翻译论文数据采样系统的历史与发展.doc

中南大学本科生论文(报告)题目数据采样系统的历史与发展 Eliahu l.Jury摘要：本文介绍了数据采样系统的历史闪光点，并对其未来的发展做出评论。最近，作为数据采样系统的再生，数字化信号处理和数字滤波器的出现成为了焦点，而科技的发展在此过程中起到了推动作用。在多维离散理论极其应用方面取得的新进展也在讨论当中。文章批判地看待此领域过去所取得的成就和未来可能的发展征兆，并由此得出结论。介绍在过去的三十年时间里，由于在数据采样系统（或离散系统）领域里取得的巨大成就，一些相关书目已经出版。一样的一系列文章中，最后一篇出现在1983年1。本篇报告不是为了增加调查报告而作的，而是为了评估在控制系统的技术发展中持续起到关键作用的这一重要领域所取得的进步。当然，这也要归功于控制系统一部分的数字计算机（或处理器）的重要性。首先，我们做一个历史回顾，回顾一下数据采样系统的一些早期应用和早期理论。其次，我们将讨论在数字系统的运用过程中所取得的技术进步，实际上包括近年来微处理器和程序计算机的作用。如今关于多维离散系统这一新兴领域的探讨已经开始，这一理论在多路控制过程、传输滞后控制系统、双线性控制系统等方面的应用也被提到。最后，在结语部分，提出了这一领域内一些重要的研究领域。早期应用采样原理在采样技术的理论发展起来以前很久就已经在很多工业应用中出现。这一部分，我们首先就会提到那些早期应用，随后再对早期理论的发展做一个讨论。1.Pendule Sympathique（计时表名）：这是一个反馈控制系统，是Abraham-Louis Breguet2于1793年前后在巴黎发明的。在法国革命中期，Bregurt已经找到了一种巧妙的方法来控制“粗看”革命的速度 ，此法通过一个精密的记时计每隔12隔小时注入一个脉冲信号来完成。在这个系统中，这个精密的记时计装有一个气垫顶杆，它会在12点是准时短暂地出现。这个气垫顶杆渗入了便宜手表的套管，在一段时间内位于钟表顶部的一个特殊底座上，并且通过Breguet设计的一个机械装置实现了两项功能；它将便宜的钟表重新设定在12点钟，并根据从以前的同步到或快或慢的情况对便宜钟表的速度控制水平做了调整。经验表明一个好的同步状态至少要2到3天，这一采样方法表明了采样的经济优势。2Gouy调节器：由G.Gouy在1897年发明3，这种调节阀的概念总是为了维持一个恒定的箱温。这个系统包括图1中展示的元素，无论何时只要电气接触杆浸泡在水银中，电流就流过继电器线圈,使继电器打开，从而中断加热电流。尽管电气接触杆是周期性的浸入水银，循环的水平依赖于炉箱的温度，加热电流的脉冲宽度也随炉箱温度按比例改变，但所有脉冲振幅相等。在这个系统中，信号信息被脉冲宽度携带，这样的系统以脉冲宽度调节反馈系统为人们所知。调节器“Tirrel”，就是一个利用脉冲宽度系统的电压调节器，它是位于美国纽约斯克内克塔迪的通用电气公司在1902年发明的，很多相似的振动电压调节器都是在20世纪20年代到30年代发明的。这一技术后来被应用在磁放大器上，且现在仍再用，例如，在空间飞行器姿态控制系统中。图1，利用数采样方的恒温炉控制系统 3.Guanella 系统：G. Guanella于1941年在这个系统中提出4，采样方法在电子反馈放大器、电声转换器、收音机、和其他发射器或接收器上应用的目的是消除不稳定条件或提高稳定条件。 4落弓式电流计：落弓式电流计如图2所示，它表明取样操作会对低电平输入信号产生更大的系统敏感性反应，因此要改善系统性能5。 参照图2，一个小信号通常用于电流计线圈，落弓周期性地下降，电流计的投射指针引起驱动负荷随信号强度按比例变化。应用于负载轴的扭矩取决于落弓驱动，而不仅仅是电流计线圈产生的扭矩，且前者更大一些。前面的例子只是数据采样方案在控制系统方面很多早期应用的样本。