第十三章专业英语翻译.doc

控制工程介绍13.1介绍 每当能量被有目的使用时，某种形式的控制是必要的。近期，在自动控制策略方面已经取得了很大的发展。不过，策略十分陈旧，可以回溯到大约1790年， 当时詹姆士瓦特发明了离心式调速器控制他的蒸气机的速度。 然而他发现，在很多应用内，发动机速度与负荷力矩无关是必要的， 实际上当一个负荷被使用时，速度下降，当负荷被除去时，速度增加。 一台简单的离心式调速器被用图13. I.显示。在这个系统里，在发动机速度方面的变化被识别并用来控制进入发动机的蒸汽的压力。在稳定情形下，金属球平衡重量的时刻，是由于离心力和打开的蒸汽阀门只足够保持发动机速度在要求的水平上。 当额外的负荷力矩被用于发动机时， 它的速度将倾向于下降，离心力将减少，金属球将倾向于略微下降。他们的高度控制蒸汽阀门现在开的更大，允许更大的蒸汽压力加到发动机上。速度于是倾向于上升，抵消了速度原先下降的趋势。如果额外的负荷被除去，相反的过程发生了， 金属球倾向于稍微地提高，因此倾向于关闭蒸汽阀门并且抵消任何速度提高的趋势。 这个系统在末端负荷增量有调节器和没有调节器的典型反应用图13.2显示。很明显，没有调节器，速度将相当多的落在负荷上。不过，在一个精确设计有调节器的系统里，在速度方面的下降将非常少。随着一个系统被设计，对速度的变动太敏感的一个不受欢迎的特点是，倾向对最终速度的寻找或振荡。在这种类型的全部系统的综合过程中的真正的问题是将防止过度的动摇，但是同时产生好的调节作用。调节作用定义为负载条件下被控量相对空载条件下被控量数值的变化百分比。控制器（调节器）形成一类重要的控制系统，通常是他们的对象保持某一物理量恒定(即速度、电压、液位、湿度等等)不管负荷变化。 一个好调节器仅有很小的调节作用。 1914年-1918的战争使得军事工程师意识到，要赢得战争精确和迅速的安置重型纵队是必要的(例如船和枪)。在美国1920年初,在自动驾驶的船上和甲板上自动安置的枪上，N. Minorsky执行了经典的工作。 在1934年单词 伺服系统 (从拉丁servus得到,意味着奴隶) 被H。L。hazen第一次在资料上使用。他把一个伺服机构定义为 驱动输出的放大器元素被在对伺服的输入和它的输出之间的差额驱动的能量放大的设备。这个定义能被用于多种反馈控制系统。 近年来建议那些术语伺服系统或者伺服限制到反馈控制系统， 被控制的变量是机械位置。 各种各样的大规模工业过程的自动控制， 象在化学制品，食品和金属的制造和处理过程中遇到的那样， 在过去30年间，已经作为一个控制工程的一般领域的极其重要的部分出现。 在发展的开始阶段几乎没意识到过程控制的理论与伺服机构和控制器的理论密切相关。 即使现在由于我们对过程动力学的糟糕理解，完全学术设计的过程控制系统实际上不可能的。在大部分被引进这本书的理论里，伺服机构和控制器被用作例子说明分析方法。 不过，这些方法经常适用于过程控制系统，这将分别介绍他们自己。13.2定义 通常有二种控制系统，开环和闭环。13.2.1开环控制系统 在开环控制系统(看图 13.3)输入信号或者命令被使用，在控制器内放大，电源输出从输出元素获得。 输出元素的位置经常远离输入站。 输入可能被手工使用，比如转动一个表盘。被期望的输出通常被预先校准，并且输入控制可能伴随着一些校准图表。获得的实际输出取决于校准的有效性,并且如果系统的组成部分被时间,温度,湿度,润滑等等影响,实际输出可能与被期望的输出产生变化。这样的系统也因为负荷变化被影响。 一个开环控制系统的简单的例子是没有调节器的蒸气机。这样的安排在图13.4.里被图解表示。速度主要通过在负荷力矩方面的变化被影响，但是也将被在锅炉蒸汽压力方面的变化，润滑的状况和可动部件里的磨损改变。 13.2.2闭环系统 在简单的闭环系统里(参阅图13.5),控制器不再受输入而是受“偏差”激励。偏差被定义为在系统输入和它的输出之间的差别。 这样的系统象那些开环控制系统一样，包含相同基本元素，以及两额外特征-一个偏差检测器和一个反馈电路环。偏差检测器是这样一种设备，它产生一个与在输入和输出之间的偏差成正比的信号。 