新七章模擬系統(tǒng)學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1新七章模擬系統(tǒng)新七章模擬系統(tǒng)第一頁，共52頁。7.1 信號(xnho)與信息信號(xnho)： 能觀測(gunc)到的物理現(xiàn)象。 信息：表現(xiàn)事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式。 信號是信息的載體，是信息的物理表現(xiàn)形式 ； 信號是具體的, 信息是抽象的。 例如：紅黃綠信號燈。 特點：1) 信號中的信息是隱性的、間接的；2) 信號中的信息是微弱的；3) 信號中的信息含有多種信息有用的無用的提取信息（噪音）信息處理(放大、去噪) 信息是信號表達的本質(zhì)內(nèi)容。第1頁/共52頁第二頁，共52頁。“電信號”: 由其它各種物理(wl)形態(tài)( P、T、Q、n 等) 的信號轉(zhuǎn)換而來。123456501001

2、502002500t (s)p (Pa) u (V) t (s) T (t) i (A)“電信號” 在信號的發(fā)生、轉(zhuǎn)換(zhunhun)、傳輸、處理上，比其它 物理信號容易。第2頁/共52頁第三頁，共52頁。：能在連續(xù)的時間進程中加以描述的信號。 例如大氣壓力、氣象(qxing)溫度等。123456501001502002500t (s)p (Pa) u (V)01u(t)t(s)t (s)u (mV)255075100：只能在特定的時間點上或時間段里加以定義的信號。 例如(lr)間歇脈沖信號。連續(xù)時間(shjin)信號離散時間信號模擬信號數(shù)字信號：在時間和數(shù)值上離散取值的信號，經(jīng)過處理后 以

3、數(shù)字編碼形式出現(xiàn)的離散電脈沖序列。：在時間和數(shù)值上連續(xù)取值的信號，原始信號的 電模擬信號（電壓信號、電流信號）。第3頁/共52頁第四頁，共52頁。：無法預(yù)測任何時刻精確(jngqu)值的信號。 只能給出在指定時刻取某一數(shù)值的統(tǒng)計概率值。: 在任何時刻都可以確定(qudng)相應(yīng)數(shù)值的信號。 即能用確定(qudng)的連續(xù)時間函數(shù)加以描述的信號。確定性信號(xnho)不確定性信號（隨機信號）信息編碼 信號傳送 信號解碼（譯碼） 信息例如電力負荷、氣象溫度變化的信號。獲取信息的途徑：1、直接觀測2、間接交流直接由對象發(fā)出的信號來獲取， 信號 信息。第4頁/共52頁第五頁，共52頁。1 周期信號(x

4、nho)的波形)()(nTtftf )sin(10kkkmtkAa 諧波疊加2 周期信號的頻譜幅度頻譜諧波幅值譜線隨頻率的分布狀況相位頻譜諧波的初相與頻率的關(guān)系 例如：方波信號（1）不同的周期信號具有不同的頻譜。（2）周期信號的頻譜是離散的頻譜，其譜線隨著信號周期的加長，變得越加密集。第5頁/共52頁第六頁，共52頁。f = f1f = 3 f1f = 5 f1.)10sin516sin312(sin4)(ftftfttu.10sin25.06sin42.02sin27.1ftftft例如(lr)：高次諧波(xi b)越豐富，迭加后，越趨近于原始波形。 第6頁/共52頁第七頁，共52頁。周期(

5、zhuq)信號的頻譜 1-1u1 (V)0.10.2t (ms)A1A3A5A7A90.20.40.60.81.01.21.410k30k50k70k90kf (Hz)An (V)幅度(fd)頻譜n010k30k50k70k90kf (Hz)0000相位(xingwi)頻譜 .)10sin516sin312(sin4)(ftftfttu第7頁/共52頁第八頁，共52頁。二、非周期(zhuq)信號的分析 ()02 2 非周期(zhuq)信號：T = （或f = 0）的周期(zhuq)信號 頻譜特點：連續(xù)(linx)形式。1 指數(shù)函數(shù)頻譜 0 00)( ttetfattetfFtd)()j (j

