax， 则只有当采样频率ωs≥2ωmax,才可能从采样信号
中无失真地恢复出连续信号。
s 2 max
其中
s
:
自动控制原理：第七章 离散系统理论
z1
1
z 1
F z
【前提】仅当极限 lim f (存nT在) 时。 n
『例7』 求1t 和T 的(tZ变T换) 。
『解』Z
1t
T
z 1Z
1t
z 1
z
z 1
1 z 1
Z t T z1Z t z1
Z (t) 1
Z (t T ) z1 Z (t 2T ) z2
Z (t 3T ) z3
f*(t)。 f(t)
T (t)
f (t)
-3T -T T 3T -2T 2T
f(t)
T (t)
脉冲调制器
f (t)
0
t
0
t
f *(t) f (0) (t) f (T ) (t T )
F*(s) f (nT ) enTs n0
f (nt) (t nT )
f (nT ) (t nT) n0
第七章 线性离散系统的分析
7-1 离散系统的基本概念
7-2 信号的采样和保持 7-3 Z 变换理论 7-4 离散系统的数学模型 7-5 离散系统的稳定性与稳态误差
背景：由于脉冲技术、数字式元部件、数字计算机的
发展，数字控制器在许多场合取代了模拟控制器。
离散系统与连续系统差别：利用Z变换法研究离散
系统，连续系统中的概念和方法可推广应用于离散系 统。
『例1』设e(t) ,1试(t)求 的e拉* (t氏) 变换。
『解』 E* (s) e(nT )enTs 1 eTs e2Ts ... n0
1
1 eTs
eTs ,| eTs | 1 eTs 1
『例2』设 e(t) eat，, t试求0 的拉e氏* (变t) 换。
『解』
1
z 1
F z
【前提】仅当极限 lim f (存nT在) 时。 n
『例7』 求1t 和T 的(tZ变T换) 。
『解』Z
1t
T
z 1Z
1t
z 1
z
z 1
1 z 1
Z t T z1Z t z1
Z (t) 1
Z (t T ) z1 Z (t 2T ) z2
Z (t 3T ) z3
f*(t)。 f(t)
T (t)
f (t)
-3T -T T 3T -2T 2T
f(t)
T (t)
脉冲调制器
f (t)
0
t
0
t
f *(t) f (0) (t) f (T ) (t T )
F*(s) f (nT ) enTs n0
f (nt) (t nT )
f (nT ) (t nT) n0
第七章 线性离散系统的分析
7-1 离散系统的基本概念
7-2 信号的采样和保持 7-3 Z 变换理论 7-4 离散系统的数学模型 7-5 离散系统的稳定性与稳态误差
背景：由于脉冲技术、数字式元部件、数字计算机的
发展，数字控制器在许多场合取代了模拟控制器。
离散系统与连续系统差别：利用Z变换法研究离散
系统，连续系统中的概念和方法可推广应用于离散系 统。
『例1』设e(t) ,1试(t)求 的e拉* (t氏) 变换。
『解』 E* (s) e(nT )enTs 1 eTs e2Ts ... n0
1
1 eTs
eTs ,| eTs | 1 eTs 1
『例2』设 e(t) eat，, t试求0 的拉e氏* (变t) 换。
『解』
自动控制原理(离散控制系统 )-PPT精选文档
谱中的补充分量相互交叠在一起,采样器的输出信号将发生畸变, 无法再恢复到原来的连续信号的频谱。
图(c) 采样信号频谱 s < 2 h
由此可见，要想使连续信号不失真地从采样信号中恢复过来， 则必须满足条件：
s 2h
5、采样定理（Shannon定理）
Shannon定理：如果采样器的输入信号e（t）的频谱具有有限带宽，
（3）、信号保持器的特性 a、低通滤波特性；b、相角迟后特性；c、时间迟后特性。
7.3 Z变换理论 一、Z变换定义
1、直接定义
对于离散信号序列：
e * t e nT t n T e n T e 0 ,e 1 ,
n 0
定义它的Z变换为：
