机械设计制造及其自动化专英第二学期

UNIT15CONTROLSYSTEMFUNDAMENTALS1NUMERICALLYCONTROLLEDMACHINESOFTENWEIGHUPTO100TONSANDYETAREREQUIREDTOPOSITIONACUTTINGTOOLWITHANACCURACYOFTHEORDEROF0002MMTHECONTROLSYSTEMMUSTMOVETHETOOLATFEEDRATESASHIGHAS8CM/SECWHILEENCOUNTERINGLOADSWHICHMAYVARYDRAMATICALLYONAGIVENPATHTHENCMACHINEMUSTHAVEDYNAMICRESPONSECHARACTERISTICSTHATENABLEITTOFOLLOWINTRICATECONTOURSWITHAMINIMUMOFPATHERRORCLEARLY,THESEREQUIREMENTSDICTATEACONTROLSYSTEMTHATISMATCHEDTOTHEMECHANICALCHARACTERISTICSOFTHEMACHINEITDRIVES数控机械通常重达100吨，可是却要求安装一个精度高达0002MM数量级的切削刀具。在遇到预定路径下载荷变化较大的情况时，控制系统仍要以高达8厘米/秒的进给速度下移动刀具。数控机床必须具有动态响应特性，使它能够复制较复杂的轮廓线，并具有最小的路径误差。显然，这些条件要求控制系统必须与它所驱动的机器机械特征相匹配。2ACONTROLSYSTEMISACOMBINATIONOFDEVICESTHATREGULATEANOPERATIONBYADMINISTERINGTHEFLOWOFENERGYANDOTHERRESOURCESTOANDFROMTHATOPERATIONESSENTIALLY,ACONTROLSYSTEMISMADEUPOFINTERRELATEDSUBSYSTEMSTHATPERFORMTASKSWHICHINORTHODOXMACHININGPROCESSESAREMANAGEDBYANINTELLIGENTHUMANOPERATOR控制系统是一组设备的组合，他通过管理能量流和与该操作有关的其它资源来控制操作。从本质上说，控制系统由相互关联的子系统组成，并有它们执行传统上通常由只能人工操作员控制的机械加工过程。3THECONTROLSYSTEMSFORNCMACHINESTHEREFORESERVETOREPLACETHEHUMANMACHINEOPERATORANDSIGNIFICANTLYIMPROVEUPONEVENTHEBESTHUMANPERFORMANCEADIRECTANALOGYCANBEMADEBETWEENNUMERICALCONTROLSANDTHEHUMANOPERATORSTHEREPLACEBOTH因此，数控机床的控制系统用于代替人工机器操作员并可显著地改进即使最好的人工操作。可从以下几个方面对数字控制系统和它们代替的人工操作员直接进行类比SENSETHECURRENTSTATUSOFTHEMACHINEMAKELOGICALDECISIONSWHICHAREREQUIREDTOACCOMPLISHATASKCOMMUNICATEDECISIONSTOTHEMACHINEBYACTUATINGPROPERMECHANICALDEVICESHAVETHEABILITYTOSTOREINFORMATIONINSTRUCTIONS,DATA,ANDTHERESULTSOFLOGICALDECISIONS检测机器的现状；做出完成任务所需的逻辑决策；通过操纵机械设备向机器传送决策信息；具有储存指令、数据、与逻辑决策结果等各种信息的能力。4INSUMMARY,AMACHINECONTROLSYSTEMISACOMBINATIONOFELECTRONICCIRCUITRY,SENSINGDEVICES,ANDMECHANICALCOMPONENTSWHICHGUIDETHECUTTINGTOOLALONGAPREDEFINEDPATH总之，机械控制系统是电路系统、检测装置以及机器零件的结合体，并指导切削刀具沿着预定路径实现进给动作。5INTHESECTIONSTHATFOLLOW,THEREADERISINTRODUCEDTOTHETHEORYOFMACHINECONTROL以下的内容，将给读者介绍机械控制的原理。6WEHAVEATTRIBUTEDFOURMAJORCHARACTERISTICSTOANYCONTROLSYSTEMTHEABILITYTOSENSEDATAMAKELOGICALDECISIONSCOMMUNICATEANDACTUATEANDSTOREINFORMATIONINAMEMORYIFASYSTEMPERFORMSTHESEFUNCTIONSWITHOUTTHEAIDOFAHUMANOPERATOR,BYDEFINITIONITAUTOMATICALLYCONTROLSAGIVENTASKLETUSCONSIDERONESUCHSIMPLEOPERATION译文我们已经总结了所有控制系统具有的四个主要特征监测数据的能力；做出逻辑决策；通讯及操纵机械；及在内存中存储信息。