专业英语课文翻译

UNIT 1 A 电路

电路或电网络由以某种方式连接的电阻器、电感器和电容器等元件组成。如果网络不包含能源，如电池或发电机，那么就被称作无源网络。换句话说，如果存在一个或多个能源，那么组合的结果为有源网络。在研究电网络的特性时，我们感兴趣的是确定电路中的电压和电流。因为网络由无源电路元件组成，所以必须首先定义这些元件的电特性.

就电阻来说，电压-电流的关系由欧姆定律给出，欧姆定律指出：电阻两端的电压等于电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上表达为: (1-1A-1)式中u=电压，伏特；i =电流，安培；R = 电阻，欧姆。

纯电感电压由法拉第定律定义，法拉第定律指出：电感两端的电压正比于流过电感的电流随时间的变化率。因此可得到：式中di/dt = 电流变化率，安培/秒；L = 感应系数，享利。

电容两端建立的电压正比于电容两极板上积累的电荷q 。因为电荷的积累可表示为电荷增量dq的和或积分，因此得到的等式为，式中电容量C是与电压和电荷相关的比例常数。由定义可知，电流等于电荷随时间的变化率，可表示为i = dq/dt。因此电荷增量dq 等于电流乘以相应的时间增量，或dq = i dt，那么等式(1-1A-3) 可写为式中C = 电容量，法拉。

归纳式(1-1A-1)、(1-1A-2) 和(1-1A-4)描述的三种无源电路元件如图1-1A-1所示。注意，图中电流的参考方向为惯用的参考方向，因此流过每一个元件的电流与电压降的方向一致。有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。

有源电气元件存在两种基本形式：电压源和电流源。其理想状态为：电压源两端的电压恒定，与从电压源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基本恒定，所以上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面，电流源产生电流，电流的大小与电源连接的负载无关。虽然电流源在实际中不常见，但其概念的确在表示借助于等值电路的放大器件，比如晶体管中具有广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1-1A-2所示。

分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析法。应用于此方法的基本定律是基尔霍夫第一定律，基尔霍夫第一定律指出：一个闭合回路中的电压代数和为0，换句话说，任一闭合回路中的电压升等于电压降。网孔分析指的是：假设有一个电流——即所谓的回路电流——流过电路中的每一个回路，求每一个回路电压降的代数和，并令其为零。

考虑图1-1A-3a 所示的电路，其由串联到电压源上的电感和电阻组成，假设回路电流i ，那么回路总的电压降为因为在假定的电流方向上，输入电压代表电压升的方向，所以输电压在（1-1A-5）式中为负。因为电流方向是电压下降的方向，所以每一个无源元件的压降为正。利用电阻和电感压降公式，可得等式(1-1A-6)是电路电流的微分方程式。或许在电路中，人们感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流。正如图1-1A-1指出的用积分代替式(1-1A-6)中的i，可得1-1A-7

UNIT 3 A 逻辑变量与触发器

逻辑变量

我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量，而象或和与这样的操作被称为逻辑

操作。现在我们将简要地讨论一下这些术语之间的关联，并在此过程中，阐明用标示“真”和“假”来识别一个变量的可能值的特殊用途。

举例说明，假设你和两个飞行员在一架空中航行的飞机中，你在客舱中，而飞行员A 和B在驾驶员座舱中。在某一时刻，A来到了你所在的客舱中，你并不担心这种变化。然而，假设当你和A在客舱时，你抬头发现B 也已经来到了你所在的客舱中。基于你的逻辑推理能力，你将会推断飞机无人驾驶；并且，大概你已听到了警报，以致使驾驶员之一将迅速对此紧急情况作出响应。

换句话说，假设每一位飞行员座位下面有一个电子装置，当座位上有人时，其输出电压为V1，当座位上无人时，其输出电压为V2。现在我们用“真”来代表电压V2，从而使电压V1表示“假”。让我们进一步制作一个带有两个输入端和一个输出端的电路，此电路的特性是：只要两个输入，即一个输入同时和另一个输入相与，结果为V2时，输出电压才是V2。否则，输出是V1。最后，让我们把输入和飞行员A 和B 座位下的装置联结起来，并安装一个与输出Z相连的警铃，当输出是V2 (“真”)时响应，否则不响应。这样，我们已创建了一个执行与操作的电路，这个电路能完成当两个驾驶员确实都离开驾驶舱时飞机是无人驾驶的逻辑推断。

