北京科技大学 控制工程基础全八章

北科大信息工程学院自动化12024/3/5采样控制系统（Sampled-DataControlSystems）第八章线性离散控制系统

LinearDiscrete-TimeControlSystems北科大信息工程学院自动化22024/3/5

8.1采样控制

8.2采样过程和采样定理

8.3信号恢复

8.4Z变换理论及线性差分方程求解

8.5脉冲传递函数

8.6采样系统的稳定性分析

8.7采样系统的稳态误差

8.8采样系统的暂态特性分析北科大信息工程学院自动化32024/3/5自动控制系统按信号形式划分可分为以下三种类型：连续控制系统，见图（a）采样控制系统，见图（b）数字控制系统，见图（c）图（a）北科大信息工程学院自动化42024/3/5图（c）图（b）北科大信息工程学院自动化52024/3/5采样系统的特点在连续系统中的一处或几处设置采样开关，对被控对象进行断续控制；通常采样周期远小于被控对象的时间常；采样开关合上的时间远小于断开的时间；采样周期通常是相同的。北科大信息工程学院自动化62024/3/58.1采样控制一个典型的采样控制系统如图：e是连续的误差信号，经采样开关后，变成一组脉冲序列，脉冲控制器对进行某种运算，产生控制信号脉冲序列，保持器将采样信号变成模拟信号u

，作用于被控对象。图8-1采样控制系统北科大信息工程学院自动化72024/3/5模拟信号——在时间上连续，且在幅值上连续（导数连续）的信号。采样信号——又称离散信号，按一定的时间间隔对模拟信号进行采样得到的在时间上离散的一系列脉冲。采样控制系统和连续控制系统的区别：在连续系统中，各处的信号都是模拟信号；在采样系统中，一处或数处的信号是采样信号。采样系统的特性——采样过程和采样信号保持采样系统和连续系统的共性——（1）闭环控制；（2）需分析稳定性、暂态性能和稳态性能；（3）需进行校正。北科大信息工程学院自动化82024/3/58.2采样过程和采样定理一、采样过程二、采样过程的数学表达式北科大信息工程学院自动化92024/3/5一、采样过程

按一定的时间间隔对连续信号采样，将连续信号转换为脉冲序列的过程，称为采样过程。采样开关是用来实现采样过程的装置。

采样开关按周期T闭合，T称为采样周期。每次闭合时间为，由于在实际中总有，且远小于中的时间常数，可近似认为。北科大信息工程学院自动化102024/3/5采样过程可用图表示采样信号

是

和

的乘积，其中载波信号决定采样时刻，它是周期为T的单位脉冲序列，采样信号在nT(n=0,1,2…)时刻的值由

决定。载波器脉冲调制器

载波信号图2-2采样过程示意图北科大信息工程学院自动化112024/3/5

经采样得到的离散信号有可能无失真地恢复到原来的连续信号的条件是单位脉冲序列采样信号为采样信号的拉氏变换二、采样过程的数学表达式三、采样定理其中采样定理给出了选择采样周期T的依据。北科大信息工程学院自动化122024/3/5因为是周期函数，因此，可将其展开成傅里叶级数。式中称为系统的采样频率。

北科大信息工程学院自动化132024/3/5将上述式子代入式

有:对上式取拉氏变换，运用拉氏变换的复位移定理，我们得到E*(s):

上式在描述采样过程的复频域特征是极其重要的。一般连续信号e（t）的频谱是单一的连续频谱，如图2-3所示。北科大信息工程学院自动化142024/3/5

图8-3(a)