图13.4的开环控制系统可能通过一个输出速度计和一位人类操作者做手工封闭环。 操作者必须连续看发动机速度并且当变化发生时调整打开的蒸汽阀门使它合适，试图保持速度恒定。为什么在很多实例自动控制系统内更喜欢操作者的原因见图13.6.。 蒸汽引擎也许被合并作为一个闭环速度控制系统一部分如图所示13.6。 在13.1已经解释过，由于负荷力矩的改变，被管理的蒸气机如何调节速度变化。除了这个超过开环控制系统的明显的优势外，有另一个更细微的优势。系统具有对它自己的缺陷改正的能力。例如，假设锅炉蒸汽压力应该有一点减少。这将导致速度下降；偏差检测器将意识到这种下降并且引起蒸汽阀门更进一步打开，给被控制的蒸汽压力相应增加。这个速度于是将倾向于增加由此抵消了原先速度下降的趋势。 对在负荷方面的变化的反应的速度也比开环控制系统的迅速。 13.2.3控制系统部件 很显然从闭环系统的那些方块图里 (图 13.5)有3个基本的组成部分被要求： (1)偏差检测器。 这是一个设备，收到低功率输入信号，输出信号可能具有不同的物理性质， 为了减法的目的，把他们转化成共同的物理量， 执行减法，并且给出一正确物理性质的低功率偏差信号来驱动控制器。偏差检测器通常包含转换器； 它们是把一个物理形态的信号转变成另一物理形态信号的设备。 (2)控制器。这是一个放大器，它收到低功率偏差信号，以及一个来自外部的电源。 被控制能源的数量(正确的物理性质) 被提供到输出要素。 (3)输出要素。 它根据从控制人员那里收到的信号为负荷提供正确的物理性质的能力。 其他设备，例如齿轮箱和补偿的设备在控制系统里经常有特色， 但是这些通常被认为成为其它要素的一部分。后面将给出用于控制系统的一些部件的详细说明。 13.3位置控制系统 管理者， 那个对象是保持一些物质数量的价值在一款待的水平尽管骚动，一重要一个闭环系统的例子是。 同样重要和当然更多挑战象工程设计练习在对象是遵循输入命令的那些伺服机构的那样。 一个这样的一个设备的例子是 运动适用于一个手车轮的必须在一些遥远点繁殖的位置控制伺服机构位于一个局部的命令车站。 生产运动可以用来开车重物，例如进一个要求的位置的一个导弹发射器； 命令的功率放大和准确的再生如此必要。 信号可以通过直接的机械联系或者通过水力，装满空气，或者电的渠道被传送。 除机械联系外，最迅速输送可能与电气装线一起取得和这经常是但不是总是使用。 这里它被使用， 机械输入和输出信号是第一个变为的成比例电信号， 经由电线到减的设备然后传送，这生产一用信号通知与这个错误成正比。 一次典型的安排被用图显示 13.7. 低功率错误信号用来驱动也收到来自一个外部来源的动力并且将控制电源送到电动机的一个放大器。 转换器和减的要素的结合形成错误检测器， 放大器是控制器和电动机以及它的齿轮箱形成产量dement。 那些放大器可能完全电，如果那些电动机电，但是一定是或者选举，米装满空气那些电动机或者水力或者装满空气。 强调系统的对象是做rotatable群众尽可能差不多复制这个手车轮的运动。 让我们考虑将发生什么，如果这个手车轮的位置被非常迅速通过一angle01开采，群众最初安静。 最初，群众没有速度和产量位置0 o 0，我瞬间在放大器的终端出现的一个信号的因此； 那些源头的权力被允许驾驶那些群众，然后开始的那些电动机到达当时降低那些错误。 当0 o接近错误使更小的0 i时，因此较少的动力被允许达到电动机。 系统通常被设计，因此群众只越过被要求的位置； 因为0 o然后大于0 i，错误变得负和电动机迫使群众停止和反向。 在群众最后在需要有等于0的0 o的位置解决之前，一些负脉冲信号和更进一步的超过或许于是将进行； 只， 什么时候精确的符合出现做放大器收到零信号，因此电动机被迫移动，或者无论如何直到全部运动渐渐消失。 当进入放大器的信号是零时,因此电动机能只停止,即 当生产位置确实等于命令0 i时。 天气从，巨大小心接受设计除非的上述讨论那里变得明显， 关于被要求的位置的动摇将增加而不是迅速渐渐消失是十分可能的。 