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2023年4月2日发(作者：辐射牛)
《自动化专业英语教程》-王宏文主编-全文翻译
PART1ElectricalandElectronicEngineeringBasics
UNIT1AElectricalNetworks————————————3
BThree-phaseCircuits
UNIT2ATheOperationalAmplifier———————————5
BTransistors
UNIT3ALogicalVariablesandFlip-flop——————————8
BBinaryNumberSystem
UNIT4APowerSemiconductorDevices——————————11
BPowerElectronicConverters
UNIT5ATypesofDCMotors—————————————15
BClosed-loopControlofDCDrivers
UNIT6AACMachines———————————————19
BInductionMotorDrive
UNIT7AElectricPowerSystem————————————22
BPowerSystemAutomation
PART2ControlTheory
UNIT1ATheWorldofControl————————————27
BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation—————29
UNIT2AStabilityandtheTimeResponse—————————30
BSteadyState—————————————————31
UNIT3ATheRootLocus—————————————32
BTheFrequencyResponseMethods:NyquistDiagrams—————33
UNIT4ATheFrequencyResponseMethods:BodePiots—————34
BNonlinearControlSystem37
UNIT5AIntroductiontoModernControlTheory38
BStateEquations40
UNIT6AControllability,Observability,andStability
BOptimumControlSystems
UNIT7AConventionalandIntelligentControl
BArtificialNeuralNetwork
PART3ComputerControlTechnology
UNIT1AComputerStructureandFunction42
BFundamentalsofComputerandNetworks43
UNIT2AInterfacestoExternalSignalsandDevices44
BTheApplicationsofComputers46
UNIT3APLCOverview
BPACsforIndustrialControl,theFutureofControl
UNIT4AFundamentalsofSingle-chipMicrocomputer49
BUnderstandingDSPandItsUses
UNIT5AAFirstLookatEmbeddedSystems
BEmbeddedSystemsDesign
PART4ProcessControl
UNIT1AAProcessControlSystem50
BFundamentalsofProcessControl52
UNIT2ASensorsandTransmitters53
BFinalControlElementsandControllers
UNIT3APControllersandPIControllers
BPIDControllersandOtherControllers
UNIT4AIndicatingInstruments
BControlPanels
PART5ControlBasedonNetworkandInformation
UNIT1AAutomationNetworkingApplicationAreas
BEvolutionofControlSystemArchitecture
UNIT2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems
BStabilityofNCSswithNetwork-inducedDelay
UNIT3AFundamentalsoftheDatabaseSystem
BVirtualManufacturing—AGrowingTrendinAutomation
UNIT4AConceptsofComputerIntegratedManufacturing
BEnterpriseResourcesPlanningandBeyond
PART6SyntheticApplicationsofAutomaticTechnology
UNIT1ARecentAdvancesandFutureTrendsinElectricalMachineDrivers
BSystemEvolutioninIntelligentBuildings
UNIT2AIndustrialRobot
BAGeneralIntroductiontoPatternRecognition
UNIT3ARenewableEnergy
BElectricVehicles
UNIT1
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:?u=iR(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：U=Ldi/dt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u=，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=idt，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
B三相电路
三相电路不过是三个单相电路的组合。因为这个事实，所以平衡三相电路的电流、电压和
功率关系可通过在三相电路的组合元件中应用单相电路的规则来研究。这样看来，三相电路比
单相电路的分析难不了多少。使用三相电路的原因在单相电路中，功率本身是脉动的。在功率
因数为1时，单相电路的功率值每个周波有两次为零。当功率因数小于1时，功率在每个周波
的部分时间里为负。?虽然供给三相电路中每一相的功率是脉动的，但可证明供给平衡三相电
路的总功率是恒定的。基于此，总的来说三相电气设备的特性优于类似的单相电气设备的特性。
三相供电的机械和控制设备与相同额定容量的单相供电的设备相比：体积小，重量轻，效率
高。除了三相系统提供的上述优点，三相电的传输需要的铜线仅仅是同样功率大小单相电传输
所需铜线的3/4。三相电压的产生三相电路可由三个频率相同在时间相位上相差120电角度的
电动势供电。这样的三相正弦电动势如图1-1B-1所示。这些电动势由交流发电机的三套独立
电枢线圈产生，这三套线圈安装在发电机电枢上，互相之间相差120电角度。线圈的头尾可以
从发电机中全部引出，组成三个独立的单相电路。然而一般线圈无论在内部或在外部均会相互
连接，形成三线或四线三相系统。连接三相发电机线圈有两种方法，一般来说，把任何类型的
装置连接到三相电路也存在两种方法。它们是星（Y）形联接和角（D）形联接。大多数发电机
是星（Y）形联接，但负载可以是星（Y）形联接或角（D）形联接。星（Y）形联接发电机的电
压关系?图1-1B-2a表示发电机的三个线圈或相绕组。这些绕组在电枢表面上是按它们产生的
电动势在时间相位上相差120分布的。每一个线圈的两端均标有字母S和F(起始和终结)。
图1-1B-2a中，所有标有S的线圈端连接到一个公共点N，三个标有F的线圈端被引出到接线端
A、B和C，形成三相三线电源。这种联接形式被称为Y形联接。中性联接经常被引出接到接线
板上，如图1-1B-2a的虚线所示，形成三相四线系统。交流发电机每相产生的电压被称为相电
压（符号为Ep）。如果中性联接从发电机中引出，那么从任一个接线端A、B或C到中性联接
N间的电压为相电压。三个接线端A、B或C中任意两个间的电压被称为线到线的电压，或简
称线电压（符号为EL）。三相系统的三相电压依次出现的顺序被称为相序或电压的相位旋转。
这由发电机的旋转方向决定，但可以通过交换发电机外的三条线路导线中的任意两条(不是一条
线路导线和中性线)来改变相序。将三相绕组排列成如图1-1B-2b所示的Y形有助于Y形联接电
路图的绘制。注意，图1-1B-2b所示的电路与图1-1B-2a所示的电路完全一样，在每一种情况
下，连接到中性点的每一个线圈的S端和F端都被引出到接线板。在画出所有的接线点都标注
了字母的电路图后，绘制的相量图如图1-1B-2c所示。相量图可显示相隔120的三相电压???