概括一下，情形如下：符号A、B和Z 代表命题A =飞行员A已离开座位为真（T）B = 飞行员B已离开座位为真（T）Z = 飞机无人驾驶，处于危险状况时为真（T）当然，、和分别代表相反的命题。例如，代表的命题是当飞行员离开驾驶舱等时为假（F），以此类推。命题间的关系可写为Z=AB (1-3A-1)我们已经选择用电压来表示逻辑变量A、B和Z 。但是必须注意，实际上式(1-3A-1) 是命题间的关系，与我们选择的表示命题的确切方式无关，甚至可以说与我们具有的任何物理表示形式无关。式(1-3A-1) 指出，如果命题A和B都为真，那么命题Z就为真，否则命题Z为假。

式(1-3A-1)是一个例子，这种命题代数被称为布尔代数。和其它处理有数字意义的变量一样，布尔代数处理的是命题，而且布尔代数对于分析仅有两个互反变量的命题之间的关系是一种有效的工具。

SR 触发器

图1-3A-1给出的一对交叉连接的或非门电路被称为触发器。其有一对输入端S 和R ，分别代表“置位”和“复位”。我们不仅用符号S 和R 标明端点，而且指定端点的逻辑电平。因此，通常S=1指的是对应于逻辑电平为1的电压出现在S 端。相似的，输出端和相应的输出逻辑电平为Q和。使用这样的符号时，我们已经明确了一个事实，即在我们下面将看到的符号操作中，输出的逻辑电平是互补的。

触发器基本的、最重要的特性是其具有“记忆”功能。也就是说，设置S 和R目前的逻辑电平为0和0，根据输出的状态，即可确定S 和R在其获得当前电平之前的逻辑电平。

术语

为方便衔接下面的讨论内容，介绍一些常见的术语，这有助于了解逻辑系统设计师中惯用的观点。

在与非和或非门（以及与和或门）中，当用其来达到我们的设计意图时，我们能够任意选择一个输入端，并把其看成是使能-失效输入，因此可考虑或非或或门。如果被选的一个输入为逻辑1，那么门电路的输出与所有的其它输入无关。这个被选的输入可控制门电路，其它所有输入相对于这个门电路是失效的 (术语

“抑制”的同义词为“失效”)。相反，如果被选输入为逻辑0，那么它不能控制门电路，门电路能够响应其它输入。在与非或与门中，当被选输入为逻辑0时，此输入控制并截止门电路，因为一个输入为逻辑0，那么门电路的输出不能响应其它输入。注意一方面是或非门和或门间的区别，另一方面是与非门和与门间的区别。在第一种情况下，当控制输入转为逻辑1时，其可获得门电路的控制；在第二种情况下，当控制输入转为逻辑0时，其可获得门电路的控制。

在数字系统中，普遍的观点是把逻辑0看成一个基本的、无干扰的、稳定的、静止的状态，把逻辑1看成激励的、活跃的、有效的状态，就是说，这种状态是发生在某种操作动作之后。因此，当作用已产生时，其倾向将是定义最后的状态作为对某逻辑变量已转为1的响应。当“无操作发生”时，逻辑变量为逻辑0。类似地，如果作用将通过逻辑变量的变化产生，那么最好是以这样的方式定义有关的逻辑变量，即当逻辑变量转为逻辑1时达到此效果。在我们对触发器的讨论中，将看到持有此种观点的例子

P2U1A The W orld of Control第二部分第一单元课文A 控制的世界

A控制的世界 1.课文内容简介 这是一篇关于专业课《自动控制原理》、《现代控制理论》的综述性文章。主要介绍控制的基本概念、起源、功能、控制系统的分类和术语、控制系统工程设计问题等内容。 4. 难句翻译[1] The reaction time of a human pilot is too slow to enable him or her to fly an aircraft with a lightly damped Dutch roll mode without a yaw damper system. 飞行员的反应速度太慢 如果不附加阻尼偏航系统 飞行员就无法通过轻微阻尼的侧倾转向方式来驾驶飞机。[2] Since the output is fed back in a functional form determined by the nature of the feedback elements and then subtracted from the input… 因为输出会以由反馈部件特性决定的函数形式反馈回来 然后从输入中减去……

