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河科大机械制造专业英语3
Unit16Open-loopandClosed-loopControl
Open-loopControlSystems(NonfeedbackSystems)开环控制系统(无反馈系统)
Thewordautomaticimpliesthatthereisacertainamountofsophisticationinthecontrolsystem.Byautomatic,itgenerallymeansthatthesystemisusuallycapableofadaptingtoavarietyofoperatingconditionsandisabletorespondtoaclassofinputssatisfactorily.自动化一词意味着在控制系统中有一定数量采用先进的技术,它通常意味着系统有普遍适应的能力,对于操作环境的变化能够响应一类令人满意的输入However,notanytypeofcontrolsystemhastheautomaticfeature.Usually,theautomaticfeatureisachievedbyfeedingtheoutputvariablebackandcomparingitwiththecommandsignal.Whenasystemdoesnothavethefeedbackstructure,itiscalledanopen-loopsystem,whichisthesimplestandmosteconomicaltypeofcontrolsystem.然而,不是任何一个控制系统都具有自动化特征。
通常,控制特征是通过反馈输出变量和比较控制信号获得的。
当一个系统没有反馈结构,这称为开环系统,开环系统是最简单而且最经济的控制系统类型。
Unfortunately,open-loopcontrolsystemslackaccuracyandversatilityandcanbeusedinnonebutthesimplesttypesofapplications.不幸的是,除了最简单的应用类型,开环控制系统,由于缺乏精确度和多功能不被应用。
Consider,forexample,controlofthefurnaceforhomeheating.Letusassumethatthefurnaceisequippedonlywithatimingdevice,whichcontrolstheonandoffperiodsofthefurnace.Toregulatethetemperaturetotheproperlevel,thehumanoperatormustestimatetheamountoftimerequiredforthefurnacetostayonandthensetthetimeraccordingly.Whenthepresettimeisup,thefurnaceisturnedoff.考虑一下,例如,用于家庭取暖的火炉的控制。
假设火炉仅配有时间装置,控制火炉周期内的开启和关闭。
操作者必须估计火炉达到理想温度所需要的时间,然而设置计时器,当达到预先设计的时间时火炉关闭,However,itisquitelikelythatthehousetemperatureiseitheraboveorbelowthedesiredvalue,owingtoinaccuracyintheestimate.Withoutfurtherdeliberation,itisquiteapparentthatthistypeofcontrolisinaccurateandunreliable.房间的温度也可能高于或者低于期望值,原因就是估计不精确不从长远考虑,很明显这样控制的类型是不精确不可靠的。
Onereasonfortheinaccuracyliesinthefactthatonemaynotknowtheexactcharacteristicsofthefurnace.Theotherfactoristhatonehasnocontrolovertheoutdoortemperature,whichhasadefinitebearingontheindoortemperatureThisalsopointstoanimportantdisadvantageoftheperformanceofanopen-loopcontrolsystem,inthatthesystemisnotcapableofadaptingtovariationsinenvironmentalconditionsortoexternaldisturbances.一个列出事实关于精确性的原因可能是不知道火炉准确的特征,另一个原因是不能控制外界的温度确切的对室内温度的影响,这也指出了开环系统特征的重要缺点,因此不能适应环境条件或者外部干扰的变量。
Inthecaseofthefurnacecontrol,perhapsanexperiencedpersoncanprovidecontrolforacertaindesiredtemperatureinthehouse;butifthedoorsorwindowsareopenedorclosedintermittentlyduringtheoperatingperiod,thefinaltemperatureinsidethehousewillnotbeaccuratelyregulatedbytheopen-loopcontrol.关于火炉控制,一个经验丰富的人可能能够控制室内的温度,但是如果门窗都开着或者在火炉运行期间间歇地关闭,屋内最终的温度通过开环控制系统就不会被调整得很精确了。
Anelectricwashingmachineisanothertypicalexampleofanopen-loopsystem,becausetheamountofwashtimeisentirelydeterminedbythejudgmentandestimationofthehumanoperator.Atrueautomaticelectricwashingmachineshouldhavethemeansofcheckingthecleanlinessoftheclothescontinuouslyandturnitselfoffwhenthedesireddegreeofcleanlinessisreached.洗衣机也是开环系统中一个典型的例子,因此洗衣的时间是通过操纵者来判断和估计的,一台真正的自动洗衣机应该具有连续检查衣服的清洁度的方法。
