控制系统介绍外文文献翻译、中英文翻译、外文翻译.docx
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IntroductionstoControlSystems
Automaticcontrolhasplayedavitalroleintheadvancementofengineeringandscience.Inadditiontoitsextremeimportanceinspace-vehicle, missile-guidance, and aircraft-piloting systems, etc,automaticcontrolhasbecomeanimportantandintegralpartofmodernmanufacturingandindustrialprocesses.Forexample,automaticcontrolisessentialinsuchindustrialoperationsascontrollingpressure,temperature,humidity,viscosity,andflowintheprocessindustries;tooling,handling,andassemblingmechanicalpartsinthemanufacturingindustries,amongmanyothers.
Sinceadvancesinthetheoryandpracticeofautomaticcontrolprovidemeansforattainingoptimalperformanceofdynamicsystems,improvethequalityandlowerthecostofproduction,expandtheproductionrate,relievethedrudgeryofmanyroutine,repetitivemanualoperationsetc,mostengineersandscientistsmustnowhaveagoodunderstandingofthisfield.
ThefirstsignificantworkinautomaticcontrolwasJamesWatt’scentrifugalgovernorforthespeedcontrolofasteamengineintheeighteenthcentury.OthersignificantworksintheearlystagesofdevelopmentofcontroltheorywereduetoMinorsky,Hazen,andNyquist,amongmanyothers.In1922Minorskyworkedonautomaticcontrollersforsteeringshipsandshowedhowstabilitycouldbedeterminedbythedifferentialequationsdescribingthe system.In1934Hazen, whointroducedtheterm“ervomechanisms”forpositioncontrolsystems,discusseddesignofrelayservomechanismscapableofcloselyfollowing
achanginginput.
Duringthedecadeofthe1940’s,frequency-responsemethodsmadeitpossibleforengineerstodesignlinearfeedbackcontrolsystemsthatsatisfiedperformancerequirements.Fromtheendofthe1940’stoearly1950’s,theroot-locusmethodincontrolsystemdesignwasfullydeveloped.
Thefrequency-responseandtheroot-locusmethods,whicharethecoreofclassicaltheory,leadtosystemsthatarestableandsatisfyasetofmoreorlessarbitraryperformancerequirements.Suchsystemsare,in
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general,notoptimalinanymeaningfulsense.Sincethelate 1950’s,theemphasisoncontroldesignproblemshasbeenshiftedfromthedesignofoneofmanysystemsthatcanworktothedesignofoneoptimalsysteminsomemeaningfulsense.
Asmodernplantswithmanyinputsandoutputsbecome moreandmorecomplex,thedescriptionofamoderncontrolsystemrequiresalargenumberofequations.Classicalcontroltheory,whichdealsonlywithsingle-input-single-outputsystems,becomesentirelypowerlessformultiple-input-multiple-output systems. Since about 1960, moderncontroltheoryhasbeendevelopedtocopewiththeincreasedcomplexityofmodernplantsandthestringentrequirementsonaccuracy,weight,andindustrialapplications.
Becauseofthereadilyavailableelectronicanalog,digital,andhybridcomputersforuseincomplexcomputations,theuseofcomputersinthedesignofcontrolsystemsandtheuseofon-linecomputersintheoperationofcontrolsystemsarenowbecomingcommonpractice.
Themostrecentdevelopmentsinmoderncontroltheorymaybesaidtobeinthedirectionoftheoptimalcontrolofbothdeterministicandstochasticsystemsaswellastheadaptiveandlearningcontrolofcomplexsystems. Applicationsof modern controltheory tosuchnonengineeringfieldsasbiology,economics,medicine,andsociologyarenowunderway,andinterestingandsignificantresultscanbeexpectedinthenearfuture.
Nextweshallintroducetheterminologynecessarytodescribe
controlsystems.
Plants.Aplantisapieceofequipment,perhapsjustasetofmachinepartsfunctioningtogether,thepurposeofwhichistoperformaparticularoperation.Hereweshallcallanyphysicalobjecttobecontrolled(suchasaheatingfurnace,achemicalreactor,oraspacecraft)aplant.