5. 参考译文 A 控制的世界

简介

控制一词的含义一般是调节、指导或者命令。控制系统大量存在于我们周围。在最抽象的意义上说 每个物理对象都是一个控制系统。

控制系统被人们用来扩展自己的能力 补偿生理上的限制 或把自己从常规、单调的工作中解脱出来 或者用来节省开支。例如在现代航空器中 功率助推装置可以把飞行员的力量放大 从而克服巨大的空气阻力推动飞行控制翼面。飞行员的反应速度太慢 如果不附加阻尼偏航系统 飞行员就无法通过轻微阻尼的侧倾转向方式来驾驶飞机。自动飞行控制系统把飞行员从保持正确航向、高度和姿态的连续操作任务中解脱出来。没有了这些常规操作 飞行员可以执行其他的任务 如领航或通讯 这样就减少了所需的机组人员 降低了飞行费用。

在很多情况下 控制系统的设计是基于某种理论 而不是靠直觉或试凑法。控制系统能够用来处理系统对命令、调节或扰动的动态响应。控制理论的应用基本上有两个方面 动态响应分析和控制系统设计。系统分析关注的是命令、扰动和系统参数的变化对被控对象响应的决定作用。如某动态响应是满足需要的 就不需要第二步了。如果系统不能满足要求 而且不能改变被控对象 就需要进行系统设计 来选择使动态性能达到要求的控制元件。

控制理论本身分成两个部分 经典和现代。经典控制理论始于二次大战以传递函数的概念为特征 分析和设计主要在拉普拉斯域和频域内进行。现代控制理论是随着高速数字计算机的出现而发展起来的。它以状态变量的概念为特征 重点在于矩阵代数 分析和设计主要在时域。每种方法都有其优点和缺点 也各有其倡导者和反对者。

与现代控制理论相比 经典方法具有指导性的优点 它把重点很少放在数学技术上 而把更多重点放在物理理解上。而且在许多设计情况中 经典方法既简单也完全足够用。在那些更复杂的情况中 经典方法虽不能满足 但它的解可以对应用现代方法起辅助作用 而且可以对设计进行更完整和准确的检查。由于这些原因 后续的章节将详细地介绍经典控制理论。

控制系统的分类和术语

控制系统可根据系统本身或其参量进行分类:

开环和闭环系统 如图2-1A-1 开环控制系统是控制行为与输出无关的系统。而闭环系统 其被控对象的输入在某种程度上依赖于实际的输出。因为输出以由反馈元件决定的一种函数形式反馈回来 然后被输入减去。闭环系统通常是指负反馈系统或简称为反馈系统。

连续和离散系统 所有变量都是时间的连续函数的系统称做连续变量或模拟系统 描述的方程是微分方程。离散变量或数字系统有一个或多个只是在特殊时刻可知的变量 如图2-1A-2b 描述方程是差分方程。如果时间间隔是可控的 系统被称做数据采样系统。离散变量随机地产生 例如 为只能接受离散数据的数字计算机提供一个输入。显然 当采样间隔减小时 离散变量就接近一个连续变量。不连续的变量 如图2-1A-2c所示 出现在开关或乓-乓控制系统中。这将分别在后续的章节中讨论。

线性和非线性系统 如果系统所有元件都是线性的 系统就是线性的。如果任何一个是非线传递函数和拉普拉斯变换 2 性的 系统就是非线性的。

时变和时不变系统 一个时不变系统或静态系统 其参数不随时间变化。当提供一个输入时 时不变系统的输出不依赖于时间。描述系统的微分方程的系数为常数。如果有一个或多个参数随时间变化 则系统是时变或非静态系统提供输入的时间必须已知 微分方程的系数是随时间而变化的。

集中参数和分散参数系统 集中参数系统是其物理性质被假设集中在一块或多块 从而与任何空间分布无关的系统。在作用上 物体被假设为刚性的 被作为质点处理 弹簧是没有质量的 电线是没有电阻的 或者对系统质量或电阻进行适当的补偿 温度在各部分是一致的 等等。在分布参数系统中 要考虑到物理特性的连续空间分布。物体是有弹性的 弹簧是有分布质量的 电线具有分布电阻 温度在物体各处是不同的。集中参数系统由常微分方程描述 而分布参数系统由偏微分方程描述。

确定系统和随机系统 一个系统或变量 如果其未来的性能在合理的限度内是可预测和重复的 则这个系统或变量就是确定的。否则 系统或变量就是随机的。对随机系统或有随机输入的确定系统的分析是基于概率论基础上的。

