测控技术与仪器专业英语(韩建国)Unit6翻译

Unit6 引言

1、控制系统概述

在我们周围和体内，控制系统无处不在。人体器官机能包括许多复杂的控制系统。在下丘脑中心有一个精细的控制系统，在身体活动和外部环境变化的时候维持体温在37℃。在一个控制系统——眼睛中，瞳孔直径自动的适应对到达视网膜的通光量的控制。另一个控制系统维持细胞液钠离子浓度水平。

在穿针和驾驶这两项活动中，人体机能是一个复杂的控制器。眼睛是检测针线位置或者汽车和道路中心的位置的传感器。一个复杂的控制器，大脑，能够比较两个位置并决定那种行为被采取来得到期望的结果。身体通过移动线或转动方向盘执行控制行为；一名有经验的司机能够预料各种类型对系统的干扰，比如一段粗糙的公路或者前方缓慢移动的车辆。在一个自动控制器中再现一般人每天无意识的判断是十分困难的。

控制系统能够调整家里、学校和各种建筑物里的温度。它们也通过保证我们所吃食物的纯度和均一度，以及维持造纸厂、炼钢厂、化工厂、精炼厂和其他类型制造工厂的产品质量来影响商品生产和服务。控制系统通过最小化必须废弃的废旧材料量来保护我们的环境，从而减少制造成本和最小化废物处理问题。污水和废物处理同样要求借助于自动控制系统。

一个控制系统是维持期望结果和数值的任意一组元件。从之前的例子可以清楚地看出，大量的元件只是一个单一控制系统的组成部分，无论它们是电的，电子的，机械的，液压的，气动的，手动的，或者它们的组合。

期望的结果是在系统中某个变量的值，比如说，汽车方向，室内温度，水槽中液位或者管道压力。这个值被控制的变量被称作被控量。

为了实现控制，在系统中必须有另外一个能够影响被控量的值的量。大多数的系统有许多这样的量。控制系统通过操纵这些有影响的变量之一的值来维持期望的结果。汽车方向盘的方位角是被操纵的一个例子。这个被操作的变量被称为被操作量。

在我们生活中控制系统持续的变得越来越重要。我们依赖它们达到如此程度以至于生活没有它们便不可想象。自动控制通过将有经验的操作工人从常规任务释放出来，以及增加每个工人的工作量，已经提高了每个工人的工作效率。控制系统提高了所制造商品的质量和服务的均一性；如果没有自动控制，许多我们所享用的产品将变得不可能生产。伺服系统在任我们处理上起到了极大的力量，使我们能够控制大的设备，比如喷气式飞机和轮船。

控制系统通过减少原料和能源的浪费（这是一个不断增加的优势像我们寻求保护环境的方法）来提高效率。

安全是自动控制的另一个好处。最后，像家庭取暖系统和自动驾驶的控制系统为我们提供了更多的舒适和便利。

总之，自动控制的好处分为以下六个主要类型。

（1）提高的生产力；（2）改善的质量和均一性；（3）增加的效率；（4）动力辅助；（5）安全；（6）舒适和便利。

控制系统用一些不同的方法被分为不同类别。根据是否使用反馈分为闭环或开环。根据信号分散或离散的特性分为模拟的或数字的。根据设定值是常量还是变量分为调节系统和随动系统。根据他们运用的工艺——连续过程或离散的零件制造分为过程控制系统或机械控制系统。连续过程指的是生产食品，石油，化学产品，电力能源这些产品所用的工艺。离散的零件制造指的是制造汽车，飞机，器具和电脑的部件和装配产品的工艺。

根据生产流是来自连续过程还是间隙的和周期的，分为连续的或批量的（或离散的）系统。最后，根据控制器所处位置——在中心控制室或者传感器和执行器附近，分为集中式或分布式。另外的分类包括伺服机构，数字控制，机器人，分组控制，连续控制，时间序列控制，时间预定控制，事件序列控制以及可编程控制器。它们通常总结如下。

2、控制系统分类略

3、方框图和传递函数

虽然，在单一控制系统中在两个拥有完全不同种类元件系统中找出多种不同元件是寻常的，但是，任意的控制系统都能用一组定义各元件特性的数学方程来描述。一个较大范围内的控制问题，包括加工过程，机床，伺服机构，航天器，交通，甚至能用同样的数学方法分析的经济学问题。每个元件的重要特征在于它对这个系统产生的影响。方框图是一种仅仅保留元件重要特征来表述一个控制系统的方法。信号线表示元件的输入和输出信号。如图6.1所示。

