自动化专业外语第三版部分翻译.docx

第1章工业过程控制原理问题1。多少热量必须被供给到搅拌槽加热器加热的液体从入口温度T，的出口温度TR？要确定所需的热量输入，为设计工况条件下，我们需要写一个稳态能量平衡的液体在槽中。在写这种平衡，它假定槽被完全混合，听到的损失是可以忽略不计。在这些条件下有内的排名的内容是没有温度梯度，因此，出口温度与槽中的液体的温度相等。一个稳态能量平衡槽表明添加的热等于焓变化之间在入口和出口流：Q=WC（T-Ti）的（1.1.1）其中，Ti的Tw和Q表示体的Tw和Q的额定稳态设计值。和C是比热的液体。我们假设，C为常数。在设计条件下，T=TR（设定点）。这种替代式。（1.1.1）给出的表达式或标称输入热量Q=WC（TR-T）（1.1.2）等式（1.1.2）是对听者的设计等式。如果我们的假设是正确的，如果在入口流率和入口温度等于其标准值，然后由方程给出的热输入。（2）的出口温度保持在所需的值，TR。但是，如果条件发生变化吗？这给我们带来了第二个问题：问题2。假设入口温度Ti随时间的变化。我们怎样才能保证T保持在设定点附近TR吗？作为一个具体的例子。承担的Ti提高到一个新的值大于Ti平均值，如果Q是保持不变的人的名义Q值，我们知道，出口温度将增加，使TTR。（cf.Eq.（1.1.1）。为了对付这种情况，也有一些可能的策略用于控制退出温度T。方法1.测量T和调Q。的一种方式控制T，尽管这件T干扰。调Q根据T.直观地测量，如果T是太高，我们应该减少Q;T是太低了，我们应加大控制策略往往会问：这移动朝向的设定点（TR）和可以在许多不同的方式实施。例如，工厂操作员可以观察测得的温度，并比较测量值到TR。然后，操作员会以适当的方式变化q。这将是一个手动控制的应用。但是，它可能会更方便，更经济，有这个简单的控制任务的电子设备，而不是一个人，那就是，利用自动控制自动执行。方法2.测量Ti平均值，调整Q：相比于方法l的替代，我们可以测量变量T和相应的调整Q。因此，如果Ti大于Ti平均值，我们将减少Q;为Ti平均值Q的平均值。1.2.2 效果反馈稳定性1. 稳定性是描述系统是否能够跟踪输入命令或是否有用的概念2. 非严格地，如果一个系统的输出失去了控制，我们就说它是不稳定的3. 为了研究反馈对稳定性的影响，我们可以再次观察等式（1）。如果GH=-1（称为负一），对于任何输入，系统的输出都是无穷大，这样的系统是不稳定的4. 因此，我们说反馈可以使原来稳定的系统变得不稳定5. 当然，反馈是一柄双刃剑，当使用不当时，将会产生坏的作用6. 然而需要指出的是，我们在这里只针对静态情况，而通常GH=-1不是系统不稳定的唯一条件。可以证明，加入反馈的好处之一是能够使不稳定的系统稳定。我们假设图1.2.1所示的反馈系统是不稳定的，因为GH=-1。如果我们引入另一反馈环，其负反馈增益是F，如图1.2.2所示，系统总的输入/输出关系是1. 很明显，尽管G和H使内环反馈系统不稳定，因为GH=-1，而如果正确选择外环的反馈增益F，系统总体上能够是稳定的。2. 在实践中，GH是频率的函数，并且闭环系统的稳定性条件依赖于GH的幅值和相位。结论是反馈能够改进系统的稳定性，但如果使用不当，也有可能破坏稳定性.1.2.3. 反馈对灵敏度的影响 1.控制系统中对灵敏度的考虑是非常重要的。由于所有的物理元素都有随环境和时间变化的特性，在系统的整个运行过程中，我们不可能把控制系统的参数当作完全静态的。2.例如，马达的线圈电阻会随着马达温度的升高而变化。第1章中的电子打字机在第一次开机时有时会运行不正常，因为系统参数在预热期间发生变化。3. 这种现象有时被称为 “早困”。大多数复印机都有预热时间，在初次打开后运行会闭锁.1. 总的来说，一个好的控制系统应当对参数的变化很不灵敏，而对输入命令的响应很灵敏。我们来研究对参数变化的灵敏度，反馈将会产生何种影响。在图1.2.1中，我们考虑G是变化的增益参数。对于G的变化，系统的总的增益灵敏度M定义为2.其中偏M表示由G的微小变化量偏G造成的M的微小变化量。应用（1）式，灵敏度函数可以写成1.这个关系说明如果GH是正的常数，在系统保持稳定的前提下，灵敏度函数的幅值可以通过增大GH变得任意小。很明显，在开环系统中，系统的增益对G来说是一比一的形式（即SMG =1）。2. 我们再次提醒，在实践中，GH是频率的函数，在某些频率范围内，1+GH的幅值有可能小于1，这使得在某些情况下，反馈对参数灵敏度是有害的。3. 通常，反馈系统增益对参数的灵敏度取决于参数的位置。