连续信号e（t）的频谱图8-3(b)离散信号

的频谱

北科大信息工程学院自动化152024/3/5

为了使信号得到很好的复现，采样频率应大于等于原始信号最大频率的二倍，即香农（Shannon）采样定理北科大信息工程学院自动化162024/3/5设e(t)=1(t)，试求e*(t)的拉氏变换。解：由例8-1得北科大信息工程学院自动化172024/3/5C.Shannon(1916-2001)，毕业于麻省理工学院数学系，贝尔实验室研究员及麻省理工学院电机系教授。早市曾跟随V.Bush参与模拟计算机的研究并提出续电器路逻辑自动化理(1938)。二战期间在参加Bode领导的火炮控制系统研究过程中发表了著名《通信的数字理论》，从而奠定了信息的基础(1948)，被誉为信息论之父。1956年回到MIT任职电子工程系教授。北科大信息工程学院自动化182024/3/5理想滤波器的滤波特性为：10其频率特性如图8-4

图8-4理想滤波器的频率特性北科大信息工程学院自动化192024/3/5从时域性能指标来看，随动系统的采样角频率可近似取为:由于，所以采样周期可按下式选取：

采样周期T可通过单位接跃响应的上升时间tr或调节时间ts按下列经验公式选取：或者北科大信息工程学院自动化202024/3/58.3采样信号保持器一、零阶保持器二、一阶保持器北科大信息工程学院自动化212024/3/5一、零阶保持器图8-5零阶保持器作用示意采样开关

保持器

零阶保持器是采用恒值外推规律的保持器，是一种最常用的保持器。它把采样时刻的采样值恒定不变地保持（或外推）到下一采样时刻:1）零阶保持器北科大信息工程学院自动化222024/3/52）零阶保持器的传递函数根据零阶保持器的单位脉冲响应，推出其传递函数。零阶保持器的单位脉冲响应是一个矩形，宽度为T，高为1，它可表示成以下二个单位阶跃信号的迭加。单位脉冲响应的拉氏变换就是零阶保持器的传递函数。图8-6零阶保持信号分解北科大信息工程学院自动化232024/3/53）零阶保持器的频谱分析零阶保持器的传递函数为：

零阶保持器的频率特性为：北科大信息工程学院自动化242024/3/5其幅频特性和相频特性如图8-7所示

图8-7零阶保持器的频率特性北科大信息工程学院自动化252024/3/5

一阶保持器以两个采样时刻的值为基础实行外推，它的外推输出式如图8-8所示。

图8-8应用一阶保持器恢复信号二、一阶保持器1）一阶保持器北科大信息工程学院自动化262024/3/5一阶保持器的脉冲响应函数应该如图8-9所示。

①单位阶跃

②单位斜坡

③2×单位阶跃

④2×单位阶跃⑤单位阶跃⑥单位斜坡

图8-9一阶保持器的脉冲响应函数2）一阶保持器的传递函数北科大信息工程学院自动化272024/3/5根据一阶保持器脉冲响应函数的分解，可得其传递函数：

3）一阶保持器的频谱分析实线是一阶保持器幅频特性；虚线为零阶保持器频率特性。

图8-10保持器的频率特性北科大信息工程学院自动化282024/3/58.4z变换理论及线性差分方程求解一、定义二、z变换的性质三、z变换方法四、z反变换方法五、线性差分方程及其求解北科大信息工程学院自动化292024/3/5其中是连续函数的采样信号，一、定义

采样函数对应的Z变换是唯一的。Z变换只适用于离散函数，因为它只表征了连续函数在采样时刻的特性。Z反变换表示为:用查表方法可得到函数的Z变换。北科大信息工程学院自动化302024/3/51）线性定理

式中a1,a2,···为常数。2)实平移定理二、z变换的性质当k<0时，有

成立，则有：北科大信息工程学院自动化312024/3/54)复平移定理5)复域微分定理6)初值定理设函数的Z变换为，而且在Z平面上以原点为圆心在单位圆上或圆外没有极点，则3）终值定理北科大信息工程学院自动化322024/3/5例8-3三、z变换方法1、级数求和法的z变换。解：北科大信息工程学院自动化332024/3/5例8-4的z变换。解：北科大信息工程学院自动化342024/3/52、部分分式法