如果系统在不借助人工帮助下执行这些操作，根据定义它是自动地控制给定任务。让我们考虑下面这个简单的操作。7SUPPOSETHATANELECTRICMOTORISUSEDTOAFREIGHTCONVEYORBETWEENTWOFLOORSOFABUILDINGTOOPERATESMOOTHLYTHECONVEYORMUSTMAINTAINACONSTANTSPEEDASADDITIONALLOADSAREADDEDFROMLOADINGSHOOTSWECANASSUMETHATTHESPEEDOFROTATIONOFANELECTRICMOTORISDIRECTLYPROPORTIONALTOTHEELECTRICCURRENTSUPPLIEDTOITHENCEASTHELOADINCREASESONTHECONVEYOR,THETORQUEREQUIREMENTOFTHEMOTORISINCREASEDANDADDITIONALPOWERMUSTBESUPPLIEDTOMAINTAINCONSTANTSPEEDTHISISUSUALLYACHIEVEDBYINCREASINGTHESUPPLYVOLTAGE译文假设电子马达被用于某建筑物两层楼的货物传送，为了顺利操作，当额外的载荷被加上时，传送带必须维持恒定的速度。我们可以假设，电动机马达的转速和直接所供给的电流成正比。因此，当传送带上的载荷增加时，马达的扭矩要求增加，因此为了维持恒定的速度必须提供附加的动力，这通常通过增加供给电压来实现。（8）IFAMOTORSPEEDINDICATORISWITHINSIGHTOFAHUMANOPERATOR,HECANCONTROLTHECONVEYORSPEEDBYINCREASINGORDECREASINGTHEVOLTAGESUPPLYMANUALLYSUCHASYSTEMISILLUSTRATEDSCHEMATICALLYINFIG151如果一个电机的速度指示器在人类操作者的视线范围内，他可以通过手动增加或减小电源电压来控制传送带速度。该系统如图151所示。（9）ASINDICATEDBYFIG151A,THEOPERATORFIRSTSENSESTHATTHESPEEDISBELOWTHEDESIREDVALUELOGICALLY,HEDETERMINESATANINCREASEINPOWERWILLINCREASEMOTORSPEEDHECOMMUNICATESADECISION,BYACTUATINGTHEPOWERSUPPLYCONTROLLEVER,TOINCREASEVOLTAGEUNTILTHEDESIREDSPEEDREADINGISOBTAINEDINFIG151BTHEDESIREDSPEEDISREADHENCE,THEOPERATORTAKESNOACTIONIFTHELOADISDECREASEDSOTHATASPEEDGREATERTHANTHEDESIREDVALUEISREGISTEREDINFIG151C,THEOPERATORWILLDECREASEVOLTAGE如图151A所示，操作员首先发现速度低于期望值。逻辑上来说，他决定提高功率来提高马达速度。他通过操纵动力供给控制杠杆来传递决策，并提高电压，直到获得所期望的读数。在图151B中所期望的速度显示出来，因此操作员不做任何操作。如果载荷降低。导致记录的速度高于期望值，如图151C操作员3降低电压。（10）THEPROCESSDESCRIBEDABOVEISILLUSTRATEDSCHEMATICALLYINFIG152THESYSTEMINDICATEDINTHEFIGUREISNOTAUTOMATICHOWEVER,IFTHEHUMANOPERATORBLOCKWEREREPLACEDWITHADEVICETHATPERFORMEDTHEFUNCTIONSSHOWN,ANAUTOMATICCONTROLSYSTEMWOULDBEREALIZED上述过程如示意图152所示。图中所示的系统并不会自动化的。然而。如果操作员模块用一个设备替换，并执行所显示的功能，自动控制系统将会实现。（11）AUTOMATICCONTROLSYSTEMSARESOMETIMESCALLEDSERVOMECHANISMSASERVOMECHANISMMAYBEACOMPLEXARRAYOFELECTROMECHANICALCOMPONENTSORITMAYBEASIMPLEMECHANICALDEVICEREGARDLESSOFTHECOMPLEXITYOFTHESERVOMECHANISM,ITALWAYSEXHIBITSTHEFEATURESILLUSTRATEDINFIG152自动控制系统有时被称作伺服机械。伺服机械或者是机电元件的复杂组合，或者就是一个简单的机械装置。不管伺服机械是否复杂，它总是具有如图152所示的那些特性。12CONSIDERASIMPLEMECHANICALDEVICETHATPERFORMSTHEAUTOMATICCONTROLFUNCTIONFOROURCONVEYORSYSTEMFIG,153SUCHADEVICE,CALLEDAWATTSPEEDGOVERNOR,CANAUTOMATICALLYCONTROLTHESPEEDOFANELECTRICMOTOR考虑执行我们的输送机系统的一个简单的机械设备FIG153。