单变量和多变量系统 单变量系统被定义为对于一个参考或命令输入只有一个输出的系统 经常被称为单输入单输出 SISO 系统。多变量 MIMO 系统含有任意多个输入和输出。

控制系统工程设计问题

控制系统工程由控制结构的分析和实际组成。分析是对所存在的系统性能的研究 设计问题是对系统部件的一种选择和安排从而实现特定的任务。控制系统的设计并不是一个精确或严格确定的过程 而是一系列相关事情的序列 典型的顺序是 1)被控对象的建模 2 系统模型的线性化 3 系统的动态分析 4 系统的非线性仿真 5 控制思想和方法的建立 6 性能指标的选择 7 控制器的设计 8 整个系统的动态分析 9 整个系统的非线性仿真 10 所用硬件的选择 11 开发系统的建立和测试 12 产品模型的设计 13 产品模型的测试。这个顺序不是固定的 全包括的或必要次序的。这里给出为后续单元提出和讨论的技术做一个合理的阐述。传递

函数和拉普拉斯变换 B 传递函数和拉普拉斯变换 1. 课文内容简介 主要介绍专业课《自动控制原理》中传递函数的概念、拉普拉斯变换的定义、拉普拉斯变换后的运算规则和系统建模方法 内容虽然简洁 但可建立许多非常重要的概念。 4. 难句翻译 [1] The designer quickly becomes adept in relating changes in the Laplace domain to behavior in the time domain without actually having to solve the system equations. 设计人员很快就会熟练地把拉普拉斯域的变化与时域状态联系起来 而不需真地解系统方程 时域 。 5. 参考译文

B 传递函数和拉普拉斯变换

传递函数的概念

如果像式2-1B-1表示的线性系统的输入输出关系已知 则系统的特性也可以知道。在拉普拉斯域表示的输入输出关系被称做传递函数。由定义 元件或系统的传递函数是经拉氏变换的输出与输入的比值 此传递函数的定义要求系统是线性的和非时变的 具有连续变量和零起始条件。传递函数最适用于系统是集中参数和当传输延迟不存在或可忽略的情况。在这种条件下 传递函数本身可表示为拉普拉斯复数变量s的两个多项式的比值

对于物理系统 由于系统特性是积分而不是微分 所以N(s)的阶次比D(s)要低。后面我们将看到用于频域的频率传递函数 它是通过把传递函数中拉普拉斯变量s用j t代换得到的。

在式2-1B-2中 传递函数分母D(s)由于包含系统中所有的物理特征值而被称做特征方程。令D(s)等于0即得到特征方程。特征方程的解决定系统的稳定性和对任一输入下的暂态响应的一般特性。多项式N(s)是表示输入如何进入系统的函数。因而N(s)并不影响绝对稳定性或者暂态模式的数目和特性。在特定的输入下 它决定每一暂态模式的大小和符号 从而确定暂态响应的图形和输出的稳态值。对于一个闭环系统 其传递函数为 式中W(s)为闭环传递函数 G(s)H(s)称为开环传递函数 1+G(s)H(s)是特征函数。

传递函数可以通过多种方法求得。一种方法是纯数学的 先对描述元件或系统的微分方程取拉普拉斯变换 然后求解得出传递函数。当存在非零起始条件时将之看作外加输入对待。第二种方法是试验法。通过给系统加上已知的输入 测出输出值 通过整理数据和曲线得出传递函数。某子系统或整个系统的传递函数经常通过对已知的单个元件传递函数的正确合并而得到。这种合并或化简称做方块图代数。

拉普拉斯变换

拉氏变换源于工程数学领域 广泛用于线性系统的分析和设计。常系数的常微分方程转变为代数方程可通过传递函数的概念实现。此外 拉氏域更适合于工作 传递函数容易处理、修改和分析。设计人员很快就会熟练地把拉普拉斯域的变化与时域状态联系起来而不需真地解系统方程 时域 。当需要时域解时拉氏变换法可直接使用。解是全解 包括通解和特解 初始条件被自动包含在内。最后 可以很容易从拉氏域转到频域中去。

变换拉氏是从傅立叶积分演变而来 它定义为 这里F(s)是f(t)的拉氏变换。相反 f(t)是F(s)反变换 它们之间的关系可由下式表达 符号s表明拉氏变量是一个复数变量( +j )。因此 s有时表示复频 拉氏域称做复频域。由于式 2-1B-4 的积分是不定积分 因此不是所有函数都可以进行拉氏变换。幸运的是 系统设计者感兴趣的函数通常都可以。拉氏变换的使用条件、理论证明和其他用途可见于工程数学的标准著作中。式 2-1B-4 的定义可用来找到我们最常见和用到的函数