在哪个动摇增加的系统据说不稳定和大部分设计在控制工程工作与有关生产稳定系统。 足够的稳定当然是只有几要求之一。 另一要求是多种输入信号的忠实的再生,并且已经被看见了图的系统 13.7不可能复制在输入位置与忠实的任何学位一起的一突然变化。 输入命令的另一种类型可以由恒定角速度的手车轮运动组成。 系统于是将回答用 一振荡瞬间变化和群众最后将与一等于命令和有落后命令以一小角的一位置的速度一起安定下来。 轻微的差别， 在输入和输出位置之间将具有如此的大小以致从足够驱动混乱的电动机产生生产力矩， 在被要求的速度依照摩擦力矩。 错误不能是零否则电动机将停止，错误于是将增加。 产量0 o将自动与命令0 i在静态条件下结盟当时是如此明显的， 在动态的条件下生产运动只接近命令的。 亲密的那些接近能无论通常被挣得象最解决物质问题是必要的一样好； 例如，在自动控制的外形铣床的某些类型方面0.000 1英寸的黑客准确已经被取得。 位置控制系统的另一个对象是它必须能举行等于命令的生产位置， 在严厉的负荷骚动的情况下。 例如，不管随机暴风，一个发射器必须仍然朝着被要求的方向指。 图的位置控制系统 13.7 ,如果正确地设计， 能达到十分好的规章反对这种的负荷骚动但是一次恒定负载骚动将不可避免生产小失调， 在生产之间和命令。 在这样的失调将是无法忍受的的系统里，一种控制人员的更复杂的类型必须被使用，有特性除了简单的扩大。 一个稳定系统的设计然后相应更难。 它应该用一足有自动系统感激那图的 手车轮 13.7可以被做，以生产必要命令信号没有人帮助。 的确在很多实例里手轮回甚至可能不存在； 命令可能性质上完全电，已经直接从传感元件得到。 例如， 在飞行控制系统里伺服机构通常开动控制表面， 有命令信号哪个作为以那些飞行员到那些控制杆指引，不过，在包含汽车飞行员的飞机， 飞行员可能转向自动，于是命令信号被从感觉自动识别与被要求的道路不符合的陀螺仪直接产生。 类似一些自动控制的机床有对从一台数字电子计算机收到的电信号反应直接的西阿-vomechanisms。 部分作为一个存储器计算机通常行动， 能按照某种顺序和部分复制多种错综复杂的命令 作为算术设备执行减并且关于使生产非常准确的错误信号数字化各种各样的伺服机构商人的生产位置的测量数据它的控制的接待。 那些位置控制伺服机构有很多应用在中哪个： 工作母机位置控制系统 跟踪雷达系统 枪主管和导弹发射器 收音机和光学望远镜的Positioners 恒定紧张的对床单的控制转入造纸厂 对在热轧工厂过程中的薄金属板厚度的控制 导弹指导系统 飞机的自动驾驶仪 自动船舶驾驶 滚船的稳定 记录文件和伺服乘数 惯性的指导系统 材料的操作的自动装置 帮助刹车和掌舵机动车里的设备13.4过程控制系统 那任何把控制工程划分为管理者应该被理解，伺服机构和过程控制系统非常人造，并且真的由于有历史意义而不是合乎逻辑的原因。 一个过程控制系统经常基本上是一个管理者。 不过，当被分别考虑时，一个错综复杂的过程控制系统可能也许包含可能被定义为伺服机构的几个设备。 不过，下列是通常把归类为制造过程控制的控制问题的例子： 对在液体里的化学集中的控制 对液体水平的控制 对流体的流速的控制 电解的绘制的地图控制 蒸馏制造过程控制 调和气体控制 反应在核反应堆里控制 锅炉工厂控制 对炉膛温度的控制 热交换制造过程控制 过程控制系统的设计的哲学相当不同于伺服机构的设计的。 但是， 很多 包含的分析的问题的相似，大多数试验的分析和综合和方法的技术对全部控制工程的分部通用。 过去那些控制人员和开车送dements的使用的制造过程中控制主要装满空气； 电装满空气设备最近变得相当更受欢迎并且相当多证据那这趋势 将继续，将来大的工厂将被通过电子数字电子计算机控制。 一个典型的过程控制系统的例子现在将被考虑。 一张安排的示意图被用图显示 13.8. 系统的对象在固定的价值是保持流体的流速， 根据油煎命令称 sot估价，不管供应压力和背压力骚动。 实际流速被通过一块孔板发现； 穿过这个盘子的压力差然后是一个流速的功能。 