目前，数字计算机的应用已经彻底改革了数据采样系统领域和计算机控制反馈系统领域。图2，落弓式电流计早期理论的发展 H.L.Hazen6 是最早承认采样控制系统和断续控制系统不同的人之一：他称采样系统，如Gouy调节阀和落弓机械装置，为明确的修正控制器。然而，直到二战时期与雷达应用结合时，数据采样系统的理论才被大力推广。在这期间，在美国和英国的数学家、工程师们都致力于发展这一理论。 在美国，主要工作由布朗大学国防研究委员会的Vital Hurewics和贝尔电话实验室的Leroy MacColl承担。Hurewics的方法后来促进了z变换的发展，而MacColl的工作是是脉冲调制达到无限频率的方法得到发展。 最初，由于战时保密政策，这项工作的进行受到限制。MacColl的理论7被刊登在开放文学上的，接着是詹姆斯等人的关于Hurewicz的方法8。不久以后，Claude Shannon的采样定理的出版对数据采样系统的设计有着重要的影响。 不同于美国的工作，在英国Barker9和其他成员找到了一种与z变换相似的方法。然而，在西方，数据采样系统理论的发展起源比提到的那样（随着雷达应用）要早，实际上是苏联的科学家们，Tsypkin10就在他著名的著作延迟控制系统中发展了这一理论。 二战期间，关于采样方法的工作在德国也在进行，Oldenbourg和Sartorious5在离散系统的分析中就用到了差分方程的方法。这项成果于1944年在德国出版，1948年出版英文译本5。F.H.Raymond11 于1949年在法国也讨论了数据采样系统。 主导理论到50年代末期的主要理论方法是z变换方法、改性z变换方法和频率响应；这些将在下面做简洁讨论：1.z变换方法：在由Ragazzini和Zadeh12编写的权威报纸上，已经介绍了z变换方法的标准定义。类比z变换方法，Tsypkin10独立的介绍了离散拉普拉斯 变换，他们都是用数制变量eTP = Z. 在一个相似的独立工作中，Barker9介绍了序列变换，这是一个与z变换相似的方法。例如，MacColl和Tsypkin把离散拉普拉斯变换定义为DfnT=n=0xe-PnTfnT=F*(p) (1)把z变换定义为 Fz=n=0fnTz-n , 且 z = eTP (2)其他变换方法也在这一时期被提出，Jury13对这些方法做了说明。2.改性z变换方法：当z变换方法在取样瞬间产生系统相应时，它的改性也总是产生反应。这种扩展作为改性z变换方法被Jury正式提出，是Barker提出的改性序列方法的一种延伸9,arker利用一个虚拟的延迟介绍了这种方法的基础9,Tsypkin10则是通过介绍虚拟的提前时间转移来说明的。改性z变换被定义为Fz,m=n=0fn,mTz-n , 0m （3）我们注意到z变换可以作为一个特殊的例子从下面的等式（3）中得到： FZ=limm0zF(z,m) （4）3.频率响应方法：在MacColl7、Linvill14和Tsypkin10的著作中，级数的拉普拉斯变换被定义为 F*s=1Tk=-xF(s+jkwr)+12f(0+) （5）条件是 (6) T采样周期和采样频率 (7)用这种这种方法，很多应用于连续控制系统的有用技术就能很容易地应用于数据抽样系统。这种方法与z转换法共同使用。在20世纪50年代，哥伦比亚大学的Prof.John R.Ragazzini所带领的一队人已经在数据抽样系统方面有了相当先进的研究。这里只提这些研究中的一些，包括Kranc和Sklansky关于多频系统的研究、Bertran关于量子化的研究、Franklin和Bergen关于随机系统的研究、Friedland关于时变系统的研究、Kalman和Bertram关于最优状态变量方程的研究，还有作者的工作。在最近的一份研究报告中，Dorate1讨论了饱含上述作者及其他人贡献的这一理论的发展。