部分分式就是要利用最常见的几种函数的z变换形式，将一般的X(s)分解成这些典型环节，进而求X(z)。常用函数z变换表：北科大信息工程学院自动化352024/3/5常用函数z变换表：北科大信息工程学院自动化362024/3/5例8-5解：例8-6解：ω北科大信息工程学院自动化372024/3/5幂级数法(长除法)实际的物理系统满足n≥m,则用综合除法有：

由Z变换的定义式可知:

即为X(z)的原函数。通常Z变换表达式有如下形式：四、z反变换方法北科大信息工程学院自动化382024/3/5已知，求x（k）。例8-710z解：北科大信息工程学院自动化392024/3/5（3）部分分式法

部分分式法又称查表法。它的基本思想是将展开成部分分式：然后，查Z变换表，即可求取X（Z）的原函数x(kT)。北科大信息工程学院自动化402024/3/5已知求X(kT)解：例8-8查Z变换表有：x(kT)=1－e-akT北科大信息工程学院自动化412024/3/5线性定常离散系统可以用后向差分方程来描述：y(k)+a1y(k-1)+……+any(k-n)=b0r(k)+b1r(k-1)+……+r(k-m)也可用前向差分方程来描述线性定常离散控制系统。y(k+n)+a1y(k+n-1)+……+an-1y(k+1)+any(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+……+bm-1r(k+1)+bmr(k)五、线性差分方程及其求解北科大信息工程学院自动化422024/3/5

若已知差分方程，并且给定输出序列初值，可利用差分方程的递推关系，(在计算机上)一步一步计算出输出序列。求解差分方程常用的有迭代法和Z变换法。1）迭代法

若已知线性定常离散控制系统的差分方程，对差分方程两边取Z变换，再根据初始条件及给定输入控制信号的Z变换表达式，可求系统输出的Z变换表达式，再求Z反变换，即可求得Y(K)。2）Z变换法北科大信息工程学院自动化432024/3/5

已知离散系统的差分方程为Y(0)=-1,求差分方程的解。解：对差分方程取Z变换，得例8-9又查Z变换表，有北科大信息工程学院自动化442024/3/5用Ｚ变换解差分方程，已知

例8-10其中

解：**北科大信息工程学院自动化452024/3/58.5脉冲传递函数一、基本概念二、采样系统的开环脉冲传递函数三、闭环脉冲传递函数北科大信息工程学院自动化462024/3/5一、基本概念定义：线性离散系统中，在零初始条件下，系统输出采样信号的Z变换与输入采样信号Z变换之比，称为系统的脉冲传递函数。G(s)r*(t)

r(t)c*(t)

c(t)

图8-10开环离散控制系统北科大信息工程学院自动化472024/3/5采样脉冲函数的物理意义

采样系统的脉冲传递函数是系统单位脉冲响应

经采样后的采样信号的Z变换。北科大信息工程学院自动化482024/3/5

假定动态环节的单位脉冲过渡函数为g(t)。该环节的输入为r*(t)利用线性环节满足叠加原理，无穷多个脉冲作用在线性环节G(s)上，其输出C(t)为将输出信号离散化，得到北科大信息工程学院自动化492024/3/5上式两边用乘以，并求和，得到：考虑到前面的给定，当t＜0时，故有同理有：北科大信息工程学院自动化502024/3/5所以采样周期与所用时间变量文字描述无关，则上式可改写为：即式中

若令式中,则可知

又因北科大信息工程学院自动化512024/3/5

已知开环离散控制系统如图r*(t)r(t)C*(t)C(t)求脉冲传递函数。

解：由式可知：例7-11北科大信息工程学院自动化522024/3/5二、采样系统的开环脉冲传递函数1、两个串联环节之间有采样开关隔开

将采样开关分隔的二个线性环节串联，脉冲传递函数是两个串联环节脉冲传递函数之积。结论可推广到n个环节串联，各相邻环节之间都有采样开关隔开的情况。北科大信息工程学院自动化532024/3/52、两个串联环节之间无采样开关隔开

无采样开关隔开的两个线性环节串联，脉冲传递函数是两个环节经采样后的单位脉冲响应和的乘积的Z变换。结论可推广到n个环节直接串联的情况。北科大信息工程学院自动化542024/3/5由解：例8-121）北科大信息工程学院自动化552024/3/52）解：北科大信息工程学院自动化562024/3/5

3.

