电子电气工程导论10月10日第一至二节
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这样理解吗
是这样理解吗?
没太听太清
我没听太清楚。
so let's have a look at the movie koya river together so this image shows the working principle. of moving coil meter. there is a magnet inside. of the moving coil meter. and there is also a circuit. so once the circuit has current, because of the magnet, the circuit will rotate. that's the reason. that's the reason you can see the pointer. The pointer is moving, right? so it's exactly the working principle of moving coil meter.
那么,我们一起来看一下《科亚河》这部电影。这张图片展示了它的工作原理。也就是动圈式仪表的工作原理。里面有一个磁铁。就是动圈式仪表里的磁铁。还有一个电路。所以,一旦电路中有电流通过,由于磁铁的作用,电路就会发生旋转。这就是原因。这就是为什么你能看到指针。指针在移动,对吧?所以,这正是动圈式仪表的工作原理。
and we know if you want to measure current, we have to connect moving coil meter in series with the circuit. if you want to measure voltage, we have to connect the moving coil meter in parallel.
我们知道,如果你想测量电流,就必须将动圈式仪表串联进去。与电路串联。如果你想测量电压,就必须将动圈式仪表并联在电路中。
in parallel with the circuit.
也就是与电路并联。
but sometimes the current is quite large. so in order to measure, a very large current, you have to use a shunt resistor. to expand the range. You have to use a shunt resistor to expand the measuring range.
但是,有时候电流会非常大。所以,为了进行测量,对于非常大的电流,你必须使用分流电阻。这样可以扩大测量范围。你必须使用分流电阻来扩展测量范围。
and in ammeter, the shunt resistor is connected in parallel. in parallel with the internal resistance.
在电流表中,分流电阻是并联连接的。与电流表的内阻并联。
in a voltmeter, the multiplier resistor is connected in series with the internal resistance. in order to expand the measuring range.
而在电压表中,倍率电阻是与内阻串联的。这也是为了扩展测量范围。
Because the first scale deflection is actually quite small.
因为第一次满偏的偏转其实非常小。
for example, it's outside of the range. outside range of 50 micro, and so we have to expand. But how can we achieve this? We just use a shunt resistor. so that we can get
比如说,它超出了量程。超过了50微安的量程,所以我们必须对其进行扩展。但是,我们该如何实现这一点呢?我们只需要使用一个分流电阻。这样我们就能获得
a very large current.
非常大的电流。
And for the voltmeter is different. It's a multiplier resistor to expand the measuring range. So that we can measure large voltage.
而对于电压表来说,情况则不同。它是通过倍率电阻来扩展测量范围的。这样我们就能测量高电压了。
Yes, so that's all the content. and our last page.
是的,以上就是全部内容。这是我们的最后一页。
And here there are some photos. about the here the first one, the first photo is voltmeter. And the second photo is the ammeter. And we use these devices to measure voltage or current.
这里有一些照片。首先,第一张照片是电压表。而且,第二张照片是电流表。我们使用这些设备来测量电压或电流。
And this is the component inside. inside of the moving coil ammeter.
这是内部的组件。它是动圈式电流表的内部结构。
Just like we have mentioned in the slides, there is a magnetic field. This is the cylinder. The cylinder is the magnetic field. And there is a moving coil.
正如我们在幻灯片中提到的,这里有一个磁场。这是一个圆柱体。这个圆柱体就是磁场。里面还有一个动圈。
inside, moving coil inside. and once there is a current, flowing. flowing in the moving coil, the pointer will be rotated. so then you can see how large or how large the voltage is.
在内部,有一个动圈。一旦有电流通过,就会产生电流。在动圈中流动,指针就会发生偏转。这样,你就能看出电流的大小了。或者电压的大小。
然后我当时看到那个要一直发消息在那 在那 it gives you the value. or the value of the voltage.
然后我当时看到那个一直在发消息,就在那里。它会显示数值。或者是电压的数值。
yeah, you probably have also have a driver license. and you have ever been driving a car. and there's also this kind of display in the car. and they also use this kind of pointer.
是的,你可能也有驾照。你肯定开过车。车里也有这种显示屏。他们也使用这种指针。
to show how high the speed is. or how high the rotation speed are. of the engine.
用来显示速度有多快。或者旋转速度有多快。也就是发动机的转速。
actually such kind of device is widely used.
实际上,这种设备被广泛使用。
there are many applications.
它有很多应用场景。
where the moving coil ammeter is applied. in our real world.
就是动圈式电流表的应用领域。在我们的现实生活中。
so this word just show some things photos. yeah, these two photos.
所以这一页只是展示了一些照片。对,就是这两张照片。
great. so apart from the moving coil ammeter, we also introduced the control system. so what is the control system? and how can we interpret it?
很好。那么,除了动圈式电流表之外,我们还介绍了控制系统。那么,什么是控制系统呢?我们该如何理解它?
right? so this is the task heading.
对吧?这就是任务标题。
and each block has its own modifying effect. on the input signal.
每个模块都有其独特的修改效果。作用于输入信号。
For the first block, it's an electrical signal.
以第一个模块为例,它是一个电信号。
so the first block has its own modifying effect.
所以,第一个模块具有其自身的修改效果。
the input working is a signal conditioner.
它的作用是一个信号调理器。
so we have introduced the different blocks. in your control system. and each block has a modifying effect, right?
所以,我们已经介绍了不同的模块。在你的控制系统中。每个模块都有修改作用,对吧?
and the modifying effect of each block can be defined as a gain. so each block has a gain. and they are represented by a symbol k.
而每个模块的修改效果,可以定义为增益。所以,每个模块都有一个增益。它们用符号来表示。就是字母K。
so in this block, each block has a gain.
所以,在这个框图中,每个模块都有一个增益。
can be multiplied together. to compute the system sensitivity.
它们可以相乘。用来计算系统的灵敏度。
when you multiply the gains together, you will get the system sensitivity.
当你把所有的增益相乘时,就会得到系统的灵敏度。
and here is an important definition. what is transfer function? transfer function is defined as the ratio between the output and input.
这里有一个重要的定义。什么是传递函数?传递函数的定义是,输出与输入的比值。
theta zero, theta o, theta o is the output. theta i is the input. so theta o divided by theta i is the transfer function. it can be exactly expressed by the product. of the gains.
Theta零,Theta o,Theta o就是输出。Theta i就是输入。所以,Theta o除以Theta i,就是传递函数。它可以精确地用乘积来表示。也就是增益的乘积。
but sometimes the control system is open loop. which means the output cannot affect
但是,有时候控制系统是开环的。这意味着,输出无法影响
the input. So this exactly here you can see, the key point is that the output is not used. it's not used to modify the input. So this is the definition, this is the property. property of open loop system. the output is not used to modify the input. so the output will not affect the input.
输入。所以,大家可以看到,这里的关键点是,输出没有被利用。它不会用来修改输入。所以,这就是定义,也是它的特性。开环系统的特性。输出不会用来修改输入。所以,输出不会影响输入。
so there is no feedback.
所以,没有反馈。
open loop system controlling the speed of a direct current motor.
开环系统用于控制直流电机的速度。
okay, if you have an open loop system, and suddenly you increase
好的,如果你有一个开环系统,然后突然增加
you want to maintain a system. so compare to the open loop, you can see there's the there's a block. which is exactly used for for feedback.
想要保持系统稳定。与开环系统相比,你可以看到,这里有一个模块。它正是用来实现反馈的。
if the output changes from the desired value.
如果输出偏离了设定值。
So in your DC motor example, if you just increase the load, increase the load of the output.
那么在你刚才的直流电机例子中,如果负载突然增加,输出的负载就会增加。
in a closed loop, you can increasing the current in the input.
但在闭环系统中,你可以增加输入电流。
speed will not be decreased.
这样速度就不会下降。
Because you know, you know how to put a speed, then you use this feedback. to change the inputs. For example, by providing large current.
因为你知道,你需要知道输出的速度,所以你就使用了这个反馈。通过改变输入来调整。比如,提供更大的电流。
so that the output speed will not be changed.
这样输出的速度就不会改变。
because now you have a feedback system. so you can change the inputs.
因为现在你有了一个反馈系统。所以你可以调整输入。
And actually, it includes four main components. The first one, you have the input signal, right? The input signal also defined as reference signal.
实际上,它包含四个主要组成部分。首先,是输入信号,对吧?输入信号也被称为参考信号。
because the feedback component, the feedback will be used to compare the output.
因为反馈组件会将输出与参考信号进行比较。
of the outcome achieved.