6、tetad0)j( )j(1 a221)j ()( aFFa arctan)( f (t)10e-at (a 0)1/aF ()0第8頁/共52頁第九頁，共52頁。2 對稱(duchn)矩形脈沖信號 2 02 )( ttEtftetfFtd)()j (j tEetd2 2j 22sin2sin2 EE22jj Eet 2j2jjj eEeE 2j22j2j eeE 2jsinjj eetf (t )01 / 2 / 2tf (t )01 / 2 / 2F( )0E 4 2 2 4幅度(fd)頻譜第9頁/共52頁第十頁，共52頁。檢測(jin c)環(huán)節(jié)控制(kngzh)信號指令信號ER執(zhí)行器被控

7、對象+輸出信號輸入信號控制器檢測信號物理信號 閉環(huán)系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng)具有信號雙向流動的通路信號單向流動=一定的目的一定的組合方式部件 系統(tǒng)系統(tǒng)定義: H3 F H1 H2第10頁/共52頁第十一頁，共52頁。212ioRRRuu H輸入(shr)信號輸出(shch)信號ER1 信號流圖2 傳遞函數(shù)（線性系統(tǒng)）輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) +_uiR2R1+_uoER 212RRR uoui212ioRRRuu +_uiCR+_uooi KVLuRiu 根據(jù)根據(jù)idtd ouCi 元件約束元件約束ooidtduuRCu 1）時域形式)()(iotutuH +_-jXCR+_iUo

8、UCRCUU j1j1io 2) 頻域形式 io)j (UUH 第11頁/共52頁第十二頁，共52頁。3) s域形式(xngsh)+_1/sCR+_)(isU)(osU（初值為0）)()()(iosUsUsH sCRsCsH11)( RCs 11 頻域 與 s域形式(xngsh)的傳遞函數(shù)更具一般性動態(tài)分析穩(wěn)態(tài)分析(fnx)第12頁/共52頁第十三頁，共52頁。例如：直流電動機(dngj)的特性方程可表示為：2)dd(cuyty其中(qzhng)，y 是轉(zhuǎn)速，u2 是電樞電壓， t 是電動機的時間常數(shù)。 rpm )1 (50)1 (50)(200/2/2tteueuty寫成拉普拉斯變換(bin

9、hun)（s域）形式 )()()(2scUsYssYscsUsYsH1)()()(2mj1)j ()j ()j (2mcUYH控制器電動機電源寫成頻域表達形式： 時域方程解為： 第13頁/共52頁第十四頁，共52頁。S 3S n+1S nS 2S1輸入輸出R環(huán)節(jié)1環(huán)節(jié)2環(huán)節(jié)nE系 統(tǒng)ERG H1 H2 Hn1、信號流圖2 、傳遞函數(shù)11nSS n21HHH 122-n1-n1-nnn1nSSSSSSSS ERG 3、特點(tdin) 信號單向(dn xin)流動系統(tǒng)的抗干擾能力差RE 控制控制 第14頁/共52頁第十五頁，共52頁。激勵（E）響應(yīng)（R）部件1 ( H1 ) 部件2 ( H2 )

10、 部件n ( Hn ) 4、開環(huán)系統(tǒng)(xtng)舉例開環(huán)系統(tǒng)(xtng)傳遞函數(shù)G = = H1 H2 HnREu1 (V)t (ms)12操縱桿角位移尾翼角位移機身俯仰角度電壓信號液壓信號第15頁/共52頁第十六頁，共52頁。檢測(jin c)ERH S 4S 3S 2S 1+ER執(zhí)行器對象輸出輸入控制器H3H2H1F1、信號流圖控制(kngzh)環(huán)節(jié)2、傳遞函數(shù)GFG 14SR 32114HHHSS G 14GSS F1SES RFS F( () )FREGR ( () )EFREGH GFHG 3、特點 比較器SF 控制環(huán)節(jié) 檢測環(huán)節(jié)信號正向流動信號反向流動自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)品質(zhì)靈

