（已结贴）2011-06-26-工控擂台-采样周期的选择需要考虑那些因素？ 点击：6585 | 回复：18
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采样周期的选择需要考虑的因素有：
(1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次～15次即可。
(2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。
(3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间τ较大时，常选T=（1/4~1/8）τ。
(4)从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。
采样周期的选择需要考虑的因素有：
1、采样周期应远小于对象的扰动周期。
2、采样周期应比对象的时间常数小得多，否则所采样得到的值无法反映瞬间变化的过程值。
3、考虑执行机构的响应速度。如果采用的执行器的响应速度较慢，那么盲目的要求过短的采样周期将失去意义。
4、对象所要求的调节品质。在计算机速度允许的情况下，采样周期短，调节品质好。
5、性能价格比。从控制性能来考虑，希望采样周期短。但计算机运算速度，以及A/D和D/A的转换速度要相应地提高，会导致计算机的费用增加。
6、计算机所承担的工作量。如果控制的回路较多，计算量又特别大，则采样要加长；反之，可以将采样周期缩短。
综上分析可知：采样周期受很多因素的影响，当然也包括一些相互矛盾的，必须根据实际情况和主要的要求作出较为折衷的选择。笔者在实际过程控制中得出以下经验(仅供读者参考)：如：流量1～2S，压力2～3S，温度1.5～4S，液位5～8S等。
在数字控制系统中把原本是连续的任务间断成每隔一定时间(周期)执行一次，称之为离散，由于每个周期开始时都先采集输入信号，这个周期又称为采样周期。 合理选择采样周期是数字控制关键之一。采样周期的选择需考虑以下几点因素：
(1) 采样周期与电力电子器件的开关周期同步
变流器中的电力电子器件(晶闸管、igbt等)都工作在开关状态，只有开通和关断时刻是可控的，其他时间不可控，数字控制器也是断续工作的，如果它发出控制信号的时间不合适，恰好在器件已完成开关动作之后，器件对控制的响应将推迟一个周期，带来附加滞后。为避免附加滞后，希望采样周期与器件工作周期同步，且在软件设计时把控制安排在输出触发脉冲之前。
(2) 固定周期采样和变周期采样
采样周期为固定值的均匀采样称固定周期采样，数字控制系统一般都用固定周期采样。但有些变流器的工作周期是变化的，例如常用的6脉波相控整流，稳态时工作周期固定为300hz，但在暂态，周期则是变化的，触发延迟角前移时周期缩短，后移时则加长。这样的系统若还采用固定周期采样，则无法实现同步，带来附加滞后，因此都改用变周期采样，用触发脉冲作为采样周期启动的信号，实现同步。
(3) 香农采样定理
采样周期t越长，处理器就能做更多的事，但对系统性能影响越大。采样周期的长短与系统响应的快慢有关，受香农采样定理的约束。采样定理告诉我们，要想采样信号能够不失真地恢复原来的连续信号，必须使采样频率f(f=1/t)大于系统频谱中最高频率的两倍。系统的动态性能可用开环对数幅频特性m(db)=f(ω)来表征。由于控制对象存在惯性，频率越高，m(db)越小，m≥-3db或-6db所对应的频率范围通常称之为频带宽，再高的频率对系统的影响可忽略。根据采样定理，采样频率应大于2倍最大频率，即 f≥ωmax/π (5) 式中，ωmax为m=-3db所对应的频率，在系统设计时实际的ωmax不知道，f 按预期的ωmax选取。对于一般工业用调速装置，转矩(或电流)内环的ωmax<1000，转速外环ωmax<200，某些伺服系统的频带还要再宽一些。
(4) 多采样周期
一个处理器要处理的变量很多，它们变化的快慢相差很大，如果按变化最快的变量来选取采样频率，将极大地浪费处理器的能力，所以通常为一个处理器规定几种采样周期，以适应变化快慢不同的任务，为实现方便，这些采样周期按2n分级选取，取(n=0，1，2，3…正整数)。最基本的周期是t0，处理器每隔t0接收一个启动信号，最快的任务选用t1=t0周期，它被优先执行;在t1任务执行完后，空余的时间里执行选用t2=2t0周期的任务;依此类推，在选用t1、t2周期任务执行完后，再执行选用t3=4t0周期的任务。为不耽误某些紧急任务(例如故障、警告等)的执行，处理器在接到中断信号后，马上中断正在进行的周期性任务，优先执行该中断任务。
采样周期T在计算机控制系统中是一个重要参数。合理地选择采样周期T，是数字控制系统设计的关键问题之一。由香农采样定理可知，当采样频率 时，系统可由离散的采样信号真实地恢复到原来的连续信号。由于被控对象的物理过程及参数的变化比较复杂，致使模拟信号的最高频率很难确定。因此，采样定理仅从理论上给出了采样周期的上限，即在满足采样定理的条件下，系统可真实地恢复原来的连续信号，而实际采样周期的选取要受到多方面因素的制约。
一般来说，采样周期的选取应与PID参数的整定综合起来考虑。通常应考虑以下因素：
(1)对象的动态特性影响：采样周期应比对象的时间常数小很多，否则，采样信号无法反映瞬变过程
(2)扰动信号影响：在控制系统中，施加到系统的扰动包括两大类：一类是需要控制系统克服的频率较低的主要扰动；另一类是频率较高的随机高频干扰，如测量噪声等，这是采样时要忽略的。这样，采样频率应选择在这两类干扰的频率之间，从而使系统具有足够的抗干扰能力。一般地，若需要克服的主要扰动频率为 。
(3)控制品质的要求：一般而言，在计算机运算速率允许情况下，采样周期短，控制品质高。因此，当系统的给定频率较高时，采样周期T相应减少，以使给定的改变能迅速地得到反映。另外，当采用数字PID控制器时，积分作用和微分作用都与采样周期T有关，选择T太小时，积分和微分作用都将不明显，这是因为当T太小时，e(k)的变化也就很小。
(4)控制算法的要求：不同的控制算法对采样周期有不同的要求。例如，设计数字控制器时，若忽略零阶保持器，就要求系统具有足够高的采样频率，以使采样控制系统更接近于连续系统。又如，考虑到控制量的幅度都是受限的，对某些直接离散化设计方法，如最小方差控制、最少拍控制等算法，采样周期又不能太小，否则控制量容易超限。
(5)计算机及A/D、D/A转换器性能的影响：计算机字长越长，计算速度越快，A/D、D/A转换器的速度越快，则采样周期可减小，控制性能也较高，但这将导致计算机等硬件费用增加。
(6)执行机构的响应速度的影响：通常执行机构惯性较大，采样周期T应能与之相适应。考虑到执行机构的响应速度都是有限的，过高的采样频率对控制来说不仅无意义，有时还起了不好的作用。
(7)控制回路多少的影响：一般来说，控制回路越多，为了保证每个回路都有足够的时间完成必要运算，系统的控制周期就要越长，自然采样周期也就越长。
综上所述，影响采样周期的因素众多，有些还是相互矛盾的，故必须视具体情况和主要要求做出选择。采样周期选择的理论计算法比较复杂，特别在被控系统各环节的时间常数难以确定时，工程上很少应用。而经验法在工程上应用较多。
根据香农定律，理论上采样率大于等于信号频率2倍；但是实际上根据实际情况采样率往往远远大于信号频率。从物理意义上来理解采样定理那就是,如果选择这样一个采样频率,使得对连续信号所含的最高频率来说,能做到在其一个周期内采样两次以上,则在经采样获得的脉冲序列中将包含连续信号的全部信息.反之,如果采样次数太少,即采样周期太长,那就做不到无失真的再现原连续信号.
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