的拉氏变换。为了方便 我们过去常建一个变换对的表 用于简化拉氏域变换和反变换。这里有几条拉氏变换的定理和性质 它们既必需也很有帮助。

1.线性和叠加 式中c和ci都是常数。

2. 微分和积分定理 对时间导数的拉氏变换可写为式中f(0) df(0) 等是初始条件。如果初始条件为零 正如控制系统分析和设计的一般情况 最后的方程可缩减为 积分的拉氏变换是初始条件为零 它也可缩减为F(s)/s。

3. 初值和终值定理 初值定理表述为在进行拉氏反变换时有用处。终值定理表述为这里fss是f(t)的稳态值。

4. 平移定理 第一个平移定理表明或式(2-1B-6)表示在拉氏域内移动a个单位 变换后在时域内得到e-a倍。第二个平移定理表明这个定理在对延迟的输入和信号如传输滞后和由分析函数表示的连续输入很有用。

建模分析技术需要数学模型。对于具有有限数目微分方程和用方块图代数表示的时不变线性系统的分析和设计 传递函数是一种方便的模型形式。从描述一个特定对象、过程或元件的微分或积分-微分方程 运用拉氏方程及其性质可以得到传递函数。

我们可以通过一个简单的例子说明 图中输出电压uc由输入电压u激励。根据基尔霍夫定律 二者关系可写为下式运用定理 零初始条件的变换方程如下求解变换输出与输入的比 即得到系统的传递函数

P2U5A Introduction to Modern Control Theory

A 现代控制理论

简介 A 现代控制理论简介 1. 课文内容简介 主要介绍《现代控制理论》中现代控制理论产生的背景与原因 与传统控制理论之间的差别及其优点 状态的概念等内容。 2. 温习《现代控制理论》中绪论的内容。 4. 难句翻译[1] The transition from simple approximate models, which are easy to work with, to more realistic models produces two effects. 从易于处理的简单近似模型到实际一些的模型的转换存在两方面问题。

[2] It provides an ideal formulation for computer implementation and is responsible for much of the progress in optimization theory. 它 现代控制理论 为计算机实现提供了理想的公式化方法 并对最优化理论的发展起了重要作用。 [3] As far as the state at t1 is concerned, it makes no difference how the initial state was attained. 就t1时刻的状态而言 它与初始状态是怎样实现的无关。 as far as…be concerned 就……而言 make no difference 无论……都没有区别 没关系 [4] Thus the state at t0 constitutes a complete history of the system behavior prior to t0, insofar as that history affects future behavior. 因此 t0时刻的状态构成了t0以前系统活动状态的历史 这个历史状态在一定范围内影响 系统 未来的行为。

5. 参考译文 A 现代控制理论简介

引言

经典控制理论以输入输出关系主要是传递函数为基础。当遇到微分方程时 它们必须是线性的、包含 服从 所有约束条件 才能建立有用的输入输出关系。然而 现代控制理论是基于微分方程本身的直接使用。尽管经典控制理论的技术是强有力的 而且相对简单 但它的确存在一些局限和缺点 这些缺点会随着被控对象和控制系统的复杂化而加剧

这正是现代控制理论出现的原因。

几种因素为现代控制理论的发展提供了动力 1.处理更为实际的系统模型的需要。2.侧重点移向最优控制和最优系统设计。3.计算机技术的持续发展。4.先前方法的缺陷。5.对其他知识领域已知方法的应用能力的认识。

从易于处理的简单近似模型到实际一些的模型的转换产生了两种作用 存在着两个方面的问题 。第一 大量的变量必须包含在模型中。第二 更实际的模型更容易包含非线性和时变参数。以前系统被忽视的方面 如与周围环境的相互作用和通过环境的反馈往往被包含进来。

技术社会的发展正朝向更加雄必勃勃的目标前进。这也意味着要处理有着大量相互作用部件的复杂系统。对更高精度和效率的要求已经改变了控制系统性能的重点。以超调量、调节时间、带宽等词来描述的经典的技术要求 在很多情况中已让位于最优判据如最小能量、最小代价、最小时间。最优化这些判据难以避开所不希望的非线性。最优控制理论常常要求使用非线性、时变的控制规律 即使基本系统是线性和时不变的。