也就是实际达到的结果。
So this circle is exactly the
所以,这个圆圈正是
comparison. You have a very small error. So we don't have to change the output a lot. But if you have a big error,
比较器。这里的误差非常小。所以我们不需要对输出进行大幅调整。但如果误差很大,
we should change. Here you can see the four components. We have the input signal. setpoint i. And we have output signal. theta o. theta o is the output signal. And we have the comparator, right? comparator here is this circle. And we have a control system. these two blocks are the control system.
我们就需要进行调整。这里可以看到四个组成部分。首先是输入信号。也就是设定值I。还有输出信号。也就是O。O是输出信号。然后我们还有比较器,对吧?这里的比较器就是这个圆圈。此外,我们还有一个控制系统。这两个模块就是控制系统。
And each block has a gain.
每个模块都有一个增益。
And the feedback system also has a gain.
反馈系统也有一个增益。
and we use the gains in the feedback components.
我们在反馈组件中使用了这些增益。
but in this case, how the mission is defined as the ratio between the output and input.
但是在这种情况下,传递函数被定义为输出与输入的比值。
so how can we determine theta o?
那么,我们如何确定θo呢?
and we know here is the gain, right? this control system has the gain. g. so theta zero, theta o, theta o.
我们知道这里有一个增益,对吧?这个控制系统有一个增益。就是g。所以,θ0,θo,θo。
theta o equals to g. g is the gain. times the error.
θo等于g。g就是增益。乘以误差。
so theta o equals to g times the error. so theta i minus h times theta o. is the error. so the error we can get.
所以,θo等于g乘以误差。也就是θi减去h乘以θo。这就是误差。这样我们就能得到误差了。
need fix.
需要修正。
so theta zero, right, theta o, theta o equals to the gain times the error. so this is the first equation. and the error is the difference between the input
所以θ0,也就是θo,等于增益乘以误差。这就是第一个方程。而误差就是输入
and the output signal from the PID.
和PID输出信号之间的差值。
so we know e can also be expressed by theta o divided by g.
所以我们知道,e也可以表示为θo除以g。
and i minus theta o.
也就是i减去θo。
so we just repeat.
所以我们只是重复一下。
theta o is theta i minus h theta.
θo等于θi,减去hθ。
times g.
再乘以g。
so theta o divided by theta i
所以,θo除以θi
is the and sometimes even input.
就是输入。
and few minutes. Please, keep an eye on your control system. The value is quicker.
只需要几分钟。请大家注意观察你们的控制系统,数值变化得很快。
so this is the steady value. This is the steady value. This is the steady value. Quicker than our highly damped.
这就是稳态值。这就是稳态值。这比我们的强阻尼系统要快。
and for the control system, even if the output current varies, it's still
而对于控制系统来说,即使输出电流发生变化,它依然
stable.
保持稳定。
that's the basic introduction.
这就是基本的介绍。
课堂最终稿
Can you go through what we learned in our last lecture? The content was quite simple. We learned one concept, one definition: what a Bobby Koya meter is.
请大家回顾一下我们上节课学的内容。上节课的内容其实很简单,我们只学了一个概念、一个定义:什么是Bobby Koya表。
Let's look at the moving coil meter. This image shows the working principle of the moving coil meter. There is a magnet inside the moving coil meter, and there is also a circuit. Once the circuit has current, because of the magnet, the circuit will rotate. That is the reason you can see the pointer moving. This is exactly the working principle of the moving coil meter.
我们来看动圈式电表。这张图展示了动圈式电表的工作原理。动圈式电表内部有一块磁铁,同时还有一个电路。一旦电路中有电流通过,由于磁铁的作用,电路就会旋转。这就是你能看到指针转动的原因。这正是动圈式电表的工作原理。
As we know, if you want to measure current, we have to connect an ammeter in series with the circuit. If you want to measure voltage, we have to connect a voltmeter in parallel with the circuit.
正如我们所知,如果要测量电流,我们必须将安培表与电路串联。如果要测量电压,我们必须将伏特表与电路并联。
Sometimes the current is quite large. In order to measure a very large current, you have to use a shunt resistor to expand the measuring range. That is in an ammeter.
有时电流相当大。为了测量非常大的电流,你必须使用分流电阻来扩展量程。这是在电流表中。
In an ammeter, the shunt resistor is connected in parallel with the internal resistance. In comparison, in a voltmeter, the multiplier resistor is connected in series with the internal resistance in order to expand the measuring range.
在电流表中,分流电阻与内阻并联连接。相比之下,在电压表中,倍率电阻与内阻串联连接,以扩展测量范围。
FSD, full-scale deflection, is actually quite small. For example, it is only 50 microamperes—that is too small. But if we want to measure, for example, 5 amperes, that is outside the range of 50 microamperes. So we have to expand the measuring range. How do we achieve this? We just use a shunt resistor, so that we can measure.
满偏转(FSD)实际上非常小。例如,它只有50微安——这太小了。但如果我们要测量,比如说5安培,这就超出了50微安的量程。因此我们必须扩展测量范围。如何实现这一点?我们只需使用一个分流电阻,这样就能进行测量。
We layer large polygons. We use a multiplier resistor to expand the layering range, so that we can layer large voltages. That is all the content in our last lecture.
我们对大型多边形进行分层。利用倍乘电阻扩展分层范围,从而实现对高电压的分层。以上就是上一讲的全部内容。
Here are some photos. The first photo is a voltmeter, and the second photo is an ammeter. We use these devices to measure voltage or current.
这里有几张照片。第一张是电压表,第二张是电流表。我们使用这些仪器来测量电压或电流。
The speed is around how high the rotation speed of the object is. Actually, such a device is widely used. There are many applications where the moving-coil ammeter is applied in our real world. This board just shows some realistic photos of the device.
速度大致取决于物体的旋转速度有多高。实际上,这类装置被广泛使用。在现实世界中,动圈式电流表有许多应用场景。这块板上展示的是该装置的一些真实照片。
This is the component inside the moving coil meter. Just like we have mentioned in the slides, there is a magnetic field. The cylinder is the magnet, the magnetic field. And there is a moving coil inside. Once there is a current flowing in the moving coil, it will make the pointer rotate. Then you can see how large the current is, or how large the voltage is.
这是动圈式仪表内部的组件。正如我们在幻灯片中提到的,这里有一个磁场。圆筒是磁铁,即磁场。内部有一个可动线圈。一旦有电流流过可动线圈,它就会使指针旋转。这样你就能看出电流有多大,或者电压有多大。
It gives you the volume — for the volume of the washing. The car, for the volume of the washing machine. Yeah, you probably have a driver's license. If you have ever been driving a car, there is also this kind of display. This kind of display in a car, and they also use this kind of pointer to show how high it is.
它给你提供音量反馈——用于洗衣机的音量。汽车,用于洗衣机的音量。是的,你可能有驾照。如果你曾经开过车,那里也有这种显示屏。汽车里的这种显示屏,他们还使用这种指针来显示高度。
Apart from the moving coil ammeter, we also introduced the control system. What is the control system? How can we interpret it?
除了动圈式电流表之外,我们还介绍了控制系统。什么是控制系统?我们如何解读它?
A control system is usually described as a cascading of blocks. This means there are multiple blocks. In this image, you can see there are three blocks. So this is a cascading of blocks. And each block has its own modifying effect on the input signal.
控制系统通常被描述为级联的方块图。这意味着存在多个方块。在这张图中,你可以看到有三个方块。这就是方块的级联。每个方块对输入信号都有其自身的修改作用。
For example, for the first block, it is a transducer. This block tries to convert the physical quantity into an electrical signal. So the first block has its own modifying effect on the inputs.
例如,第一个模块是一个传感器。该模块试图将物理量转换为电信号。因此,第一个模块对输入具有自身的调制作用。
The input block converts the input into an electrical signal. The second block is the signal conditioner, which modifies the electrical signal into a conditioned signal. Finally, you have the recorder. The recorder tries to convert the conditioned signal into output movement. We have introduced different blocks in the control system, and each block has a modifying...
输入模块将输入转换为电信号。第二个模块是信号调节器,它将电信号修改为调节后的信号。最后是记录仪,记录仪尝试将调节后的信号转换为输出运动。我们已经介绍了控制系统中的不同模块,每个模块都有一个修改……
The modifying effect of each block can be defined as a gain. Each block has a gain, and they are represented by a simple K. The blocks in the previous slides can also be written in this form: each block has a gain.
每个模块的修正效应可以定义为增益。每个模块都有一个增益,用一个简单的 K 来表示。前面幻灯片中的模块也可以用这种形式来书写:每个模块都有一个增益。
Gains can be multiplied together to compute the system sensitivity. When you multiply the gains together, you get the system sensitivity. Here is an important definition: what is the transfer function? The transfer function is defined as the ratio between the output and the input.
