模拟信号与模拟系统课件.ppt

1、 温度信号温度信号12 3 45 6501001502002503000t(s)T(C)1 23 45 62550751000t(s)u1(mV)7.1 信号问题信号问题一、信号分类一、信号分类1 1 物理信号物理信号2 模拟信号模拟信号 模拟信号模拟信号连续信号连续信号01t(s)u1* (mV)0T2T3T4T5T6T7T2550751006 不不确定性信号确定性信号 离散离散信号信号3 采样信号采样信号4 数字信号数字信号5 确定性信号确定性信号 数字信号数字信号采样信号采样信号1 23 45 62550751000t(s)u1(mV)模拟信号模拟信号二、信号与信息二、信号与信息例如：红

2、黄绿信号灯例如：红黄绿信号灯 “信号是信息的表现形式信号是信息的表现形式”。信号是信息的载体，借助物理载体传递信息。信号是信息的载体，借助物理载体传递信息。 特点：特点：1) 信号中的信息是信号中的信息是隐性的、间接的；隐性的、间接的；2) 信号中的信息是信号中的信息是微弱的；微弱的；3) 信号中的信息信号中的信息含有多种信息含有多种信息有用的有用的无用的无用的提取信息提取信息（噪音）（噪音）信息处理信息处理(放大、去噪放大、去噪)7.2 模拟信号分析模拟信号分析一、一、周期信号的分析周期信号的分析1 周期信号的波形周期信号的波形)nTt (f)t (f)tksin(Aak1kkm0谐波叠加谐

3、波叠加,dt)t (fT1aT00,tdtkcos)t (fT2aT0kTktdtkstfTb0in)(2)tksinbtcosk(aak1kk0直流分量直流分量谐波分量幅值谐波分量幅值谐波分量初相位谐波分量初相位方波信号的分解方波信号的分解2 周期信号的频谱周期信号的频谱幅度频谱幅度频谱谐波幅值谱线随频率的分布状况谐波幅值谱线随频率的分布状况相位频谱相位频谱谐波的初相与频率的关系谐波的初相与频率的关系 （1）不同的周期信号具有不同的频谱。）不同的周期信号具有不同的频谱。（2）周期信号的频谱是离散的频谱，周期信号的频谱是离散的频谱， 其谱线随着信号周期的加长，变得越加密集。其谱线随着信号周期的

4、加长，变得越加密集。方波信号的频谱方波信号的频谱二、非二、非周期信号的分析周期信号的分析 非周期信号：非周期信号：T = （或（或f = 0）的周期信号）的周期信号 频谱特点：幅度频谱和相位频谱都是连续形式。频谱特点：幅度频谱和相位频谱都是连续形式。de )j(F21)t (ftjdte )t (f)j(Ftj-傅立叶变换傅立叶变换傅立叶反变换傅立叶反变换 ( ( ) )02 2 1 指数函数频谱指数函数频谱0t 00te)t (f att de )t (f)j(Ftj0t )ja(t de)ja(122a1)j(F)(Faarctan)(f ( (t) )10e-a at (a a 0)1/

5、a a F ( ( ) )0幅度频谱和相位频谱都是连续形式幅度频谱和相位频谱都是连续形式2 对称矩形脉冲信号对称矩形脉冲信号 2t 02t E)t(ft de )t (f)j(Ftj22tjt dEe2sinE222tjjEetf ( (t ) )01 / / 2 2 / / 2 2 |F( (j )| )|0EE 4 2 2 422sinE幅度频谱和相位频谱都是连续形式幅度频谱和相位频谱都是连续形式幅度频谱幅度频谱7.3 系统问题系统问题=一定的目的一定的目的一定的组合方式一定的组合方式部件部件 系统系统检测环节检测环节控制信号控制信号指令信号指令信号ER执行器执行器被控对象被控对象+输出信

6、号输出信号输入信号输入信号控制器控制器检测信号检测信号物理信号物理信号7.3.1 系统的类型系统的类型 开环系统开环系统具有信号双向流动的通路具有信号双向流动的通路信号单向流动信号单向流动 闭环系统闭环系统一、开环系统和闭环系统一、开环系统和闭环系统212ioRRRuu 二、单环节的功能描述二、单环节的功能描述H输入信号输入信号输出信号输出信号ER1 信号流图信号流图2 传递函数传递函数输入信号输入信号输出信号输出信号传递函数传递函数 +_uiR2R1+_uoER 212RRR uoui212ioRRRuu +_uiCR+_uooi KVLuRiu 根据根据idtd ouCi 元件约束元件约束

