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第八章采样控制系统§8-1 基本概念重点：采样系统的基本概念难点：离散信号与连续信号的区别连续系统：各变量均为时间t的连续函数。
离散系统：系统中某一处或几处的信号是脉冲序列或数字编码。
离散信号：仅在离散的瞬时上变化，是时间的离散函数，呈现的是脉冲信号或数码信号。
通常把系统中的离散信号是脉冲序列形成的离散系统，称为采样控制系统或脉冲控制系统；而把数字序列形成的离散系统，称为采样控制系统或计算机控制系统。
散控制系统分为：一、采样控制系统1．定义: 指间断地对系统中某些变量进行测量和控制的系统。
2．典型结构：根据采样装置在系统中所处的位置不同,可以构成各种采样系统。
例如：开环采样系统：采样器位于系统闭和回路之外，或系统本身不存在闭合回路。
闭环采样系统：采样器位于系统闭合回路之内。
常用误差采样控制的闭环采样系统。
如图，图中：r(t),e(t),y(t)为输入误差，输出的连续信号，S—采样开关或采样器，为实现采样的装置。
T—采样周期。
e﹡(t)—是e(t)连续误差信号经过采样开关后，获得的一系列离散的误差信号。
e*(t)作为脉冲控制器的输入,经控制器对信号进行处理，在经过保持器（或滤波器）恢复为连续信号。
即将脉冲信号e*(t)①采样过程：把连续信号转变为脉冲序列的过程称采样过程，简称采样。
②采样器：实现采样的装置，或采样开关。
③保持器：将采样信号转化为连续信号的装置（或元件）。
④信号复现过程：把脉冲序列--连续信号的过程。
4 .特点：采用系统中既有离散信号，又有连续信号。
采样开关接通时刻，系统处于闭环工作状态。
而在采样开关断开时刻，系统处于开环工作状态。
二．数字控制系统1．定义：系统中含有数字计算机或数字编码元件的系统，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。
2．组成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大部分。
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是离散信号，而系统中被控对象和测量元件的输入和输出是连续信号，故需要A/D,D/A实现两种信号的转换。
东南大学自动控制实验室实验报告课程名称：热工过程自动控制原理实验名称：采样控制系统的分析院（系）：能源与环境学院专业：热能动力姓名：范永学学号：03013409 实验室：实验组别：同组人员：实验时间：2015.12.15 评定成绩：审阅教师：实验八 采样控制系统的分析一、实验目的1. 熟悉并掌握Simulink 的使用；2. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器ZOH 的原理及其实现方法；3. 研究开环增益K 和采样周期T 的变化对系统动态性能的影响；二、实验原理1. 采样定理图2-1为信号的采样与恢复的方框图，图中X(t)是t 的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号)(*t x 。
图2-1 连续信号的采样与恢复香农采样定理证明要使被采样后的离散信号X *(t)能不失真地恢复原有的连续信号X(t)，其充分条件为：max 2ωω≥S式中S ω为采样的角频率，max ω为连续信号的最高角频率。
由于T S πω2=，因而式可为 m axωπ≤T T 为采样周期。
2. 采样控制系统性能的研究图2-2为二阶采样控制系统的方块图。
图2-2采样控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均位于Z 平面上以坐标原点为圆心的单位圆内，且这种系统的动、静态性能均只与采样周期T 有关。
由图2-2所示系统的开环脉冲传递函数为：]25.05.01[)1(25])2(2[)1(25])15.0()1(25[)(21212++--=+-=+-==---S S S Z Z S S Z Z S S e Z z G S T]5.015.0)1([)1(25221T e Z Z Z Z Z TZ Z Z ---+----= ))(1()]21()12[(5.122222T T T T e Z Z Te e Z e T --------++-= 闭环脉冲传递函数为： )]21(]12[5.12)1()]21(12[5.12)()(222222222T T T T T T T T Te e Z e T e Z e Z Te e Z e T z R z C ----------++-+++---++-=）（ 5.12)5.1125()5.115.1325()]21(12[5.12222222++-+-+--++-=-----T e Z e T Z Te e Z e T T T T T T ）（根据上式，根据朱利判据可判别该采样控制系统否稳定，并可用迭代法求出该系统的阶跃输出响应。