Processes.TheMerriam-WebsterDictionarydefinesaprocesstobe
anatural,progressivelycontinuingoperationordevelopmentmarkedbyaseriesofgradualchangesthatsucceedoneanotherinarelativelyfixedwayandleadtowardaparticularresultorend;oranartificialorvoluntary,progressivelycontinuingoperationthatconsistsofaseriesofcontrolled
actionsormovementssystematicallydirectedtowardaparticularresultorend.Hereweshallcallanyoperationtobecontrolledaprocess.Examplesarechemical,economic,andbiologicalprocess.
Systems.Asystemisacombinationofcomponentsthatacttogetherandperformacertainobjective.Asystemisnotlimitedtoabstract,dynamicphenomenasuchasthoseencounteredineconomics.Theword“system”should,therefore,beinterpretedtoimplyphysical,biological,economic,etc.,system.
Disturbances.Adisturbanceisasignalwhichtendstoadverselyaffectthevalueoftheoutputofasystem.Ifadisturbanceisgeneratedwithinthesystem,itiscalledinternal,whileanexternaldisturbanceisgeneratedoutsidethesystemandisaninput.
Feedbackcontrol.Feedbackcontrolisanoperationwhich,inthepresenceofdisturbances,tendstoreducethedifferencebetweentheoutputofasystemandthereferenceinput(oranarbitrarilyvaried,desiredstate)andwhichdoessoonthebasisofthisdifference.Here,onlyunpredictabledisturbance(i.e.,thoseunknownbeforehand)aredesignatedforassuch,sincewithpredictableorknowndisturbances,itisalwayspossibletoincludecompensationwiththesystemsothatmeasurementsareunnecessary.
Feedbackcontrolsystems.Afeedbackcontrolsystemisonewhich
tendstomaintainaprescribedrelationshipbetweentheoutputandthereferenceinputbycomparingtheseandusingthedifferenceasameansofcontrol.
Notethatfeedbackcontrolsystemsarenotlimitedtothefieldofengineeringbutcanbefoundinvariousnonengineeringfieldssuchaseconomicsandbiology.Forexample,thehumanorganism,inoneaspect,isanalogoustoanintricatechemicalplantwithanenormousvarietyofunit operations.The process control of this transport andchemical-reactionnetworkinvolvesavarietyofcontrolloops.Infact,humanorganismisanextremelycomplexfeedbackcontrolsystem.
Servomechanisms.Aservomechanismisafeedbackcontrolsystem
inwhichtheoutputissomemechanicalposition,velocity,oracceleration.Therefore,thetermsservomechanismandposition-(orvelocity-or
acceleration-)controlsystemaresynonymous.Servomechanismsareextensivelyusedinmodernindustry.Forexample,thecompletelyautomatic operation of machine tools, together with programmedinstruction,maybeaccomplishedbyuseofservomechanisms.
Automaticregulatingsystems.Anautomaticregulatingsystemisafeedbackcontrolsysteminwhichthereferenceinputorthedesiredoutputiseitherconstantorslowlyvaryingwithtimeandinwhichtheprimarytaskistomaintaintheactualoutputatthedesiredvalueinthepresenceofdisturbances.
Ahomeheatingsysteminwhichathermostatisthecontrollerisanexampleofanautomaticregulatingsystem.Inthissystem,thethermostatsetting(thedesiredtemperature)iscomparedwiththeactualroomtemperature.Achangeinthedesiredroomtemperatureisadisturbanceinthissystem.Theobjectiveistomaintainthedesiredroomtemperaturedespitechangesinoutdoortemperature.Therearemanyotherexamplesofautomaticregulatingsystems,someofwhicharetheautomaticcontrolofpressureandofelectricquantitiessuchasvoltage,currentandfrequency.
