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控制理论基础中英文对照
Course:
FundamentalsofControlTheory
控制理论基础
CHAPTER1INTRODUCTION第一章绪论
1.1INTRODUCTION引言
1.2INTRODUCTIONTOCONTROLSYSTEMS控制系统概述
1.3DEFINITIONS定义
1.4HISTORICALBACKGROUND历史背景
1.5DIGITALCONTROLDEVELOPMENT数字控制的发展
1.6MATHEMATICALBACKGROUND数学背景(基础)
1.7GENERALNATUREOFTHEENGINEERINGCONTROLPROBLEM工程控制问题的一般特点
1.8COMPUTERLITERACY用于控制系统的计算机程序
1.9OUTLINEOFTEXT全书内容要点
1.1Introduction引言
Withtherapidlydevelopmentofthemodernscienceandtechnologies,mancreatedmanymiracles.Oneofthemistheinventionofautomaticcontrolequipments.Today,wecan’tliveonwithoutthehelpoftheseauto-machines.
随着现代科技的迅速发展,人类创造了很多奇迹。
其中之一就是自动控制设备。
在现代社会,人类如果离开了这些自动机器将无法生存下去。
Automaticcontrolsystemspermeate(渗透)lifeinalladvancedsocietiestoday.
自动控制系统技术已经渗透到了现代社会生活的方方面面:
producegoodsrequiredbyanincreasingworldpopulation
生产足够的商品以满足不断增长的人口的需求;
traveltothemoonandexploreouterspace
到月球旅行和探索外层空间;
spacevehicles,thespaceshuttle,spacestations
宇宙飞船、航天飞机、空间站;
reconfigurableflightcontrolsystems
可重新配置的飞行控制系统。
1.2Introductiontocontrolsystems控制系统概述
Therearemanyequipmentswithcontrolsystemsinourdailylives,suchas:
在我们的日常生活中,有很多带控制系统的设备,例如:
Refrigerators电冰箱
Robots机器人
air-conditioner空调
auto-washers全自动洗衣机
elevators电梯
pilotlessaircraft无人驾驶飞机
men人类自身
Example:
toaster例子:
烤箱
期望的面包黑度设定
input:
timer输入:
由定时器设定的时间
output:
degreeofdarknessandcrispness
输出:
面包的黑度和松脆程度
Theoutputquantityhasnoinfluenceontheinputquantity,thereisnofeedbackinthissystem.输出量对输入量没有影响,系统中不存在反馈。
Example:
DCshuntmotor例子:
直流电机
励磁电压源
主轴转速
电枢电压
励磁电流
电枢电压源
电压选择器
直流电机
input:
armaturevoltage输入:
电枢电压
output:
speedoftheshaft输出:
电机主轴的转速
DC:
DirectCurrent直流AC:
AlternatingCurrent交流
open-loopcontrolsystems:
Systemsinwhichtheoutputquantityhasnoeffectupontheinputquantity开环控制系统:
输出量对输入量没有影响的系统
functionalblockdiagram:
功能方框图
commandinput:
desireddarknessofthetoastorthedesiredspeedofthemotor命令输入:
面包的期望黑度值或电机的期望转速
reference-selectorblock:
selectionofthevalueoftimeonthetoastertimerorthevalueofvoltageappliedtothemotorarmature参考选择器方框:
选择设定烤箱定时器的时间值或电枢两端外加电压值
referenceinput:
outputofthereference-selectorblock参考输入:
参考选择器方框的输出
dynamicunit:
theunitwhichthereferenceinputisappliedto动态单元:
施加参考输入信号的单元
desiredoutput:
outputofthedynamicunit期望输出:
动态单元的输出
closed-loopcontrolsystems:
Systemsinwhichtheoutputhasadirecteffectupontheinputquantity闭环控制系统:
输出信号对输入信号有直接影响的系统。
functionalblockdiagramofasingle-inputsingle-output(SISO):
单输入单输出系统的功能方框图:
characteristic:
theoutputisfedbackandiscomparedwiththeinput特点:
输出信号被反馈到输入端并与输入信号进行比较
comparisonunit:
performscomparisonbetweenthereferenceinputandthefeedbacksignalandresultsinanactuatingsignal比较单元:
将参考输入信号与反馈信号进行比较,并产生一个执行信号
Example:
homeheatingcontrolsystem家用取暖控制系统
Abimetalliccoilinthethermostatisaffectedbyboththeactualroomtemperature(output)andthereference-selectorsetting.恒温器中的双金属片既受到实际室温(输出),又受到参考选择器设定的室温双重影响。
Anotherexample:
RefertoCh.materialP1-14其它的例子:
见材料1~14
1.3Definitions定义
Fromtheprecedingdiscussionthefollowingdefinitionsareevolved,basedinpartonthestandardsoftheIEEE,andareusedinthistext.根据前面的讨论,引伸出了下列在本教材中使用的定义,(部分定义基于IEEE标准)。
IEEE:
InstituteforElectricalandElectronicEngineers电气和电子工程师学会[美]
System.Acombinationofcomponentsthatacttogethertoperformafunctionnotpossiblewithanyoftheindividualparts.