增益可以相乘来计算系统灵敏度。当你将增益相乘时,就得到了系统灵敏度。这里有一个重要的定义:什么是传递函数?传递函数定义为输出与输入之比。
As the ratio between output and input, θ_o is the output, θ_i is the input. So θ_o divided by θ_i is the transfer function. It can be exactly expressed by the product of gains. But sometimes the control system is open-loop. Open-loop means the output cannot affect the input.
作为输出与输入的比值,θ_o 是输出,θ_i 是输入。因此 θ_o 除以 θ_i 即为传递函数。它可以精确地表示为各环节增益的乘积。但有时控制系统是开环的。开环意味着输出无法影响输入。
Open-loop control system. This means the output cannot affect the input. In this example, you can see the T point: the output is not used to modify the input. This is the definition and the property of an open-loop system — the output is not used to modify the input at all. The output will not affect the input.
开环控制系统。这意味着输出不能影响输入。在这个例子中,你可以看到T点:输出不用于修改输入。这就是开环系统的定义和特性——输出完全不用于修改输入。输出不会影响输入。
There is no feedback from the output to the input to provide corrective action if needed. Here is an example: an open-loop system controlling the speed of a direct-current motor.
输出端没有反馈到输入端以在需要时提供纠正动作。举一个例子:一个控制直流电机转速的开环系统。
In an open-loop system controlling the speed of a DC motor, if you increase the load, the speed of the motor will decrease because there is no feedback. If you want to maintain the speed, you must use a closed-loop system. In the open-loop, there is no feedback, so we cannot make any change to the input, and the output speed will decrease. Here is the closed-loop system. Compared to the open-loop, you can see there is a block.
在开环系统中控制直流电机转速时,如果增大负载,电机转速会下降,因为没有反馈。如果想要维持转速,就必须使用闭环系统。在开环中,没有反馈,因此我们无法对输入做任何改变,输出转速就会下降。这里是闭环系统。与开环相比,可以看到有一个方块。
At the bottom, which is exactly used for the feedback. So the output will be used to correct the input, or the output will be used to change or modify the input. So the output can affect the input. It is possible for the controller output to alert the input if the output changes from the desired value.
在底部,这正是用于反馈的部分。因此,输出将被用来修正输入,或者说输出将被用来改变或调整输入。所以输出可以影响输入。当输出偏离期望值时,控制器的输出有可能向输入发出警报。
If you increase the load on the output, in an open-loop system, the output speed will decrease. But in a closed-loop system, you can compensate for the reduction in shaft speed by, for example, increasing the current in the input, so that you can maintain the speed.
如果你增大输出端的负载,在开环系统中,输出转速将会下降。但在闭环系统中,你可以通过例如增大输入电流来补偿轴转速的降低,从而维持转速不变。
You can maintain the speed of the outputs. The output speed will not be decreased. If you know the output speed is decreased, then you use a feedback element to change the input—for example, by providing larger current for the input—so that the output speed will not be decreased. Because now you have a feedback system, you can change the input based on the output.
你可以维持输出的速度,使输出速度不会下降。如果你知道输出速度下降了,那么你就使用反馈元件来改变输入——例如,为输入提供更大的电流——从而使输出速度不会下降。因为现在你有了反馈系统,你可以根据输出来改变输入。
A closed-loop system actually includes four main components. The first is the input signal. The input signal is also defined as the reference signal. It is called the reference signal because we have the feedback component. The feedback will be used to compare the output with the input.
闭环系统实际上包含四个主要组成部分。第一个是输入信号。输入信号也被定义为参考信号。之所以称为参考信号,是因为我们有反馈环节。反馈将用于将输出与输入进行比较。
It is also defined as a reference. We come here: how the output is deviated from the input. The input is defined as the intended condition for the output, so it is a reference. And we have the output signal. The output is the final value that has been taken place. Output represents a measurement of the outcome achieved.
它也被定义为参考量。我们来看这里:输出如何从输入发生偏差。输入被定义为输出的预期条件,因此它是一个参考量。然后我们有输出信号。输出是已经发生的最终值。输出代表对所达成结果的度量。
This is a feedback signal, and this is the variable we are trying to control. There is a comparator. This is important — a comparator — because we want to understand how big the difference is between the output signal and the input signal. We need the comparator to give us the error. When you go back to the previous slide, this circle is exactly the comparator.
这是一个反馈信号,而这是我们试图控制的变量。这里有一个比较器。比较器非常重要,因为我们想要了解输出信号与输入信号之间的差异有多大。我们需要比较器来给出误差。回到上一张幻灯片,这个圆圈正是比较器。
This is the comparator. It will compare the output with the input and determine the error. This is the comparator. And also finally we have the controller. So based on the error—how big the error is—if you just have a very small error, we don't have to change the output a lot. But if you have a big error, you should change the output.
这是比较器。它将输出与输入进行比较,并确定误差。这是比较器。最后我们还有控制器。根据误差的大小——如果误差非常小,我们不需要对输出做很大的调整;但如果误差很大,你就应该改变输出。
The function of the controller is to generate the output signal based on the error, and try to drive the system output so that it matches the input signal. Here you can see the four components. We have the input signal θi, the output signal θo, the comparator — this circle — and the control system. These two blocks are the control system.
控制器的功能是根据误差生成输出信号,并驱动系统输出使其与输入信号匹配。这里可以看到四个组成部分:输入信号θi、输出信号θo、比较器——即这个圆圈——以及控制系统。这两个模块就是控制系统。
And each block has a gain. The feedback system also has a gain, and we use the symbol H to represent the gains in the feedback component. But in this case, how can we determine the transfer function? We know the transfer function is defined as the ratio between the output and the input. So how can we determine C(s)?
每个方框都有一个增益。反馈系统也有一个增益,我们用符号 H 来表示反馈环节的增益。但在这种情况下,我们如何确定传递函数?我们知道传递函数定义为输出与输入之比。那么,我们如何求 C(s)?
θo divided by θi. This type of system has a gain G. So θo equals G times the error. This is what you get based on the first block. The error is the difference between the input signal and the output signal after the feedback. The feedback block also has a gain H. So H times θo is the signal to the comparator.
θo除以θi。这类系统具有增益G。因此θo等于G乘以误差。这是根据第一个方框得到的结果。误差是输入信号与经过反馈后的输出信号之间的差值。反馈方框也具有增益H。因此H乘以θo是送往比较器的信号。
This is similar to a comparator. θi minus h times θo is the error we can get. If you change the form of these two equations a little bit, how do you get the transfer function for the closed-loop system?
这类似于一个比较器。θi 减去 h 乘以 θo 就是我们能得到的误差。如果对这两个方程的形式稍作变换,如何得到闭环系统的传递函数?
We have θ₀ equals the gain times the error. This is the first equation we can derive. The error is defined as the difference between the input and the output after feedback.
我们有 θ₀ 等于增益乘以误差。这是我们可以推导出的第一个方程。误差定义为输入与反馈后输出之间的差值。
This is the input minus h. Theta o is the output. We just change the form a little bit. Because e can also be expressed by theta o divided by g. And here equals to theta i minus theta o.
这是输入减去h。θo是输出。我们只是稍微变换一下形式。因为e也可以表示为θo除以g。而这里等于θi减去θo。
We change the form a little bit. θ_o equals θ_i minus h·θ_o, times g. To solve for θ_o, we get (1 + hg)·θ_o = g·θ_i. The transfer function is the ratio between the output and the input. Therefore, θ_o divided by θ_i should be g over 1 + hg.
我们对表达式稍作变形。θ_o 等于 θ_i 减去 h·θ_o,再乘以 g。求解 θ_o,得到 (1 + hg)·θ_o = g·θ_i。传递函数是输出与输入之比。因此,θ_o 除以 θ_i 应等于 g 除以 1 + hg。
G divided by 1 plus HG. Finally, you get this equation: G divided by 1 plus HG. So this is the transfer function for the closed-loop system. And sometimes, if an input is applied to a real physical system...
G 除以 1 加 HG。最终你得到这个方程:G 除以 1 加 HG。这就是闭环系统的传递函数。有时候,如果对一个实际物理系统施加输入……
The input signal is not responded to immediately. This means there is some delay—the output will not change immediately when you change the input. Why does this happen? The delay can range from a few milliseconds to a few minutes, so the range is actually quite large. Sometimes the delay is quite short, and sometimes it is quite large. If we consider how a closed-loop system responds to a step change at the reference point, we can split the time response into two time intervals.