这样的设备，称为瓦特调速器，可以自动地控制一台电动机的速度13ASSHOWNINFIG153,THEWATTSPEEDGOVERNORCONSISTSOFTWOWEIGHTEDARMSCONNECTEDTOASHAFT,S2,ANDASLEEVETHEMOTORSHAFT,S1,ISCOUPLEDTOTHEGOVERNORSHAFT,S2,SOTHATTHEROTATIONALVELOCITYOFS2ISPROPORTIONALTOS1ASMOTORSPEEDINCREASES,CENTRIFUGALFORCEMOVESTHEWEIGHTS,W,OUTWARD,CAUSINGTHEWEIGHTEDARMSTOROTATETHROUGHSOMEANGLE,THEWEIGHTS,ANGLE,ANDSLEEVEPOSITIONARECHOSENSOTHATTHEPROPERSPEEDWILLCAUSETHEVOLTAGESUPPLYLEVERTOBEPOSITIONEDATANEUTRALPOSITIONVARIATIONSINSPEEDWILLCAUSETHEAPPROPRIATEMOVEMENTOFTHESLEEVEANDLEVER如FIG153所示，瓦特调速器由两个加权臂连接到轴，S2中和套筒。耦合到的电动机轴中，S1，S2的旋转速度，从而使调速器轴，S2的比例给S1。在马达速度增加时，离心力的权重，瓦特，向外移动，通过，导致加权臂旋转一定的角度，重量，角度，和套筒位置的选择，以便恰当的速度将会导致电压供应拉杆将定位在中立的位置。速度的变化将导致的套筒和杠杆适当运动UNIT16OPENLOOPANDCLOSEDLOOPCONTROLOPENLOOPCONTROLSYSTEMSNONFEEDBACKSYSTEMS开环控制系统（无反馈系统）THEWORDAUTOMATICIMPLIESTHATTHEREISACERTAINAMOUNTOFSOPHISTICATIONINTHECONTROLSYSTEMBYAUTOMATIC,ITGENERALLYMEANSTHATTHESYSTEMISUSUALLYCAPABLEOFADAPTINGTOAVARIETYOFOPERATINGCONDITIONSANDISABLETORESPONDTOACLASSOFINPUTSSATISFACTORILY自动化一词意味着在控制系统中有一定数量采用先进的技术，它通常意味着系统有普遍适应的能力，对于操作环境的变化能够响应一类令人满意的输入HOWEVER,NOTANYTYPEOFCONTROLSYSTEMHASTHEAUTOMATICFEATUREUSUALLY,THEAUTOMATICFEATUREISACHIEVEDBYFEEDINGTHEOUTPUTVARIABLEBACKANDCOMPARINGITWITHTHECOMMANDSIGNALWHENASYSTEMDOESNOTHAVETHEFEEDBACKSTRUCTURE,ITISCALLEDANOPENLOOPSYSTEM，WHICHISTHESIMPLESTANDMOSTECONOMICALTYPEOFCONTROLSYSTEM然而，不是任何一个控制系统都具有自动化特征。通常，控制特征是通过反馈输出变量和比较控制信号获得的。当一个系统没有反馈结构，这称为开环系统，开环系统是最简单而且最经济的控制系统类型。UNFORTUNATELY,OPENLOOPCONTROLSYSTEMSLACKACCURACYANDVERSATILITYANDCANBEUSEDINNONEBUTTHESIMPLESTTYPESOFAPPLICATIONS不幸的是，除了最简单的应用类型，开环控制系统，由于缺乏精确度和多功能不被应用。CONSIDER,FOREXAMPLE,CONTROLOFTHEFURNACEFORHOMEHEATINGLETUSASSUMETHATTHEFURNACEISEQUIPPEDONLYWITHATIMINGDEVICE,WHICHCONTROLSTHEONANDOFFPERIODSOFTHEFURNACETOREGULATETHETEMPERATURETOTHEPROPERLEVEL,THEHUMANOPERATORMUSTESTIMATETHEAMOUNTOFTIMEREQUIREDFORTHEFURNACETOSTAYONANDTHENSETTHETIMERACCORDINGLYWHENTHEPRESETTIMEISUP,THEFURNACEISTURNEDOFF考虑一下，例如，用于家庭取暖的火炉的控制。假设火炉仅配有时间装置，控制火炉周期内的开启和关闭。操作者必须估计火炉达到理想温度所需要的时间，然而设置计时器，当达到预先设计的时间时火炉关闭，HOWEVER,ITISQUITELIKELYTHATTHEHOUSETEMPERATUREISEITHERABOVEORBELOWTHEDESIREDVALUE，OWINGTOINACCURACYINTHEESTIMATEWITHOUTFURTHERDELIBERATION,ITISQUITEAPPARENTTHATTHISTYPEOFCONTROLISINACCURATEANDUNRELIABLE房间的温度也可能高于或者低于期望值，原因就是估计不精确不从长远考虑，很明显这样控制的类型是不精确不可靠的。