系统:
许多部件的组合,这些部件组合起来能完成一定的功能,而其中任何单独的部件不能完成此功能。
Commandinput.Themotivatinginputsignaltothesystem,whichisindependentoftheoutputofthesystemandexercisescompletecontroloverit(ifthesystemiscompletelycontrollable).
命令输入:
施加于系统的使用信号,该信号与系统的输出无关,并且在整个过程中对系统进行全面控制(假设系统是完全可控的)。
Referenceselector(referenceinputelement).Theunitthatestablishesthevalueofthereferenceinput.Thereferenceselectoriscalibratedintermsofthedesiredvalueofthesystemoutput.
参考选择器(参考输入环节):
建立参考输入信号的单元。
根据系统输出的期望值对参考选择器进行设定。
Referenceinput.Thereferencesignalproducedbythereferenceselector,i.e.,thecommandexpressedinaformdirectlyusablebythesystem.Itistheactualsignalinputtothecontrolsystem.
参考输入:
参考选择器产生的参考信号,即以系统能直接使用的形式所表示的指令,它是控制系统的实际输入信号。
Disturbanceinput.Adisturbanceinputsignaltothesystemthathasanunwantedeffectonthesystemoutput.
干扰输入:
系统的干扰输入信号,对系统的输出产生不期望的影响。
Forwardelement(systemdynamics).Theunitthatreactstoanactuatingsignaltoproduceadesiredoutput.Thisunitdoestheworkofcontrollingtheoutputandthusmaybeapoweramplifier.
前向单元(系统动态环节):
在激励信号作用下产生期望输出的单元。
该单元起控制输出的作用,因此它可能是一个功率放大器。
Output(controlledvariable).Thequantitythatmustbemaintainedataprescribedvalue,i.e.,itmustfollowthecommandinputwithoutrespondingtodisturbanceinputs.
输出(被控变量):
该输出量必须维持在所规定的值上,即跟随指令输入。
Open-loopcontrolsystem.Asysteminwhichtheoutputhasnoeffectupontheinputsignal.
开环控制系统:
输出信号对输入信号不产生影响的系统。
Feedbackelement.Theunitthatprovidesthemeansforfeedingbacktheoutputquantity,orafunctionoftheoutput,inordertocompareitwiththereferenceinput.
反馈单元:
该单元将输出量或输出量的函数反馈到输入端,并与参考输入进行比较。
Actuatingsignal.Thesignalthatisthedifferencebetweenthereferenceinputandthefeedbacksignal.Itistheinputtothecontrolunitthatcausestheoutputtohavethedesiredvalue.
作用信号:
参考输入和反馈信号两者之差。
该信号作用于控制单元节,使输出达到期望值。
Closed-loopcontrolsystem.Asysteminwhichtheoutputhasaneffectupontheinputquantityinsuchamannerastomaintainthedesiredoutputvalue.
闭环控制系统:
输出对输入产生直接影响,以使输出值维持期望值上。
Thefundamentaldifferencebetweentheopen-andclosed-loopsystemsisthefeedbackaction.
开环与闭环系统两者之间的主要区别是反馈作用。
Servomechanism(oftenabbreviatedasservo).Thetermisoftenusedtorefertoamechanicalsysteminwhichthesteady-stateerroriszeroforaconstantinputsignal.Sometimes,bygeneralization,itisusedtorefertoanyfeedbackcontrolsystem.
伺服机构(常缩写为servo):
在定常输入信号作用下稳态误差为零的系统,有时泛掼任何反馈控制系统。
Regulator.Thistermisusedtorefertosystemsinwhichthereisaconstantsteady-stateoutputforaconstantsignal.Thenameisderivedfromtheearlyspeedandvoltagecontrols,calledspeedandvoltageregulators.