每个元件从系统的某一部分得到一个输入信号并为系统的另一部分产生一个输出信号。信号可以是电流，电压，气压，液体流速，液压，温度，速度，加速度，位置，方向，或者其他的方式。信号传输路径可以是电线，气动导管，液压管路，机械连接体或者将信号从一个元件传到另一个元件的任何东西。这个元件可以使用

一些能量源来增加输出信号的能量。

一个方框图包括一个代表控制系统中每个元件，并由代表信号路径的线相互连接的框图。司机的视觉感知提供了两个输入信号，汽车的位置和道路中心的位置。司机比较这两个位置并确定使汽车保持在合适的位置的方向盘的位置。为力实现这个决定，司机的手和手臂调节方向盘到新的位置，用相应的行驶位置的改变响应方向盘的位置。短暂的时间后，新的方向使汽车达到新的位置。因此，在汽车位置变化和方向盘位置变化之间有一个时间延迟。这个时间延迟被包括在代表汽车方框的数学方程式中。

方框图的环路表明了控制的基本概念。汽车实际位置被用来决定所必须的修正来保持期望的位置。这个概念被称作反馈，带有反馈的控制系统被称为反馈控制系统。不带反馈的控制系统被称为开环控制系统，因为它们的方框图没有回路。

一个元件最重要的特性是它的输入信号与输出信号的关系。这种关系用以组件输出信号对输入信号的比例定义的传递函数来表示。（大部分是输出信号的拉氏变换除以输入信号的拉氏变换）。

4、开环控制

一个开环控制系统不通过比较真实值与期望值来决定控制动作，换句话说，先前通过标定程序或计算决定的校准装置，被用来获取期望值。

图6.2所示一个带有已校准刻度盘的针阀，这就是开环系统的一个例子。通过测量许多刻度盘设置的流速来获取校准曲线。正如校准曲线所示，不同的压降有不同的校准曲线。假定F2的流速是期望的并使用S的设定值。只要保持穿过阀的压降等于P2，流速就保持在F2，如果压降变为P1，流速就变为F1，这个开环控制不能校正压降中不可预测的改变。

步枪子弹的发射是开环控制系统的另一个例子。期望的结果是把子弹打入靶心。实际的结果是子弹从枪发射后的方向。开环控制发生在步枪瞄准靶心并扣动扳机的时候。一旦子弹离开枪膛，它就是独立的：如果突然出现一阵风，方向就会改变，并且没有可能校正

开环控制最主要的优势是比闭环控制系统便宜：不需要来测量实际结果。另外，由于不需要基于误差的校正行为，控制器简单得多。开环控制的缺点是由未知干扰所引起的误差不能校正，通常一个人工操作员必须通过手动调整来缓慢地校正干扰。在这个例子中，操作者实际上通过提供反馈信号闭合了环路。

5、闭环控制，反馈

反馈就是测量实际结果与期望值之间的差值的行为并且利用这些差值来驱使实际结果趋向于期望值。反馈这个术语来自于被测量信号在框图中移动的方向。信号从被控系统的输出端开始，在控制器的输入端结束。控制器的输出就是被控系统的输入。这样，被测信号从被控系统的输出端反馈到输入端。闭环这个术语指的是反馈路径闭合的环路。

6、变量名

被控量c是被控制的过程输出变量，在过程控制系统中，被控量通常是产品质量的很好度量的一个输出变量。最常见的被控量有位移、速度、温度、压力、液位和流速

设定值（sp）是被控量的期望值

被测量（cm）是被控量的测量结果，它是测量装置的输出并且通常和被控量的实际值有一个小范围的误差误差（e）是被控量的设定值和被控量的测量值之间的差值，它是按照等式E=SP-Cm来计算的

控制器输出（v）是被控量的测量值向设定值变化的控制行为，控制行为的依据是误差信号和控制器中所使用的控制模型。

被操作量（m）是通过末级控制单元进行调节的变量以获得被控量的期望值。显然，操作量必须能够在被控变量里影响一个变化。过程中负载变化迫使被操作量变化来维持一个平横条件。由于这个原因，操作量的值被用来作为过程负载的一种测量值。

干扰量（D）是过程输入变量，它影响被控量，但不受控制系统控制。干扰量能够改变过程负载，这也是使用闭环系统的主要原因。

闭环控制的主要优点是具有获得更加精确控制过程的潜力。闭环控制有两个缺点：（1）闭环控制比开环控制贵得多（2）闭环控制系统的反馈特性可能使系统变得不稳定。一个不稳定的系统将会产生被控量的震荡，经常伴随一个非常大的幅度。