一个信号(称测定值) 与压力差成正比， 并且因此对一个流体的流速的功能然后被通过到录音机控制器的一台不同压力发送器传送。 输送的方法可能是机械，电或者装满空气的。 测定值通常被在形成录音机控制器单位的组成部分的自动记录仪上连续记录。 测定值也是， 与在一种比较元件，产生不符合 0描述在测定值和sot价值之间的差别里的被确定的价值相比较。 比较元件的性质基本上依靠测定值的输送的方法和控制人员的本性； 在气动系统内简单不同机械联系经常被用来生产一机械与不符合成正比地用信号通知着， 或者装满空气或者装满空气电的控制人员通过产生是一个不符合的功能的装满空气的压力对不符合作出反应。 这压力用来控制移动的一台装满空气的电动机以便开动安置在易流动的供应管里的一个控制阀； 控制阀将自动在这样的一条路被移动，以致保持不符合为最小水平。 流体的流速被根据被确定的价值如此保持合理恒定。 它 通常可能通过一个控制旋钮的手调或者通过一个辅助自动控制系统的呻吟在这样的一个系统里改变被确定的价值。 当命名法与制造过程控制相关时( 象在理学士里推荐的那样 1523第2部分: 1960 ) 有点不同于民众用于伺服机构的描述的那,系统的两种类型都基本上是封闭环; 因此使感兴趣比较死图的过程控制系统 用图显示的有一个简单的闭环系统的一般的方框图的13.8 13.5. 自动控制系统 定义和符号总是一个意见不合和在一个迅速移动的象控制工程那样的领域里的困难的来源。 尽可能这本书将粘英国标准学会的被推荐的象征，但是在哪里这些易于引起含糊的话， 或者他们不受欢迎被使用，例外将被做。 一个特别有用的定义象用收音机工程师(美国)的机构说明的那样一套反馈控制系统的那个 给反馈控制系统在专有名词上在他们的Standants内(行动I.R.E。 1956年1月) . 一套反馈控制系统是 一个控制系统包括一个或更多反馈控制环， 哪个结合控制信号与倾向于保持规定的关系船的司令部的功能一起的功能， 在命令和控制信号之间一个伺服机构是一个或多个系统信号代表机械运动的一套反馈控制系统。13.5 AUTONOMIC控制系统 有有固定的参数的一位控制人员的一个控制系统的性能永远在某种程度上依赖工厂或者系统(被控制)的参数。 现在已经修理参数在一个控制系统里生产最佳性能的一位控制人员的设计 将取决于植物参数和环境状况的准确的知识。 在系统，在那里植物参数的变化和环境状况是严厉的里， 控制人员不能被用这样的一种方式设计，以致始终生产被要求的性能。 autonomic或者适合自我或者优化自我的系统可以，不过，用来给最好的性能。 在这类设备里， 有几种种类， 控制人员的参数已经自动那调整系统根据功绩的一些内部构造的标准给最佳性能。 与普通的反馈控制系统相比较，这样的系统仅仅复杂，需要很多辅助设备。 棉布商和李设想了并且第一个控制的autonomic的想法被在1951年出版。 与autonomic控制系统有关的大量理论的工作现在存在，包括学科的很多方面的一本教科书现在已经被出版了。 由于他们的相当多的花费，autonomic控制系统只有，迄今，在传统的系统极度不令人满意的riel&里发现应用。 例如在飞机里旨在以高速飞， 控制表面的效力能从到高空低和从到高速低大大变化。 飞行员能适应 用一个自适应控制系统的可能的但是一次大大改进的表演已经被证明是的抵消这的在某程度上的在控制的他自己的行为。 控制系统是被喜欢的人操作的13.6原因 除艰苦雇用人做道德上是错误的的思想上问题外，破坏灵魂， 不需要判断的重复的工作， 并且远的帽商被机器做， 那里砍自动控制系统是被喜欢的人类接线员的许多非常正确的工程原因，其中有一些是： (1)人反应时间(1世纪3年代)的影响 防止手控用于高的反应速度被要求的地方(e。 g。 A。 A。 枪雷达下落哪个被要求请高速为目标) . (2)在长期期间的连续的行动有性能的随后的恶化引起厌烦和人类操作者的疲劳。 此外操作者的大的一束长发或者危险引起一迅速的用效率掉下。 (3)规范人类操作者的行为是不可能的，除非非常简单的任务被承担。 (4)使用手控是经常不经济的。 (5)因为权力和速度限制，对很多应用来说人类操作者进