东南大学自动控制实验室实验报告课程名称：热工过程自动控制原理实验名称：采样控制系统的分析院（系）：能源与环境学院专业：热能动力姓名：范永学学号： 03013409 实验室：实验组别：同组人员：实验时间： 2015.12.15 评定成绩：审阅教师：实验八采样控制系统的分析一、实验目的 1. 熟悉并掌握Simulink 的使用； 2. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器ZOH 的原理及其实现方法；3. 研究开环增益K 和采样周期T 的变化对系统动态性能的影响；二、实验原理1. 采样定理图2-1为信号的采样与恢复的方框图，图中X(t)是t 的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号)(*t x 。
图2-1 连续信号的采样与恢复香农采样定理证明要使被采样后的离散信号X *(t)能不失真地恢复原有的连续信号X(t)，其充分条件为：max 2ωω≥S式中S ω为采样的角频率，max ω为连续信号的最高角频率。
由于T S πω2=，因而式可为 m axωπ≤T T 为采样周期。
2. 采样控制系统性能的研究图2-2为二阶采样控制系统的方块图。
图2-2采样控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均位于Z 平面上以坐标原点为圆心的单位圆内，且这种系统的动、静态性能均只与采样周期T 有关。
由图2-2所示系统的开环脉冲传递函数为： ]25.05.01[)1(25])2(2[)1(25])15.0()1(25[)(21212++--=+-=+-==---S S S Z Z S S Z Z S S e Z z G S T ]5.015.0)1([)1(25221T e Z Z Z Z Z TZ Z Z ---+----= ))(1()]21()12[(5.122222T T T T e Z Z Te e Z e T --------++-=闭环脉冲传递函数为：)]21(]12[5.12)1()]21(12[5.12)()(222222222T T T T T T T T Te e Z e T e Z e Z Te e Z e T z R z C ----------++-+++---++-=）（ 5.12)5.1125()5.115.1325()]21(12[5.12222222++-+-+--++-=-----T e Z e T Z Te e Z e T T T T T T ）（根据上式，根据朱利判据可判别该采样控制系统否稳定，并可用迭代法求出该系统的阶跃输出响应。
目录1.总体设计：1.1 设计思路1.2 课题目的1.3 器件选择2.硬件电路设计：2.1 数据输入模块2.2 模数转换模块2.3 主控电路-单片机2.4 显示模块3.系统程序设计：3.1 程序流程框图3.2 主程序4.总结5.附录1.总体设计：1.1 设计思路我们选择单片机与A/D转换芯片结合的方法实现本设计。
使用的基本元器件是：AT89C52单片机，ADC0809模数转换芯片，74LS164,数码管，按键，电容，电阻，晶振等。
数字电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成。
A/D转换由集成电路ADC0809完成。
ADC0809具有8路拟输入端口，地址线（23~- 25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D换。
22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。
6脚为测试控制，当输入一个2uS宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。
7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。
9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。
10脚为0809的时钟输入端。
通过对单片机p2.5口置低电平控制LED亮灯报警。
1.2 课题目的（1）掌握数据采集系统的设计方法。
（2）结合8051设计一个8路数据采集系统。
1.3 器件选择单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。
