测控技术与仪器专业英语 习题答案 作者 张凤登 unit-13-控制系统引言-参考译文及练习答案

·61· UNIT 13 控制控制系统引言系统引言 参考译文参考译文: 13.1 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 如果我们探讨一下“控制”这个词，就能从辞典中找到几种词意，如命令、指挥、管理 和调节。 因此， 控制系统可以被认为是用一种能达到预期性能的方式指挥能量流入一台机器 或一个过程的一组物理元件。 “自动”一词的意思自己运动或自己动作，因此，一个自动控制系统就是一个自己动作的 控制系统。 控制系统，无论是自动的，还是其它形式的，都有一个重要区别，即开环操作和闭环操 作之间的区别。借助于一个简单的例子，也许能够很好地说明包括这一区别的全自动控制。 假设图 13-1 中所示的烘箱被电加热器加热，加热器由一个能给加热元件提供几档电流 的转换开关控制。该开关的设定位置代表输入量（input quantity） ，因为它会激活该系统以 产生输出。烘箱的温度是输出量（output quantity） ，即被控量（controlled quantity） 。由于输 入加热器的电流是可以改变的，所以我们能够认为该量是操纵量（manipulated quantity） 。 对于控制开关的某个设定位置，烘箱温度会 达到一个与加热器电流和通过烘箱壁的热损失 有关的值。如果温度不能令人满意，这种情况本 身无法改变烘箱控制的输入量。于是，可以认为 输出量对输入量没有影响。这时的控制被认为是 开环控制系统。如果象烘箱周围的环境温度等类 似的情况有了变化，烘箱内的温度也会变化。这 样，开环控制系统就不能够校正干扰被控量的那 些变化。 人可以加入该系统，把烘箱温度维持在预期值，如图 13-2(a)所示。通过观察烘箱内的 温度计，人便能会改变控制开关的位置，使其更接近于获得所需的温度。需要指出的是，操 作人员的参与提供了一个使得输出反馈， 并与预期值进行比较的手段。 加热元件的实际控制 取决于误差， 即实际温度与预期温度间的差值， 要朝着减小该误差的方向对开关位置作任何 需要的变动。例如，如果温度低，就要增大加热器的电流，以提供更多的热量。 输出影响输入的系统称为闭环控制系统，或更通常地叫做反馈控制系统。图 13-2(a)所 示系统的反馈实质可以通过对闭环的显迹看出来。 实际温度与预期值的比较功能是由操作者 的头脑来实现的， 并由其肌肉的反应执行命令。 尽管烘箱的闭环控制是由操作者建立起来的， 随着操作者调节转换开关， 温度会在预期值的上下波动， 而该偏差会随着操作者的经验而趋 Fig. 12-1 Oven-temperature control, open-loop Power source Control switch Switch setting (input quantity) Temperature (output quantity) Oven Heating element Current (manipulated quantity) ·62· 于减小， 但其结果可能并不令人满意。 电源电压的变化或者烘箱周围温度的变化都会对系统 的输出产生不利的影响。此外，监视温度计和操作转换开关将是一种枯燥而费时的工作。这 种方案可以叫做手动闭环控制系统。 为了进一步改善性能，并获得更精确的控制，可以用机械的、电气的或其它形式的比较 和控制部件来代替人。图 13-2(b)示出了在自动基础上，即无人工参与而执行闭环控制的烘 箱控制系统。现用一个热电偶测量温度，热电偶是一种能产生与温度成正比的电压的器件。 这个电压被反馈回去并与一个代表着预期温度的参考电压进行比较。 这两个电压之差经电子 放大，并控制作用于加热元件的电流。由于电压反馈是从参考电压中减去的，所以称为负反 馈信号。 这个例子说明， 用自动闭环控制完成任务比人更快更协调。 