输入信号不会立即得到响应。这意味着存在一定延迟——当你改变输入时,输出不会立即发生变化。为什么会这样?延迟的范围可以从几毫秒到几分钟不等,因此这个范围实际上相当大。有时延迟很短,有时则相当长。如果我们考虑闭环系统对参考点的阶跃变化如何响应,可以将时间响应划分为两个时间段。
The first interval is the transient period, and the second is the steady-state period. Here you can see the transient period, which means the output is not stable; it changes with time. Then there is the steady-state period, which means the output signal is almost stable. Given an input, the output does not rise to the stable value directly, but instead goes through a process.
第一个区间是瞬态周期,第二个是稳态周期。这里可以看到瞬态周期,意味着输出不稳定,它随时间变化。然后是稳态周期,意味着输出信号几乎稳定。给定一个输入,输出不会直接上升到稳定值,而是经历一个过程。
The process slowly increases and then reaches a stable value. And here we have two different output forms, depending on your control system. If your control system has very large damping behavior, which means the increase is very slow and smooth because you have very large damping. But if your control system has very small damping, the output signal will be—
过程缓慢增加,然后达到稳定值。这里我们有两种不同的输出形式,取决于你的控制系统。如果你的控制系统具有非常大的阻尼行为,这意味着增加过程非常缓慢且平滑,因为阻尼非常大。但如果你的控制系统阻尼非常小,输出信号将会是——
Oscillating. So you are overshooting, then undershooting, then overshooting, then undershooting, until finally you reach the desired output. But the output has a quicker response; it changes very quickly. And the output is underdamped, so it has oscillatory behavior. And it can reach the steady-state value quicker.
振荡。也就是说,输出先超调,再欠调,再超调,再欠调,如此反复,直到最终达到期望输出。但输出的响应更快,变化非常迅速。而且输出是欠阻尼的,因此具有振荡特性。它能够更快地到达稳态值。
This is a different case. Let us consider high damping, where alpha equals one. The control system for alpha equals one has very high damping behavior, so it reaches its designed output very slowly. For control systems, we can actually classify them into two types. The first type is regulator. The second type is servos. So there are two types of control systems: regulator and servos.
这是另一种情况。我们来考虑高阻尼的情形,即 alpha 等于 1。当 alpha 等于 1 时,控制系统具有非常高的阻尼特性,因此它达到设计输出的速度非常慢。对于控制系统,我们实际上可以将它们分为两类。第一类是调节器(regulator)。第二类是伺服系统(servos)。所以控制系统有两种类型:调节器和伺服系统。
In a regulator, the reference input is a constant value. The goal is that the output should remain constant in the face of disturbance. The input is constant and the output should also remain constant even though there is disturbance in the input. For example, a power supply should have a constant output voltage even if the output current varies significantly.
在稳压器中,参考输入是一个恒定值。目标是使输出在扰动面前保持恒定。输入是恒定的,即使输入中存在扰动,输出也应保持恒定。例如,电源应具有恒定的输出电压,即使输出电流发生显著变化。
This is exactly what we have used in your socket. For example, you plug your laptop into the socket, right? And sometimes you plug in another laptop. So the load changes. The current changes, but the output voltage is always 220. It doesn't matter how many devices you have plugged into the socket. The output voltage should be constant, even though the output current can be varied. In the servo, which means the reference input...
这正是我们在插座中已经使用的原理。例如,你把笔记本电脑插到插座上,对吧?有时候你又插上另一台笔记本电脑。于是负载发生了变化,电流也随之变化,但输出电压始终是220伏。无论你在插座上插了多少设备,输出电压都应保持恒定,即使输出电流可以变化。在伺服系统中,这意味着参考输入……
The reference is the input, right? So the reference is time-varying; it is not a constant value anymore. It is time-varying. And the objective is that the output should track the input with a small error. So if the input has a form like this, the output should also try to mimic the input. They should have the same shape. The goal is to track the input with a very small error. And here is an example: a radar dish tracking a target, or a robot following a very complex trajectory in 3D space.
参考信号就是输入,对吗?所以参考信号是时变的,它不再是一个常数值,而是随时间变化的。目标是让输出以很小的误差跟踪输入。如果输入具有这样的形态,输出也应当尝试去模仿输入,二者应具有相同的形状。目标就是以非常小的误差跟踪输入。这里举一个例子:雷达天线跟踪目标,或者机器人在三维空间中跟随一条非常复杂的轨迹。
Once a trajectory is given, what you want the robot to do is follow this trajectory. If you have a robot navigating a room with obstacles here and the robot is here, and it has to navigate, once you determine the trajectory, this is the trajectory the robot should follow. The robot should try to follow this trajectory with very small deviation. Any questions at that point?
一旦给定了一条轨迹,你希望机器人做的就是跟随这条轨迹。假设有一个机器人在一个房间里导航,这里有障碍物,机器人位于此处,它需要进行导航。一旦你确定了轨迹,这就是机器人应当跟随的轨迹。机器人应当尝试以非常小的偏差来跟随这条轨迹。到这里有什么问题吗?
Great. That's a basic introduction for...
很好。这是一个关于……的基本介绍。
This is a basic introduction to control systems. Now we can see some real photos of control systems. Control systems are actually widely used in our daily life. In many of the products, we can see control systems. For example, the car is actually a very complex system. It includes a lot of control systems. You have the engine, and you have to control the engine—how high the speed of the engine should be. And you also have the braking system. When you drive too fast, the braking system kicks in.
这是控制系统的基本介绍。现在我们可以看一些控制系统的实际照片。控制系统实际上在我们的日常生活中被广泛使用。在许多产品中,我们都能看到控制系统。例如,汽车实际上是一个非常复杂的系统,它包含许多控制系统。你有发动机,你必须控制发动机——发动机的转速应该多高。你还有制动系统。当你开得太快时,制动系统就会介入。
We also have a control system for the battery. The battery management system controls when to charge the battery and when to discharge it. Its purpose is to save the battery and increase your driving kilometers if you use an electric vehicle. Similar to the car, the airplane is also very complex. We have many control systems in the aircraft. Here you can see some other photos.
我们还有一个电池控制系统。电池管理系统控制何时为电池充电以及何时放电,其目的是保护电池,如果你使用电动汽车,还能增加行驶里程。与汽车类似,飞机也非常复杂,我们在飞行器中有很多控制系统。这里你可以看到一些其他照片。
For humanoid robots or legged robots, when they walk, you have to control how they should walk. For the ship, the autonomous ship system—the ship autopilot—is a kind of autonomous system. When you have an autonomous ship, it can navigate autonomously on the surface of the sea. This autopilot control system is also a kind of control system. So here you can see that control systems can be found in many applications.
对于人形机器人或足式机器人,当它们行走时,你必须控制它们应该如何行走。对于船舶而言,自主船舶系统——即船舶自动驾驶仪——是一种自主系统。当你拥有一艘自主船舶时,它可以在海面上自主航行。这种自动驾驶控制系统也是一种控制系统。因此,我们可以看到控制系统广泛应用于许多领域。
Lecture 5 is just a basic introduction of the moving coil meter: how to measure current, how to measure voltage. We also introduced the control system—how the control system looks like for an open loop and for a closed loop. So these are the two things covered in Lecture 5.