计算机技术的不断发展在控制领域产生了重要的影响 数字计算机快速的处理能力和巨大的存储容量 使得求解带有复杂高阶微分方程的实际问题成为可能。经典控制理论主要是 由...支配 图形方式 因为在那个时代这是解决特定问题的唯一方法。现在每一位控制设计者都可以轻松地使用功能强大的计算机 软件 包进行系统分析和设计。尽管计算机可以用于实现经典的变换 反变换方法 但用它来直接求解 计算 微分方程的数值解往往效率高。随着超大规模集成电路的发展 微型计算机的价格、尺寸和可靠性使它们能够常规地用于许多系统中。计算机现在就像控制系统的一个部件一样被很平常地使用。

现代控制理论正好适合上述的趋势 因为它的时域技术和它的数学语言 矩阵、线性矢量空间等等 用计算机处理时非常理想。计算机是状态变量方法存在的一个主要原因。

大多数经典控制技术是面向单输入单输出 也许有几个输入输出 的线性常系数系统。经典技术的语言是拉普拉斯或 变换和传递函数 当存在非线性时变的时候 经典技术就失去了正确的基础。一些成功的技术如相平面法、描述函数和其他特定方法被开发出来以缓解这个缺点。然而 最大的成功被限制在低阶系统中。现代控制理论的状态变量方法提供了一个统一的、强有力的、表达任意阶的线性或非线性的、时变或常系数的系统的方法。它为计算机实现提供了理想的公式化表达 也导致了在最优化理论方面的一些进步。

状态的概念

在现代控制理论中状态的概念占据了中心地位 然而 它也出现在一些其他的技术或非技术的文章上下文中。在热力学中 “状态”方程被突出地使用 二进制时序电路一般根据它们的“状态”来分析 在日常生活中每月的财政“报告 statement)”是很平常的 联邦总统报告的消息是另一个例子。

在所有这些例子中 “状态”的概念从本质上是相似的 它是系统状况在特定时刻完整的总结。在某一初始时刻t0的状态 情况 加上t0时刻以后的系统输入情况 可以确定在后来的t1时刻的状态。就t1时刻的状态而言 它与初始状态是怎样实现的无关。因此 t0时刻的状态构成了t0以前系统活动状态的完整历史 它在一定范围内影响 系统 未来的行为。当前状态使得 系统 的过去和未来可以有很大的差别。

在任何固定的时刻 系统状态可以由一组变量xi的值来描述 xi称作状态变量。热力学系统的一个状态变量是温度 它的取值范围是连续实数域R。在二进制电路中 状态变量只能取两个离散的值 或 。注意 你在月末检查帐目的

状态可以只用一个数来表示 平衡 指收支数 。联邦状况可以由国民生产总值、失业率、贸易赤字等表示。对于本文所考虑的系统 状态变量可以取任意实数或复数的标量值 即 xi C。尽管一些系统需要无限多个状态变量 这里只考虑能够用有限的n个状态变量描述的系统。那么系统可以由一个n个元素的状态矢量x=[x1 x2 ... xn ]T表示 它属于一个定义在域C上有n维矢量空间。

对于连续时间系统 状态可以对某段时间内的所有时刻定义 例如一个连续变化的温度或电压。离散时间系统的状态只能定义在离散的时刻 如每月一次的财政报告或一个一度的联邦状态消息。连续时间和离散时间系统可以通过定义要考察的时间为T来同时讨论。对于连续系统T由所有t [t0 ,tf]的实数组成 对于离散系统 T由一组离散时间{t0, t1, t2, … tk}构成。在许多情况下 每种系统初始时间都可以是- 最终时间可以是 。

状态矢量x(t)只在t T时定义。在任一给定t 很简单 它是一组n个有序的数。然而 系统特性会随着时间而改变 从而引起了所需状态变量数目的变化 不仅是值 。如果状态空间的维数随时间改变 就要使用符号 t 这里假设 在所有t T时有相同维数的n维状态空间

PART4 Unit1 A 过程控制系统

此部分的主要目的是满足读者对自动过程控制的需要和激励读者来学习。自动过程控制与持续过程变量、温度、压力、流量、成分和期望操作值一类的量有关。正如我们在后续的章节中所看到的 过程本身是动态的。变化不断发生 并且如果激励未加入 重要的过程变量——与安全有关的变量、产品质量和生产率——将不能获得期望值。