当衣服达到一定的清洁度时自动关闭Althoughopen-loopcontrolsystemsareoflimiteduse,theyformthebasicelementsoftheclosed-loopcontrolsystems.Ingeneral9theelementsofanopen-loopcontrolsystemarerepresentedbytheblockdiagramofFig.16.1.Aninputsignalorcommandrisappliedtothecontroller,whoseoutputactsastheactuatingsignale;theactuatingsignalthenactuatesthecontrolledprocessandhopefullywilldrivethecontrolledvariablectothedesiredvalue.尽管开环控制系统使用受限,它是形成闭环控制系统的基本元件,通常一个开环系统的元件如图16所示,一个输入信号或者命令r应用到控制器上,它的输出作为激励信号e,然后激励信号激励控制过程希望通过驱动控制变量C得到预期值。
Whatismissingintheopen-loopcontrolsystemformoreaccurateandmoreadaptablecontrolisalinkorfeedbackfromtheoutputtotheinputofthesystem.在开环控制系统中为了获得更高的精确性和更高的适应性,所缺少的是一个环节或者从系统的输出到输入的反馈Inordertoobtainmoreaccuratecontrol,thecontrolledsignalc(t)mustbefedbackandcomparedwiththereferenceinput,andanactuatingsignalproportionaltothedifferenceoftheoutputandtheinputmustbesentthroughthesystemtocorrecttheerror①.为了获得更精确的控制,必须将被控制信号C(t)反馈回去与参考输入量相比较,且须将与输出和输入之差成比例的促动信号送给系统以矫正偏差Asystemwithoneormorefeedbackpathslikethatjustdescribediscalledaclosed-loopsystem.Humanbeingsareprobablythemostcomplexandsophisticatedfeedbackcontrolsysteminexistence.如刚才所说的一样,含有一个或者多个反馈路线的系统称为闭环系统,人类可能现有最复杂最精密的反馈系统Ahumanbeingmaybeconsideredtobeacontrolsystemwithmanyinputsandoutputs,capableofcarryingouthighlycomplexoperations.Toillustratethehumanbeingasafeedbackcontrolsystem,letusconsiderthattheobjectiveistoreachforanobjectonadesk.Asoneisreachingfortheobject,thebrainsendsoutasignaltothearmtoperformthetask.Theeyesserveasasensingdevicewhichfeedsbackcontinuouslythepositionofthehand.Thedistancebetweenthehandandtheobjectistheerror,whichiseventuallybroughttozeroasthehandreachestheobject.Thisisatypicalexampleofclosed-loopcontrol.人类可以被认为含有很多输入输出的控制系统,具有执行相当复杂的操作能力,让我们考虑一下,目标是够到桌子上的一个物体,当人正接近物体时,大脑发出信号手臂执行任务,眼睛作为窗安装置不停地反馈物体位置,手和物体之间的距离是误差,误差最终变为0时,手刚好够到物体,这就是一个典型闭环反馈的例子However,ifoneistoldtoreachfortheobjectandthenisblindfolded,onecanonlyreachtowardtheobjectbyestimatingitsexactposition.Itisquitepossiblethattheobjectmaybemissedbyawidemargin.Withtheeyesblindfolded,thefeedbackpathisbroken,andthehumanisoperatingasanopen-loopsystem.Theexampleofthereachingofanobjectbyahumanbeingisdescribedbytheblockdiagramshownin.然而,如果一个人蒙着眼睛去够物体,他仅仅是通过估计去接近物体的真实位置,在很大程度上他可能丢失目标,由于眼睛被蒙上,反馈路线被破坏,人的操作就变成了开环系统,人够物体的例子可以描述成图16.2
Asanotherillustrativeexampleofaclosed-loopcontrolsystem,Fig.16.3showstheblockdiagramoftheruddercontrolsystemofaship.Inthiscasetheobjectiveofcontrolisthepositionoftherudder,andthereferenceinputisappliedthroughthesteeringwheel.Theerrorbetweentherelativepositionsofthesteeringwheelandtherudderisthesignal,whichactuatesthecontrollerandthemotor.Whentherudderisfinallyalignedwiththedesiredreferencedirection,theoutputoftheerrorsensoriszero.另一个闭环系统的例子,图16.3所示的船舵控制系统,在这个例子中控制的目标是船舵的位置,参考输入是舵轮,舵轮的相对位置和船舵之间的误差是一个信号。
信号激励控制器和发动机,当船舵最终调整到期望的参考位置时,传感器的输出误差为0
Thebasicelementsandtheblockdiagramofaclosed-loopcontrolsystemareshowninFig.16.4.