第五讲仅是对动圈式仪表的基本介绍:如何测量电流、如何测量电压。我们还介绍了控制系统——开环和闭环控制系统分别是什么样的。这就是第五讲所涉及的两个内容。
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课程总结
课程概览
本次“电子电气工程导论”10月10日第一至二节主要围绕两条主线展开:第一部分是上节课内容的回顾与延伸,重点是动圈式仪表(moving coil meter)的基本工作原理,以及如何将其用于电流测量和电压测量,并通过分流电阻(shunt resistor)或倍率电阻(multiplier resistor)扩展量程;第二部分进入控制系统的基础介绍,包括控制系统的方块图表示、增益(gain)、传递函数(transfer function)、开环系统与闭环系统的区别、反馈(feedback)、比较器(comparator)、误差(error)、闭环传递函数推导、时间响应中的瞬态与稳态、阻尼对响应的影响,以及调节器(regulator)与伺服系统(servos)两类控制系统。
课堂材料中出现了若干疑似转录错误,例如“Bobby Koya meter”“Koya river”等表述。结合后续内容、图片描述和教师讲解,本总结将其统一整理为“moving coil meter(动圈式仪表)”相关内容;对于无法完全确定的原始说法,保留不确定性说明。
整体来看,本节课从“测量仪表”过渡到“控制系统”,二者之间存在自然联系:动圈式仪表可以作为测量与显示装置,而在闭环控制系统中,测量输出、比较误差、调节输入正是核心机制。
主要内容
一、动圈式仪表的基本工作原理
课堂首先回顾了上节课学习的核心仪器:动圈式仪表(moving coil meter)。教师通过图片说明其内部结构和工作原理。
动圈式仪表内部有一个磁铁,形成磁场;同时还有一个可动线圈,也可以理解为一个电路部分。当电路中有电流通过时,电流在磁场中会受到力的作用,从而使线圈发生旋转。线圈的旋转带动指针偏转,因此观察者可以从刻度盘上看到指针移动,进而读取电流或电压的大小。
教师强调,这就是动圈式仪表的基本工作原理:有电流通过动圈,在磁场作用下产生转动,最终表现为指针偏转。
课堂还提到,实际仪表内部可以看到圆柱形磁铁,该圆柱体提供磁场;内部还有一个可动线圈。当电流流过动圈时,指针旋转,用户就可以读出电流或电压数值。
二、电流表与电压表的连接方式
在动圈式仪表的基础上,课堂进一步说明了测量电流和测量电压时仪表的接入方式。
如果要测量电流,必须将电流表(ammeter)串联到被测电路中。也就是说,电流表要成为电流路径的一部分,使被测电流流过仪表。
如果要测量电压,必须将电压表(voltmeter)并联到被测电路两端。也就是说,电压表跨接在需要测量电压的电路节点之间。
这两个连接方式是电学测量中的基本规则:
- 测电流:串联连接。
- 测电压:并联连接。
教师通过这一对比,帮助学生理解电流表和电压表在电路中的不同接入方法。
三、电流表和电压表的量程扩展
课堂指出,动圈式仪表本身的满偏转电流(full-scale deflection,FSD)通常很小。教师给出的例子是:满偏转电流可能只有 50 微安(50 μA)。这个数值非常小,因此如果要测量更大的电流,例如 5 安培(5 A),原始动圈式表头无法直接承受或显示这么大的电流,就必须扩展测量范围。
1. 电流表中使用分流电阻
为了测量较大的电流,需要使用分流电阻(shunt resistor)。
在电流表中,分流电阻与动圈式表头的内阻(internal resistance)并联连接。由于分流电阻并联在表头两端,大部分电流会从分流电阻通过,只有一小部分电流流过动圈表头,从而保护表头并扩大电流量程。
课堂逻辑是:
- 动圈表头本身只能承受很小的满偏电流,例如 50 μA。
- 若要测量更大电流,例如 5 A,就不能让 5 A 全部流过表头。
- 通过并联一个分流电阻,使大电流被“分走”一部分。
- 流过表头的电流仍保持在其可测量范围内。
- 但仪表刻度可以按总电流标定,因此实现更大量程测量。
2. 电压表中使用倍率电阻
为了测量较大的电压,需要使用倍率电阻(multiplier resistor)。
在电压表中,倍率电阻与动圈式表头的内阻串联连接。由于串联电阻可以分担电压,因此大部分电压可以降落在倍率电阻上,而动圈表头只承受其允许范围内的电压或电流,从而实现电压量程扩展。
课堂对比为:
- 电流表扩程:使用分流电阻,并联。
- 电压表扩程:使用倍率电阻,串联。
这里是一个容易混淆的知识点:同样是扩展量程,电流表用“并联分流”,电压表用“串联分压”。
四、动圈式仪表的实际展示与应用
课堂展示了电压表和电流表的照片,并说明这些设备用于测量电压或电流。
教师进一步展示动圈式电流表内部结构,指出内部有磁场、圆柱形磁铁和动圈。当动圈中有电流流过时,指针旋转,从而显示电流或电压的大小。
课堂还举了汽车仪表盘的例子:如果学生有驾照或开过车,会看到汽车中有指针式显示,用于显示车速或发动机转速等。教师指出,这类指针式显示装置与动圈式仪表的原理类似,说明动圈式仪表在现实生活中有广泛应用。
五、控制系统的方块图表示
课程后半部分从动圈式仪表转入控制系统基础。教师提出问题:什么是控制系统?如何理解控制系统?
课堂给出的核心观点是:控制系统通常被描述为若干个方块(block)的级联。也就是说,一个控制系统可以画成多个依次连接的方块,每个方块代表系统中的一个功能部分。
教师以三个方块为例说明:
第一个方块是传感器或换能器(transducer)。
它的作用是将物理量转换为电信号。第二个方块是信号调理器(signal conditioner)。
它的作用是将传感器输出的电信号进行调理,使其变成更适合后续处理或记录的信号。第三个方块是记录仪(recorder)。
它的作用是将调理后的信号转换为输出运动、显示或记录。
教师强调,每个方块都会对输入信号产生某种“修改作用”。例如,传感器把非电信号变成电信号,信号调理器改变信号的大小或形态,记录仪把信号转换为可读输出。
六、增益、系统灵敏度与传递函数
课堂进一步说明,每个方块对输入信号的修改作用可以用增益(gain)来描述。增益通常用符号 K 表示。也就是说,每个方块都可以看成一个具有增益 K 的环节。
如果多个方块级联,那么每个方块的增益可以相乘。课堂中提到,将各个增益相乘可以得到系统的总体效果。教师在表述中使用了“system sensitivity(系统灵敏度)”这一说法;结合上下文,这里更接近指系统总体放大或总体传递效果。不过,严格控制系统理论中“灵敏度”有专门定义,这一点将在“AI 延伸解释”中说明。
课堂给出重要定义:
传递函数(transfer function)定义为输出与输入的比值。
用符号表示:
- θo:输出。
- θi:输入。
- 传递函数 = θo / θi。
对于级联方块系统,如果每个方块的增益分别为 K1、K2、K3 等,那么总体传递函数可以表示为这些增益的乘积。
七、开环控制系统
课堂介绍了开环控制系统(open-loop control system)。
开环系统的定义是:输出不会影响输入。换句话说,输出信号不会被送回输入端,也不会用来修正输入。
教师强调开环系统的关键性质:
- 输出不用于修改输入。
- 输出不会影响输入。
- 没有反馈。
- 如果系统受到扰动或负载变化,系统不能自动修正。
课堂以直流电机(DC motor)速度控制为例:
- 如果采用开环系统控制直流电机转速。
- 当负载增加时,电机转速会下降。
- 因为没有反馈,系统不知道转速已经下降。
- 因此无法自动增加电流或调整输入来维持转速。
- 最终输出速度下降。
这个例子说明开环系统无法根据实际输出自动纠正偏差。
八、闭环控制系统与反馈作用
与开环系统相对,课堂介绍了闭环控制系统(closed-loop control system)。
闭环系统相比开环系统多了一个反馈环节。教师指出,在闭环系统图中,下方有一个专门用于反馈的方块。反馈的作用是把输出信息送回去,用来修正输入。
闭环系统的核心特点是:
- 输出可以影响输入。
- 输出会被用来与输入比较。
- 如果输出偏离期望值,系统可以根据误差调整输入。
- 系统具有自动纠正偏差的能力。
仍以直流电机为例:
- 在开环系统中,如果负载增加,电机转速下降,系统无法自动补偿。
- 在闭环系统中,系统可以检测到输出速度下降。
- 反馈环节将该信息送回输入端。
- 控制器可以增加输入电流。
- 通过增加电流补偿负载变化。
- 最终使电机转速维持或接近设定值。
这说明闭环系统能够根据输出变化调整输入,从而提高系统抗扰动能力和稳定性。
九、闭环控制系统的四个主要组成部分
课堂详细说明了闭环控制系统包含的四个主要组成部分。
1. 输入信号(input signal)
输入信号也被称为参考信号(reference signal)。它代表系统希望达到的目标或期望状态。
教师解释,之所以称为“参考信号”,是因为反馈系统会将输出与输入进行比较,输入作为比较的标准。
课堂中使用 θi 表示输入信号。
2. 输出信号(output signal)
输出信号是系统实际产生的结果,代表最终已经发生的值,也可以理解为对实际结果的测量。
课堂中使用 θo 表示输出信号。
3. 比较器(comparator)
比较器用于比较输入信号和反馈信号之间的差异,并产生误差信号(error)。
课堂中,比较器在方块图中通常用一个圆圈表示。它的作用是计算输入与反馈后输出之间的差值。
误差越小,说明输出越接近期望值;误差越大,说明输出偏离期望值越多。
4. 控制器或控制系统(controller / control system)
控制器的作用是根据误差生成控制输出,并驱动系统,使系统输出尽量接近输入信号。
如果误差很小,控制器不需要做很大幅度的调整;如果误差很大,控制器就需要对输出进行较大修正。
