P2U1教學(xué)課件

1、自動化專業(yè)英語教程自動化專業(yè)英語教程教學(xué)課件July 28, 2007Email : http: / (版權(quán)保護，請勿擴散）P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界A 控制的世界控制的世界 1.課文內(nèi)容簡介：這是一篇關(guān)于專業(yè)課自動控制原理、現(xiàn)代控制理論的綜述性文章。主要介紹控制的基本概念、起源、功能、控制系統(tǒng)的分類和術(shù)語、控制系統(tǒng)工程設(shè)計問題等內(nèi)容。2. 溫習(xí)自動控制原理、現(xiàn)代控制理論中緒論的內(nèi)容。3. 生詞與短語 regulate v. 調(diào)整 abound v. 大量存在 power boost 功率助推裝置 ae

2、rodynamic adj. 空氣動力學(xué)的 damp v. 阻尼，減幅，衰減 yaw n. 偏航 altitude n. 海拔 attitude n. 姿態(tài) intuition n. 直覺 trail-and-error n. 試湊法P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 dynamic response 動態(tài)響應(yīng) disturbance n. 擾動 parameter n. 參數(shù) modification n. 修正，修改 transfer function 傳遞函數(shù) domain n. 域，領(lǐng)域 advent

3、n. 出現(xiàn) state variable 狀態(tài)變量 matrix algebra 矩陣代數(shù) approach n. 途徑，方法；研究 proponent n. 提倡者 detractor n. 批評者 tutorial adj. 指導(dǎo)性的 subsequent adj. 后序的 open-loop n. 開環(huán) closed-loop n. 閉環(huán)P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 discrete adj. 離散的 differential equation 微分方程 difference equation 差分

4、方程 interval n. 間隔 sampled-data n. 采樣數(shù)據(jù) nonlinear adj. 非線性的 time-invariant adj. 時不變的 coefficient n. 系數(shù) stationary adj. 靜態(tài)的 lumped parameter 集中參數(shù) distributed parameter 分散參數(shù) spatial adj. 空間的 spring n. 彈簧 lead n. 導(dǎo)線 resistance n. 阻抗P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 uniform adj.

5、 一致的 elastic adj. 有彈性的 ordinary differential equation 常微分方程 partial differential equation 偏微分方程 deterministic adj. 確定的 stochastic adj. 隨機的 predictable adj. 可斷定的 probability theory 概率論 multivariable n. 多變量 configuration n. 構(gòu)造，結(jié)構(gòu) property n. 性質(zhì) model n. 模型 v. 建模 linearization n. 線性化 strategy n. 方法 per

6、formance criteria 性能指標(biāo)P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 hardware n. 硬件 development system 開發(fā)系統(tǒng) rationale n. 理論，原理的闡述4. 難句翻譯1 The reaction time of a human pilot is too slow to enable him or her to fly an aircraft with a lightly damped Dutch roll mode without a yaw damper sys

7、tem. 飛行員的反應(yīng)速度太慢，如果不附加阻尼偏航系統(tǒng)，飛行員就無法通過輕微阻尼的側(cè)傾轉(zhuǎn)向方式來駕駛飛機。2 Since the output is fed back in a functional form determined by the nature of the feedback elements and then subtracted from the input 因為輸出會以由反饋部件特性決定的函數(shù)形式反饋回來，然后從輸入中減去P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界5. 參考譯文A 控制的世界控制的世