Unit17FeedbackandItsEffects
Theconceptoffeedbackplaysanimportantroleincontrolsystem.s.Feedbackisamajorrequirementofaclosed-loopcontrolsystem.Withoutfeedback,acontrolsystemwouldnotbeabletoachievetheaccuracyandreliabilitythatarerequiredinmostpracticalapplications.在控制系统中,反馈充当着一个重要的角色。
闭环控制系统中一定存在反馈,如果没有反馈,一个控制系统就不能够获得在实际应用中所要求的精度和可靠性Inreality,thereasonsforusingfeedbackcarryfarmoremeaningthanthesimpleoneofcomparingtheinputwiththeoutputinordertoreducetheerror.Thereductionofsystemerrorismerelyoneofthemanyeffectsthatfeedbackmaybringuponasystem.事实上,运用反馈有着很重要的意义,而不仅仅是为了减小误差比较输入与输出。
系统误差的减小仅仅是引入反馈带来的影响之一Weshallnowshowthatfeedbackalsohaseffectsonsuchsystemperformancecharacteristicsasstability,bandwidth*overallgain,impedance,andsensitivity.我们现在可以认识到反馈对于系统的性能特性也有很大的影响,例如稳定性、带宽、总增益、阻抗和灵敏度。
Tounderstandtheeffectsoffeedbackonacontrolsystem,itisessentialthatweexaminethisphenomenonwithabroadmind.Whenfeedbackisdeliberatelyintroducedforthepurposeofcontrol,itsexistenceiseasilyidentified.为了了解反馈对于控制系统的影响,很明显我们需要以一个开阔的思维去思考它。
当为了控制而故意地引入反馈,那么反馈的存在很明显However,therearenumeroussituationswherein,aphysicalsystemthatwenormallyrecognizeasaninherentlynonfeedbacksystemmayturnouttohavefeedbackwhenitisobservedinacertainmanner.但是,在物理系统中有很多的状况,一些我们认为没有反馈的系统,当我们换一种角度研究时,它是有反馈的。
Ingeneralwecanstatethatwheneveraclosedsequenceofcause-and-effectrelationexistsamongthevariablesofasystem,feedbackissaidtoexist®.Thisviewpointwillinevitablyadmitfeedbackinalargenumberofsystemsthatordinarilywouldbeidentifiedasnonfeedbacksystems.通常,我们可以指出,只要系统的变量之间存在闭合序列的因果关系,就认为存在反馈。
在很多被认为无反馈系统中,这个观点不可避免地承认了反馈。
Weshallnowinvestigatetheeffectsoffeedbackonthevariousaspectsofsystemperformance.Withoutthenecessarybackgroundandmathematicalfoundationoflinearsystemtheory,atthispointwecanonlyrelyonsimplestaticsystemnotationforourdiscussion.我们将研究反馈对于系统性能的各个方面的影响。
没有必要的背景和线性系统理论的教学基础,对于我们的讨论我们只能依靠简单的静止系统注释LetusconsiderthesimplefeedbacksystemconfigurationshowninFig.17.1,whereristheinputsignal,ctheoutputsignal,etheerror,and6thefeedbacksignal.TheparametersGandHmaybeconsideredasconstantgains.Bysimplealgebraicmanipulationsitissimpletoshowthattheinput-outputrelationofthesystemisUsingthisbasicrelationshipofthefeedbacksystemstructure,wecanuncoversomeofthesignificanteffectsoffeedback.让我们考虑一下图16.1简单的反馈系统外形,r代表输入信号,c代表输出信号,e是误差,b是反馈信号。
参数G和H被认为是常量增益,通过简单的代数运算,我们可以知道系统输入与输出之间的关系是M=C/R,利用反馈系统结构的基本关系我们能够发现反馈的一些影响因素。
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Sensitivityconsiderationsoftenplayimportantroleinthedesign,ofcontrolsystems.sinceallphysicalelementhavepropertiesthatchangewithenvironmentandage,wecannotalwaysconsidertheparametersofacontrolsystemtobecompletelystationaryovertheentireoperatinglifeofthesystem.Forinstance,thewindingresistanceofanelectricmotorchangesasthetemperatureofthemotorrisesduringoperation.Ingeneral,agoodcontrolsys-{€mshouldbeveryinsensitivetotheseparametervariationswhilestillabletofollowthecommandresponsively灵敏度因素在控制系统设置中起着重要的作用。
由于所有的物理元素都有着随着环境与时间的
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