E Z e nT Z n e 0 e 1 T Z 1 e 2 T Z 2
由于连续信号 e ( t )的频谱 E( j)是单一的连续频谱，其最大角频率
为 h ，如图（a）所示。而采样信号的频谱则是以采样角频率为 s周 期的无穷多个频谱之和，当 s >2 h 时,则采样频谱如图（b）所示。
图(a) 连续信号频谱
图(b) 采样信号频谱 s >2 h
当 s <2 h 时,则采样频谱如下图（c）所示。此时, 采样频
n
n
0
enT tnT enT tnT
n
n0
习惯上认为e(t)只有在开始采样以后才有意义，因此， t < 0时的信号 为零，即 ：
0
enTtnT0
n
故经过采样器出来的离散信号为 ：
e*tenTtnT
n 0
其中，Z为复变量，且上式为无穷级数收敛，即|z-1|<1。
图(c) 采样信号频谱 s < 2 h
由此可见，要想使连续信号不失真地从采样信号中恢复过来， 则必须满足条件：
s 2h
5、采样定理（Shannon定理）
Shannon定理：如果采样器的输入信号e（t）的频谱具有有限带宽，
（3）、信号保持器的特性 a、低通滤波特性；b、相角迟后特性；c、时间迟后特性。
7.3 Z变换理论 一、Z变换定义
1、直接定义
对于离散信号序列：
e * t e nT t n T e n T e 0 ,e 1 ,
n 0
定义它的Z变换为：
E Z e nT Z n e 0 e 1 T Z 1 e 2 T Z 2
由于连续信号 e ( t )的频谱 E( j)是单一的连续频谱，其最大角频率
为 h ，如图（a）所示。而采样信号的频谱则是以采样角频率为 s周 期的无穷多个频谱之和，当 s >2 h 时,则采样频谱如图（b）所示。
图(a) 连续信号频谱
图(b) 采样信号频谱 s >2 h
当 s <2 h 时,则采样频谱如下图（c）所示。此时, 采样频
n
n
0
enT tnT enT tnT
n
n0
习惯上认为e(t)只有在开始采样以后才有意义，因此， t < 0时的信号 为零，即 ：
0
enTtnT0
n
故经过采样器出来的离散信号为 ：
e*tenTtnT
n 0
其中，Z为复变量，且上式为无穷级数收敛，即|z-1|<1。
自动控制原理第七章 线性离散系统
计算机控制系统的优点
• • • 有利于实现高精度， 采样信号特别是数码信号的传递，能有效地抑 制噪声，从而提高了系统的抗干扰能力。 由于采用计算机作为系统的控制器，因而这类 系统不仅能完成复杂的控制任务，而且还易于 实现修改控制器的结构参数，以满足工程实际 的需要。 计算机除了作控制器之外，还兼有显示报警等 多种功能。
n
e
n
X [ j ( n
s
)]
X * ( j )
1 T
n
X [ j ( n
s
)]
X * ( j )
1 T
n
X [ j ( n
x ( j )
s
)]
m
m
(a)
* 1 x ( j ) T n=0
x (t ) x (t ) (t nT )
* n
x (t )
*
1 T
x (t ) e jn s t
n jn s t
n
n
(t nT ) C
n
e
1
jn s t
n
x (t ) e
1 T 1 T
x (t ) 1 e t
由Z变换表可得
X ( z) z z 1 z ze
T
z (1 e T ) ( z 1)( z e T )
3. Z变换的性质
(1) 线性定理 若 E1(z)=Z[e1(t)]，E2(z)=Z[e2(t)]，a为常数，则 Z[e1(t)+e2(t)]= E1(z)+ E2(z)，Z[ae(t)]=a E(z) (2) 实数位移定理 若 E(z)=Z[e(t)]， k 1 k 则 Z[e(t-kT)]=z-kE(z), Z[e(t+kT)]= z [ E ( z ) e( nT ) z n ]
自动控制原理胡寿松--第7章
离散信号能无失真地恢复到原来的连续信号