7、ooidtduuRCu 传递函数传递函数1）时域形式）时域形式)()(iotutuH +_-jXCR+_iUoUCRCUU j1j1io 2) 频域形式频域形式io)j (UUH 3) s域形式域形式+_1/sCR+_)s(Ui)s(Uo（初值为（初值为0）)s(U)s(U)s(HiosC1RsC1)s(HRCs11 频域频域 与与 s域形式的传递函数更具一般性域形式的传递函数更具一般性动态分析动态分析稳态分析稳态分析三、开环系统描述三、开环系统描述S 3S n+1S nS 2S1输入输入输出输出R环节环节1环节环节2环节环节nE系系 统统 H1 H2 Hn1 信号流图信号流图2 传递函数传递

8、函数11nSS n21HHH 122-n1-n1-nnn1nSSSSSSSS ERG 3 特点特点 信号单向流动信号单向流动系统的抗干扰能力差系统的抗干扰能力差RE 控制控制 四、闭环系统的描述四、闭环系统的描述检测检测ERH S 4S 3S 2S 1+ER执行器执行器对象对象输出输出输入输入控制器控制器H3H2H1F1 信号流图信号流图控制环控制环节节2 传递函数传递函数GFG14SR 1321SHHHG,F1SESRFSF3 特点特点 比比较较器器SF 控制环节：控制环节： 检测环节：检测环节：信号正向流动信号正向流动信号反向流动信号反向流动,S1 GR),F(EGR反馈环反馈环节节4 反

9、馈反馈检测检测S 4S 3S 2S 1+ER执行器执行器对象对象输出输出输入输入控制器控制器H3H2H1FG比比较较器器SF反馈信号削弱了输入信号的作用反馈信号削弱了输入信号的作用负反馈负反馈负反馈的特点：负反馈的特点：削弱了系统的激励作用，系统增益降低削弱了系统的激励作用，系统增益降低自动调节作用，拓展了系统带宽，改善了系统的频率特性自动调节作用，拓展了系统带宽，改善了系统的频率特性XG1 G3Y+ _ECG2ABF内环外环+ _G1 G3X+ _ECG2AF外环+GdDBYXYEYH 11HFHH111FGGGG1GGG32123212321G1GGGXYFGGG1GGG321321DYF

10、GGG1GG3213d五、模拟系统和数字系统五、模拟系统和数字系统六、检测系统与控制系统六、检测系统与控制系统处理模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理数字信号信号的放大、滤波、变换等信号的放大、滤波、变换等数值运算、逻辑演算、代码转换、数值运算、逻辑演算、代码转换、数据寄存器和移位等数据寄存器和移位等模拟系统：模拟系统：数字系统：数字系统：检测系统：检测系统：控制系统：控制系统：开环开环闭环闭环灵敏度灵敏度精度和失真精度和失真获取信号，经信号处理加以显示或记录获取信号，经信号处理加以显示或记录利用检测系统完成对象状态和过程的评估，利用检测系统完成对象状态和过程的评估，经决策加以控制经决策加以控

11、制7.3.2 模拟系统分析概要模拟系统分析概要 分析系统的稳态特性分析系统的稳态特性 分析系统的动态特性分析系统的动态特性 分析系统的稳定性分析系统的稳定性稳态品质稳态品质稳定状态下的输出参数，稳定状态下的输出参数，系统的误差、精度系统的误差、精度时间响应和频率响应时间响应和频率响应动态品质动态品质系统运行的可靠性品质系统运行的可靠性品质一、模拟系统稳态特性分析一、模拟系统稳态特性分析系统输出发生波动时，闭环系统具有自动调节功能。系统输出发生波动时，闭环系统具有自动调节功能。稳态稳态理论上，当系统输出为期望值时，闭环系统无须调节。理论上，当系统输出为期望值时，闭环系统无须调节。在稳定状态下，系