为了强化概念 让我们来考虑一个过程流通过浓缩流加热的热变换器 其过程框图如图4-1A-1

此单元的目的是把一过程流从某一入口温度Ti(t)加热到某一期望出口温度T(t)。如前所述 热介质是浓缩流。

只要对周围环境没有热损失 过程流所获得的能量等同于浓缩流释放的热量。也就是说 热变换器和管子均绝缘。在这种情况下 释放的热量就是浓缩流浓缩的潜热。

在此过程中 有许多变量可变化 从而造成出口温度偏离期望值。如果发生此情况 激励必须加入以更正此偏差。也就是说 激励将控制出口温度以维持其期望值。

完成此目的的一种方法是首先测量温度T(t) 然后与期望值比较 基于此比较值 确定以什么来更正偏差。浓图 4-1A-1 热交换器缩流的流量可用于更正偏差。也就是说 如果温度高于期望值 那么到热变换器的浓缩流的流量 能量 可调节减少。如果温度低于期望值 那么到热变换器的浓缩流的流量 能量 可调节增加。所有这些均可由操作者人工完成 并且如果过程简单明了 这将不成问题。然而 在大多数过程控制工厂中 均有数百个变量必须保持期望值 那么更正过程将需要大量的操作人员。因此 我们希望自动的完成此控制。这就是说 我们需要一些不用操作人员介入就可控制这些变量的设备。这就是我们所说的自动过程控制。

为完成此目的 必须设计和实现控制系统。一种可能的控制系统和其基本元件如图4-1A-2所示。首先是测量过程流的出口温度 完成此任务的是传感器 热电偶、阻抗温度仪、*系统温度计、电热调节器等 。传感器会与热敏电偶相连 热敏电偶从传感器采一输出点 并把其转换为足够强的信号传递给一控制器。控制器接受与温度相关的信号 并与期望值相比较。依赖于此比较值 控制器可确定怎样保持温度在期望值。基于此决定 控制器给终端控制元件传送另一信号 其反过来操作流量。

前面的段落介绍了控制系统的四个基本元件。它们是①传感器 通常称为主要元件。②热敏电偶 通常称为次要元件。③控制器 控制系统的“脑”。④终端控制系统 经常为控制阀但不总是。一般其它终端控制元件为可变的速度泵、传送机和电动机。

这些元件的重要性在于它们执行的是在每一个控制系统中所必须的三个基本操作。这些操作是 ①测量 M 传感器和热偶电阻的组合元件经常测量被控变量。②设定 D 基于测量值 控制器决定怎样维持变量在期望值。③执行 A 作为控制器决定后的结果 系统必须采取一定的措施 通常有终端控制元件完成。

如上所述 在每一个控制系统中这三个基本操作 M、D和A都会存在。在某些系统中 决定-执行操作相当简单 而在另一些系统中操作很复杂。工程人员设计控制系统时必须确保采取的措施要影响控制变量 也就是说 采取的措施要影响测量值。否则 系统是不可控的且有可能弊大于利。

B 过程控制的基本要素

自动过程控制的重要术语

目前 定义一些用于自动过程控制领域的术语是必要的。第一个术语是被控量 此变量必须维持或控制在某一期望值。在前面的例子中 过程出口温度T(t)是被控量。第二个术语是参考点 即被控量的期望值。操纵量是用于维持被控量处于期望值的变量 在上例中 流量是操纵量。最后 造成被控量偏离参考点的任何变量被定义为扰动或干扰。在大多数过程中存在许多不同的扰动。在图4-1A-2所示的热变换器的例子中 入口过程温度Ti(t)、过程流量q(t)、流能量的质量、周围环境、过程流体成分、阻塞等均可能是扰动。在这里重要的是理解在过程控制工业中 大多数情况下 正是因为扰动的存在才需要自动过程控制。如果没有扰动 设计-操作情况将盛行 并且将没有必要不断监测过程。

下面的附加术语也很重要。开环指的是控制器与过程开断的情况。也就是说 控制器并不决定怎样维持控制量在参考点。在开环控制中的另一个例子是控制器采取的措施 A 不能影响测量 M 。的确 这是控制系统设计的一个重大缺陷。闭环控制指的是控制器与过程连接 参考点与被控量比较并决定更正措施的情况。

基于这些术语的定义 自动过程控制系统的对象可陈述如下 自动过程控制系统的对象是尽管有扰动存在 也可利用操作量来维持被控量在其设置值