8、界簡介簡介 控制一詞的含義一般是調(diào)節(jié)、指導(dǎo)或者命令?？刂葡到y(tǒng)大量存在于我們周圍。在最抽象的意義上說，每個物理對象都是一個控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)被人們用來擴展自己的能力，補償生理上的限制，或把自己從常規(guī)、單調(diào)的工作中解脫出來，或者用來節(jié)省開支。例如在現(xiàn)代航空器中，功率助推裝置可以把飛行員的力量放大，從而克服巨大的空氣阻力推動飛行控制翼面。飛行員的反應(yīng)速度太慢，如果不附加阻尼偏航系統(tǒng)，飛行員就無法通過輕微阻尼的側(cè)傾轉(zhuǎn)向方式來駕駛飛機。自動飛行控制系統(tǒng)把飛行員從保持正確航向、高度和姿態(tài)的連續(xù)操作任務(wù)中解脫出來。沒有了這些常規(guī)操作，飛行員可以執(zhí)行其他的任務(wù)，如領(lǐng)航或通訊，這樣就減少了所需的機組人員，降低

9、了飛行費用。 在很多情況下，控制系統(tǒng)的設(shè)計是基于某種理論，而不是靠直覺或試湊法?？刂葡到y(tǒng)能夠用來處理系統(tǒng)對命令、調(diào)節(jié)或擾動的動態(tài)響應(yīng)。控制理論的應(yīng)用基本上有兩個方面：動態(tài)P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 響應(yīng)分析和控制系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)分析關(guān)注的是命令、擾動和系統(tǒng)參數(shù)的變化對被控對象響應(yīng)的決定作用。如某動態(tài)響應(yīng)是滿足需要的，就不需要第二步了。如果系統(tǒng)不能滿足要求，而且不能改變被控對象，就需要進行系統(tǒng)設(shè)計，來選擇使動態(tài)性能達到要求的控制元件。 控制理論本身分成兩個部分：經(jīng)典和現(xiàn)代。經(jīng)典控制理論始于二次大戰(zhàn)以傳遞函數(shù)

10、的概念為特征，分析和設(shè)計主要在拉普拉斯域和頻域內(nèi)進行?，F(xiàn)代控制理論是隨著高速數(shù)字計算機的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。它以狀態(tài)變量的概念為特征，重點在于矩陣代數(shù)，分析和設(shè)計主要在時域。每種方法都有其優(yōu)點和缺點，也各有其倡導(dǎo)者和反對者。 與現(xiàn)代控制理論相比，經(jīng)典方法具有指導(dǎo)性的優(yōu)點，它把重點很少放在數(shù)學(xué)技術(shù)上，而把更多重點放在物理理解上。而且在許多設(shè)計情況中，經(jīng)典方法既簡單也完全足夠用。在那些更復(fù)雜的情況中，經(jīng)典方法雖不能滿足，但它的解可以對應(yīng)用現(xiàn)代方法起輔助作用，而且可以對設(shè)計進行更完整和準(zhǔn)確的檢查。由于這些原因，后續(xù)的章節(jié)將詳細(xì)地介紹經(jīng)典控制理論。 P2U1A The World of Control

11、第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 控制系統(tǒng)的分類和術(shù)語控制系統(tǒng)的分類和術(shù)語 控制系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)本身或其參量進行分類： 開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)（如圖2-1A-1）：開環(huán)控制系統(tǒng)是控制行為與輸出無關(guān)的系統(tǒng)。而閉環(huán)系統(tǒng)，其被控對象的輸入在某種程度上依賴于實際的輸出。因為輸出以由反饋元件決定的一種函數(shù)形式反饋回來，然后被輸入減去。閉環(huán)系統(tǒng)通常是指負(fù)反饋系統(tǒng)或簡稱為反饋系統(tǒng)。 C(s) R(s) 控制元件 控制對象 R(s) C(s) 控制元件 控制對象 反饋元件 a) b) + 圖2-1A-1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)P2U1A The World of Control 第二