课堂中还说明,每个方块都有增益;反馈环节也有增益。反馈环节的增益用符号 H 表示,前向控制系统的增益用 G 表示。
十、闭环系统传递函数推导
课堂对闭环系统的传递函数进行了推导。
基本关系如下:
- 控制系统输出等于增益乘以误差:
θo = G × e
其中:
- θo:系统输出。
- G:控制系统增益。
- e:误差。
- 误差是输入信号减去反馈信号:
e = θi − H × θo
其中:
- θi:输入信号。
- H:反馈环节增益。
- H × θo:反馈信号。
- 将误差表达式代入输出表达式:
θo = G × (θi − H × θo)
展开:
θo = G × θi − G × H × θo
将含有 θo 的项移到同一边:
θo + G × H × θo = G × θi
提取 θo:
(1 + G × H) × θo = G × θi
因此:
θo / θi = G / (1 + G × H)
这就是课堂中得到的闭环系统传递函数。
该公式说明,在负反馈闭环系统中,整体输出与输入的关系不仅取决于前向增益 G,还取决于反馈增益 H。反馈会改变系统的总体响应。
十一、实际系统响应存在延迟
课堂指出,当输入信号施加到一个真实物理系统时,输出通常不会立即变化。也就是说,系统存在延迟。
教师说明,这种延迟可能非常短,也可能较长。课堂提到延迟范围可以从几毫秒到几分钟,具体取决于系统本身。
因此,控制系统不能只看最终稳定值,还要研究输出随时间变化的过程。
十二、瞬态响应与稳态响应
课堂以闭环系统对参考点阶跃变化的响应为例,将时间响应分为两个阶段:
1. 瞬态期(transient period)
瞬态期是指系统刚接收到输入变化后,输出尚未稳定的阶段。在这个阶段中,输出会随时间变化,可能上升、振荡、超调或逐渐接近目标值。
2. 稳态期(steady-state period)
稳态期是指输出基本达到稳定值的阶段。在这个阶段中,输出信号几乎保持稳定,不再发生明显变化。
教师强调,给定一个输入后,输出通常不会直接瞬间跳到稳定值,而是经历一个逐渐变化的过程。
十三、阻尼对系统响应的影响
课堂进一步讨论了控制系统阻尼(damping)对输出响应的影响。
1. 高阻尼系统
如果控制系统具有较大的阻尼行为,输出变化会比较缓慢、平滑。高阻尼系统的优点是响应平稳,缺点是达到期望输出可能较慢。
课堂提到一种高阻尼情况,并用“alpha 等于 1”作为示例。由于课堂没有展开说明 alpha 的具体定义,这里只能记录课堂提到该说法,不能确定其严格参数含义。
2. 欠阻尼系统
如果控制系统阻尼较小,输出会出现振荡。课堂描述为:输出会先超调,再欠调,再超调,再欠调,最终逐渐达到期望输出。
欠阻尼系统的特点是:
- 响应变化较快。
- 可能比高阻尼系统更快接近稳态值。
- 但输出会振荡。
- 存在超调和欠调现象。
因此,控制系统设计中需要在响应速度和稳定性之间进行权衡。
十四、控制系统的两类典型目标:调节器与伺服系统
课堂将控制系统分为两类:调节器(regulator)和伺服系统(servos)。
1. 调节器
调节器系统中,参考输入是一个恒定值。控制目标是在存在扰动的情况下,使输出保持恒定。
课堂例子是电源或插座:
- 电源输出电压应保持恒定。
- 例如插座输出电压约为 220 V。
- 当接入一台笔记本电脑时,负载电流变化。
- 当再接入另一台设备时,负载电流进一步变化。
- 但理想情况下,输出电压仍应保持恒定。
- 即使输出电流变化,输出电压也不应明显改变。
这说明调节器关注的是“恒值控制”或“抗扰动维持”。
2. 伺服系统
伺服系统中,参考输入不是恒定值,而是随时间变化的。控制目标是让输出以很小的误差跟踪输入。
课堂例子包括:
- 雷达天线跟踪目标。
- 机器人在三维空间中跟随复杂轨迹。
- 机器人在有障碍物的房间内沿预定路径导航。
在伺服系统中,输入轨迹一旦给定,系统输出就必须尽量跟随该轨迹,并保持较小偏差。
十五、控制系统在日常生活和工程中的应用
课堂最后展示了控制系统在实际生活中的广泛应用。
教师列举的应用包括:
- 汽车发动机控制:控制发动机转速。
- 汽车制动系统:在车速过快或需要减速时介入。
- 电动汽车电池管理系统:控制何时充电、何时放电,以保护电池并提高续航。
- 飞机控制系统:飞机是复杂系统,包含多种控制系统。
- 人形机器人或足式机器人:控制机器人如何行走。
- 自主船舶或船舶自动驾驶仪:使船舶在海面上自主航行。
这些例子说明,控制系统不仅存在于工业设备中,也广泛应用于交通、机器人、航空、船舶和日常生活设备中。
关键知识点与详细解释
1. Moving coil meter 的基本定义
动圈式仪表是一种利用电流在磁场中受力而产生机械偏转的测量仪表。其核心结构包括:
- 磁铁或磁场。
- 可动线圈。
- 指针。
- 刻度盘。
- 内阻。
当电流通过动圈时,动圈在磁场中受到力矩作用而转动,从而带动指针偏转。偏转程度与电流大小相关,因此可以用来指示电流或电压。
教师课堂解释的重点是:有电流,线圈在磁场中旋转,指针移动。
2. 电流测量必须串联
测量电流时,电流表必须串联在电路中。原因是电流表要测量流过某一支路的电流,就必须让该电流流过仪表本身。
如果电流表并联在电路两端,不仅不能正确测量电流,还可能造成错误连接。课堂未详细展开错误连接的后果,但串联连接是电流测量的基本原则。
3. 电压测量必须并联
测量电压时,电压表必须并联在被测电路两端。原因是电压是两点之间的电位差,电压表需要跨接在这两点之间才能测量该电位差。
如果电压表串联进电路,会改变原电路工作状态,通常不能正确测量目标电压。课堂主要强调“测电压要并联”。
4. Full-scale deflection(FSD)
FSD 是 full-scale deflection 的缩写,中文含义是“满偏转”或“满量程偏转”。
课堂给出的例子是:动圈式表头的满偏转电流可能只有 50 μA。也就是说,当流过表头的电流达到 50 μA 时,指针达到最大刻度位置。
这个数值说明动圈表头本身很灵敏,但也意味着它不能直接测量大电流或高电压,因此需要扩展量程。
5. Shunt resistor 用于扩展电流量程
shunt resistor 是分流电阻。它用于电流表中,与表头内阻并联。
其作用是让大部分电流从分流电阻通过,只允许一小部分电流通过动圈表头。这样即使总电流很大,流过表头的电流仍然不超过其满偏电流。
关键关系:
- 电流表扩程:并联分流电阻。
- 分流对象:电流。
- 连接位置:与内阻并联。
易错点:不能误认为电流表扩程是串联电阻。电流表扩程使用并联分流电阻。
6. Multiplier resistor 用于扩展电压量程
multiplier resistor 是倍率电阻,用于电压表中,与表头内阻串联。
其作用是分担多余电压,使动圈表头仍然只承受其允许范围内的电压或电流。这样电压表就可以测量更高的电压。
关键关系:
- 电压表扩程:串联倍率电阻。
- 分压对象:电压。
- 连接位置:与内阻串联。
易错点:不能误认为电压表扩程是并联电阻。电压表扩程使用串联倍率电阻。
7. 串联与并联的测量功能对比
课堂中的对比可以整理如下:
| 测量对象 | 仪表类型 | 接入方式 | 扩程元件 | 扩程元件连接方式 |
|---|---|---|---|---|
| 电流 | ammeter | 串联 | shunt resistor | 并联 |
| 电压 | voltmeter | 并联 | multiplier resistor | 串联 |
这个表格是本节课的重要记忆点。
8. 控制系统的方块图模型
控制系统常用方块图表示。每个方块代表一个功能环节,每个环节都对输入信号进行修改。
课堂例子中的三个环节:
- transducer:将物理量转换为电信号。
- signal conditioner:对电信号进行调理。
- recorder:将调理后的信号转换为输出运动、记录或显示。
这种表示方法有助于把复杂系统拆成多个模块,并分析每个模块对信号的变换作用。
9. Gain 的定义与作用
gain 是增益,表示某个环节对输入信号的放大或修改效果。课堂中用符号 K 表示单个方块的增益。
如果系统由多个方块级联组成,则总体效果可以由各环节增益相乘得到。课堂中将其与系统总体灵敏度或总体传递效果联系起来。
基本形式:
总体效果 = K1 × K2 × K3 × …
10. Transfer function 的定义
transfer function 是传递函数,定义为输出与输入之比。
课堂公式:
transfer function = θo / θi
其中:
- θo:输出。
- θi:输入。
传递函数是分析控制系统输入输出关系的重要工具。
11. Open-loop system 的定义
open-loop system 是开环控制系统。
其核心定义是:
输出不会影响输入,输出不被用来修正输入。
开环系统的特征:
- 没有反馈。
- 不能根据输出变化自动调整输入。
- 对负载变化或扰动的适应能力较弱。
- 控制精度和稳定性可能受外部影响较大。
12. Closed-loop system 的定义
closed-loop system 是闭环控制系统。
其核心定义是:
输出通过反馈环节返回输入端,并用于修正输入。
闭环系统的特征:
- 有反馈。
- 输出可以影响输入。
- 可以比较期望值与实际值。
- 可以根据误差进行调节。
- 对扰动具有更强的补偿能力。
13. Comparator 的作用
comparator 是比较器,用于比较输入信号和反馈信号。
其输出是误差信号:
e = θi − Hθo
误差反映实际输出与期望输入之间的偏差。比较器是闭环控制中形成误差信号的关键部分。
14. Error 的意义
error 是误差,表示期望输入与反馈输出之间的差异。