在西方，早期的关于数据采样控制系统的书，是由Ragazzini、Franklin15和Jury16在1958年出版的。在苏联，Tsypkin在1951年出版了在离散系统方面的第一本书，并在1958年17出版这一主题上的又一广泛文本。从这些早期的出版物开始，大约又有36本这一主题的书出版，这也证明了数据采样系统的广泛应用。总结这短暂的历史背景，这和下面所提到的是有关的：1. 二战时期是数据采样系统理论发展的关键时期，这一时期出版受到限制的结果是，很多不同国家的作者独立发展了这一理论。2. 不同的研究者在不同的时期，独立完成对与z变换及其改性有关的数据采样系理论的发展的研究。前面提到的每一位科学家都在不同程度上对这一理论作出了贡献，正是很多年的集体工作，巩固或促成了离散系统理论的基础。事实上，z变换和拉普拉斯在两个世纪以前在概率论中用到的母函数有很大关系，泊松在19世纪时得到了无限频率的总和，就是著名的泊松总和。差分方程的方法为人们所知也有很多世纪了。3. 这一部分在一定程度上是作者靠最近35年的回忆和读历史读物写的，很可能一些回忆不精确或没有按照时间顺序。此外，也很可能这一理论的一些其他的早期贡献者无意中被忽略掉。基于上述不足，作者希望向读者表达歉意与遗憾。离散系统方面的技术进步实际应用的可行性最早激发了科学家对离散系统的兴趣。由于数字计算机方面的科技进步，这些应用的数量和重要性不断增加。数字计算机的应用领域相当广泛，所以在一个如此简短的报告中不能详细地讨论。然而，直接数字控制（DDC）这一领域尤其要提到，它已经应用于一些工业生产过程中。在这种情况下，人们能写出比模拟“PID”控制更灵活的数字控制器程序，即，数字PID（比例项，积分，导数）算法。比例项、积分、导数控制所得合一各自独立，但是，理所当然地受制于采样周期的长度。由于在采样过程中信息会丢失，数字版本的PID算法自然不会有模拟算法完成的好。另一方面，数字PID控制允许使用的算法类型具有灵活性，这就使研究者可以利用所谓的“现代控制理论”去充分开发软件的灵活性，同时使丢失信息的缺点保持在最低限度。一个典型的例子就是Auslander等人介绍的“独立的数字控制器”18。在这项深远的研究中，研究者们在分析时成功地应用了z变换理论和状态空间方法。如今数字技术方面创新的影响随处可见，尤其是在过程仪表领域。毫无疑问，这十年，这一趋势的重要性和影响还会增加。影响离散系统的另一实际发展区域是开关电容器网络，这些网络实际具有吸引力的是基于MOS集成电路技术、应用薄膜和硅技术的混合集成电路的高密度光电路。微处理器在很不多领域引入一个主要摄动，尤其是在控制领域。它们已经为进一步创新算法打开大门；同时，有了分布式控制，使在不干扰系统其余部分的前提下修补大过程的一部分成为可能。就一份研究结果和在分散控制、大过程估算领域的文学来讲，19的工作是值得瞩目的。因此，随着这些科技进步的广泛传播，可以预见，自动控制的历史将经历又一个重大改变，当然也会取得比过去更辉煌的成就。所以，让我们翘首等待工程师协会在有一个世纪要取得的科技成果。多维离散系统理论的最新进展近年来，我们可以看到对多维和二维数字滤波器的集中研究活动的出现，这样的滤波器已经在很多领域广泛应用，例如图像处理，数字化摄影数据，地球物理处理地震、重力和磁力数据。近几年的先进技术，尤其是在影像方面，已经引起了与这些应用密切相关的理论研究。二维离散理论的其他应用存在于“多通道过程”。采煤、金属加工、自动化农业耕作中的各种各样的操作都能看做多通道过程的模式化，而多通道过程的特点是重复操作。Edward和Owens20已经注意到，把每个运作周期看做一个通道时，运作周期的稳定性概念与二维离散系统理论中的BIBO（有界输入/有界输出）稳定性一致。这一部分的目的是简要总结近些年来的理论进步。