ONEREASONFORTHEINACCURACYLIESINTHEFACTTHATONEMAYNOTKNOWTHEEXACTCHARACTERISTICSOFTHEFURNACETHEOTHERFACTORISTHATONEHASNOCONTROLOVERTHEOUTDOORTEMPERATURE,WHICHHASADEFINITEBEARINGONTHEINDOORTEMPERATURETHISALSOPOINTSTOANIMPORTANTDISADVANTAGEOFTHEPERFORMANCEOFANOPENLOOPCONTROLSYSTEM，INTHATTHESYSTEMISNOTCAPABLEOFADAPTINGTOVARIATIONSINENVIRONMENTALCONDITIONSORTOEXTERNALDISTURBANCES一个列出事实关于精确性的原因可能是不知道火炉准确的特征，另一个原因是不能控制外界的温度确切的对室内温度的影响，这也指出了开环系统特征的重要缺点，因此不能适应环境条件或者外部干扰的变量。INTHECASEOFTHEFURNACECONTROL,PERHAPSANEXPERIENCEDPERSONCANPROVIDECONTROLFORACERTAINDESIREDTEMPERATUREINTHEHOUSEBUTIFTHEDOORSORWINDOWSAREOPENEDORCLOSEDINTERMITTENTLYDURINGTHEOPERATINGPERIOD,THEFINALTEMPERATUREINSIDETHEHOUSEWILLNOTBEACCURATELYREGULATEDBYTHEOPENLOOPCONTROL关于火炉控制，一个经验丰富的人可能能够控制室内的温度，但是如果门窗都开着或者在火炉运行期间间歇地关闭，屋内最终的温度通过开环控制系统就不会被调整得很精确了。ANELECTRICWASHINGMACHINEISANOTHERTYPICALEXAMPLEOFANOPENLOOPSYSTEM,BECAUSETHEAMOUNTOFWASHTIMEISENTIRELYDETERMINEDBYTHEJUDGMENTANDESTIMATIONOFTHEHUMANOPERATORATRUEAUTOMATICELECTRICWASHINGMACHINESHOULDHAVETHEMEANSOFCHECKINGTHECLEANLINESSOFTHECLOTHESCONTINUOUSLYANDTURNITSELFOFFWHENTHEDESIREDDEGREEOFCLEANLINESSISREACHED洗衣机也是开环系统中一个典型的例子，因此洗衣的时间是通过操纵者来判断和估计的，一台真正的自动洗衣机应该具有连续检查衣服的清洁度的方法。当衣服达到一定的清洁度时自动关闭ALTHOUGHOPENLOOPCONTROLSYSTEMSAREOFLIMITEDUSE,THEYFORMTHEBASICELEMENTSOFTHECLOSEDLOOPCONTROLSYSTEMSINGENERAL9THEELEMENTSOFANOPENLOOPCONTROLSYSTEMAREREPRESENTEDBYTHEBLOCKDIAGRAMOFFIG161ANINPUTSIGNALORCOMMANDRISAPPLIEDTOTHECONTROLLER,WHOSEOUTPUTACTSASTHEACTUATINGSIGNALETHEACTUATINGSIGNALTHENACTUATESTHECONTROLLEDPROCESSANDHOPEFULLYWILLDRIVETHECONTROLLEDVARIABLECTOTHEDESIREDVALUE尽管开环控制系统使用受限，它是形成闭环控制系统的基本元件，通常一个开环系统的元件如图16所示，一个输入信号或者命令R应用到控制器上，它的输出作为激励信号E，然后激励信号激励控制过程希望通过驱动控制变量C得到预期值。WHATISMISSINGINTHEOPENLOOPCONTROLSYSTEMFORMOREACCURATEANDMOREADAPTABLECONTROLISALINKORFEEDBACKFROMTHEOUTPUTTOTHEINPUTOFTHESYSTEM在开环控制系统中为了获得更高的精确性和更高的适应性，所缺少的是一个环节或者从系统的输出到输入的反馈INORDERTOOBTAINMOREACCURATECONTROL，THECONTROLLEDSIGNALCTMUSTBEFEDBACKANDCOMPAREDWITHTHEREFERENCEINPUT,ANDANACTUATINGSIGNALPROPORTIONALTOTHEDIFFERENCEOFTHEOUTPUTANDTHEINPUTMUSTBESENTTHROUGHTHESYSTEMTOCORRECTTHEERROR为了获得更精确的控制，必须将被控制信号C（T反馈回去与参考输入量相比较，且须将与输出和输入之差成比例的促动信号送给系统以矫正偏差ASYSTEMWITHONEORMOREFEEDBACKPATHSLIKETHATJUSTDESCRIBEDISCALLEDACLOSEDLOOPSYSTEMHUMANBEINGSAREPROBABLYTHEMOSTCOMPLEXANDSOPHISTICATEDFEEDBACKCONTROLSYSTEMINEXISTENCE如刚才所说的一样，含有一个或者多个反馈路线的系统称为闭环系统，人类可能现有最复杂最精密的反馈系统AHUMANBEINGMAYBECONSIDEREDTOBEACONTROLSYSTEMWITHMANYINPUTSANDOUTPUTS,CAPABLEOFCARRYINGOUTHIGHLYCOMPLEXOPERATIONSTOILLUSTRATETHEHUMANBEINGASAFEEDBACKCONTROLSYSTEM,LETUSCONSIDERTHATTHEOBJECTIVEISTOREACHFORANOBJECTONADESKASONEISREACHINGFORTHEOBJECT,THEBRAINSENDSOUTASIGNALTOTHEARMTOPERFORMTHETASKTHEEYESSERVEASASENSINGDEVICEWHICHFEEDSBACKCONTINUOUSLYTHEPOSITIONOFTHEHANDTHEDISTANCEBETWEENTHEHANDANDTHEOBJECTISTHEERROR,WHICHISEVENTUALLYBROUGHTTOZEROASTHEHANDREACHESTHEOBJECTTHISISATYPICALEXAMPLEOFCLOSEDLOOPCONTROL人类可以被认为含有很多输入输出的控制系统，具有执行相当复杂的操作能力，让我们考虑一下，目标是够到桌子上的一个物体，当人正接近物体时，大脑发出信号手臂执行任务，眼睛作为窗安装置不停地反馈物体位置，手和物体之间的距离是误差，误差最终变为0时，手刚好够到物体，这就是一个典型闭环反馈的例子HOWEVER,IFONEISTOLDTOREACHFORTHEOBJECTANDTHENISBLINDFOLDED,ONECANONLYREACHTOWARDTHEOBJECTBYESTIMATINGITSEXACTPOSITIONITISQUITEPOSSIBLETHATTHEOBJECTMAYBEMISSEDBYAWIDEMARGINWITHTHEEYESBLINDFOLDED,THEFEEDBACKPATHISBROKEN,ANDTHEHUMANISOPERATINGASANOPENLOOPSYSTEMTHEEXAMPLEOFTHEREACHINGOFANOBJECTBYAHUMANBEINGISDESCRIBEDBYTHEBLOCKDIAGRAMSHOWNIN然而，如果一个人蒙着眼睛去够物体，他仅仅是通过估计去接近物体的真实位置，在很大程度上他可能丢失目标，由于眼睛被蒙上，反馈路线被破坏，人的操作就变成了开环系统，人够物体的例子可以描述成图162ASANOTHERILLUSTRATIVEEXAMPLEOFACLOSEDLOOPCONTROLSYSTEM,FIG163SHOWSTHEBLOCKDIAGRAMOFTHERUDDERCONTROLSYSTEMOFASHIPINTHISCASETHEOBJECTIVEOFCONTROLISTHEPOSITIONOFTHERUDDER,ANDTHEREFERENCEINPUTISAPPLIEDTHROUGHTHESTEERINGWHEELTHEERRORBETWEENTHERELATIVEPOSITIONSOFTHESTEERINGWHEELANDTHERUDDERISTHESIGNAL,WHICHACTUATESTHECONTROLLERANDTHEMOTORWHENTHERUDDERISFINALLYALIGNEDWITHTHEDESIREDREFERENCEDIRECTION,THEOUTPUTOFTHEERRORSENSORISZERO另一个闭环系统的例子，图163所示的船舵控制系统，在这个例子中控制的目标是船舵的位置，参考输入是舵轮，舵轮的相对位置和船舵之间的误差是一个信号。信号激励控制器和发动机，当船舵最终调整到期望的参考位置时，传感器的输出误差为0UNIT17FEEDBACKANDITSEFFECTSTHECONCEPTOFFEEDBACKPLAYSANIMPORTANTROLEINCONTROLSYSTEMSFEEDBACKISAMAJORREQUIREMENTOFACLOSEDLOOPCONTROLSYSTEMWITHOUTFEEDBACK,ACONTROLSYSTEMWOULDNOTBEABLETOACHIEVETHEACCURACYANDRELIABILITYTHATAREREQUIREDINMOSTPRACTICALAPPLICATIONS在控制系统中，反馈充当着一个重要的角色。闭环控制系统中一定存在反馈，如果没有反馈，一个控制系统就不能够获得在实际应用中所要求的精度和可靠性INREALITY,THEREASONSFORUSINGFEEDBACKCARRYFARMOREMEANINGTHANTHESIMPLEONEOFCOMPARINGTHEINPUTWITHTHEOUTPUTINORDERTOREDUCETHEERRORTHEREDUCTIONOFSYSTEMERRORISMERELYONEOFTHEMANYEFFECTSTHATFEEDBACKMAYBRINGUPONASYSTEM事实上，运用反馈有着很重要的意义，而不仅仅是为了减小误差比较输入与输出。