采样周期的选取： 原则上采样周期的选取应该保证能够复现系统所能通过 的最高频率的信号，一般需要经过实验确定。对于伺服
系统一般认为频率超过c的信号将被滤除，因而一般选 择采样周期s 10c
信号的复现D/A转换
x (t)
T 2T 3T
解码，将数字信号折算成对应的电压或电流值 x(KT )
1- e-aT a(z - e-aT )
二.线性离散系统的闭环传函
• 在分析离散系统脉冲传递函数时，应注意在 闭环的各个通道以及环节之间是否有采样开关， 因为有、无采样开关所得的闭环脉冲传递函数是 不相同的。
试求右图所示系统的闭环传函
R(s) (s)
-
Y(s)
G1(s)
G2(s)
C* (s)
f () lim f (t) lim(z 1)F(z)
t
z1
(7) 卷积定理
若：Z[ f1(t)] F1(z), Z[ f2 (t)] F2 (z)，
则 F1(z) F2 (z) Z[ f1(mT ) f2(kT mT )] m0
4. Z反变换
(1) 幂级数展开法
第七章 线性离散控制系统分析初步
•学习重点
了解线性离散系统的基本概念和基本定理，把握线性连 续系统与线性离散系统的区别与联系；
熟练掌握Z变换、Z变换的性质和Z反变换方法
了解脉冲传递函数的定义，熟练掌握开环与闭环系统脉 冲传递函数的计算方法；
掌握线性离散系统的时域分析方法
7.1 线性离散系统的基本概念
(2) 延迟定理 设t<0时f(t)=0，令Z[f(t)]=F(z)，则
Z f (t nT) znF(z)
采样周期的选取： 原则上采样周期的选取应该保证能够复现系统所能通过 的最高频率的信号，一般需要经过实验确定。对于伺服
系统一般认为频率超过c的信号将被滤除，因而一般选 择采样周期s 10c
信号的复现D/A转换
x (t)
T 2T 3T
解码，将数字信号折算成对应的电压或电流值 x(KT )
1- e-aT a(z - e-aT )
二.线性离散系统的闭环传函
• 在分析离散系统脉冲传递函数时，应注意在 闭环的各个通道以及环节之间是否有采样开关， 因为有、无采样开关所得的闭环脉冲传递函数是 不相同的。
试求右图所示系统的闭环传函
R(s) (s)
-
Y(s)
G1(s)
G2(s)
C* (s)
f () lim f (t) lim(z 1)F(z)
t
z1
(7) 卷积定理
若：Z[ f1(t)] F1(z), Z[ f2 (t)] F2 (z)，
则 F1(z) F2 (z) Z[ f1(mT ) f2(kT mT )] m0
4. Z反变换
(1) 幂级数展开法
第七章 线性离散控制系统分析初步
•学习重点
了解线性离散系统的基本概念和基本定理，把握线性连 续系统与线性离散系统的区别与联系；
熟练掌握Z变换、Z变换的性质和Z反变换方法
了解脉冲传递函数的定义，熟练掌握开环与闭环系统脉 冲传递函数的计算方法；
掌握线性离散系统的时域分析方法
7.1 线性离散系统的基本概念
(2) 延迟定理 设t<0时f(t)=0，令Z[f(t)]=F(z)，则
Z f (t nT) znF(z)
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采样定理(香农定理)
若采样器输入信号e(t)带宽有限，且有直到ωm (rad/s)的频率分量，当采样周期T满足下列条件
T 2 (s) 2 m
e(t)就可以从e*(t)中恢复过来,也可表示为
ωs ≥ 2ωm 如连果续信s 号 2T。 2m (采样角频率)，就不能准确恢复原来的
e * (t) e(t) (t nT )
7.1.1 离散系统的特点
一、信号分类
1、模拟信号 信号是时间的连续函数；
2、离散信号 信号是时间上的离散序列；
e(t) e*(t)
t
(a) 连续信号
t
(b) 离散信号
3、数字信号
离散量化信号，是时间上、幅值 上的离散序列。
t
(c) 离散量化信号
二、控制系统分类