读者可以得到图1.2.1中由于H的变化而造成的灵敏度。 1.4过程控制系统的设计1.但是，最初的设计极少能够满足所有目标，通常情况下需要对方法的某些方面做一些修改。基于对最初设计缺 陷的理解，有可能必须改变控制的硬件。例如，有可能必须要增加“工作范围”，象执行器的最大动力水平，或增加额外的传感器。1.另一方面，（我 们 ）有 可 能 发 现 最 初 使 用 的 设 计方 法 是 不 恰 当 的。举一个例 子 ，基于 连 续时间控制的设计方案打算用数字元件来逼近实现之 后（ 我 们 ） 发 现 更 好 的 方 法 ，采 用 离 散 时间设计方案，可以直接用数字元件实现2.做出正确的调整之后，在设计过程中相应的步骤还需要重复很多次，直到达到理想的目标。1.有 时，你 必 须 接 受 失 败：用 各 种 不 同 的 软 硬 件 组 合 方 法 进 行了 重 复 设 计之后，结 论 却 是 你不知该如何设计这个系统使其满足需求。2.你只能报告说，尽你最大的知识和能力，要满足性能需求，就必须要在硬件或方法学上有所突破即还不存在的发明。1.正如你所见到的，对控制算法的选择通常只是整个设计过程的一小部分。经验告诉我们，控制算法不会成为影响整个系统性能的决定性因素2.如 果 你 成 功 地 设 计 了一个系统（采用 任 何 方 法），并 使 之 运 行，那 么 单 靠 不 同 的 控 制 算 法不能在提高性能和降低成本上取得较大层次的成功。然而，取得较低级别的改进也是有意义的，是值得追求的。1.除非你熟悉一些标准的设计方案和传统的设计方法，否则你可能无法应付不熟悉的过程。例如，考虑控制飞机的运行问题，在受到一系列不同约束的条件下使其从一个起点到一个指定目的地，如准许的飞行轨道、可用的燃油、安全等2.（这类问题的具体实例包括人工驾驶飞机，巡航导弹和遥控飞行器等.毫无疑问，每一个都和其它应用在细节上大不相同）.尽 管 大 部 分 的 飞 行控 制 问 题 都 已 经 被 解决了，但 在 思 索如何处理一些你事先不知解决方法的问题上仍具有启发性.1.原则上，飞行控制问题可以被表述成一个通用的优化问题：在数学约束范围内，最小化一个 指 定 的 数 学 性 能 指 标。但 在 在 实 践 中，这 种 方 法 几 乎 是 注 定 失 败 的 ，有 很 多 原 因，包括以下方面：3.1先进的控制系统强调反馈控制是一项重要的技术 过程工业。它的主要优点是1。一旦控制变量偏离了设置点，无论源和类型的扰动，就会发生纠正操作。 2。它需要对控制过程的最小了解，特别是a 虽然它对控制系统的设计很有用，但是不需要对流程进行建模。 3。无所不在的PID控制器既通用又健壮。如果工艺条件改变, 重新调整控制器通常会产生令人满意的控制。 反馈控制也有一些固有的缺点 1。在控制变量发生偏差后才采取纠正措施。 因此，完全控制，控制变量不会偏离设定值 在负载或设置点更改时，理论上是不可能的。 2。它不提供预测控制行动来补偿已知或可测量干扰的影响。 3。对于具有大量时间常量和/或长时间延迟的进程可能不令人满意。 如果发生大且频繁的扰动，该过程可能会持续处于短暂状态，且永远无法达到所需的稳态。 4。在某些应用中，控制变量无法在线测量 反馈控制是不可行的。 情况下,反馈控制本身并不令人满意,显著改进控制可以通过增加前馈控制。但使用前馈控制,干扰必须在线测量(或估计)。在这个单位。我们考虑了前馈控制系统的设计和分析。我们首先概述前馈控制和比例控制，这是一种特殊的前馈控制。接下来介绍了。3.3.1如果一个过程在一系列的条件下操作，可以通过使用一组不同的控制器设置来控制每一个操作条件。或者，可以在控制器设置和描述流程条件的流程变量之间建立关系。这些策略是编程适应的例子。编程适应仅限于应用程序，过程动力学依赖于已知的、可测量的变量和必要的控制器调整并不是太复杂，通常是适应 在结构上是否足够简单，可以用一些模拟和所有数字实现 控制器。最受欢迎的编程方式是增益调度，控制器增益调整，从而使开环增益K保持不变。作为一个控制问题的例子，规划的适应已经被提出， 考虑一个直流锅炉。这里的给水经过一系列加热管部分 在产生过热蒸汽之前，必须精确控制温度。给水流量对锅炉的稳态和动态性能有显著的影响。例如,图3所示。3。1显示了典型的开环反应流量阶跃变化,最大流量的50%和100%。假设一个经验的一阶加时延模型被选择来近似这个过程。稳态增益，延时，和 占主导的时间常数是50%流量的两倍，相当于100%流量的相应值。这个控制问题的解决方案是使PID控制器的设置随w的不同而变化，即整个流量的比例(0 w 1)，以如下方式 其中K D是100%流量的控制器设置。