系统误差的减小仅仅是引入反馈带来的影响之一WESHALLNOWSHOWTHATFEEDBACKALSOHASEFFECTSONSUCHSYSTEMPERFORMANCECHARACTERISTICSASSTABILITY,BANDWIDTHOVERALLGAIN,IMPEDANCE,ANDSENSITIVITY我们现在可以认识到反馈对于系统的性能特性也有很大的影响，例如稳定性、带宽、总增益、阻抗和灵敏度。TOUNDERSTANDTHEEFFECTSOFFEEDBACKONACONTROLSYSTEM,ITISESSENTIALTHATWEEXAMINETHISPHENOMENONWITHABROADMINDWHENFEEDBACKISDELIBERATELYINTRODUCEDFORTHEPURPOSEOFCONTROL,ITSEXISTENCEISEASILYIDENTIFIED为了了解反馈对于控制系统的影响，很明显我们需要以一个开阔的思维去思考它。当为了控制而故意地引入反馈，那么反馈的存在很明显HOWEVER,THEREARENUMEROUSSITUATIONSWHEREIN,APHYSICALSYSTEMTHATWENORMALLYRECOGNIZEASANINHERENTLYNONFEEDBACKSYSTEMMAYTURNOUTTOHAVEFEEDBACKWHENITISOBSERVEDINACERTAINMANNER但是，在物理系统中有很多的状况，一些我们认为没有反馈的系统，当我们换一种角度研究时，它是有反馈的。INGENERALWECANSTATETHATWHENEVERACLOSEDSEQUENCEOFCAUSEANDEFFECTRELATIONEXISTSAMONGTHEVARIABLESOFASYSTEM,FEEDBACKISSAIDTOEXISTTHISVIEWPOINTWILLINEVITABLYADMITFEEDBACKINALARGENUMBEROFSYSTEMSTHATORDINARILYWOULDBEIDENTIFIEDASNONFEEDBACKSYSTEMS通常，我们可以指出，只要系统的变量之间存在闭合序列的因果关系，就认为存在反馈。在很多被认为无反馈系统中，这个观点不可避免地承认了反馈。WESHALLNOWINVESTIGATETHEEFFECTSOFFEEDBACKONTHEVARIOUSASPECTSOFSYSTEMPERFORMANCEWITHOUTTHENECESSARYBACKGROUNDANDMATHEMATICALFOUNDATIONOFLINEARSYSTEMTHEORY,ATTHISPOINTWECANONLYRELYONSIMPLESTATICSYSTEMNOTATIONFOROURDISCUSSION我们将研究反馈对于系统性能的各个方面的影响。没有必要的背景和线性系统理论的教学基础，对于我们的讨论我们只能依靠简单的静止系统注释LETUSCONSIDERTHESIMPLEFEEDBACKSYSTEMCONFIGURATIONSHOWNINFIG171,WHERERISTHEINPUTSIGNAL,CTHEOUTPUTSIGNAL,ETHEERROR,AND6THEFEEDBACKSIGNALTHEPARAMETERSGANDHMAYBECONSIDEREDASCONSTANTGAINSBYSIMPLEALGEBRAICMANIPULATIONSITISSIMPLETOSHOWTHATTHEINPUTOUTPUTRELATIONOFTHESYSTEMISUSINGTHISBASICRELATIONSHIPOFTHEFEEDBACKSYSTEMSTRUCTURE,WECANUNCOVERSOMEOFTHESIGNIFICANTEFFECTSOFFEEDBACK让我们考虑一下图161简单的反馈系统外形，R代表输入信号，C代表输出信号，E是误差，B是反馈信号。参数G和H被认为是常量增益，通过简单的代数运算，我们可以知道系统输入与输出之间的关系是MC/R，利用反馈系统结构的基本关系我们能够发现反馈的一些影响因素。SENSITIVITYCONSIDERATIONSOFTENPLAYIMPORTANTROLEINTHEDESIGN,OFCONTROLSYSTEMSSINCEALLPHYSICALELEMENTHAVEPROPERTIESTHATCHANGEWITHENVIRONMENTANDAGE,WECANNOTALWAYSCONSIDERTHEPARAMETERSOFACONTROLSYSTEMTOBECOMPLETELYSTATIONARYOVERTHEENTIREOPERATINGLIFEOFTHESYSTEMFORINSTANCE，THEWINDINGRESISTANCEOFANELECTRICMOTORCHANGESASTHETEMPERATUREOFTHEMOTORRISESDURINGOPERATIONINGENERAL,AGOODCONTROLSYSMSHOULDBEVERYINSENSITIVETOTHESEPARAMETERVARIATIONSWHILESTILLABLETOFOLLOWTHECOMMANDRESPONSIVELY灵敏度因素在控制系统设置中起着重要的作用。