1、连续系统
r(t)
e(t) 控制器
7.1 离散系统的基本概念
连续系统:r(t)、c(t)和e(t)等是时间t的连 续函数，这样的系统称为连续系统。
计算机广泛应用于控制系统，微机是以数字 方式传递和处理信息，控制系统中的信号定 义在离散时间上的系统称为离散系统。
离散系统与连续系统既有差别，又有相似 性。连续系统通过Z变换，可以将连续系统中 的概念应用到离散系统。
不同点：信号的形式（采样器、保持器）。 采样控制的优点：
精度高、可靠、有效抑制干扰、通用性好。 采样周期：一个非常重要、特殊的参数，会影响系统的
稳定性、稳态误差、信号恢复精度！
7.1.2 采样开关的工作方式
采样开关的工作方式，指采样速度和采样开关 的周期性采样之间的相位问题； 采样误差信号e(是t) 通过采样开关对连续信号 采e(t) 样后得到的； 采样开关经过一定的时间T闭合一次，采样时间 为τ，τ<T。T为采样周期，ƒs=1/T及ωs=2πƒs 分别为采样频率和采样角频率。
第七章 线性离散系统
7.1 离散系统的基本概念 7.2 采样过程及采用定理 7.3 信号恢复与信号保持 7.4 Z变换理论 7.5 线性离散系统的脉冲传递函数 7.6 线性离散系统的稳定性与稳态误差 7.7 动态响应与闭环零、极点分布的关系 7.8 线性离散系统的数字校正 7.9 最少拍离散系统的分析与校正
u(t) 被控
对象
c(t)
2、采样系统
测量元件
r(t) e(t) e*(t) 脉 冲 u*(t)
u(t) 被控 c(t)
控制器
ZOH对象Fra bibliotek测量元件
3、计算机控制系统
r(t) e(t)
A/D
e*(t) 数
字
u*(t)
D/A
计算机
u(t) 被控 c(t)
对象
测量元件
三、连续系统与采样控制系统的区别
相同点: 1、采用反馈控制结构; 2、由被控对象、测量元件和控制器组成; 3、控制系统的目的相同; 4、系统分析的内容相同。
7.2.1采样过程
采样器（采样开关）：将连续信号变为脉冲序列的装置；
采样过程：对连续信号采样后变为时间上离散的脉冲序列
的过程；
τ时间内,e(t)变化甚微，可
近似为宽度为 τ ,高度为
采样器
e(nT)的矩形脉冲序列
e(t) T e* (t)
T (t) (t nT ) T—采样周期,τ-采样时间
ns
)]
连续信号的频谱为 E(j)
E( j)
采样信号的频谱为 E*(j)
E* ( j)
1
T
-ωm 0 ωm
-3ωs -2ωs
-ωs -ωm 0 ωm ωs
E* ( j)
1
T
2ωs
3ωs
-ωs
-ωm 0 ωm
ωs
E * (s)
1 T
E(s
n
jns )
E* ( j)
1
T
ωs = 2ωm
-3ωs -2ωs -ωs-ωm 0 ωm ωs 2ωs 3ωs
δT(t) =
cne
jns
t
ωs满n足什 么条件时
ω才s=能2π从/TE为*(采j样) 角频率,
CCnn恢是傅复氏T1出系00E数(,其j(值t))为d??t：
1 T
δT(t)
=ωs1 ≥2ωejnmst
T n
e*或(t：) T≤1π/ωem(t)ejnst
T n
E * (
j)
1 T
n
E[
j(
采样的方式
周期采样：采样时刻为nT(n=0、1、2…),T 为常 量； 多阶采样：采样时间是周期性重复的； 多速采样：用两个具有不同采样周期的采样器对信 号同时采样； 随机采样：采样时间是随机变量。 本章讨论等周期采样
常见的采样系统 •数字计算机作为控制器的控制系统 •多点巡回检测与控制系统
7.2 采样过程及采用定理
n
τ <<T n—整数
信号采样
理想采样序列：
T (t) (t nT )
n0
e*(t) e(t)T (t) e(t ) (t nT ) e(nT ) (t nT )
n0
n0
采样过程是脉冲调制过程,对采样器的输出拉氏变换
E * (s) L[e * (t)] L[ e(nT ) (t nT )]