带零阶保持器的开环系统的脉冲传递函数G1(s)r*(t)r(t)y*(t)y(t)由脉冲传递函数的定义有：即北科大信息工程学院自动化572024/3/5三、闭环脉冲传递函数1、有一个采样开关的采样系统2、有数字校正装置的采样系统北科大信息工程学院自动化582024/3/53.有干扰作用的脉冲传递函数

-假定d(t)=0,得到如下的结构图G1(s)G2(s)H(s)r(t)

e*(t)

c*(t)c(t)北科大信息工程学院自动化592024/3/5根据脉冲传递函数的定义可知整理可得到：于是得到：

北科大信息工程学院自动化602024/3/5输出的Z变换响应为：于是得到闭环系统的脉冲传递函数GB(z)为:定义误差脉冲传递函数Ge(z)为北科大信息工程学院自动化612024/3/5

已知采样系统结构如下图所示，求系统的输出脉冲响应y(z)。b*(t)G(s)H(s)

r(t)

y*(t)y(t)－

例8-13解：由脉冲传递函数定义及串连环节的连接方式，可列写出如下式子

所以，

将B(z)代入Y(z)中，有北科大信息工程学院自动化622024/3/5结论：有时闭环脉冲传递函数是写不出来的，当对输入信号

或偏差Ｅ处没有采样时；开关个数不同时得到的不同，位置不同得到的

也不同；推导过程中不能在任意地方取采样的拉氏变换，必须在真正有采样的地方才能做采样信号的拉氏变换。输入和输出地方，加的是虚拟采样，不是真的采样，只有对于单独的输入输出信号（不与其它信号有相乘或叠加关系），虚拟采样才有作用。北科大信息工程学院自动化632024/3/58.6采样系统的稳定性分析一、S域到Z域的映射二、线性采样系统Z平面稳定的充要条件三、Z

域到W域的映射四、用劳斯判据判定采样系统的稳定性北科大信息工程学院自动化642024/3/5一、S域到Z域的映射在Z平面上，上式表示单位圆可见S平面上的虚轴，映射到Z平面，是以原点为圆心的单位圆，且左半S平面对应单位圆内的区域。当δ=0，即s平面的虚轴,对应Z平面的单位圆。

当δ<0，即s左半平面对应Z平面的单位圆内。根据Z变换定义，有，假定在s平面上任有一点，则通过Z变换，映射到Z平面为北科大信息工程学院自动化652024/3/5二、线性采样系统Z平面稳定的充要条件设采样系统的闭环脉冲传递函数为系统特征方程为线性采样系统Z平面稳定的充要条件是，闭环系统的全部特征根均位于Z平面的单位圆内，即满足北科大信息工程学院自动化662024/3/5已知离散控制系统结构如下图所示，采样周期T=1秒，分析系统的稳定性。解：闭环特征方程

1+G(z)=0z2+4.952z+0.368=0z1=-0.076z2=-4.876例8-14

系统闭环特征方程的根有一个在单位圆外，该系统不稳定。

r(t)

c*(t)

c(t)

T

北科大信息工程学院自动化672024/3/5在离散系统中，引进双线性映射。

令

或

其中z和w可写为

于是有

三、Z

域到W域的映射北科大信息工程学院自动化682024/3/5

当x2+y2=1即对应Z平面上的单位圆;u=0即W平面上的虚轴;

当x2+y2<1即Z平面上单位圆内的部分，也即稳定域;u<0即左半W平面为稳定域;当x2+y2>1即Z平面上单位圆内外的部分，也即不稳定域；u>0即右半W平面对应不稳定域。北科大信息工程学院自动化692024/3/5图8-24Z平面到W平面映射

线性离散控制系统稳定的充分必要条件是：线性离散闭环控制系统特征方程的根的模小于1；或者其W变换的特征根全部位于W平面的左半平面。北科大信息工程学院自动化702024/3/5四、用劳斯判据判定采样系统的稳定性