12、部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 連續(xù)和離散系統(tǒng)：所有變量都是時間的連續(xù)函數(shù)的系統(tǒng)稱做連續(xù)變量或模擬系統(tǒng)，描述的方程是微分方程。離散變量或數(shù)字系統(tǒng)有一個或多個只是在特殊時刻可知的變量，如圖2-1A-2b，描述方程是差分方程。如果時間間隔是可控的，系統(tǒng)被稱做數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)。離散變量隨機地產(chǎn)生，例如：為只能接受離散數(shù)據(jù)的數(shù)字計算機提供一個輸入。顯然，當(dāng)采樣間隔減小時，離散變量就接近一個連續(xù)變量。不連續(xù)的變量，如圖2-1A-2c所示，出現(xiàn)在開關(guān)或乓-乓控制系統(tǒng)中。這將分別在后續(xù)的章節(jié)中討論。x(t)tx(t)tt1t2t3t4t5x(t)tt1t2t3t5a)b)c)OOO

13、圖2-1A-2 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 線性和非線性系統(tǒng)：如果系統(tǒng)所有元件都是線性的，系統(tǒng)就是線性的。如果任何一個是非線性的，系統(tǒng)就是非線性的。 時變和時不變系統(tǒng)：一個時不變系統(tǒng)或靜態(tài)系統(tǒng)，其參數(shù)不隨時間變化。當(dāng)提供一個輸入時，時不變系統(tǒng)的輸出不依賴于時間。描述系統(tǒng)的微分方程的系數(shù)為常數(shù)。如果有一個或多個參數(shù)隨時間變化，則系統(tǒng)是時變或非靜態(tài)系統(tǒng)提供輸入的時間必須已知，微分方程的系數(shù)是隨時間而變化的。 集中參數(shù)和分散參數(shù)系統(tǒng)：集中參數(shù)系統(tǒng)是其物理性質(zhì)被假設(shè)集中在一塊或多塊，從而與任何

14、空間分布無關(guān)的系統(tǒng)。在作用上，物體被假設(shè)為剛性的，被作為質(zhì)點處理；彈簧是沒有質(zhì)量的，電線是沒有電阻的，或者對系統(tǒng)質(zhì)量或電阻進行適當(dāng)?shù)难a償；溫度在各部分是一致的，等等。在分布參數(shù)系統(tǒng)中，要考慮到物理特性的連續(xù)空間分布。物體是有彈性的，彈簧是有分布質(zhì)量的，電線具有分布電阻，溫度在物體各處是不同的。集中參數(shù)系統(tǒng)由常微分方程描述，而分布參數(shù)系統(tǒng)由偏微分方程描述。 確定系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)：一個系統(tǒng)或變量，如果其未來的性能在合理的限度內(nèi)是可預(yù)測和重復(fù)的，則這個系統(tǒng)或變量就是確定的。否則，系統(tǒng)或變量就是隨機的。對隨機系統(tǒng)或有隨機P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第

15、一單元課文A 控制的世界控制的世界 輸入的確定系統(tǒng)的分析是基于概率論基礎(chǔ)上的。 單變量和多變量系統(tǒng)：單變量系統(tǒng)被定義為對于一個參考或命令輸入只有一個輸出的系統(tǒng)，經(jīng)常被稱為單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)。多變量（MIMO）系統(tǒng)含有任意多個輸入和輸出。控制系統(tǒng)工程設(shè)計問題控制系統(tǒng)工程設(shè)計問題 控制系統(tǒng)工程由控制結(jié)構(gòu)的分析和實際組成。分析是對所存在的系統(tǒng)性能的研究，設(shè)計問題是對系統(tǒng)部件的一種選擇和安排從而實現(xiàn)特定的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計并不是一個精確或嚴(yán)格確定的過程，而是一系列相關(guān)事情的序列，典型的順序是： 1)被控對象的建模；2）系統(tǒng)模型的線性化；3）系統(tǒng)的動態(tài)分析；4）系統(tǒng)的非線性仿真；5）控制思想