T的选取，主要取决于系统的性能指标。
频域闭环:闭环频率响应有低通滤波特性．输入频率高于ωr 时，信号快速衰减，可认为通过系统的控制信号最高频率分
量为ωr 。 频域开环：近似有ωc＝ωr，频率分量超过ωc的分量通过系 统后被大幅度衰减。
随动系统的采样角频率近似为ωs=10ωc T=2π/ωs ,采样周期公式可表示为
由拉氏变换实位移定理n0
L[ (t nT )] enTs
(t)est dt
e nTs
0
L[e*(t)] E*(s) e(nT )enTs
n0
采样过程相当脉冲调制过程,采样输出是两个信号的乘积
T (t)---决定采样时间 e(nT )---决定采样信号幅值
7.2.1 采样定理
为了从采样信号中不失真地复现原连续信号,离散系 统设计者必须遵循采样定理;
n0
e*(t)对应的 离散信号
表示为
e * (t) e(t)T (t)
T (t) (t nT ) n0
e （t)连续信号
单位脉冲理 想响应序列
T (t)
cn e jnst
n
以T为周期的复式函 数，可展开成傅立叶 级数(或指数形式)
1
cn T
T2
jnst
T 2 T t
dt
采样信号的频谱（证明）
7.2.3 采样周期的选择
采样周期T选得越小，即采样角频率ωs选得越高，信息获 得的越多，控制效果越好; T过短，控制规律复杂， T过长，控制误差大，动态性能降低，甚至导致系统不稳 定; 采样周期T参考选择；
控制过程
采样周期 （T)（s)
流量
１－３
压力
液位
温度
成分
１－５ ５－１０ １０－２０ １０－２０
若采样器输入信号e(t)带宽有限，且有直到ωm (rad/s)的频率分量，当采样周期T满足下列条件
T 2 (s) 2 m
e(t)就可以从e*(t)中恢复过来,也可表示为
ωs ≥ 2ωm 如连果续信s 号 2T。 2m (采样角频率)，就不能准确恢复原来的
e * (t) e(t) (t nT )
7.1.1 离散系统的特点
一、信号分类
1、模拟信号 信号是时间的连续函数；
2、离散信号 信号是时间上的离散序列；
e(t) e*(t)
t
(a) 连续信号
t
(b) 离散信号
3、数字信号
离散量化信号，是时间上、幅值 上的离散序列。
t
(c) 离散量化信号
二、控制系统分类
1、连续系统
r(t)
e(t) 控制器
7.1 离散系统的基本概念
连续系统:r(t)、c(t)和e(t)等是时间t的连 续函数，这样的系统称为连续系统。
计算机广泛应用于控制系统，微机是以数字 方式传递和处理信息，控制系统中的信号定 义在离散时间上的系统称为离散系统。
离散系统与连续系统既有差别，又有相似 性。连续系统通过Z变换，可以将连续系统中 的概念应用到离散系统。
不同点：信号的形式（采样器、保持器）。 采样控制的优点：
精度高、可靠、有效抑制干扰、通用性好。 采样周期：一个非常重要、特殊的参数，会影响系统的
稳定性、稳态误差、信号恢复精度！
7.1.2 采样开关的工作方式
采样开关的工作方式，指采样速度和采样开关 的周期性采样之间的相位问题； 采样误差信号e(是t) 通过采样开关对连续信号 采e(t) 样后得到的； 采样开关经过一定的时间T闭合一次，采样时间 为τ，τ<T。T为采样周期，ƒs=1/T及ωs=2πƒs 分别为采样频率和采样角频率。
第七章 线性离散系统
7.1 离散系统的基本概念 7.2 采样过程及采用定理 7.3 信号恢复与信号保持 7.4 Z变换理论 7.5 线性离散系统的脉冲传递函数 7.6 线性离散系统的稳定性与稳态误差 7.7 动态响应与闭环零、极点分布的关系 7.8 线性离散系统的数字校正 7.9 最少拍离散系统的分析与校正
u(t) 被控
对象
c(t)
2、采样系统
测量元件
r(t) e(t) e*(t) 脉 冲 u*(t)
u(t) 被控 c(t)
控制器
ZOH对象Fra bibliotek测量元件
