自動化專業(yè)英語教程七

自動化專業(yè)英語教程教學(xué)課件July28,2007P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A控制的世界A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regulatev.調(diào)整aboundv.大量存在powerboost功率助推裝置aerodynamicadj.空氣動力學(xué)的dampv.阻尼，減幅，衰減yawn.偏航altituden.海拔attituden.姿態(tài)intuitionn.直覺trail-and-errorn.試湊法P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A控制的世界dynamicresponse動態(tài)響應(yīng)disturbancen.擾動parametern.參數(shù)modificationn.修正，修改transferfunction傳遞函數(shù)domainn.域，領(lǐng)域adventn.出現(xiàn)statevariable狀態(tài)變量matrixalgebra矩陣代數(shù)approachn.途徑，方法；研究proponentn.提倡者detractorn.批評者tutorialadj.指導(dǎo)性的subsequentadj.后序的open-loopn.開環(huán)closed-loopn.閉環(huán)P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A控制的世界discreteadj.離散的differentialequation微分方程differenceequation差分方程intervaln.間隔sampled-datan.采樣數(shù)據(jù)nonlinearadj.非線性的time-invariantadj.時不變的coefficientn.系數(shù)stationaryadj.靜態(tài)的lumpedparameter集中參數(shù)distributedparameter分散參數(shù)spatialadj.空間的springn.彈簧leadn.導(dǎo)線resistancen.阻抗P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A控制的世界uniformadj.一致的elasticadj.有彈性的ordinarydifferentialequation常微分方程partialdifferentialequation偏微分方程deterministicadj.確定的stochasticadj.隨機的predictableadj.可斷定的probabilitytheory概率論multivariablen.多變量configurationn.構(gòu)造，結(jié)構(gòu)propertyn.性質(zhì)modeln.模型v.建模linearizationn.線性化strategyn.方法performancecriteria性能指標(biāo)P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A控制的世界hardwaren.硬件developmentsystem開發(fā)系統(tǒng)rationalen.理論，原理的闡述4.難句翻譯[1]ThereactiontimeofahumanpilotistooslowtoenablehimorhertoflyanaircraftwithalightlydampedDutchrollmodewithoutayawdampersystem.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]Sincetheoutputisfedbackinafunctionalformdeterminedbythenatureofthefeedbackelementsandthensubtractedfromtheinput…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……P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A控制的世界5.參考譯文A控制的世界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。控制系統(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)?？刂评碚摰膽?yīng)用基本上有兩個方面：動態(tài)P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A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)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)計進行更完整和準確的檢查。由于這些原因，后續(xù)的章節(jié)將詳細地介紹經(jīng)典控制理論。P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A控制的世界控制系統(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)通常是指負反饋系統(tǒng)或簡稱為反饋系統(tǒng)。

圖2-1A-1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A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。圖2-1A-2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A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P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A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?？刂葡到y(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)。控制系統(tǒng)的設(shè)計并不是一個精確或嚴格確定的過程，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；P2U1ATheWorldofControl第二部分第一單元課文A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。P2U1BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation第二部分第一單元課文B傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換

B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initialcondition初始條件lagv.,n.延遲polynomialn.多項式ordern.階integratev.積分differentiatev.微分denominatorn.分母stabilityn.穩(wěn)定性P2U1BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation第二部分第一單元課文B傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換

transientresponse暫態(tài)響應(yīng)numeratorn.分子magnituden.幅值signn.符號steady-staten.穩(wěn)態(tài)stepn.階躍（信號）blockdiagramalgebra方塊圖計算（代數(shù)）Laplacetransformation拉普拉斯變換operationalmathematics工程數(shù)學(xué)algebraicequation代數(shù)方程implementv.實現(xiàn)manipulatev.處理becomeadeptin熟練homogeneoussolution通解particularsolution特解unilateralFourierintegral單邊傅里葉積分P2U1BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation第二部分第一單元課文B傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換