如果误差很小,说明系统输出已经接近目标值,控制作用不需要很大;如果误差很大,说明系统输出偏离目标较多,控制器需要产生更强的修正作用。
课堂中的逻辑是:误差驱动控制器调整输出。
15. 闭环传递函数公式
课堂推导得到闭环传递函数:
θo / θi = G / (1 + G × H)
其中:
- G:前向控制系统增益。
- H:反馈环节增益。
- G × H:环路增益。
- 1 + G × H:负反馈闭环系统的特征项。
这个公式是闭环系统分析中的核心公式之一。
16. 系统响应延迟
真实物理系统不会瞬间响应输入变化。输入改变后,输出可能需要一段时间才发生变化。
课堂提到延迟可能从几毫秒到几分钟。不同系统的响应速度差异很大。
17. Transient period 与 steady-state period
时间响应可分为两个阶段:
- transient period:瞬态期,输出尚未稳定,随时间变化。
- steady-state period:稳态期,输出基本稳定。
控制系统分析通常需要同时关注瞬态性能和稳态性能。
18. 阻尼对响应波形的影响
课堂比较了高阻尼和欠阻尼两类响应:
高阻尼:
- 响应慢。
- 变化平滑。
- 振荡少或无振荡。
- 达到稳态可能较慢。
欠阻尼:
- 响应快。
- 有振荡。
- 有超调和欠调。
- 可能更快接近稳态值,但稳定性表现较差。
19. Regulator 与 servo 的区别
调节器:
- 参考输入为常数。
- 目标是在扰动下保持输出恒定。
- 例子:电源保持输出电压恒定。
伺服系统:
- 参考输入随时间变化。
- 目标是让输出跟踪输入。
- 例子:雷达跟踪目标、机器人跟踪轨迹。
二者的核心区别是:调节器强调“保持恒定”,伺服系统强调“跟踪变化”。
课堂示例与问题
示例一:50 μA 满偏转动圈表头
课堂举例说明动圈式表头的满偏转电流很小,例如只有 50 μA。如果要测量 5 A 的电流,5 A 远超过 50 μA,因此必须使用分流电阻扩展电流量程。
该例子说明:
- 表头本身只能测量小电流。
- 分流电阻可以让大电流大部分绕过表头。
- 电流表量程可以被扩展。
示例二:电流表并联分流电阻
教师指出,在电流表中,shunt resistor 与内部电阻并联。这个例子用于说明电流表扩程的具体连接方式。
关键结论:
电流表扩程 = 并联分流电阻。
示例三:电压表串联倍率电阻
教师指出,在电压表中,multiplier resistor 与内部电阻串联。这个例子用于说明电压表扩程的具体连接方式。
关键结论:
电压表扩程 = 串联倍率电阻。
示例四:汽车指针式仪表盘
课堂提到汽车中也有指针式显示,用于显示车速或发动机转速。该例子说明动圈式仪表或类似指针显示装置在实际生活中应用广泛。
示例五:开环直流电机速度控制
课堂用直流电机说明开环系统的问题:
- 开环控制电机转速。
- 增加负载。
- 电机转速下降。
- 系统无法自动调整。
- 输出速度不能保持。
该例子说明开环系统不能自动补偿扰动。
示例六:闭环直流电机速度控制
课堂继续用直流电机说明闭环系统的优势:
- 负载增加导致速度下降。
- 反馈检测到速度变化。
- 控制器增加输入电流。
- 电机转速得到补偿。
- 输出速度可维持稳定。
该例子说明闭环系统可以通过反馈修正输入。
示例七:插座电源恒压输出
课堂用插座或电源说明调节器:
- 接入一台笔记本电脑,负载变化。
- 再接入另一台设备,电流变化。
- 输出电压仍应保持恒定,例如约 220 V。
- 即使输出电流变化,电压也应稳定。
该例子说明调节器的目标是保持输出恒定。
示例八:雷达天线与机器人轨迹跟踪
课堂用雷达天线跟踪目标、机器人跟随复杂轨迹说明伺服系统。
该例子说明伺服系统的目标是让输出跟踪时变输入,并尽量减小误差。
课堂问答与互动
课堂开头出现教师询问学生是否理解、是否听清等互动,例如“这样理解吗”“没太听太清”。后半部分教师在讲完伺服系统和机器人例子后询问“Any questions at that point?”,但材料中未记录到具体学生提问或进一步问答内容。
因此,本节课堂问答主要表现为教师引导和确认理解,未涉及明确的学生问题与教师回答。
AI 延伸解释
以下内容是为了帮助理解而补充,并非教师原话。
1. 动圈式仪表为什么会偏转
课堂中教师说明了“电流通过线圈,在磁场中旋转”的基本现象,但没有展开力的具体来源。补充来说,通电线圈在磁场中会受到电磁力作用,通常可以用洛伦兹力或电磁转矩理解。线圈两侧导体中的电流方向相反,在磁场中受到方向相反的力,从而形成转矩,使线圈转动。仪表通常还会有弹簧或其他恢复机构,使偏转最终稳定在某个位置。在线性范围内,指针偏转角可近似与电流成正比,因此刻度可以较均匀。
2. 分流电阻和倍率电阻的计算思路
课堂给出了“分流电阻并联扩程、倍率电阻串联扩程”的原则,但没有给出具体计算公式。补充常见思路如下:
若动圈表头满偏电流为 If,内阻为 Rm。
扩展电流量程
若希望测量总电流 I,且 I 大于 If,则分流电阻 Rs 需要承担多余电流 I − If。在并联结构中,表头两端电压与分流电阻两端电压相等:
If × Rm = (I − If) × Rs
因此:
Rs = If × Rm / (I − If)
扩展电压量程
若希望测量较大电压 V,则串联倍率电阻 Rmuliplier 需要承担多余电压。满偏时表头电流仍为 If:
V = If × (Rm + Rmultiplier)
因此:
Rmultiplier = V / If − Rm
这些公式不是课堂原话,但可以帮助理解为什么分流电阻并联、倍率电阻串联。
3. 关于“system sensitivity”的表述
课堂中提到“各个增益相乘可以计算 system sensitivity”。在基础教学语境中,这可能是指系统总体放大倍数或总体传递效果。严格来说,控制系统中的“灵敏度函数”通常有专门定义,用于描述系统输出对参数变化或扰动的敏感程度,并且往往与闭环传递函数有关。因此,复习时可以把课堂中的“sensitivity”理解为“系统总体响应或总体增益效果”,但如果后续课程出现严格的灵敏度定义,应以课程后续定义为准。
4. 传递函数与拉普拉斯变量
课堂主要用 θo、θi、G、H 等符号进行代数推导。更完整的控制系统分析中,传递函数常写成复频域形式,例如 G(s) 和 H(s)。其中 s 是拉普拉斯变量,可以描述系统的动态响应。课堂中的闭环公式 θo / θi = G / (1 + GH) 是简化形式;若考虑动态系统,则通常写为:
T(s) = G(s) / [1 + G(s)H(s)]
这适用于典型负反馈闭环系统。
5. 关于高阻尼与欠阻尼的进一步理解
课堂描述了高阻尼响应慢、欠阻尼响应快但振荡的现象。补充来说,在经典二阶系统中,阻尼程度常与阻尼比有关。常见理解是:
- 过阻尼:响应慢,无明显振荡。
- 临界阻尼:在无振荡条件下较快达到稳态。
- 欠阻尼:响应快,但有超调和振荡。
课堂中提到 “alpha = 1” 表示高阻尼情况,但没有定义 alpha 的具体含义。因此,不宜在没有后续课程材料的情况下将其直接等同于某个标准阻尼参数。
6. 开环与闭环的工程权衡
课堂强调闭环可以通过反馈修正误差。补充来说,闭环系统虽然通常精度更高、抗扰动能力更强,但也可能带来设计复杂度增加、传感器成本增加、稳定性设计困难等问题。开环系统结构简单,但无法自动补偿扰动。实际工程中需要根据任务需求选择开环或闭环方案。
英语术语学习表
| English term | 中文含义 | 课堂语境与用法 | Example sentence |
|---|---|---|---|
| moving coil meter | 动圈式仪表 | 课堂核心仪器,利用电流在磁场中使线圈旋转并带动指针偏转。 | The moving coil meter uses a coil rotating in a magnetic field to move the pointer. |
| ammeter | 电流表 | 用于测量电流,必须串联在电路中。 | An ammeter should be connected in series with the circuit. |
| voltmeter | 电压表 | 用于测量电压,必须并联在电路两端。 | A voltmeter is connected in parallel to measure voltage. |
| series | 串联 | 电流表测电流时需要与电路串联。 | The ammeter is connected in series with the load. |
| parallel | 并联 | 电压表测电压时需要与电路并联。 | The voltmeter is connected in parallel with the resistor. |
| shunt resistor | 分流电阻 | 用于电流表中扩展电流量程,与内阻并联。 | A shunt resistor is used to expand the current measuring range. |
| multiplier resistor | 倍率电阻 | 用于电压表中扩展电压量程,与内阻串联。 | A multiplier resistor is connected in series to measure higher voltage. |
| internal resistance | 内阻 | 动圈式表头内部的电阻。 | The shunt resistor is connected in parallel with the internal resistance. |