由于所有的物理元素都有着随着环境与时间的改变而改变的特性，我们不能总认为一个系统在整个使用过程中，它的参数是完全不变的。例如，电机的线阻绕阻随着电机运行时温度的升高而改变，通常，一个良好的控制系统应该对这些参数的变化很不敏感，而仍能灵敏地跟踪指令INGENERAL,THESENSITIVITYOFTHESYSTEMGAINOFAFEEDBACKSYSTEMTOPARAMETERVARIATIONSTDEPENDSONWHERETHEPARAMETERISLOCATEDTHEREADERMAYDERIVETHESENSITIVITYOFTHESYSTEMINFIG171DUETOTHEVARIATIONOFH通常，反馈系统的增益对参数变化的灵敏度取决于参数所在位置EFFECTOFFEEDBACKONEXTERNALDISTURBANCEORNOISEALLPHYSICALCONTROLSYSTEMSARESUBJECTTOSOMETYPESOFEXTRANEOUSSIGNALSORNOISEDURINGOPERATIONEXAMPLESOFTHESESIGNALSARETHERMALNOISEVOLTAGEINELECTRONICAMPLIFIERS2NDBRUSHORCOMMUTATORNOISEINELECTRICMOTORS在运行过程中，所有的物理控制系统都会受到某些类型的外来信号或噪音的影响。比如，在电子扩音器中产生的热噪声电压信号和电动机中产生的电刷或换升器噪声信号THEEFFECTOFFEEDBACKONNOISEDEPENDSGREATLYONWHERETHENOISEISINTRODUCEDINTOTHESYSTEM；NOGENERALCONCLUSIONSCANBEMADEHOWEVER,INMANYSITUATIONS，FEEDBACKCANREDUCETHEEFFECTOFNOISEONSYSTEMPERFORMANCE反馈对噪声的作用主要是看噪声是在什么地方加入了系统中，一般设有通用的结论。但是，在许多情况下，反馈可以减少噪声对系统性能的影响INGENERAL,FEEDBACKALSOHASEFFECTSONSUCHPERFORMANCECHARACTERISTICSASBANDWIDTH,IMPEDANCE,TRANSIENTRESPONSE，ANDFREQUENCYRESPONSE通常情况下，反馈也对诸如带宽、阻抗、瞬态响应、频率响应等运行特性有影响。UNIT18THEMOSTRECENTCLASSOFCONTROLTECHNIQUESTOBEUSEDARECOLLECTIVELYREFERREDTOASADAPTIVECONTROLALTHOUGHTHEBASICALGORITHMSHAVEBEENKNOWNFORDECADES,THEYHAVENOTBEENAPPLIEDINMANYAPPLICATIONSBECAUSETHEYARECALCULATIONINTENSIVE大多数最近控制技术的分类通常是共同归类于自适应控制，尽管十几年前就已经知道算法他们还是没有被应用于许多场合，因为他们都是计算内在的HOWEVER,THELIDVENTOFSPECIALPURPOSEDIGITALSIGNALPROCESSORDSPCHIPSHASBROUGHTRENEWEDINTERESTINADAPTIVECONTROLTECHNIQUESTHEREASONISTHATDSPCHIPSCONTAINHARDWARETHATCANIMPLEMENTADAPTIVEALGORITHMSDIRECTLY,THUSSPEEDINGUPCALCULATIONS然而特殊目的数字信号处理器芯片的优点在自适应控制技术中引起了新的关注，由于DSP芯片包含具有直接贯彻执行自适应算法的硬件，因此计算速度提高了。THEMAINPURPOSEOFADAPTIVECONTROLISTOHANDLESITUATIONSWHERELOADSINERTIAS,ANDOTHERFORCESACTINGONTHESYSTEMCHANGEDRASTICALLY自适应控制的主要目的是为了处理像载荷、惯性和其他力的状况，使得系统剧烈变化ACLASSICEXAMPLEOFASYSTEMWITHCHANGINGPARAMETERSISAGUIDEDMISSILEMISSILEMASSDROPSASFUELBURNS,ANDITENCOUNTERSDIFFERINGFRICTIONATDIFFERENTALTITUDES一个典型的变参数系统的例子是巡航导弹，导弹的重量会随着燃料的减少而减少，而且他在不同的高度遭受着不同的摩擦。