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1、第第9章章 数据采集与数数据采集与数据保持据保持第1页，本讲稿共18页主要内容主要内容概述概述信号采样问题信号采样问题零阶保持器零阶保持器第2页，本讲稿共18页9.1概述概述第3页，本讲稿共18页9.2信号采样问题信号采样问题9.2.1采样过程采样过程第4页，本讲稿共18页9.2.2理想采样信号的时域表示理想采样信号的时域表示理想采样是实际采样脉冲函数理想采样是实际采样脉冲函数p(t)当持续时间当持续时间0时的极限情况，这时实际采样脉冲函数时的极限情况，这时实际采样脉冲函数p(t)变成变成了理想采样的周期单位取样函数了理想采样的周期单位取样函数T(t)。让采样开关按让采样开关按T(t)的规律动
2、作，对模拟信号进行的规律动作，对模拟信号进行采样，得到的采样信号称为叫理想采样信号采样，得到的采样信号称为叫理想采样信号f*(t)。第5页，本讲稿共18页理想采样信号的时域表示（续）理想采样信号的时域表示（续）周期单位取样函数周期单位取样函数T(t)的数学表示形式的数学表示形式 ：理想采样器输出信号的表示形式：理想采样器输出信号的表示形式：第6页，本讲稿共18页理想采样信号的频域表达理想采样信号的频域表达理想采样信号频域表达理想采样信号频域表达非周期连续函数非周期连续函数f(t)的谱的谱F(j)是孤立的非周期谱，是孤立的非周期谱，频谱分布在频谱分布在-max到到max之间。之间。F*(j)是以
3、是以s为周为周期的函数，期的函数，k=0时两谱只相差一系数时两谱只相差一系数 第7页，本讲稿共18页9.2.4采样定理采样定理 采样定理采样定理：若连续信号频谱是带限的，最：若连续信号频谱是带限的，最高频率为高频率为max，对此信号进行采样时采样，对此信号进行采样时采样频率必需满足频率必需满足s 2max。当采样频率为连续系统闭环带宽的当采样频率为连续系统闭环带宽的25倍左倍左右时，计算机控制系统的性能与连续系统右时，计算机控制系统的性能与连续系统的性能十分接近的性能十分接近(实际上可以看作两者在性实际上可以看作两者在性能上是相同的能上是相同的)。当采样频率远远低于连续。当采样频率远远低于连续
4、系统闭环带宽系统闭环带宽25倍时，计算机控制系统性倍时，计算机控制系统性能与连续系统的性能相差甚远。能与连续系统的性能相差甚远。第8页，本讲稿共18页9.3保持器保持器被控对象往往是连续系统，对应的执行机被控对象往往是连续系统，对应的执行机构也应是连续的，若将采样信号序列直接构也应是连续的，若将采样信号序列直接作用到执行机构，必然使执行机构的输出作用到执行机构，必然使执行机构的输出产生大幅度的跳动，对系统是不利的。因产生大幅度的跳动，对系统是不利的。因此希望将采样信号序列恢复成连续信号后此希望将采样信号序列恢复成连续信号后作用到执行机构。作用到执行机构。从时域看，将采样信号恢复成连续信号，从时
5、域看，将采样信号恢复成连续信号，就是将采样后的时域脉冲序列就是将采样后的时域脉冲序列f*(t)(即即f(0)，f(T)，f(2T)f(kT)重构成原连续信号。重构成原连续信号。第9页，本讲稿共18页保持器（续）保持器（续）两个采样点间的函数两个采样点间的函数fk(t)可以展开成泰勒级数：可以展开成泰勒级数：导数阶次高，延时数目多，相移滞后多，相位裕度导数阶次高，延时数目多，相移滞后多，相位裕度下降，稳定性下降，因此用第一项重构连续信号，下降，稳定性下降，因此用第一项重构连续信号，其对应的保持器叫零阶保持器。其对应的保持器叫零阶保持器。第10页，本讲稿共18页9.3.1零阶保持器零阶保持器 1.
6、零阶保持器的时域特性零阶保持器的时域特性零阶保持器定义为：零阶保持器定义为：零阶保持器的特点是将零阶保持器的特点是将kT时刻的采样值一直不变时刻的采样值一直不变地保持到地保持到(k+1)T时刻之前，使采样信号时刻之前，使采样信号(即即f(kT)(k=0，1，2，3)经零阶保持器处理输出经零阶保持器处理输出分段的阶梯状信号。把阶梯信号各水平直线取分段的阶梯状信号。把阶梯信号各水平直线取中点光滑连接起来，得到的信号与原信号大体中点光滑连接起来，得到的信号与原信号大体一致，而时间滞后一致，而时间滞后T/2。第11页，本讲稿共18页零阶保持器的时域特性（续）零阶保持器的时域特性（续）零阶保持器的冲激响
7、应函数零阶保持器的冲激响应函数第12页，本讲稿共18页零阶保持器的频域特性零阶保持器的频域特性对零阶保持器的冲激响应函数，取拉氏变换求得对零阶保持器的冲激响应函数，取拉氏变换求得传递函数传递函数第13页，本讲稿共18页零阶保持器的频域特性（续零阶保持器的频域特性（续1）幅频特性为幅频特性为零阶保持器具有低通特性，而且零阶保持器具有低通特性，而且有依次减小的增益峰值。使得零有依次减小的增益峰值。使得零阶保持器的输出波形呈现台阶状，阶保持器的输出波形呈现台阶状，波形含有不希望的高频。通常零波形含有不希望的高频。通常零阶保持器后放置低通滤波器，使阶保持器后放置低通滤波器，使阶梯波形圆滑。阶梯波形圆滑
8、。第14页，本讲稿共18页零阶保持器的频域特性（续零阶保持器的频域特性（续2）相频特性为相频特性为总之，零阶保持器允许通过总之，零阶保持器允许通过基本频率和附加的高频，因基本频率和附加的高频，因此恢复的信号与原来的信号此恢复的信号与原来的信号是有区别的。零阶保持器是是有区别的。零阶保持器是滞后环节，造成系统的稳定滞后环节，造成系统的稳定性下降，必要时进行超前补性下降，必要时进行超前补偿。偿。第15页，本讲稿共18页本章小结本章小结本章首先介绍了计算机控制系统的工作流本章首先介绍了计算机控制系统的工作流程及连续与离散信号的关系。然后介绍采程及连续与离散信号的关系。然后介绍采样过程、采样信号的表示、采样定理。最样过程、采样信号的表示、采样定理。最后在介绍保持器的构造思想的基础上，讨后在介绍保持器的构造思想的基础上，讨论了应用广泛的零阶保持器的定义和特点。论了应用广泛的零阶保持器的定义和特点。第16页，本讲稿共18页本章重点及要求本章重点及要求理解计算机控制系统的工作过程；理解计算机控制系统的工作过程；掌握理想采样信号的时域表示；掌握理想采样信号的时域表示；会使用采样定理；会使用采样定理；理解保持器的原理；理解保持器的原理；掌握零阶保持器的定义和特点。掌握零阶保持器的定义和特点。第17页，本讲稿共18页练习与思考练习与思考课后课后9.1，9.3，9.4第18页，本讲稿共18页