此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O口），还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD和LED驱动电路）、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。
单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，本设计选用80C51单片机。
键盘是一种常见的输入设备，用户可以向计算机输入数据或命令。
根据案件的识别方法分类，有编码键盘和非编码键盘两种。
通过硬件识别的键盘称编码键盘；通过软件识别的键盘成为非编码键盘。
2020年硕士研究生招生考试大纲考试科目名称：自动控制原理考试科目代码：821一、考试要求自动控制原理考试大纲适用于北京工业大学信息学部人工智能与自动化学院（0811）控制科学与工程、（0854）电子信息（专业学位）硕士研究生招生考试。
考试内容为经典控制理论部分，该课程是控制学科重要的专业基础理论课。
自动控制原理的考试内容主要包括线性定常系统的分析与设计，非线性系统以及采样系统的分析.要求考生对其中的基本概念有较为深入的理解，系统掌握应用经典控制理论进行自动控制系统分析的一般方法，并能够完成一般控制系统的校正设计，具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力以及理论联系实际的能力。
二、考试内容（一）自动控制系统的基本概念（1）熟练掌握自动控制系统的一般术语（2）熟练掌握自动控制系统的基本结构与基本性能要求（3）熟练掌握反馈控制的基本原理（二）控制系统的数学描述方法（1）熟练掌握控制系统微分方程的概念以及电学系统微分方程的建立（2）熟练掌握非线性微分方程线性化的方法（3）熟练掌握传递函数的概念以及电学系统传递函数模型的建立（4）熟练掌握拉式变换，拉式反变换的基本方法；熟练掌握典型信号的拉 式变换；熟练掌握求解系统时域响应的方法。
（5）熟练掌握系统动态结构图的建立；熟练掌握通过结构图的等效变换，梅逊公式求取系统传递函数的方法；熟练掌握控制系统的传递函数，以及系统在多输入作用下输出的表达。
（三）时域分析法（1）熟练掌握时域分析的一般方法以及基本实验信号的作用，熟练掌握控制系统性能指标的概念（2）熟练掌握一阶系统分析（3）熟练掌握二阶系统的分析以及二阶系统性能的改善（4）熟练掌握主导极点的概念以及在一阶、二阶系统分析的基础上，灵活 进行高阶系统分析（5）熟练掌握控制系统稳定的充要条件以及代数稳定性判据（6）熟练掌握稳态误差的求取以及稳态精度补偿（四）根轨迹法（1）熟练掌握根轨迹的概念与根轨迹方程（2）熟练掌握利用根轨迹的基本法则绘制根轨迹图(3)熟练掌握参量根轨迹及正反馈系统根轨迹图的绘制(4)熟练掌握基于根轨迹的控制系统分析（五）频率分析法(1)熟练掌握频率特性的概念，频率特性的数学表示(2)熟练掌握极坐标图的绘制以及伯德图的绘制(3)熟练掌握典型环节的频率特性以及开环频率特性作图(4)熟练掌握频域稳定性判据(5)熟练掌握利用开环频率特性进行闭环系统分析（六）控制系统的校正方法(1)熟练掌握系统校正基础及校正系统的结构(2)熟练掌握根轨迹法校正(3)熟练掌握频率法校正(4)熟练掌握参考模型法校正(5)熟练掌握频率法反馈校正（七）非线性系统分析(1)熟练掌握控制系统的非线性特性(2)熟练掌握相平面分析法(3)熟练掌握描述函数法（八）采样控制系统分析基础(1)熟练掌握信号的采样与采样定理(2)熟练掌握信号复现与零阶保持器(3)熟练掌握采样信号的z变换与z反变换(4)熟练掌握典型信号的z 变换(5)熟练求取脉冲传递函数(6)熟练掌握采样系统的性能分析三、参考书目1、《自动控制原理》（第三版），孙亮，高等教育出版社，2011 年出版。
东南大学能源与环境学院实验报告课程名称：自动控制原理实验实验名称：采样控制系统的分析院（系）：能源与环境学院专业：热能与动力工程姓名：学号：同组人员：实验时间：2015.12.17评定成绩：审阅教师：一．实验目的1. 熟悉并掌握Simulink 的使用；2. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器ZOH 的原理及其实现方法；3. 研究开环增益K 和采样周期T 的变化对系统动态性能的影响；二．实验设备装有Matlab 软件的PC 机一台。
三．实验原理1. 采样定理图2-1为信号的采样与恢复的方框图，图中X(t)是t 的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号)(*t x 。
图2-1 连续信号的采样与恢复香农采样定理证明要使被采样后的离散信号X *(t)能不失真地恢复原有的连续信号X(t)，其充分条件为：max 2ωω≥S式中S ω为采样的角频率，m ax ω为连续信号的最高角频率。
由于TS πω2=，因而式可为： m axωπ≤T 其中：T 为采样周期。