11、敏性、精度（失真）第16頁/共52頁第十七頁，共52頁。4、閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)舉例閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)傳遞函數(shù)：部件F ( F ) 激勵（E）響應(yīng)（R）部件1 ( H1 ) 部件2 ( H2 ) 部件n ( Hn ) SFS1S3S2+Sn+1Sn開環(huán)傳遞函數(shù)：H = = REG1 + GFG = = = H1 H2 HnRS1RE - RE反饋(fnku)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)： F ；陀螺儀第17頁/共52頁第十八頁，共52頁。GF閉環(huán)傳遞函數(shù)：H = = ；REG1 + GF理想(lxing)情況: G 則H = = ;1F1/G + F1R = HE = ;FEY = FX激勵（E）響應(yīng)（R）

12、 開環(huán)函數(shù) G + 反饋函數(shù) F YX系 統(tǒng) ( H )E或XR或Y閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)優(yōu)點：穩(wěn)定輸出(shch)、減小失真、展寬頻帶、改變輸入輸出(shch)阻抗。 環(huán)路增益、 環(huán)路傳遞函數(shù)第18頁/共52頁第十九頁，共52頁。 傳遞函數(shù)例：圖示負反饋控制系統(tǒng)(kn zh x tn)中，控制器傳遞函數(shù)G =1，G5000.01Y100/120sX求（1）開環(huán)傳遞函數(shù)；（2）閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)的傳遞函數(shù)。G0 = H1 H2 H3H = G01 + G0F(2)閉環(huán)傳遞函數(shù)解: (1)開環(huán)傳遞函數(shù)205001 + S/100=1041 + S/100=+ S/100101 104=+ S

13、/1041 102104 0.011 + S/1001 +1041 + S/100=KVf(KHz)fU10.1KfU210K102104G0H第19頁/共52頁第二十頁，共52頁。六、系統(tǒng)的研究(ynji)內(nèi)容1 分析2 綜合(zngh)3 辨識4 診斷已知H，結(jié)構(gòu)(jigu)一定 分析系統(tǒng)的功能和響應(yīng)品質(zhì) 求已知激勵下的響應(yīng)已知E、X關(guān)系，設(shè)計系統(tǒng) H對已有系統(tǒng)建立合理的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)系 統(tǒng) ( H )E或XR或YE、X關(guān)系未知，系統(tǒng) H 未知 H = ?E或XR或Y第20頁/共52頁第二十一頁，共52頁。一、檢測系統(tǒng)(xtng)與控制系統(tǒng)(xtng) 檢 測 觀 測 者 對 象物理信號

14、檢測信號 檢 測 監(jiān) 控 者 對 象物理信號檢測信號 控 制控制信號指令信號1）檢測(jin c)系統(tǒng)：獲取信號信號變換顯示記錄處理、量化2）控制系統(tǒng)(kn zh x tn)：評估決策發(fā)出調(diào)節(jié)控制命令獲取信號信號變換顯示記錄處理、量化對象狀態(tài)和過程7.4 模擬檢測系統(tǒng) 第21頁/共52頁第二十二頁，共52頁。攪拌機冷熱水調(diào)節(jié)閥原料進口閥門出口閥門進口流量計溫度傳感器壓力傳感器冷熱水調(diào)節(jié)閥（化工生產(chǎn)(shngchn)過程自動檢測控制系統(tǒng)）操作按鈕模擬(mn)檢測控制系統(tǒng)示例 含氧量 M 等溫度(wnd)T、壓力P 、流量Q液位S 、濃度L、酸堿度（PH） 控制線纜電源線控制器第22頁/共52頁第