一维滤波器和数字信号处理的理论当然主要以z变换理论和状态空间技术为基础，前者在前面的部分已作讨论。最近二十年，关于这一话题的很多书也已出现；数字滤波器领域快速发展的征兆也在近十年出现。 对比一维理论，多为理论主要从离散的角度而不是连续，广泛地解决问题。这首先取决于前面提到的应用，其次是与连续多维系统理论想比，很多概念的理论简单性。很多定理在多维领域很容易被证明，而不是在超平面领域。这是因为离散例子中只有巴拿赫代数的存在。因此，离散理论的很多新成果在它们的连续性版本之前就发展起来。最近Bose21写的一篇文章举例说明了多位离散系统理论的一些应用。现性多维离散理论主要以多维z变换为基础，多维z变换定义如下： (8)从历史的观点来说，这些形式像多元母函数在概率论中已经用到，多维理论和改性在z变换已经应用于非线性数据采样系统的分析中22，类似于多维拉普拉斯变换。和一维情况的发展相似，多维状态空间技术最进也有进步23。理论不是直接从一维延伸到多维的，事实上，经历了很多困难。困难的主要来源是以下几个方面：1. 在二维和多维多项式上缺少一种数学的基础理论，众所周知，任何的一维多项式都能算出；然而，对高次式不是这样。2. 在二维和多维传递函数中，存在第二种不必要的奇点，这种奇点在一维传递函数中不存在。因此，当传递函数的分子和分母没有相同因素时，分子、分母在单位bidisk范围可区分时可以为零，例如，让 （9）注意和有两个相同元素，且.上面给出的困难的两个基本来源违背从一维到二维甚至多维的所有新颖结果的存在。因此，研究者需要找到一个特殊情况，或者增加约束条件使结果得以扩大。这是近代文学所追求的方向。Jury在最近发表的一篇文章上24,就讨论了一些返利，这些返利涉及到将结果从一维扩展到多维。自从这篇文章出版后，其他一些反例也出现了。在一些应用中，多维和二维多项式经常在采用离散变量z和s时出现，这些和差分延迟系统相关。下面是对稳定性的简要讨论。给一个延迟等于固定延迟整数倍的延迟类型的差分延迟系统，系统要不依赖于延迟而逐渐稳定，有且只有在s和中被看做多项式的特征函数满足条件 （10）Kamen25指出另外引进一个复变量z代替后，二维多项式 （11）表现出下列性质 （12）有且只有方程包括所有的真值，且 （13）这种差分延迟系统出现在有交通滞后存在的过程控制系统中，其他二变量多项式（离散-连续）也出现在常微分方程的稳定性研究中。在研究多维数字滤波器时遇到的一个主要问题是稳定性，这个Jury26 已经提出。其他与多维理论相关且重要的问题由Bose21讨论，Willsky27提出了数字信号处理与控制、估计之间的关系，而Postlewaite和MacFarlane28提到了控制理论的其他应用。在这个简短的调查报告中，不可能详细讨论前面的问题，然而，他们在文学方面的可行性将帮助读者追求数学家、物理学家、工程师的最新研究的有趣且重要的领域。将来，毫无疑问我们会看到多维理论在控制领域的很多应用，实际上，如多参数的稳定性和强韧性、分布参数控制系统和双线性系统；这将扩大控制理论的界限离散和连续和它的应用。结论在过去的35年时间里，通过学习、教学、研究离散系统的很多方面，作者觉得在这个领域作反思和评估工作是值得的。在本文中，作者没有对这一领域内起主导作用的某些话题进行评论。特别重要的是关于离散系统对连续系统影响的讨论。在过去的十年，在控制及其相关领域很多文本的出版，也越来越多地强调离散系统。毫无疑问，随着数字技术的出现，这一趋势会有更显著的发展。在离散理论的极限情况下，关于连续理论的探讨表明了这一领域的一些研究需求，即为了进一步阐明和克服某些情况下出现的问题。在庞特里亚金极大值原理中修改最优约束条件是为了获得离散理论对应的一种极限情况。此外，在未来几年内，很可能会把连续性理论看成是离散理论的一种极限情况。当然，在从事自动控制理论教学中，这样的干扰在这一领域需要更多的研究。