调节器:
在常值输入信号下有常值稳态输出的系统,从早期的速度和电压控制系统引伸而来(故又称速度和电压调节器)。
1.4Historicalbackground历史背景
汽车前进的实际方向(输出)
汽车前进的指定方向(输入)
Apictorialdemonstrationofanautomobileasafeedbackcontrolsystem
驾驶汽车作为反馈控制系统的图示
配重
Heroesdeviceforopeningtempledoors
打开寺庙大门的古老装置
JamesWatt'sflyballgovernor飞球调速器,即蒸汽机离心调速器
离心调速器的应用
离心调速器的工作原理很简单,假定机器在平衡状态远行时突然加上负载,此时机器速度下降,调速器飞球的高度下降,通过杠杆的作用使蒸汽阀门(它在这里是执行器)打开以使更多的蒸汽进入机器从而使速度大体上能复原。
为了使阀门维持在这个新的开启状态,飞球张开的角度自然和原先(未加负载时)不同,这意味着在有负载时的速度实际不会完全和原先的速度相等,亦即负数的变动产生了转速误差。
如果该误差在允许范围内,则上述控制已满足要求,若要求转速不因加上负载而变化,可以设法改变阀门的阀杆长度。
后来的发明者设计了自动更新调整机构实现了转速恒定。
loaddisturbanceM↓→rotatedspeedn↑→centrifugalframeworkexpansion↑→slidingcoverofcomparingframework↑→valve↓(throughthelevelofthetransitionframework)→steamquantityQ↓→n↓(Ch1-9)
负载扰动下降M↓→则(轴)转速上升↑→离心力机构张开度↑→比较机构滑套↑→阀门(通过比较机构杠杆)↓→蒸汽量Q↓→转速↓
反馈
Antiaircraftradar-trackingcontrolsystem防空雷达跟踪控制系统
1868:
JCMaxwell,Onspeedregulatingmachine,ProceedingoftheRoyalSocietyofLandon,Vol.161868年,麦克斯韦尔在英国皇家学会学报上发表“论速度调节器”论文
1884:
EJRouth,Stabilitycriterionoflinearsystem1884年,劳斯提出线性系统的稳定性判据
1923:
Heaviside,arithmeticoperatorsmethod1923年:
海维赛德提出代数算子法(海维赛德展开式)
1930’s:
HNyquist,NyquistStabilitycriterion19世纪30年代,奈奎斯特提出奈奎斯特稳定性判据
HWBode,negativefeedbackamplifiers伯德提出负反馈放大器概念
1945:
publicationofservomechanism“伺服机构”一书出版
1948:
publicationofTheoryofcontrols“控制理论”一书出版
1950:
WREvans,Root-Locusmethod伊文斯提出根轨迹法
conventionalcontroltheory:
developedthroughthelate1950s.Whichiseffectivelyappliedtomanycontrol-designproblems,especiallytoSISOsystems.
经典控制理论:
是20世纪50年代末以前出现的,已经有效地应用于许多控制设计问题中,特别是对于单输入单输出信号系统。
moderncontroltheory:
developedforthedesignofmorecomplicatedsystemsandformultiple-inputmultiple-output(MIMO)systems
现代控制理论:
为了设计更复杂的系统和多输入多输出系统而发展起来的控制理论。
Thedevelopmentofcontrolconceptsintheengineeringfieldhasbeenextendedtotherealmofhumanandbiomedicalengineering
控制概念已经从工程界延伸到人类和生物医学工程领域。
1.5Digitalcontroldevelopment数字控制的发展
aerospacevehicles:
宇航飞行器
controlsurfaces:
操纵面
stabilityaugmentationsystem:
增稳系统,SAS
controlstick:
驾驶杆
airbornedigitalprocessors:
机载数字处理器
1.6MathematicalBackground数学背景
differentialequations:
aclassicalmeans,usedinthesolutionofcontrolsystemsintheearlystudies.Theapproachistediousanddoesnotreadilyindicatewhatchangesshouldbemadetoimprovesystemperformance.
微分方程:
在早期研究中用于控制系统求解的一种经典方法。
使用该法进行求解的过程很烦琐,而且不能分析为改善系统性能应采取的措施。
Laplacetransform:
transformsdifferentialequationstoalgebraicequationsinordertosimplifytheabovemethod
拉普拉斯变换:
将微分方程变换为代数方程,以简化求解过程。
Nyquist'smethod:
dealswiththeapplicationofsteady-statefrequency-responsetechniquestofeedbackamplifierdesign,extendedbyBlack,Bode,Hall,Harris,etc.
奈魁斯特方法,将稳态频率响应计算法应用于在反馈放大器的设计中。
root-locustheory:
presentedbyEvans,permitsthegraphicalevaluationofboththetimeandthefrequencyresponse
根轨迹理论:
由伊文斯提出的可以对时间和频率响应进行图解计算的理论。
Mathematicalmodels:
asetofmathematicalequationsdescribingaphysicalsystem.OncetheMathematicalmodelsaresetup,thesubsequentmethodofanalysisisindependentofthenatureofthephysicalsystem;i.e.,itdoesnotmatterwhetherthesystemiselectrical,mechanical,orsomethingelse.Thistechniquehelpsthedesignertospotsimilaritiesbaseduponpreviousexperience
数学模型:
一组用于描述物理系统的数学方程。
一旦数学模型建立起来,后面的分析就与物理系统的结构特性无关,即不管系统是电的、机械的、
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