如图8-24所示，在W平面中，离散系统的稳定范围已经变为W平面的左半平面，因此可以应用劳斯判据判断稳定性。求使系统稳定的K值范围。例8-15北科大信息工程学院自动化712024/3/5解：1、求系统的开环脉冲传递函数查表得：2、特征方程为：3、对特征方程进行双线性变换，代入T=0.25s北科大信息工程学院自动化722024/3/5整理得：4、应用劳斯判据，劳斯表为：根据劳斯判据，为使采样系统稳定，应有2.736-0.158>0，得使系统稳定的K值范围是0<K<17.3讨论：从理论上，二阶线性连续系统稳定的K值范围是K>0。对于二阶线性采样系统，当K大于某一值，系统将不稳定，可见，加入采样开关，对系统的稳定性不利，如果提高采样频率，稳定性将得到改善。北科大信息工程学院自动化732024/3/58.7采样系统的稳态误差一、采样系统的类型二、应用终值定理求给定稳态误差终值三、用静态误差系数求给定稳态误差终值北科大信息工程学院自动化742024/3/5一、采样系统的类型

设采样系统的开环脉冲函数为G(z)，当G(z)具有0个，1个，2个z＝1的极点时，系统分别为0型，I型，II型系统。二、应用终值定理求给定稳态误差终值

设采样系统是单位负反馈系统，则给定误差脉冲传递函数为：北科大信息工程学院自动化752024/3/5根据终值定理，给定稳态误差终值为：系统的稳态误差取决于G(z)和输入信号R(z)。三、用静态误差系数求给定稳态误差终值1、静态位置误差系数2、静态速度误差系数北科大信息工程学院自动化762024/3/53、静态加速度误差系数单位阶跃输入时，采样系统的稳态误差终值为单位斜坡输入时，采样系统的稳态误差终值为T为采样周期单位加速度输入时，采样系统的稳态误差终值为北科大信息工程学院自动化772024/3/5采样系统如图，零阶保持器的传递函数为

，被控对象的传递函数，采样周期T=0.5s，确定系统的类型，并求出斜坡输入作用下的稳态误差。例8-16北科大信息工程学院自动化782024/3/5查表得与上式对应的Z变换。系统的开环脉冲传递函数解：1、求系统的开环脉冲传递函数根据系统的开环脉冲传递函数，系统有一个Z=1的极点，所以为I型系统。北科大信息工程学院自动化792024/3/52、求出斜坡输入作用下的稳态误差由终值定理可得到：北科大信息工程学院自动化802024/3/58.8采样系统的暂态特性分析1.时域的瞬态响应分析方法2.闭环极点对系统瞬态响应的影响

3.Z平面的根轨迹法

北科大信息工程学院自动化812024/3/51.

时域的瞬态响应分析方法

通常离散控制系统的闭环脉冲传递函数可表示为如下形式

(为简单起见，假设没有重根)：当系统输入为单位阶跃时，其系统输出Y(z)为：北科大信息工程学院自动化822024/3/5展开成部分分式，有式中于是可以通过Z反变换得到y(k)，即得到时域解，并以此进行采样系统的时域分析北科大信息工程学院自动化832024/3/52.闭环极点对系统瞬态响应的影响

北科大信息工程学院自动化842024/3/5振荡周期为：

即经过ｋ次采样后输出振荡一个周期，或者说是输出在一个振荡周期内采样了ｋ次。

图8-25闭环实极点分布与瞬态响应复平面上的极点全为共轭：

北科大信息工程学院自动化852024/3/5北科大信息工程学院自动化862024/3/5例8-18采样系统如图，零阶保持器的传递函数为

，

被控对象的传递函数

，采样周期T=0.25s，确定系统的时域性能指标。北科大信息工程学院自动化872024/3/5解：1、求系统的开环脉冲传递函数2、求采样系统的闭环输出响应北科大信息工程学院自