16、和方法的建立；6）性能指標(biāo)的選擇；7）控制器的設(shè)計；8）整個系統(tǒng)的動態(tài)分析；9）整個系統(tǒng)的非線性仿真；10）所用硬件的選擇；P2U1A The World of Control 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文A 控制的世界控制的世界 11）開發(fā)系統(tǒng)的建立和測試；12）產(chǎn)品模型的設(shè)計；13）產(chǎn)品模型的測試。 這個順序不是固定的，全包括的或必要次序的。這里給出為后續(xù)單元提出和討論的技術(shù)做一個合理的闡述。 P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳

17、遞函數(shù)和拉普拉斯變換 B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換1. 課文內(nèi)容簡介：主要介紹專業(yè)課自動控制原理中傳遞函數(shù)的概念、拉普拉斯變換的定義、拉普拉斯變換后的運算規(guī)則和系統(tǒng)建模方法，內(nèi)容雖然簡潔，但可建立許多非常重要的概念。2. 溫習(xí)自動控制原理中有關(guān)拉普拉斯變換的相關(guān)內(nèi)容。3. 生詞與短語 initial condition 初始條件 lag v., n. 延遲 polynomial n. 多項式 order n. 階 integrate v. 積分 differentiate v. 微分 denominator n. 分母 stability n. 穩(wěn)定性P2U1B The T

18、ransfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 transient response 暫態(tài)響應(yīng) numerator n. 分子 magnitude n. 幅值 sign n. 符號 steady-state n. 穩(wěn)態(tài) step n. 階躍（信號） block diagram algebra 方塊圖計算（代數(shù)） Laplace transformation 拉普拉斯變換 operational mathematics 工程數(shù)學(xué) algebraic equat

19、ion 代數(shù)方程 implement v. 實現(xiàn) manipulate v. 處理 become adept in 熟練 homogeneous solution 通解 particular solution 特解 unilateral Fourier integral 單邊傅里葉積分P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 inverse transform 反（逆）變換 improper integral 奇異（無理）積分 s

20、uperposition n. 疊加 initial value 初值 final value 終值 shifting theorem 平移定理 multiplication n. 復(fù)合性 piecewise adj. 分段的 integro-differential equation 微積分方程 yield v. 推導(dǎo)出，得出4. 難句翻譯1 The designer quickly becomes adept in relating changes in the Laplace domain to behavior in the time domain without actually h

21、aving to solve the system equations. 設(shè)計人員很快就會熟練地把拉普拉斯域的變化與時域狀態(tài)聯(lián)系起來，而不需真地解系統(tǒng)方程（時域）。P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 5. 參考譯文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)的概念傳遞函數(shù)的概念 如果像式2-1B-1表示的線性系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系已知，則系統(tǒng)的特性也可以知道。在拉普拉斯域表示的輸入輸出關(guān)系被稱做傳遞函數(shù)。由定義，元件

22、或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是經(jīng)拉氏變換的輸出與輸入的比值：)()()(input)(output)(sRsCsssG(2-1B-1)輸入系統(tǒng)R(s)輸出輸入G(s)輸出C(s)圖2-1B-1 傳遞函數(shù)P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 此傳遞函數(shù)的定義要求系統(tǒng)是線性的和非時變的，具有連續(xù)變量和零起始條件。傳遞函數(shù)最適用于系統(tǒng)是集中參數(shù)和當(dāng)傳輸延遲不存在或可忽略的情況。在這種條件下，傳遞函數(shù)本身可表示為拉普拉斯復(fù)數(shù)變量s的兩個多項式的比

23、值： 對于物理系統(tǒng)，由于系統(tǒng)特性是積分而不是微分，所以N(s)的階次比D(s)要低。后面我們將看到用于頻域的頻率傳遞函數(shù)，它是通過把傳遞函數(shù)中拉普拉斯變量s用jt代換得到的。 在式2-1B-2中，傳遞函數(shù)分母D(s)由于包含系統(tǒng)中所有的物理特征值而被稱做特征方程。令D(s)等于0即得到特征方程。特征方程的解決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對任一輸入下的暫態(tài)響應(yīng)的一般特性。多項式N(s)是表示輸入如何進入系統(tǒng)的函數(shù)。因而N(s)并不影響絕對穩(wěn)定性或者暫態(tài)模式的數(shù)目和特性。 011011)()()(asasabsbsbsDsNsGnnnnmmmm(2-1B-2)P2U1B The Transfer Functi