15、二十三頁，共52頁。進氣室溫度(wnd)燃燒室溫度(wnd)排氣室溫度(wnd)進氣室壓力排氣室壓力燃料閥門轉(zhuǎn)角發(fā)電機轉(zhuǎn)角葉片轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速傳感器溫度T、轉(zhuǎn)角、壓力P、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩T ;（燃氣輪機性能檢測）第23頁/共52頁第二十四頁，共52頁。顯示(xinsh)處理器傳感器模擬信號物理(wl)信號具有一定功率 去除噪音 放大信號指針數(shù)字繪圖報警（如壓力檢測系統(tǒng)）壓力位移_+usuo_+Us=10Vuo與us同相 (cm)1050-5-1054321Uo (V)uo與us反相位移電壓線性差動傳感器（LVDT ）123456501001502002500t (s)p (Pa) u (V)第24頁/共52

16、頁第二十五頁，共52頁。三、衡量(hng ling)指標(biāo)1 靈敏度 傳感器的輸出量能在多大的2 準(zhǔn)確度 反映(fnyng)被測量的準(zhǔn)確程度， 主要(zhyo)取決于處理器。 3 線性度 4 量程范圍 主要由顯示環(huán)節(jié)的電路決定 ：傳遞特性曲線的斜率。Rt ()斜率 = 0.14 /C300T (C)250200150100500-501M100k10k1k10010斜率 = 60 k/C程度上反應(yīng)輸入量的微小變化。 熱敏電阻的傳遞特性RtT Rt uo溫度傳感器（熱敏電阻）第25頁/共52頁第二十六頁，共52頁。溫度傳感器毫伏級電壓(diny)信號工業(yè)(gngy)控制計算機變送器顯示儀表4 20

17、mA 或（如溫度(wnd)檢測系統(tǒng)）指針數(shù)字繪圖報警輸出1 5 V 信號模擬/數(shù)字量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫圖表統(tǒng)計分析第26頁/共52頁第二十七頁，共52頁。1 直接(zhji)型（例如熱電偶） 傳遞(chund)特性605040302010-10-200200 400 600800100012001400測量范圍斜 率 ( x i l ) = 4 2 V/C_+_+Rthutu1 模型_+Rthu1it模擬量被測物理量ut (mV)T(C)熱電效應(yīng)（溫差電動勢）第27頁/共52頁第二十八頁，共52頁。T Rt uoRt1) 模型(mxng)電量電量參數(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 2) 轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路CtL

18、tUSuoRRRRt傳感器-10-50510uo(mV)4 994 985 015 00R t ()5 02（若取R=500）( () )RRRU tS25 . 0( () )( () )500/mV5to Rua. 直流電橋Sttt5 . 05 . 0URRRRR St25 . 05 . 0URRR 轉(zhuǎn)換電路的靈敏度2T Rt uo21轉(zhuǎn)換電路熱敏電阻21 總靈敏度：總靈敏度：SStto21UURRRu b 交流電橋第28頁/共52頁第二十九頁，共52頁。7.1 已知：圖a是某光電池的傳遞特性(txng)，圖b電阻應(yīng)變片的傳遞特性(txng)。 試求：它們的靈敏度和量程。 （光電池靈敏度用m

19、A/ fc表示；電阻應(yīng)變片的靈敏度用W/m表示）。498499500501100200300400502500d (mm)503Rt()(a) 光電池特性 (b) 電阻(dinz)應(yīng)變片特性L (fc)5010015020010203040it(mA)1 =17527= 6.5 A/fc2 =501 - 498400= 7.5 m/m1 : 0 27 fc= 7.5 /mm2 : 0 490 m例題(lt)：第29頁/共52頁第三十頁，共52頁。0 = 1 2 = 7.5 /mm 5mV/ = 37.5mV/mm0.5US2R3 = = 0.5 2020 500= 10 mV/解:( () )

20、RRRU tS25 . 0轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路的靈敏度SStto21UURRRu = 1 3 = 7.5 /mm 10mV/ = 75mV/mm位移(wiy)d 電阻 Rt 電壓 uo_+R t10V_+傳感器uo5005005007.2 一種應(yīng)變儀的電路(dinl)如圖所示，應(yīng)變片的傳遞特性如圖所示。已知應(yīng)變片的電阻 Rt= 500時，傳感器的輸出電壓u0 對電阻Rt 的靈敏度為5mV/W。試問: (1)傳感器輸出電壓u0 (mV)對變形位移d (mm)的靈敏度是多少？1 2 (2)當(dāng)電橋的電源電壓增至20V時，傳感器的靈敏度將如何變化？ (直流電橋的輸出電壓信號按u0 = (10V)