inversetransform反（逆）變換improperintegral奇異（無理）積分superpositionn.疊加initialvalue初值finalvalue終值shiftingtheorem平移定理multiplicationn.復(fù)合性piecewiseadj.分段的integro-differentialequation微積分方程yieldv.推導(dǎo)出，得出4.難句翻譯[1]ThedesignerquicklybecomesadeptinrelatingchangesintheLaplacedomaintobehaviorinthetimedomainwithoutactuallyhavingtosolvethesystemequations.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）。P2U1BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation第二部分第一單元課文B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)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：(2-1B-1)圖2-1B-1傳遞函數(shù)P2U1BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation第二部分第一單元課文B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。(2-1B-2)P2U1BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation第二部分第一單元課文B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)。(2-1B-3)P2U1BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation第二部分第一單元課文B傳遞函數(shù)和拉普拉斯變換

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：(2-1B-4)P2U勉1B緣瑞Th聽eT急ran蠅sfe東rF悅unc事tio奮na鈴nd嶺the喊La腹pla兄ce準Tra石nsf上orm替ati讓on第二部鼠分第一乏單元課莊文B傳遞鳴函數(shù)寸和拉坊普拉顏斯變豪換這里F(s)是f(t)的拉氏叉變換。暖相反，f(t)是F(s)反變礎(chǔ)換，伯它們爽之間亦的關(guān)久系可憑由下隆式表謎達，符號s表明拉冰氏變量犯是一個銀復(fù)數(shù)變件量(+j)。因此除，s有時濾表示襖復(fù)頻誤，拉見氏域稅稱做酒復(fù)頻綁域。由于寬式（2-丑1B步-4）的積援分是不證定積分咱，因此踩不是所科有函數(shù)算都可以評進行拉自氏變換君。幸運席的是，鳴系統(tǒng)設(shè)誓計者感踢興趣的治函數(shù)通喊常都可某以。拉蜜氏變換烏的使用倡條件、斷理論證煩明和其果他用途裳可見于算工程數(shù)虛學(xué)的標(biāo)驗準著作宿中。式（2-1川B-4）的定持義可用蠶來找到鳥我們最午常見和雹用到的辟函數(shù)的渠拉氏變醬換。為侍了方便奏，我們飯過去常綠建一個返變換對嘗的表，毫用于簡殿化拉氏抹域變換渣和反變才換。(2-撇1B-覺5)P2瓣U1約B柱T程he苦T麗ra截ns屋fe錢r應(yīng)Fu懲nc蓄ti挖on山a踢nd迎t饒he峰L潤ap岔la膛ce丙T穩(wěn)ra樂ns揉fo克rm喂at些io滅n第二部宣分第一啄單元課趣文B傳遞邁函數(shù)繩和拉卻普拉弊斯變單換這里有迫幾條拉羅氏變換播的定理沾和性質(zhì)茶，它們鼠既必需暮也很有餐幫助。1.線性堆和疊姿加：式中c和ci都是常浮數(shù)。2.微分和雁積分定常理：對測時間導(dǎo)臂數(shù)的拉凝氏變換助可寫為式中f(0)，df(0)，律等是化初始桃條件寇。如牙果初藝始條喇件為危零，狗正如羞控制養(yǎng)系統(tǒng)天分析巧和設(shè)肝計的初一般勵情況篇，最紹后的阿方程蘋可縮獲減為啟：P2泡U1排B故T帖he噴T牙ra徑ns際fe倆r紀Fu豆nc銹ti膏on痛a序nd辨t寨he派L晝ap摘la唱ce穗T械ra模ns票fo區(qū)rm觸at照io道n第二松部分隨第一胳單元蝕課文B傳遞格函數(shù)善和拉筐普拉銹斯變贊換積分的桂拉氏變貴換是初始架條件賽為零酬，它間也可廣縮減舅為F(s)/s。3.初值螺和終歪值定恥理：療初值享定理暢表述側(cè)為P2U椒1B怠Th顛eT劫ran晉sfe據(jù)rF晴unc蒸tio核na燒nd叔the秤La查pla伸ce乘Tra角nsf引orm肢ati棉on第二部忌分第一勝單元課丹文B傳遞登函數(shù)眨和拉串普拉匹斯變鋪換在進該行拉