请注意，对编程适应的建议在质量上与Cohen和Coon规则的协调一致，并假设流变化的影响与整个操作的流速率成比例关系。 在这个示例中，可以根据两个不同的条件对流程行为进行分类。在其他问题中，动态响应数据是不可用的，但我们对过程非线性有一定的了解。对于含有强酸和/或强碱的酸碱问题，pH值曲线可能非常非线性，在多个数量级上都有变化。因此，针对pH控制问题发展了特殊的非线性控制器，无论是适应性的还是非适应性的。在这种情况下，过程会随着操作条件的变化而变化，因此需要使用增益调度(KcKp =常量)来维护 一致的稳定利润。 对于某些类型的自适应控制问题，稳态和动态响应特征的变化可以与控制变量的值有关。例如，在温度控制回路中，过程增益随温度的变化而变化，控制器增益可以被控制变量的函数，温度。反馈控制器现在是商业性的，它允许用户将Kc作为错误信号e的分段线性函数，如图3所示。3。2。如果进程获得Kp以已知的方式变化，那么我们应该改变Kc，以便产品KcKp是常量。这种策略将使开环增益保持不变，从而保持一定的稳定性(假设过程动态不变) 5.2直流电动机控制系统 直流电机是当今工业中使用最广泛的主要动力之一。多年前，大多数用于控制目的的小型伺服马达都是ac 品种。实际上，交流电动机更难控制，尤其是对位置控制和它们的控制 特征是非线性的，这使得分析任务更加困难。直流电机,另一方面,更昂贵,因为刷换向片,变磁力线只适合某些类型的直流电机控制的应用程序。在永磁(PM)远非理想。今天,随着稀土磁铁的发展,可以实现非常高的转矩，单位体积，或质量直流电机以合理的成本。此外,电刷整流器技术的进步使得这些耐磨部件几乎不需维护的。电力电子的进步使无刷直流电机在高性能控制系统中非常流行。先进的制造技术也产生了无铁转子具有非常低惯性的直流电机，从而实现了非常高的扭矩-惯性比，以及低时不变的性能 在计算机外围设备，如磁带驱动器，打印机，磁盘驱动器，文字处理器，以及自动化和机床工业中，为直流电机打开新的应用程序5。2。1直流电机的基本操作原理 直流电机基本上是一个扭矩传感器，将电能转换成机械 能量。电机轴上的力矩与场通量和电枢电流成正比。如图5所示。2。1载流导体是在a中建立的 磁通量Q的磁场，导线位于旋转中心的距离r。开发了转矩之间的关系,流量Q,和当前Ia Tm = KmQia(5。2。1) Tm是电动机转矩(n - m、磅英尺或扭力),问的磁通量(韦伯夫妇),ia的电枢电流(安培),和公里是一个比例常数。 除了图5所示的排列所产生的力矩之外。2。1,当 导体在磁场中移动，在其端子上产生电压。这个电压,emf,轴速度成正比,倾向于反对电流。5.5工业机器人的介绍 20世纪60年代早期，工业机器人成为了现实，约瑟夫恩格尔伯格和乔治 Devol联合成立了一个名为“Unimation”的机器人公司。 Engelberger和Devol并不是第一个梦想机器可以执行的机器 在制造不熟练,重复的工作。第一次使用“机器人”这个词是由 捷克斯洛伐克哲学家、剧作家卡雷尔卡佩克(Karel Capek)扮演r . u(Rossum的通用机器人)。“机器人”一词在捷克意味着“工人”或“奴隶。这出戏是1922年写的。 在Capek的游戏中，Rossum和他的儿子发现了人造原生质的化学配方。原生质构成生命的基础。用他们的化合物，Rossum和他的儿子 制造一个机器人。 Rossum和他的儿子花了20年的时间把原生质变成了一个机器人。二十年后的 ros总和看着他们创造的东西说:“如果我们不能让他比大自然快，那么花20年的时间来做一个男人是荒谬的，你也可以闭嘴。” 年轻的Rossum回到工作中去清除他认为对理想工作者没有必要的器官。年轻的Rossum说:“一个人的感觉是快乐的，玩耍 钢琴，喜欢散步，实际上想做很多事情 不必要的但是工作机器不能弹钢琴，不能感到快乐，千万不能做 还有很多其他的东西。任何不能直接促进工作进展的事情都应该被消除。 半个世纪后，工程师开始建造Rossum的机器人，而不是人工原生质， 但是硅水力学，气，和电动机。那些在1922年被卡佩克所梦想的机器人，它的工作，但是没有感觉，在制造工厂里执行非人类或人类的工作，在世界各地都是可行的。 就像Rossum的儿子认为的那样，现代机器人缺乏感觉和情感。它可以 只简单回应“是/否”问题。现代机器人通常被栓在地板上。它有一只胳膊和一只手。这是又聋又瞎又哑。尽管有各种各样的障碍，现代机器人仍然在不无聊或抱怨的情况下完成分配的任务。 机器人不仅仅