多维离散理论领域中新的理论发展表明，这一领域还处在初期，要使它充分实现还需要做很多研究工作。事实上，这一理论对控制系统影响已经用人做出评价。作者对以上几点的强调只是这一领域的部分评价，不必解释成只有这几点重要。对这些话题的讨论仅仅反映作者在这一领域的工作和学习，不像很多和他同时代的自动控制领域的人一样，他从离散理论中了解连续控制理论的大部分，反之亦然。这在他的出版物和文章中都能反映出来。作者为能在离散系统领域有专业发展感到幸运，也希望他在这一领域的些许贡献能对专业和电子工程师协会的成员有些用途。参考文献1 P.Dprato.“离散时间控制在理论上的发展，”自动化，19卷，第4期，395-400页，1983. 2 O.Mayr. 反馈控制的起源. 剑桥出版社，麻省理工学院出版社，1970.3 G.Gouy. “关于恒温箱，”物理，6卷，975-983页，1897.4 G.Guanella.“电子震荡转换系统，”美国专利2253976，1941-8-26.5 R.C.Oldenbourg, Sartorious.自动控制的动态，纽约：美国机械工程师协会，第五章，1948.6 H.L.Hazen.“随动机制理论，”克林研究所，218-297页，1934.7 L.A.MacColl. 自动控制基础理论. 纽约：范诺丝丹，第x章，1945.8 H.M.James等人.随动机制理论，麻省理工研究室系列丛书，25卷，第5章，由W.Hurew编辑，纽约：麦格劳希尔集团，1947.9 R.H.Barker.“脉冲传递函数及其在自动控制采样方面的应用，”伦敦电气工程师协会期刊，99卷，第四部分，302-317页，1952.10 Y.Z.Tsypkin.“非连续控制理论，”Automatika i Telemech.，第3期，1949；第4期，1949；第5期，1950.11 F.H.Raymond.“Analysis de Functionement des Systeme Physiques Discontinus,”Annalus Des Communication,法国巴黎，5卷，1-6页，1979年 6月/10月.12 R.J.Ragazzini，L.A.Zadeh，“数据采样系统分析，”AIEE Trans.，71卷，第2部分，225-234页，1952年11月.13 E.I.Jury. z转换法的理论与应用，纽约: 威力出版社；Maladar. FL:Kreiger，1982.14 W.K.Linvill，“比较取样和振幅调制下的数据采样系统，”AIEE Trans.，70卷，第2部分，1778-1788页，1951.15 J.R.Ragazzini, G.Franklin.数据采样控制系统，纽约：麦克劳希尔出版社，1958.16 E.I.Jury. 数据采样控制系统，纽约：威力出版社，1958；克里奇出版社，1977.17 Y.Z.Ysypkin. 脉冲系统理论，莫斯科：国家物理数学文学出版社，1958.18 D.M.Auslander等人.“直接数字过程控制、实例、算法在微处理器中的应用，”美国电气和电子工程师协会期刊，66卷，第2期，199-208页，1978年2月.19 大型动力学研究：稳定性和结构，纽约：北荷兰，1978.20 J.B.Edward,D.H.Owens. 多通道过程的分析和控制，调查研究出版社，约翰威利及其儿子们的公司的一部分，英国奇切斯特，1982.21 N.K.Bose. 多维系统理论的应用，纽约：凡城范诺丝丹-雷霍德公司，1982.22 P.Alper. “二维z变换，”荷兰代尔夫特科技大学实验室，1963年8月。23 R.P.Roesser.“线性图像处理的离散状态-空间模型，”IEEE Trans.Auto.Contr.,AC-20卷，1-10页，1975年2月.24 E.I.Jury.