24、on and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 在特定的輸入下，它決定每一暫態(tài)模式的大小和符號，從而確定暫態(tài)響應(yīng)的圖形和輸出的穩(wěn)態(tài)值。 對于一個閉環(huán)系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為： 式中W(s)為閉環(huán)傳遞函數(shù)，G(s)H(s)稱為開環(huán)傳遞函數(shù)，1+G(s)H(s)是特征函數(shù)。 傳遞函數(shù)可以通過多種方法求得。一種方法是純數(shù)學(xué)的，先對描述元件或系統(tǒng)的微分方程取拉普拉斯變換，然后求解得出傳遞函數(shù)。當(dāng)存在非零起始條件時將之看作外加輸入對待。第二種方法是試驗法。通過給系統(tǒng)加上已知的輸入，測出輸出值，通過整理

25、數(shù)據(jù)和曲線得出傳遞函數(shù)。某子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)經(jīng)常通過對已知的單個元件傳遞函數(shù)的正確合并而得到。這種合并或化簡稱做方塊圖代數(shù)。 )()()()(1)()()()()(sDsNsHsGsHsGsRsCsW(2-1B-3)P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 拉普拉斯變換拉普拉斯變換 拉氏變換源于工程數(shù)學(xué)領(lǐng)域，廣泛用于線性系統(tǒng)的分析和設(shè)計。常系數(shù)的常微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)方程可通過傳遞函數(shù)的概念實現(xiàn)。此外，拉氏域更適合于工作，傳

26、遞函數(shù)容易處理、修改和分析。設(shè)計人員很快就會熟練地把拉普拉斯域的變化與時域狀態(tài)聯(lián)系起來而不需真地解系統(tǒng)方程（時域）。當(dāng)需要時域解時拉氏變換法可直接使用。解是全解，包括通解和特解，初始條件被自動包含在內(nèi)。最后，可以很容易從拉氏域轉(zhuǎn)到頻域中去。 變換拉氏是從傅立葉積分演變而來，它定義為： )(de )()(0sFtt ft fLst(2-1B-4)P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 這里F(s)是f(t)的拉氏變換。相反，f(t

27、)是F(s)反變換，它們之間的關(guān)系可由下式表達， 符號s表明拉氏變量是一個復(fù)數(shù)變量(+j)。因此，s有時表示復(fù)頻，拉氏域稱做復(fù)頻域。 由于式（2-1B-4）的積分是不定積分，因此不是所有函數(shù)都可以進行拉氏變換。幸運的是，系統(tǒng)設(shè)計者感興趣的函數(shù)通常都可以。拉氏變換的使用條件、理論證明和其他用途可見于工程數(shù)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)著作中。 式（2-1B-4）的定義可用來找到我們最常見和用到的函數(shù)的拉氏變換。為了方便，我們過去常建一個變換對的表，用于簡化拉氏域變換和反變換。)()(1tfsFL(2-1B-5)P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transforma

28、tion 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換 這里有幾條拉氏變換的定理和性質(zhì)，它們既必需也很有幫助。 1.線性和疊加： 式中c和ci都是常數(shù)。 2. 微分和積分定理：對時間導(dǎo)數(shù)的拉氏變換可寫為 式中f(0)， df(0)， 等是初始條件。如果初始條件為零，正如控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的一般情況，最后的方程可縮減為： )(scFtfcLtcfL)()(221121sFcsFctfctfcL );0(dd) 0()(dd);0()(dd222ftsfsFstftLfssFtftLP2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation 第二部分第一單元課文第二部分第一單元課文B 傳遞函數(shù)和拉