SOMESYSTEMCHANGESCANBEUNPREDICTABLE,ANDORDINARYCLOSEDLOOPSYSTEMSMAYNOTRESPONDPROPERLYWHENTHESYSTEMTRANSFERFUNCTIONVARIESSOMETIMES,THESEEFFECTSCANBEHANDLEDBYCONVENTIONALLINEARCONTROLTECHNIQUESSUCHASGAINSCHEDULINGFEEDFORWARDCONTROL一些系统的变化是不可预知的，而且一般的闭环系统在系统的传递函数变化时可能不会正确的相应。有时候这些影响可以通过常见的像增益调节、线性控制技术去处理CONSERVATIVEDESIGNPRACTICESMAYALSOENABLESOMESYSTEMSTOREMAINSTABLEEVENWHENSUBJECTEDTOPARAMETERCHANGESORUNANTICIPATEDDISTURBANCES守旧的设计实践也许也能够使一些系统在受到参数变化或者意外的干扰依然保持稳定THEPRICEPAIDFORSUCHSTABILITYISSUBOPTIMALPERFORMANCE,HOWEVERRESPONSETOCHANGESMAYBESLUGGISHERRORSMAYFAILTOSTAYWITHINSATISFACTORYLIMITS,ORDESIGNSMUSSCOMPENSATEFORLOOSEERRORTOLERANCESINOTHERWAYS这些稳定性的价值是次优特性。然而，变化的响应可能成为惰性的，误差就不能保持在满意的范围之内，或者设计通过其他方法补偿无限制的错误公差ADAPTIVECONTROLCANHELPDELIVERBOTHSTABILITYANDGOODRESPONSETHEAPPROACHCHANGESTHECONTROLALGORITHMCOEFFICIENTSINREALTIMETOCOMPENSATETORVARIATIONSINTHEENVIRONMENTORINTHESYSTEMITSELFINGENERALTHECONTROLLERPERIODICALLYMONITORSTHESYSTEMTRANSFERFUNCTIONANDTHENMODIFIESTHECONTROLALGORITHM自适应控制可以很好地实现稳定性和良好的响应。自适应控制系统可以通过改变自身的参数来适应环境的变化或者自身系统的变化。通常，控制器周期的监控系统的传递函数，然后修改控制算法，ITDOESSOBYSIMULTANEOUSLYLAMINGABOUTTHEPROCESSWHILECONTROLLINGITSBEHAVIORTHEGOALISTOMAKETHECONTROLLERROBUSTTOAPOINTWHERETHEPERFORMANCEOFTHECOMPLETESYSTEMISASINSENSITIVEASPOSSIBLEMODELINGERRORSANDTOCHANGESINTHEENVIRONMENT它是通过同时了解控制自己行为的过程来完成的，目的是加强控制器的适应性，尽可能使整个系统的性能对建模误差和环境变化不敏感。EVENORDINARYFEEDBACKCONTROLSYSTEMSAREADAPTIVEINALIMITEDSENSE,INTHATTHEYCANCOMPENSATEFORCHANGESATTHEIRINPUTTHATAREWITHINTHESYSTEMBANDWIDTHBUTTHESECHANGESARECOMPARATIVELYSMALLSUCHSYSTEMSCANBECOMEUNSTABLEFORLARGEINPUTSWINGS,ORMAYSIMPLYBEUNABLETOCOMPENSATEFORSUFFICIENTLYLARGEINPUTRANGES实际上普通的反馈控制系统在一定范围内具有自适应的，所以它们能够补偿在系统带宽范围内输入的变化。但是这些变化是非常小的。这样的系统在输入摆幅很大时就会变得不稳定或者可能在更大输入摆幅时不能进行补偿。THEREARETWOMAINAPPROACHESTOADAPTIVEFEEDBACKCONTROLDESIGNMODELADAPTIVECONTROLMRACANDSELFTUNINGREGULATORSSTRSINMRACAREFERENCEMODELDESCRIBESSYSTEMPERFORMANCE有两个主要的方法去设计自适应反馈系统模型参考自适应控制和自矫正调节器。在模型参考自适应控制中,参考模型描述系统特性THEADAPTIVECONTROLLERISTHENDESIGNEDTOFORCETHESYSTEMORPLANTTOBEHAVELIKETHEREFERENCEMODELMODELOUTPUTISCOMPAREDTOTHEACTUALOUTPUTANDTHEDIFFERENCEISUSEDTOADJUSTFEEDBACKCONTROLLERPARAMETERS自适应控制器被设计促进系统或者设备模仿参考模型，模型的输出与实际的输出相比较，通过他们的不同来调整反馈控制器参数。MOSTWORKONMHACHASFOCUSEDONTHEDESIGNOFTHEADAPTATIONMECHANISMTHISMECHANISMMOSTNOTETHEOUTPUTERRORANDDETERMINEHOWTOADJUSTTHECONTROLLERCOEFFICIENTSITMASTALSOREMAINSTABLEUNDERALLCONDIT