Processcontrolsystems.Anautomaticregulatingsysteminwhichtheoutputisavariablesuchastemperature,pressure,flow,liquidlevel,orpHiscalledaprocesscontrolsystem.Processcontroliswidelyappliedinindustry.Programmedcontrolssuchasthetemperaturecontrolofheatingfurnacesinwhichthefurnacetemperatureiscontrolledaccordingtoapresetprogramareoftenusedinsuchsystems.Forexample,apresetprogrammaybesuchthatthefurnacetemperatureisraisedtoagiventemperatureinagiventimeintervalandthenloweredtoanothergiventemperatureinsomeothergiventimeinterval.Insuchprogramcontrolthesetpointisvariedaccordingtothepresettimeschedule.Thecontrollerthenfunctionstomaintainthefurnacetemperatureclosetothevaryingsetpoint.Itshouldbenotedthatmostprocesscontrolsystemsincludeservomechanismsasanintegralpart.
控制系统介绍
自动控制在工程学和科学的推进扮演一个重要角色。
除它的在空间领域应用的极端重要性之外,在导弹制导和航空器的驾驶系统等等,自动控制成为了重要和整体的部分、现代制造和工业生产方法。
例如,自动控制在这样工业操作中是必须的,如:
在加工业中的控制压力、温度、湿气、黏度和流程;加工、装卸和在制造工业生产流水线部分和许多其他方面。
由于自动化控制的进展,为动力系统实现最优性能,在理论和实践上的提供手段。
提高质量和降低生产成本,扩大生产速度,减轻许多例行性,重复性的手工操作等,大部分工程师和科学家们现在在这一领域必须有一个良好的了解和合作。
在自动化控制一次具有重要意义的开拓性工作,是詹姆斯瓦特的离心调速器,在十八世纪为一台蒸汽机进行速度控制。
在控制理论初期发展阶段的其他重
大工程,是出于米诺尔斯基、哈森和奈奎斯特等等。
在1922年,米诺尔斯基对自动控制器制导船只并呈现出怎样的稳定性,确定由微分方程进行系统描述。
早在1934年,哈森将术语"差补"引入了位置控制系统,讨论了设计适应变化的输入的伺服继电器。
在40年代这十年间,频率响应法,使工程师有可能为人们设计完全满足设
备性能要求的线性反馈控制系统。
从1940年底至1950年初,根轨迹法在控制系统的设计得到充分的发展。
频率响应和根轨迹法,这是核心的经典理论,引出的是一个稳定系统,并满
足了或多或少一系列变化了的性能要求。
这种系统,是在一般情况,而不是在任何意义上的最优。
自20世纪50年代末期开始,控制设计上的侧重点问题已经
从有很多系统设计可以工作的系统,到设计一个一般意义上的最佳系统,使这些系统都可以工作。
一个现代装置有许多输入和输出,变得越来越复杂,描述一个现代控制系统需要大量的方程。
经典控制理论,其中仅涉及到单输入单输出系统,完全无能为
力,多输入-多输出系统变得更有效能。
自约1960年,现代控制理论已经成功发展,以应付日益复杂的现代装置,以及精度、重量和工业应用方面的严格规定。
由于电子模拟的广泛应用,数字和混合计算机用于复杂的运算,在控制系统
的设计中电脑的使用和在运行控制系统使用在线的电脑,正在成为普遍的做法。
在现代控制理论最近期的发展,可以说是在既定方向上的最优控制方面的确定性和随机性系统,以及自适应和学习控制的复杂系统。
在生物学、经济学、医学、社会学这些非工程学领域,现代控制理论的这种应用,现在正在进行之中,可以预期在不久的将来有着有趣和显著的效果。
其次,我们应引进必要的术语来描述控制系统。
装置.是设备,或者一套一起起作用机器的零件,目的是进行特殊操作。
在
这儿我们将被控制(例如热化熔炉、一个化学反应器或者航天器)的所有物体叫做装置。
过程.麦里亚.韦伯斯特字典将过程定义为一种自然的持续的操作或演变进
程。
其特征是一系列渐进的变化以相对固定的方式相继发生在操作或演变进程中,并产生特定的效果或结果;或者是人为或自发的、持续性的由一系列产生特定结果的被控操作或动作组成的工序。
例子是化学、经济和生物学过程。
系统.系统是一起行动并且执行某一目的的组分的组合。
系统指不被限制
的,例如在经济遇到的那些动态现象。
,因此,词“system”应该解释为暗示物理、生物、经济等等系统。
干扰.干扰是倾向于对系统输出产生不利的影响的信号。
如果干扰在系统之内引起,它称
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