12、统的实际输出达到期望输出的精确程度在稳定状态下，系统的实际输出达到期望输出的精确程度稳态特性分析稳态特性分析1. 无差调节无差调节 （精度达（精度达100%的系统）的系统）若实际输出若实际输出=期望输出，期望输出，xf=xi ,xe=xi -xf =02. G为比例放大时，实现无差调节的条件为比例放大时，实现无差调节的条件xo=Gxe设为稳定输出设为稳定输出若无差调节，则若无差调节，则xe为为0要求要求GGFGHG 1lim传递函数传递函数F1 Fxe+xoxiGxf3. G为比例放大时的系统调节误差为比例放大时的系统调节误差Fxe+xoxiGxfFH1 理想情况下理想情况下= H0 （G）系

13、统稳态输出无偏差系统稳态输出无偏差实际情况下实际情况下 （G为有限值）为有限值）GFGH1 GFGFG11 GFF1111 GFF1111 GFF111 环路增益环路增益（环路传递函数）（环路传递函数）环路增益越大，系统精度越高环路增益越大，系统精度越高二、模拟系统动态特性分析二、模拟系统动态特性分析检测环节检测环节e+xy执行器执行器被控对象被控对象被控量被控量给定量给定量控制器控制器sf 控制器电路、执行器电路具有惯性元件（电感控制器电路、执行器电路具有惯性元件（电感L或电容或电容C） 电动机等执行器有机械惯性电动机等执行器有机械惯性 检测环节的传感器具有机械惯性、热惯性等检测环节的传感器

14、具有机械惯性、热惯性等惯性元件惯性元件对激励的响应需要时间对激励的响应需要时间对不同的信号频率反映不同对不同的信号频率反映不同模拟控制系统存在模拟控制系统存在时间响应问题时间响应问题频率响应问题频率响应问题1 一阶惯性环节的时间响应和频率响应一阶惯性环节的时间响应和频率响应1) 一阶惯性环节的时域模型一阶惯性环节的时域模型ioodduutuRC0 0 0)(itUttu0),1 ()(oteUtuRCt+_CR+_uiuo(以以RC电路为例电路为例,无初始储能无初始储能)由由KVLuR+uC=ui代入元件约束代入元件约束uR=iR，dtduCic 得到关系式得到关系式2) 一阶惯性环节的阶跃响

15、应一阶惯性环节的阶跃响应tuiUi0uoUit0时间常数时间常数 RC是反映一阶惯性环节是反映一阶惯性环节时间响应快慢的重要参数，一般取时间响应快慢的重要参数，一般取(35) ()RCHj11jcHj11)j (+_R+_iUoUCj13) 一阶惯性环节的频率响应一阶惯性环节的频率响应RCc1 1 c |H( (j )| )|低通滤波器低通滤波器4) 一阶惯性环节的一阶惯性环节的s域模型域模型+_1/sCR+_) s (iU) s (oU1/(1+ s)Ui(s)Uo(s)CRCHs1s1) s (+_R+_iUoUCj1cHj11)j (js s11)(RC模拟系统动态分析的基本步骤模拟系统

16、动态分析的基本步骤1. 构建系统在构建系统在s域的传递函数域的传递函数2. 在时域求解系统的时间响应特性在时域求解系统的时间响应特性3. 在频域分析系统的频率响应特性在频域分析系统的频率响应特性三、模拟系统的稳定性分析三、模拟系统的稳定性分析2 稳定性判据稳定性判据y = GFy1 稳定的系统和不稳定的系统稳定的系统和不稳定的系统产生临界稳定状态的条件产生临界稳定状态的条件系统的输出出现等幅自激振荡的临界状态系统的输出出现等幅自激振荡的临界状态yF+Gx=0 稳定的系统具有抑制扰动的能力稳定的系统具有抑制扰动的能力当给定的激励发生变化当给定的激励发生变化或或出现干扰信号出现干扰信号输出到达新的稳态输出到达新的稳态或或干扰引起的输出波动消失干扰引起的输出波动消失在有限的时间内在有限的时间内 不稳定的系统会出现等幅或增幅的振荡不稳定的系统会出现等幅或增幅的振荡自身的调节自身的调节临界稳定：临界稳定：稳定性判据：稳定性判据：(系统给定激励为系统给定激励为0)