3、计算机控制系统
r(t) e(t)
A/D
e*(t) 数
字
u*(t)
D/A
计算机
u(t) 被控 c(t)
对象
测量元件
三、连续系统与采样控制系统的区别
相同点: 1、采用反馈控制结构; 2、由被控对象、测量元件和控制器组成; 3、控制系统的目的相同; 4、系统分析的内容相同。
7.2.1采样过程
采样器（采样开关）：将连续信号变为脉冲序列的装置；
采样过程：对连续信号采样后变为时间上离散的脉冲序列
的过程；
τ时间内,e(t)变化甚微，可
近似为宽度为 τ ,高度为
采样器
e(nT)的矩形脉冲序列
e(t) T e* (t)
T (t) (t nT ) T—采样周期,τ-采样时间
ns
)]
连续信号的频谱为 E(j)
E( j)
采样信号的频谱为 E*(j)
E* ( j)
1
T
-ωm 0 ωm
-3ωs -2ωs
-ωs -ωm 0 ωm ωs
E* ( j)
1
T
2ωs
3ωs
-ωs
-ωm 0 ωm
ωs
E * (s)
1 T
E(s
n
jns )
E* ( j)
1
T
ωs = 2ωm
-3ωs -2ωs -ωs-ωm 0 ωm ωs 2ωs 3ωs
δT(t) =
cne
jns
t
ωs满n足什 么条件时
ω才s=能2π从/TE为*(采j样) 角频率,
CCnn恢是傅复氏T1出系00E数(,其j(值t))为d??t：
1 T
δT(t)
=ωs1 ≥2ωejnmst
T n
e*或(t：) T≤1π/ωem(t)ejnst
T n
E * (
j)
1 T
n
E[
j(
采样的方式
周期采样：采样时刻为nT(n=0、1、2…),T 为常 量； 多阶采样：采样时间是周期性重复的； 多速采样：用两个具有不同采样周期的采样器对信 号同时采样； 随机采样：采样时间是随机变量。 本章讨论等周期采样
常见的采样系统 •数字计算机作为控制器的控制系统 •多点巡回检测与控制系统
7.2 采样过程及采用定理
n
τ <<T n—整数
信号采样
理想采样序列：
T (t) (t nT )
n0
e*(t) e(t)T (t) e(t ) (t nT ) e(nT ) (t nT )
n0
n0
采样过程是脉冲调制过程,对采样器的输出拉氏变换
E * (s) L[e * (t)] L[ e(nT ) (t nT )]
T的选取，主要取决于系统的性能指标。
频域闭环:闭环频率响应有低通滤波特性．输入频率高于ωr 时，信号快速衰减，可认为通过系统的控制信号最高频率分
量为ωr 。 频域开环：近似有ωc＝ωr，频率分量超过ωc的分量通过系 统后被大幅度衰减。
随动系统的采样角频率近似为ωs=10ωc T=2π/ωs ,采样周期公式可表示为
由拉氏变换实位移定理n0
L[ (t nT )] enTs
(t)est dt
e nTs
0
L[e*(t)] E*(s) e(nT )enTs
n0
采样过程相当脉冲调制过程,采样输出是两个信号的乘积
T (t)---决定采样时间 e(nT )---决定采样信号幅值
7.2.1 采样定理
为了从采样信号中不失真地复现原连续信号,离散系 统设计者必须遵循采样定理;
n0
e*(t)对应的 离散信号
表示为
e * (t) e(t)T (t)
T (t) (t nT ) n0
e （t)连续信号
单位脉冲理 想响应序列
T (t)
cn e jnst
n
以T为周期的复式函 数，可展开成傅立叶 级数(或指数形式)
1
cn T
T2
jnst
T 2 T t
dt
采样信号的频谱（证明）
7.2.3 采样周期的选择
采样周期T选得越小，即采样角频率ωs选得越高，信息获 得的越多，控制效果越好; T过短，控制规律复杂， T过长，控制误差大，动态性能降低，甚至导致系统不稳 定; 采样周期T参考选择；
控制过程
采样周期 （T)（s)
流量
１－３
压力
液位
温度
成分
１－５ ５－１０ １０－２０ １０－２０