2. 采样控制系统性能的研究图2-2为二阶采样控制系统的方块图。
图2-2采样控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均位于Z 平面上以坐标原点为圆心的单位圆内，且这种系统的动、静态性能均只与采样周期T 有关。
由图2-2所示系统的开环脉冲传递函数为：]25.05.01[)1(25])2(2[)1(25])15.0()1(25[)(21212++--=+-=+-==---S S S Z Z S S Z Z S S e Z z G S T]5.015.0)1([)1(25221T e Z ZZ Z Z TZ Z Z ---+----= ))(1()]21()12[(5.122222TT T T e Z Z Te e Z e T --------++-= 闭环脉冲传递函数为：)]21(]12[5.12)1()]21(12[5.12)()(222222222TT T T T T T T Te e Z e T e Z e Z Te e Z e T z R z C ----------++-+++---++-=）（ 5.12)5.1125()5.115.1325()]21(12[5.12222222++-+-+--++-=-----T e Z e T Z Te e Z e T T T T T T ）（根据上式，根据朱利判据可判别该采样控制系统否稳定，并可用迭代法求出该系统的阶跃输出响应。
《自动控制技术》课程总复习（应电1111-12）《自动控制技术》课程总复习提纲（应电1111-12）第一章自动控制一般概念1、熟悉专业术语——受控对象、被控量c(t)、给定值r(t)、控制量u(t)、测量值b(t)、比较环节r(t)-b(t)、干扰n(t)、执行机构、动态过程（暂态）、平衡状态（静态）、参量根轨迹、零度根轨迹、串联校正、局部反馈校正、PID、采样控制系统、采样信号、Z变换、差分方程、单位圆。
2、根据控制系统组成框图画出对应的控制系统原理方框图，确定各部件（功能组件）在控制系统中的作用（采用相应的专业术语表示）——参照图1-7→图1-8、习题1-53、开环控制系统（按给定量操纵的开环系统）——定义（系统原理方框图及其说明）、主要缺陷、适用场合4、闭环控制系统（按偏差调节的闭式系统或反馈系统）—定义（系统原理方框图及其说明）、特点及优势、为何能够获得广泛应用？5、负反馈和正反馈如何界定？为什么按偏差调节的闭环控制系统采用负反馈？6、自动控制系统分类（按输入信号变化规律、传输信号特性、传输信号时间性质）7、自动控制系统性能基本要求（稳、快、准）的具体含义，稳—“稳定性”和“平稳性”。
习题：1-1、1-5第二章控制系统的数学模型1、列写微分方程（类似作业2-1的电路网络）2、拉氏变换与拉式反变换（典型函数拉式变换与反变换公式）——熟悉部分分式法3、传递函数定义及其表示方式（多项式、零极点表达式、时间常数表达式）——零初始（零状态）条件下，线性定常系统输出量c(t)拉氏变换C(s)与输入量r(t)拉式变换R(s)之比。
4、典型环节传递函数（比例、积分、惯性、振荡、微分、延时）。
6、动态结构概念及其基本单元（方框、信号线、综合点、引出点）——控制系统形象化的数学模型，有助于了解（信号传递过程中各个局部（典型环节）之间的本质联系、了解每个元部件参数对控制系统性能的影响等）。
7、依据微分方程组或象方程组画出自动控制系统动态结构图（类似例2-6和习题2-8）8、动态结构图的等效变换法则及其应用（化简）——（1）串联结构、并联结构、反馈结构（单位反馈）；（2）综合点和引出点等效移动（综合点前后移、综合点之间、引出点前后移）9、闭环系统典型结构（图2-28）,R(s)单独作用下的闭环传递函数和N(s) 单独作用下的闭环传递函数、R(s)单独作用下的误差传递函数和Er(s)，N(s) 单独作用下的误差传递函数En(s) ——参照图2-9、图2-30、图2-31、图2-32以及习题2-1010、梅逊公式及其应用（求解传递函数）——依据动态结构图绘制信号流图，熟悉梅逊公式并能够借助该公式求出系统的传递函数：主特征式△、、前向通路P、余特征式△k、独立回路L a、两两互不接触回路L b L c、三个互不接触回路L d L e L f）习题：2-1、2-7、2-8、2-10、2-11（a）（d）第三章时域分析法1、典型输入作用（信号）——单位脉冲δ(t)、单位阶跃1(t)、单位斜坡t?1(t)2、时域性能指标（最大超调量σp、上升时间tr、峰值时间tp、调整时间ts ——允许误差）3、稳定的概念及其充要条件——控制系统特征根（极点）全部为负实部（左半平面）4、劳斯判据及其应用（特征方程式、劳斯表、符号变换次数与正实部极点数目关系等）5、一阶系统分析——典型结构及其数学模型（传函）、单位阶跃响应及其性能指标（t s与T的关系、e ss）求解方法。
