自动化专业外语第三版部分翻译

1、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

2、 ）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 TOC o 1-5 h z 的人的名义Q值，我们知道，出口温度将增加，使T TR。（ cf.Eq. （ 1.1.1 ）。为了对付这种情况，也

3、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

4、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因此，我们说反馈可以使原来稳定的系统变得不稳定当然，反馈是一柄双刃剑，当使用不当时，将会产生坏的作用然而需要指出的是，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

5、。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yGr 1 GH GF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。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

6、系统的参数当作完全静态的。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。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.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SM M /MG G /G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SMM G 1GG M1

7、GH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）。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。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

8、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 。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。.有 时 ， 你 必 须 接 受 失 败 ： 用 各 种 不 同 的 软 硬 件 组 合 方 法 进

9、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。. 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。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。除非你熟悉一些标准的设

10、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（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，最小化指 定 的 数 学

11、 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

12、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。3.3.13.3.1如果一个过程在一系列的条件下操作，可以通过使用一组

13、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,

14、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 KD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

15、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

16、持不变，从而保持一定的稳定性（ 假设过程动态不变）5.5 5.5 工业机器人的介绍5.2 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

17、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

18、 - 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。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

19、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

20、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