| full-scale deflection | 满偏转 | 指针达到最大刻度时的偏转,课堂例子为 50 μA。 | The full-scale deflection current of the meter is 50 microamperes. |
| measuring range | 测量范围 / 量程 | 仪表可以测量的物理量范围。 | A shunt resistor expands the measuring range of the ammeter. |
| pointer | 指针 | 仪表上随线圈偏转并指示读数的部件。 | The pointer moves when current flows through the coil. |
| magnetic field | 磁场 | 动圈式仪表内部由磁铁提供,使通电线圈受力。 | The moving coil rotates in the magnetic field. |
| control system | 控制系统 | 课程后半部分核心主题,用于使系统输出达到期望状态。 | A control system can be described by blocks and gains. |
| block | 方块 / 功能模块 | 控制系统框图中的组成部分。 | Each block modifies the input signal. |
| gain | 增益 | 表示每个方块对输入信号的修改或放大作用。 | The gain of each block is represented by K. |
| transfer function | 传递函数 | 定义为输出与输入的比值。 | The transfer function is the ratio between output and input. |
| open-loop system | 开环系统 | 输出不会影响输入,没有反馈。 | An open-loop system has no feedback. |
| closed-loop system | 闭环系统 | 输出通过反馈影响输入。 | A closed-loop system uses feedback to correct the input. |
| feedback | 反馈 | 将输出信号返回输入端以修正系统行为。 | The feedback signal is compared with the input signal. |
| comparator | 比较器 | 比较输入与反馈信号,产生误差。 | The comparator gives the error between input and feedback. |
| reference signal | 参考信号 | 输入信号的另一种叫法,表示期望值。 | The reference signal represents the desired output. |
| error | 误差 | 输入与反馈信号之间的差值。 | The controller acts according to the error. |
| controller | 控制器 | 根据误差生成控制输出的部分。 | The controller changes the input based on the error. |
| transient period | 瞬态期 | 系统输出尚未稳定的响应阶段。 | During the transient period, the output changes with time. |
| steady-state period | 稳态期 | 系统输出基本稳定的响应阶段。 | In the steady-state period, the output is almost stable. |
| damping | 阻尼 | 影响系统响应是否平滑或振荡。 | High damping makes the response slow and smooth. |
| overshoot | 超调 | 输出超过目标值的现象,课堂用于描述欠阻尼振荡。 | An underdamped system may show overshoot. |
| undershoot | 欠调 | 输出低于目标值的现象,课堂用于描述欠阻尼振荡。 | The output may undershoot after overshooting. |
| regulator | 调节器 | 参考输入恒定,目标是保持输出恒定。 | A voltage regulator keeps the output voltage constant. |
| servo | 伺服系统 | 参考输入时变,目标是让输出跟踪输入。 | A servo system tracks a time-varying input. |
| transducer | 传感器 / 换能器 | 将物理量转换为电信号的方块。 | A transducer converts a physical quantity into an electrical signal. |
| signal conditioner | 信号调理器 | 对电信号进行调理的方块。 | The signal conditioner modifies the electrical signal into a conditioned signal. |
| recorder | 记录仪 | 将调理后的信号转换为输出运动或记录的方块。 | The recorder converts the conditioned signal into output movement. |
| DC motor | 直流电机 | 课堂用于说明开环和闭环速度控制。 | The closed-loop system can maintain the speed of a DC motor. |
| load | 负载 | 电机输出端的外部阻力或用电设备。 | If the load increases, the motor speed may decrease. |
| disturbance | 扰动 | 影响系统输出的外部或内部变化。 | A regulator should keep the output constant despite disturbance. |
复习提纲
一、基础测量仪表部分
什么是动圈式仪表?
- 内部有哪些主要部件?
- 电流通过后为什么会偏转?
- 指针偏转与电流之间有什么关系?
测量电流和电压时,仪表如何连接?
- 电流表为什么串联?
- 电压表为什么并联?
- 如果接错会出现什么问题?
什么是 full-scale deflection?
- 课堂例子中 FSD 是多少?
- 为什么小 FSD 表头需要扩展量程?
电流表如何扩展量程?
- 使用什么电阻?
- 该电阻如何连接?
- 为什么并联可以分流?
电压表如何扩展量程?
- 使用什么电阻?
- 该电阻如何连接?
- 为什么串联可以分压?
二、控制系统基本概念部分
控制系统如何用方块图表示?
- 每个方块代表什么?
- 传感器、信号调理器、记录仪分别有什么作用?
什么是增益?
- 增益用什么符号表示?
- 级联方块的增益如何处理?
什么是传递函数?
- 公式是什么?
- 输出和输入分别用什么符号表示?
三、开环与闭环部分
什么是开环系统?
- 输出是否影响输入?
- 是否存在反馈?
- 开环直流电机负载增加时会发生什么?
什么是闭环系统?
- 输出如何影响输入?
- 反馈起什么作用?
- 闭环直流电机负载增加时如何维持速度?
闭环系统四个主要组成部分是什么?
- 输入信号 / 参考信号。
- 输出信号。
- 比较器。
- 控制器 / 控制系统。
比较器的作用是什么?
- 它比较哪两个量?
- 它输出什么信号?
误差信号如何定义?
- e = θi − Hθo。
- 误差大小说明什么?
四、闭环传递函数推导部分
需要能够独立推导:
- θo = G × e
- e = θi − H × θo
- θo = G × (θi − H × θo)
- θo + GHθo = Gθi
- θo / θi = G / (1 + GH)
核心问题:
- 为什么分母是 1 + GH?
- G 和 H 分别代表哪一部分的增益?
- 该公式适用于哪种反馈类型?
五、时间响应与阻尼部分
- 实际系统为什么会有响应延迟?
- 时间响应分为哪两个阶段?
- 瞬态期。
- 稳态期。
- 高阻尼系统有什么特点?
- 欠阻尼系统有什么特点?
- 超调和欠调分别是什么意思?
- 为什么欠阻尼系统可能更快到达稳态,但稳定性表现较差?
六、控制系统分类部分
什么是调节器?
- 参考输入是否恒定?
- 控制目标是什么?
- 电源插座例子说明什么?
什么是伺服系统?
- 参考输入是否随时间变化?
- 控制目标是什么?
- 雷达天线和机器人轨迹跟踪说明什么?
七、应用部分
需要能够举例说明控制系统的应用:
- 汽车发动机控制。
- 制动系统。
- 电池管理系统。
- 飞机控制。
- 机器人行走控制。
- 自主船舶或自动驾驶仪。
八、本课易错点汇总
- 电流表串联,电压表并联,不要混淆。
- 电流表扩程用并联分流电阻,不是串联电阻。
- 电压表扩程用串联倍率电阻,不是并联电阻。
- 传递函数是输出除以输入,不是输入除以输出。
- 开环系统没有反馈,不能自动修正输出。
- 闭环系统有反馈,输出可以影响输入。
- 闭环传递函数不要漏掉分母中的 1,即 G / (1 + GH)。
- 欠阻尼虽然可能响应更快,但会产生振荡和超调。
- 调节器用于保持恒定,伺服系统用于跟踪变化。
- 课堂中“system sensitivity”与“transfer function”有关联,但严格定义需要以后续课程表述为准。