“多维系统理论中的反例，”电气电子工程师协会系统与电路杂志，第2卷，1-4页，1980年6月.25 E.W.Kamen. “时间延迟相同的线性系统：稳定性和延迟的稳定独立性，”IEEE Trans.Auto.Contr.第27卷，367-375页.26 E.I.Jury.“多维系统稳定性及其相关问题，”多维系统第3章：S.G.Tzafestas编辑的技术与应用，纽约：1986.27 A.S.Willsky.“数字信号处理，控制和切点、交叉区域、并行方向的理论估计.”美国电气和电气工程师协会期刊，第66卷，996-1017页，1978年9月.28 I.Postlewaite, A.G.J.Macfarlane.线性多变量反馈系统分析时的复变方法，控制与信息科学课堂讲义,第12卷，纽约：斯普林格出版社，1979.Eliahu I.Jury 出生在伊拉克首都巴格达，他获得了位于以色列海法市的以色列技术工程学院电气工程本科学位，1947年他在那儿还是个学者；1949年，又以优异成绩获得位于美国马萨诸塞州的哈弗大学的电子工程研究生学位；1953年，他又获得纽约哥伦比亚大学的工程科学系统控制博士学位，那时他还是希金斯的同事。1982年他获得位于瑞士苏黎世的瑞士联邦理工学院授予的系统控制技术博士荣誉学位。 1953年，在哥伦比亚大学电子研究实验室呆了六个月后，Eliahu I.Jury于1954年以教员身份加入美国加州大学伯克利分校的电子工程与计算机科学学院，1964年被任命为电气工程专业教授，这一职位他担任到1981年6月30日。他在很多领域写了大约200篇研究报告，包括数据采样控制系统、操作方法、电路理论、数字滤波器、生物工程、稳定性理论、多维系统和用来证明脉宽和脉频调制方案的通信理论的某些方面。他是数据采样控制系统（纽约：威利出版社，1958；1977年，翻译成法语、日语、俄语在克里奇出版社再版）和z变换法的理论与应用（纽约：威利出版社，1973；1979年翻译成俄语）的作者。又一版本由克里奇出版公司于1982年出版。Jury教授还为多维系统：技术与应用一书做出了贡献，此书由S.G.Tzafestas编辑，在1986年由Marcel-Dekkar出版社出版。他是美国电气和电子工程师协会的会员，1980年8月，他因对控制系统的贡献获得美国机械工程师协会世纪金奖，又在1986年5月获得美国电气电子工程师协会颁发的电路与系统教育奖。1981年7月1日，他又被任命为美国伯克利市哥伦比亚大学荣誉教授。最近，他又担任位于美国佛罗里达州科勒尔盖布尔斯市的迈阿密大学的电气工程专业研究教授。IEEE学生论文IEEE鼓励学生电子工程师的一种方法就是学生论文竞赛，在IEEE的十个地理范围的任何一个中位居前三名的，就可以在IEEE学生论文集上出版，1986年IEEE学生论文集的一些额外的副本在1987年初还可用，原则是先到先得，请写明 Laura J. Snyder, Student Services Coordinator, IEEE Student Center, 445Ho Hoes Lane, Piscataway, NJ 08854-4150, phone: (201)981-0060.IEEE学生论文竞赛是一个多层次的竞赛，每一位作者在进入十个区域性比赛之一前，都必须成功通过学生分会的地区性比赛。评判委员会再从很多优秀的条目中选出每个区域里的前三名。通常，每一位胜出者都会获得一份现金奖励，分别是第一名300美元，第二名150美元，第三名75美元。很多地区也会给与额外奖励。将来对学生论文竞赛感兴趣的，请联系你们的IEEE支部顾问、本地区学生活动委员会主席，或者写信到Student Services，IEEE，445Ho Hoes Lane, Piscataway,