21、 Rt / (500 + Rt ) - 5V計算)。( 3 )第30頁/共52頁第三十一頁，共52頁。1、電路(dinl)模型_+uoRL_+utRt放大器_+uiaabbaaRL_+uoRo_+usus=A uiRi_+utRt_+uibb放大器ut微弱(wiru)信號RCuO_+VCCRBui_+C1C2IBIC第31頁/共52頁第三十二頁，共52頁。A LoL RRRRo= 0， kv = A1) 傳遞函數(shù)_+_+uiuo放大器vkuu io2) 放大(fngd)能力 AaaRL_+uoRo_+usus=A uiRi_+utRt_+uibb放大器sLoLo uRRRu isLoLio u

22、uRRRuu kv kv A輸出(shch)與負載無關(guān) Ro，kv ;Ro，kv Ro越小，輸出電壓隨負載的變化越小帶載能力越強負載開路負載開路傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)放放大大能能力力 souuARRRkv LoL3) 放大效果(uo與ut的關(guān)系）(us與ui的關(guān)系）Kuu toiouutiuu touuttiiiuRRRu vkRRRK tiiRo的存在， uous。Ri或Rt的存在，uiut 。一般 K kv A第32頁/共52頁第三十三頁，共52頁。放大器Kv_+ui Cd_+uo放大器Kv_+ui _+uo耦合電容(dinrng)極間電容(dinrng)、雜散電容(dinrng)CdCcus=

23、A uiRo_+Ri放大器_+uoCd_+uo_+uius=A uiRo_+Ri放大器_+uoCd_+uo_+ui_+uiCc 直接(zhji)耦合模型交流耦合模型1) 耦合電容Ri_+ui_+uiCc_+uiLLiij1jffffUU icL21RCf fLfiiUU 110倍/十倍頻程(dec)（高通濾波）dodSoj1j1CRCUU USoj11ffUU doU21CRf fUfiiUU 110倍/ decciiiij1CRRUU 2) 極間電容usRo_+_+uoCd_+uo第33頁/共52頁第三十四頁，共52頁。us=A uiRo_+Ri放大器_+uoCd_+uo_+ui_+uiCc

24、3) Cc、Cd的綜合(zngh)影響AffffffUU ULLioj11j1jfiiUU fiiUU fLfUCc作用(zuyng)Cd作用(zuyng)Cc、 Cd作用逐漸消失 f ，Xd， 近似于開路 f ，Xc ， 近似于短路極限頻率：fU極限頻率：fL fL f fU第34頁/共52頁第三十五頁，共52頁。4、頻率(pnl)失真1) 頻率(pnl)失真例如(lr) 一階低通濾波器高次諧波越豐富，迭加后，越趨近于原始波形。 f = f1f = 3 f1f = 5 f1f (t)t0.51.01.510k3 0k5 0k7 0k9 0kf (Hz)An (V)110kfUf1U0Uit第

25、35頁/共52頁第三十六頁，共52頁。2) 非線性失真10-10uoui)sin(5 .12o tu10om U1-13) 諧波(xi b)失真及諧波(xi b)失真率（THD）10 10頻率失真和非線性失真，造成(zo chn)放大器輸出信號波形畸變畸變意味著信號(xnho)中諧波成分的改變所以頻率失真和非線性失真統(tǒng)稱為“諧波失真”。1242322A.AAATHD)sin()(10kkkmtkAatf放大器正弦信號輸出信號信號放大器第36頁/共52頁第三十七頁，共52頁。_+_+uiu1o_+u2o放大器2Kv2放大器1Kv1i2oUUKv 21vvKK 0.1110100100011010