在闭环控制系统中使用负反 馈是要通过 往往维持 测量实际值， 把它与预期值进行比较， 再利用其差值作为初始启动动 作，以减少差值，从而使某个量或某个状态保持预期值。负反馈的概念已成为自动控制系统 设计的基础。 13.2 控制系统的特性控制系统的特性 尽管不同的系统被设计成用来完成不同的功能，但所有系统都需满足一些共同的要求。 典型控制系统的主要特性包括稳定性、精度、响应速度和对元件及环境变化的输出灵敏度。 设计者对这些特性重要性的优先考虑次序取决于系统的本质和系统的应用。 然而， 对于一个 用于实际的系统，它必须是稳定的。稳定性、精度、响应速度和灵敏度常被用作评估一个系 统性能好坏的尺度。换言之，稳定性、精度、响应速度和灵敏度是良好控制系统的标准。接 下来，我们逐一讨论每个特性的重要性。 稳定性稳定性 如果系统的输出在输入作用某段时间后，保持某个值，则该系统是稳定的。一个稳定系 统，当 t = 0 施加输入，t时，输出达到一个稳态值。当系统的输出保持恒定或不随时间 变化，我们认为系统的输出达到一个稳态值（见图 13-3） 。相反，一个不稳定的系统决不会 达到一个稳态值。非稳定系统的输出随时间的增加而增加，直至系统不能工作。简言之，实 际系统必须是稳定的。通过某些技术，可使不稳定系统稳定下来，其中最常用的技术是采用 补偿网络。稳定性是良好控制的指标，所有实际控制系统必须达到。许多图解的和解析的技 术被用于确定控制系统的稳定性。劳斯-赫尔维茨（Routh-Hurwitz）判据是一种解析技术， 伯德（Bode）图和奈奎斯特（Nyquist）图是最常用的确定给定系统稳定性的图解技术。 大多数具有时间延迟或死区时间的实际系统往往是不稳定的， 因此， 在设计这类系统时， ·63· 应格外注意。 时间延迟或死区时间是系统输入时的时间和输出产生时的时间的差异。 控制系 统的死区时间和集成电路的传播时间相同。通常，只需要使用负反馈，就能使一个不稳定系 统稳定下来。 精度精度 评估给定控制系统的另一个重要参数是精度。 精度是实际输出和理想值的偏差， 它是系 统性能的相对量度（measure） 。在大多数实际系统中，稳定性和精度互相影响。换言之，如 果我们不小心，改善系统精度，可能会失去系统的稳定性，或在试图提高系统稳定性时，降 低了其精度。通常，采用积分或比例-积分控制模式等可提高控制系统的精度。在实践中， 我们并不期望系统绝对准确。例如，在类似家庭加热系统这种跟踪系统中，某房间的实际温 度值永远不会等于温度设定值。通常，采用反馈的系统，尤其是负反馈系统，其精度高于那 些不采用反馈（开环）的系统。所以，精度是由使用者定义的一个相对的术语，它是以所考 虑系统的本质和应用场合为基础的。例如，象洗盘机这种开环系统，餐具的洁净度是精度的 量度。然而，对于不同的使用者而言，洁净度是一个相对的概念。 响应速度响应速度 除稳定性和精度外， 响应速度是设计一个控制系统时应考虑的重要因素。 响应速度是输 入作用后，输出多快达到稳态值的量度。在时域中，给定系统的响应（输出）由瞬态部分和 稳态部分组成。图 13-4 给出了二阶系统对于阶跃输入（直流输入）的不同响应。实际中， 分析高于二阶的系统是十分困难的。 因此， 为简化起见， 高于二阶的系统被近似成二阶系统， 并采用阶跃输入信号进行分析。另外，采用阶跃输入是因为它使系统性能的分析比较简单。 此外， 如果一个系统对阶跃输入是稳定的， 它对任何其它输入也一定是稳定的。 应注意的是， 在系统制作之前，常采用数学（差分）方程建模，并采用各种图解或解析方法进行分析。一 旦分析结果令人满意，实际系统才开始制作，实用系统具有有限的响应时间。在图 13-4 中， 除振荡响应外，所有输出响应时间都是有限的。 灵敏度灵敏度 系统的灵敏度是输出对物理元件或环境条件参数变化的灵敏程度。在设计良好的系统 中，输出主要取决于输入，而不是取决于被称作扰动的不需要的信号。输出对扰动的依赖可 采用补偿网络减小。显然，有确立给定系统灵敏度和某系统元件函数关系的数学方程，这种 信息可用于提高所考虑系统的有效性（efficiency） 。 