系统仿真技术 第5章采样控制系统仿真 剡昌锋刘军 兰州理工大学机电工程学院
系统仿真技术 第5章 采样控制系统仿真 剡昌锋 刘军 兰州理工大学机电工程学院
采样控制系统仿真 ■从数字仿真的建模方法学角度来看,虽 然采样控制系统有它自身的特点,但与 连续系统没有本质的区别,因而一般将 其归类为连续系统仿真
采样控制系统仿真 从数字仿真的建模方法学角度来看，虽 然采样控制系统有它自身的特点，但与 连续系统没有本质的区别，因而一般将 其归类为连续系统仿真
51采样控制系统的基本结构 x 数字 y() DIA 采样器 控制器 信号重构器 被控对象 图5.1采样控制系统框图 (1)采样开关或模数转换器; (2)数模转换器或信号重构器。 (3)离散的数字控制器; (4)连续的被控对象或被控过程; 与离散相似法所得到的系统进行比较,两者结构相近:被控 对象连续,系统中均有采样器和保持器,离散相似法可以很 方便地用于采样控制系统的仿真
5.1 采样控制系统的基本结构 x(t) + - y(t) A/D 采样器 图5.1 采样控制系统框图 数字 控制器 D/A 信号重构器 被控对象 （1）采样开关或模数转换器； （2）数模转换器或信号重构器。 （3）离散的数字控制器； （4）连续的被控对象或被控过程； 与离散相似法所得到的系统进行比较，两者结构相近：被控 对象连续，系统中均有采样器和保持器，离散相似法可以很 方便地用于采样控制系统的仿真
采样系统仿真特点: 采样系统仿真特点: 连续系统仿真所用的虚拟采样间隔对整个系统来说 般是相同的,且是同步的。 采样控制系统采样周期、采样器所处位置及保持器 的类型则是实际存在的。 连韶含离散化模梨中的仿真步距与实际采样周期 刈于给定的采样控制系统,首先必须解决的是:如 何来确定仿真步距? 实际系统分为离散和连续两部分,如何处理在不同 采样间隔下的差分模型?
采样系统仿真特点： 采样系统仿真特点： 连续系统仿真所用的虚拟采样间隔对整个系统来说 一般是相同的，且是同步的。 采样控制系统采样周期、采样器所处位置及保持器 的类型则是实际存在的。 连续部分离散化模型中的仿真步距与实际采样周期 可能相同，也可能不同。 对于给定的采样控制系统，首先必须解决的是：如 何来确定仿真步距？ 实际系统分为离散和连续两部分，如何处理在不同 采样间隔下的差分模型？
52采样周期与仿真步距 E“(S) E(s) () U( U(s) D(a H G(s 图52采样控制系统方块图 记T为采样周期,7为仿真步距 ■仿真步距的选择有三种情况:(1)采样周期T与 仿真步距7相等;(2)仿真步距7小于采样周期; (3改变数字控制器的采样间隔。T
5.2采样周期与仿真步距 记 为采样周期，T为仿真步距 仿真步距的选择有三种情况：（1）采样周期 与 仿真步距T相等；（2）仿真步距T小于采样周期 ； （3）改变数字控制器的采样间隔 。 Ts T V(s) + - Y(s) T U*(s) E(s) E*(s) U(z) U(s) D(z) 图5.2采样控制系统方块图 H(s) G(s) Ts Ts Ts
采样周期T与仿真步距相等 与连续系统仿真完全相同。条件:采样周期r,比 较小,系统的阶次比较低。 R() R(z) U(z Z D G(z) T=TS 图5.3T=Ts时仿真模型 连续部分离散化:虚拟采样开关及信号重构器的 数目应尽量少:在连续部分入口加采样器和信号 重构器,连续部分H(s)Gs)内部不再增加虚拟采 样开关和信号重构器
采样周期 与仿真步距相等 与连续系统仿真完全相同。条件：采样周期 比 较小，系统的阶次比较低。 连续部分离散化：虚拟采样开关及信号重构器的 数目应尽量少：在连续部分入口加采样器和信号 重构器，连续部分H(s)G(s)内部不再增加虚拟采 样开关和信号重构器。 Ts Ts R(s) + - X(z) 图5.3 T=Ts时仿真模型 R(z) D(z) G(z) z -1 U(z) T=Ts
模型: ZHSG(s))=G(z) 或: x[(k+1) x(kr)+ lk+l)s, 4(k+1) s -Bu(kr dt ■特别是当H(s)为零阶信号重构器时,可得: x[k+1r ]=eATS x(kr)+he du(kr) P(TS)x(kr)+om (T hukT)
模型： ZH(s)G(s)=G(z) 或： 特别是当 为零阶信号重构器时，可得： ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + + − + = + s s s k T kT A k T k Ts e k T e u k d 1 1 1 x x B ATS H(s) ( ) ( ) ( ) + = + Ts s A s k T e k T e d u k T 0 1 x x ATS( ) ( ) ( ) ( ) s s m s s = T x k T + T u k T
仿真步距7小于采样间隔T ■采样间隔T。根据控制算法、系统频带宽度、采样开关硬件 的性能来确定。 连续部分若按采样间隔选择仿真步距7,将出现较大的误差, 因此有必要使T 连续部分存在非线性时,需要将系统分成若干部分分别建 立差分模型。此时,就要在各部分的入口设置虚拟采样器 及保持器。为了保证仿真计算有足够的精度,T<T。 模型有两种频率的采样开关:离散部分的采样周期T, 连续部分的仿真步距7。一般取=N7,其中N为正整数
仿真步距T小于采样间隔 采样间隔 根据控制算法、系统频带宽度、采样开关硬件 的性能来确定。 连续部分若按采样间隔选择仿真步距T，将出现较大的误差， 因此有必要使 。 连续部分存在非线性时，需要将系统分成若干部分分别建 立差分模型。此时，就要在各部分的入口设置虚拟采样器 及保持器。为了保证仿真计算有足够的精度， 。 模型有两种频率的采样开关：离散部分的采样周期 ， 连续部分的仿真步距T。一般取＝NT，其中N为正整数 Ts Ts T Ts T Ts Ts
另一种情况是:采样系统中有多个回路,且 每个回路的采样周期不同,模型有多种频率 的采样开关。 n多种频率的采样如何同步?一般将大采样周 期设定为小采样周期的若干整数倍。小周期 计算若干次,大周期计算一次。小周期采样 时,按大周期保持器的输出规律确定采样值
另一种情况是：采样系统中有多个回路，且 每个回路的采样周期不同，模型有多种频率 的采样开关。 多种频率的采样如何同步？一般将大采样周 期设定为小采样周期的若干整数倍。小周期 计算若干次，大周期计算一次。小周期采样 时，按大周期保持器的输出规律确定采样值
输入系统参数及仿真参数包括T,T 计算离散部分 (数字控制器)差分模型 计算连续部分 (受控对象)差分模型 到N次否 是 输出第N次结果 否 仿真计算结束否 停止计算 图5.4样控制系统程序框图
是 否 否 是 输入系统参数及仿真参数包括T,Ts s 计算离散部分 （数字控制器）差分模型 计算连续部分 （受控对象）差分模型 输出第 N 次结果 到 N 次否 停止计算 图5.4采样控制系统程序框图 仿真计算结束否 t