P2U1A The World of Control
第二部分第一单元课文A 第二部分第一单元课文 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。
  2. 温习《自动控制原理》、《现代控制理论》中绪论的内容。
  3. 生词与短语 regulate v. 调整 abound v. 大量存在 power boost 功率助推装置 aerodynamic adj. 空气动力学的 damp v. 阻尼,减幅,衰减 yaw n. 偏航 altitude n. 海拔 attitude n. 姿态 intuition n. 直觉 trail-and-error n. 试凑法
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dynamic response 动态响应 disturbance n. 扰动 parameter n. 参数 modification n. 修正,修改 transfer function 传递函数 domain n. 域,领域 advent n. 出现 state variable 状态变量 matrix algebra 矩阵代数 approach n. 途径,方法;研究 proponent n. 提倡者 detractor n. 批评者 tutorial adj. 指导性的 subsequent adj. 后序的 open-loop n. 开环 closed-loop n. 闭环
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discrete adj. 离散的 differential equation 微分方程 difference equation 差分方程 interval n. 间隔 sampled-data n. 采样数据 nonlinear adj. 非线性的 time-invariant adj. 时不变的 coefficient n. 系数 stationary adj. 静态的 lumped parameter 集中参数 distributed parameter 分散参数 spatial adj. 空间的 spring n. 弹簧 lead n. 导线 resistance n. 阻抗
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uniform adj. 一致的 elastic adj. 有弹性的 ordinary differential equation 常微分方程 partial differential equation 偏微分方程 deterministic adj. 确定的 stochastic adj. 随机的 predictable adj. 可断定的 probability theory 概率论 multivariable n. 多变量 configuration n. 构造,结构 property n. 性质 model n. 模型 v. 建模 linearization n. 线性化 strategy n. 方法 performance criteria 性能指标
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hardware n. 硬件 development system 开发系统 rationale n. 理论,原理的阐述
  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……
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  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
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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。
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控制系统的分类和术语 控制系统可根据系统本 R(s) C(s) 身或其参量进行分类: 控制对象 控制元件 开环和闭环系统(如图 a) 2-1A-
  1):开环控制系统是 R(s) C(s) 控制行为与输出无关的系统。 控制对象 控制元件 + 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 反馈元件 馈元件决定的一种函数形式 b) 反馈回来,然后被输入减去。 闭环系统通常是指负反馈系 图2-1A-1 开环控制系统和闭环控制系统 统或简称为反馈系统。
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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21A-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21A-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。
x(t) x(t) x(t)
O a)
t
O
t1 t2 t3 t4 t5 t b)
O
t1 t2 t3 t5 t c)
图2-1A-2 连续系统和离散系统
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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
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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;
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  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。
P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation
第二部分第一单元课文B 第二部分第一单元课文 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。
  2. 温习《自动控制原理》中有关拉普拉斯变换的相关内容。
  3. 生词与短语 initial condition 初始条件 lag v., n. 延迟 polynomial n. 多项式 order n. 阶 integrate v. 积分 differentiate v. 微分 denominator n. 分母 stability n. 稳定性
P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation
第二部分第一单元课文B 第二部分第一单元课文 传递函数和拉普拉斯变换
transient response 暂态响应 numerator n. 分子 magnitude n. 幅值 sign n. 符号 steady-state n. 稳态 step n. 阶跃(信号) block diagram algebra 方块图计算(代数) Laplace transformation 拉普拉斯变换 operational mathematics 工程数学 algebraic equation 代数方程 implement v. 实现 manipulate v. 处理 become adept in 熟练 homogeneous solution 通解 particular solution 特解 unilateral Fourier integral 单边傅里叶积分
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第二部分第一单元课文B 第二部分第一单元课文 传递函数和拉普拉斯变换
inverse transform 反(逆)变换 improper integral 奇异(无理)积分 superposition n. 叠加 initial value 初值 final value 终值 shifting theorem 平移定理 multiplication n. 复合性 piecewise adj. 分段的 integro-differential equation 微积分方程 yield v. 推导出,得出
  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)。
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第二部分第一单元课文B 第二部分第一单元课文 传递函数和拉普拉斯变换

  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:
output ( s ) C ( s ) G (s) = = input ( s ) R(s)
输入 系统 输出
(2-1B-
  1)
R(s) 输入
G(s)
C(s) 输出
图2-1B-1 传递函数
P2U1B The Transfer Function and the Laplace Transformation
第二部分第一单元课文B 第二部分第一单元课文 传递函数和拉普拉斯变换
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
 

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