13.3 反馈控制系统的类型反馈控制系统的类型 反馈控制系统可以根据分类的目的， 以多种方法进行分类。 例如， 根据分析和设计方法， 反馈控制系统可以分为线性系统和非线性系统， 时变系统或定常系统。 根据系统中建立的信 号类型，常分为连续数据系统和离散数据系统，或分成调制系统和非调制系统。还有根据系 统零部件的类型分类的，我们经常遇到各式各样的系统，如机电控制系统、液压控制系统、 气动控制系统和生物学控制系统。 控制系统常常根据系统的主要用途来分类。 位置控制系统 和速度控制系统是用其名称所含的意思的方式来控制输出变量的。 通常， 根据系统的特殊性 质， 可有许多识别控制系统的其它方法， 但重要的是要知道控制系统这些比较普通的分类方 法，以便在着手对这些系统进行分析和设计之前就有一个正确的认识。 线性与非线性控制系统线性与非线性控制系统 ·64· 这种分类是根据分析和设计方法做出的。严格地说，实际上不存在线性系统，因为在某 种程度上，所有物理系统都是非线性的。线性反馈控制系统是理想化的模型，这种模型纯粹 是分析者为了简化分析和设计而虚构的（fabricated） 。当控制系统中的信号大小被限制在系 统部件呈现出线性特性（即适用叠加原理）的范围内时，该系统基本上是线性的。但当信号 值超出线性运行范围时，根据非线性的严重程度，该系统应不再被认为是线性的了。例如， 用于控制系统的放大器，当其输入信号变大时，往往呈现出饱和效应；电动机的磁场通常具 有饱和特性。 控制系统中见到的其它普通非线性效应是啮合齿轮之间的侧隙或游移， 弹簧中 的非线性特性，活动件之间的非线性摩擦力或力矩等等。很多时候，为了改善控制系统的性 能或提供更有效的控制，故意把非线性特性引入控制系统。例如，为了达到最小时间控制， 采用开-关（砰-砰或继电器）型控制器。在许多导弹或宇宙飞船上的控制系统中都能见到这 种类型的控制器。例如，导弹和飞船的飞行姿态控制，在其各侧装上几个喷口以产生控制飞 行姿态的反作用力矩。 这些喷口通常用全开或全关的方式进行控制， 所以在某一时间过程中， 从一个选定的喷口喷出固定量的空气，以控制宇宙飞船的飞行姿态。 对于线性系统，存在大量供设计和分析用的解析方法和图解方法。然而，非线性系统却 很难用数学方法处理，并且现在还没有能用来解决广泛的非线性系统的通用方法。 定常系统定常系统与时变系统与时变系统 当控制系统的参数在该系统运行期间不随时间变化时， 我们称它为定常系统。 大多数物 理系统的参数在一定程度上都是随时间漂移或变化的。在运行期间，如果参数变化显著，这 种系统就称为时变系统。 虽然没有非线性的时变系统仍然是线性系统， 但它的分析通常比线 性定常系统要复杂得多。 连续数据控制系统连续数据控制系统 连续数据系统是这样一种系统，其中各部分的信号都是连续时间变量 t 的函数。在所有 的连续数据控制系统中， 信号可以进一步分为交流信号或直流信号。 与电气工程中所用的交 流和直流信号的一般定义不同， 交流和直流控制系具有专门的含义。 当谈到交流控制系统时， 通常意味着系统中的信号是由某种调制方式进行调制的。 另一方面， 当提到直流控制系统时， 并不意味着系统中的所有信号都是直流型的， 因为那样就不会有控制动作了。 直流控制系统 的简单含意是信号未经调制，但它们仍然是普通定义下的交流。 事实上，严格说来，控制系统未必都是交流型或直流型的。一个系统可以是由交流和直 流部件组合成的混合系统，并用调制解调器来匹配该系统各个点上的信号。 采样采样系统系统和数字控制系统和数字控制系统 采样系统和数字控制系统与连续数据控制系统的区别在于， 该系统中某一处或几处的信 号是以脉冲序列或数码的形式出现的。通常，采样系统是指更为一般的一类系统，其信号是 脉冲数据形式的，而数字控制系统指的在系统中使用了数字计算机或数字控制器。 一般说来，采样系统只是间断地在特定的瞬间接受数据或信息。例如，控制系统中的误 差信号可以仅是间断地以脉冲形式提