26、01k10k100k1M21log20log20log20vvvKKK 增益(zngy)f (Hz)曲線(qxin)1曲線(qxin)20dB20dB40dB60dB-20dB曲線3fL=max fL1，fL2fU=min fU1，fU2第37頁/共52頁第三十八頁，共52頁。解:(1) 此放大器頻率特性為:BW = 3000 200 = 2.8KHz1KV = K0jf fL1 + jf fL1 + jf fU1KV = 120jf 2001 + jf 30001 + jf 200f = 1.8KHzKV = 1201j1.8 0.21 + j1.8 31 + j1.8 0.2= 102 -

27、24.62u0 = 1.02sin( 3600f t 24.62 ) Vf = 1.8KHzKV = 102.27f = 0KV = 0;7.6 已知某放大器具有帶通特性。已知其中(qzhng)頻增益為Ko=120，fU = 3kHz， fL = 200Hz。試求：1. 畫出該放大器頻率特性的波特(b t)圖，并計算它的頻帶寬度；2. 計算(j sun)信號頻率 f = 1.8 kHz，時放大器的增益; 3. 當(dāng)其輸入信號為： ui = 0.1 + 0.01sin(3600f t ) V 時放大器的輸出信號。 帶通放大器的頻率特性為： KVffL120=200fU=3K(2)(3)第38頁/共

28、52頁第三十九頁，共52頁。 外部(wib)噪聲內(nèi)部噪聲白噪聲(zoshng) 譜線長度比較均勻 頻率均勻分布 具有一定的功率1) 分類2) 度量白噪聲方法( () )噪聲頻譜的寬度噪聲頻譜的寬度噪聲信號的電壓噪聲信號的電壓2o NBEn2 3) 信噪比（Signal-Noise-Ratio） nEUslog20SNR第39頁/共52頁第四十頁，共52頁。_+uS_+ugRS2、延遲(ynch)與反射_+uS_+R rRSL/2L/2C_+L/2L/2CL/2L/2CL/2L/2Cuoug1) 延遲(ynch)2) 反射 終端反射 uu =r u+u+u終端接收信號LCdT 發(fā)送端反射 u+u

29、+ =s uoorZRZRrr R r osossZRZR終端反射系數(shù) 0 orrrRZRR1r 0r CLZ o 1r u+uo(t1+t)= uo(t1)+ u+ u第40頁/共52頁第四十一頁，共52頁。_+RSuoR r_+uS_+ug例：已知：特征阻抗Zo=50；信號源內(nèi)阻RS= 0；負載(fzi)Rr=150；延遲時間為T。試確定終端的響應(yīng)電壓信號。T3T5T2T4T6T0r=0.5s=-1u+=1Vu=0.5V 0 00V 1sttuusuo1V0V1+0.5=1.5V1+0.5-0.5=1Vu+=-0.5Vu=-0.25Vu+=0.25Vu=0.125V1.5-0.5-0.25

30、=0.75V1-0.25+0.25=1V0.75+0.25+0.125=1.125Vuo1.51.00.5T 3T5T7T9T11T15Tt第41頁/共52頁第四十二頁，共52頁。1 基本(jbn)構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)e+xy驅(qū)動器被控對象被控量給定量控制器sf2 基本功能偏差e調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié) 穩(wěn)態(tài)精度 調(diào)節(jié)速度 失調(diào)第42頁/共52頁第四十三頁，共52頁。二、穩(wěn)態(tài)精度(jn d)分析ux=3Vn=3000rpm反饋環(huán)節(jié)ue+驅(qū)動器被控對象被控量n給定量ux控制器ufGFue=0F=0.001無差調(diào)節(jié)(tioji)準(zhǔn)確度為100%G GFGHG 1 limF1 FH1 1 理想(lxing)2 實際GFGH 1 GFGFG11 = H0 GFH111 0 絕對誤差 H - H0GFH 11 0 相對誤差00HHH GF 11 GF1 ( () )1GF控制器電動機速度反饋第43頁/共52頁第四十四頁，共52頁。1、一階慣性(gunxng)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型1) 時域c