请注意在图1-1B-2中每一个相量用带有两个下标的字母表示。这两个下标字母表示电压的两个
端点，字母顺序表示在正半周时电压的相对极性。例如，符号????表示点A和N间的电压，在
其正半周，A点相对于N点为正。在所示的相量图中，已假定在正半周时发电机接线端相对于中
性线为正。因为电压每半周反一次相，所以我们也可规定在电压的正半周A点相对于N点为负，
但对每一相的规定要一样。要注意到，如果是在电压的正半周定义A点相对于N的极性(?????)，
那么????在用于同一相量图中时就应该画得同??????相反，即相位差为180Y形联接发电机
的任意两个接线端间的电压等于这两个接线端相对于中性线间的电位差。例如，线电压???等
于A接线端相对于中性线间的电压(???)减去B接线端相对于中性线间的电压(???)。为了从?????
中减去????，必需将???反相，并把此相量加到????上。相量????和????幅值相等，相位
相差60，如图1-1B-2c所示。由图形可以看出通过几何学可以证明?等于1.73乘以（）??或
（）????。图形结构如相量图所示。因此，在对称Y形联接中星（Y）形联接发电机的电流关
系从发电机接线端A、B和C(图1-1B-2)流到线路导线的电流必定从中性点N中流出，并流
过发电机线圈。因此流过每一条线路导线的电流(??)必定等于与其相连接的相电流(????)。
在Y形联接中IL=IP
UNIT2
A?运算放大器??
运算放大器像广义放大器这样的电子器件存在的一个问题就是它们的增益AU或AI取决于双端
口系统(m、b、RI、Ro等)的内部特性。器件之间参数的分散性和温度漂移给设计工作增加了难
度。设计运算放大器或Op-Amp的目的就是使它尽可能的减少对其内部参数的依赖性、最大程度
地简化设计工作。运算放大器是一个集成电路，在它内部有许多电阻、晶体管等元件。就此而
言，我们不再描述这些元件的内部工作原理。
运算放大器的全面综合分析超越了某些教科书的范围。在这里我们将详细研究一个例子，
然后给出两个运算放大器定律并说明在许多实用电路中怎样使用这两个定律来进行分析。这两
个定律可允许一个人在没有详细了解运算放大器物理特性的情况下设计各种电路。因此，运算
放大器对于在不同技术领域中需要使用简单放大器而不是在晶体管级做设计的研究人员来说是
非常有用的。在电路和电子学教科书中，也说明了如何用运算放大器建立简单的滤波电路。作
为构建运算放大器集成电路的积木—晶体管，将在下篇课文中进行讨论。
理想运算放大器的符号如图1-2A-1所示。图中只给出三个管脚：正输入、负输入和输出。
让运算放大器正常运行所必需的其它一些管脚，诸如电源管脚、接零管脚等并未画出。在实际
电路中使用运算放大器时，后者是必要的，但在本文中讨论理想的运算放大器的应用时则不必
考虑后者。两个输入电压和输出电压用符号U+、U-和Uo表示。每一个电压均指的是相对于
接零管脚的电位。运算放大器是差分装置。差分的意思是：相对于接零管脚的输出电压可由下
式表示(1-2A-1)式中A是运算放大器的增益，U+和U-是输入电压。换句话说，输出
电压是A乘以两输入间的电位差。
集成电路技术使得在非常小的一块半导体材料的复合“芯片”上可以安装许多放大器电
路。运算放大器成功的一个关键就是许多晶体管放大器“串联”以产生非常大的整体增益。也
就是说，等式(1-2A-1)中的数A约为100,000或更多(例如，五个晶体管放大器串联，每一个
的增益为10，那么将会得到此数值的A)。第二个重要因素是这些电路是按照流入每一个输入
的电流都很小这样的原则来设计制作的。第三个重要的设计特点就是运算放大器的输出阻抗(Ro)
非常小。也就是说运算放大器的输出是一个理想的电压源。
我们现在利用这些特性就可以分析图1-2A-2所示的特殊放大器电路了。首先，注意到在
正极输入的电压U+等于电源电压，即U+=Us。各个电流定义如图1-2A-2中的b图所示。对
图1-2A-2b的外回路应用基尔霍夫定律，注意输出电压Uo指的是它与接零管脚之间的电风古诗李峤 位，
我们就可得到因为运算放大器是按照没有电流流入正输入端和负输入端的原则制作的，即I-
=0。那么对负输入端利用基尔霍夫定律可得I1=I2，利用等式(1-2A-2)，并设I1=I2=I，?U0
=(R1+R2)I(1-2A-3)根据电流参考方向和接零管脚电位为零伏特的事实，利用欧姆定律，
可得负极输入电压U-：因此?U-=IR1，并由式(1-2A-3)可得：因为现在已有了
U+和U-的表达式，所以式(1-2A-1)可用于计算输出电压，综合上述等
式，可得：最后可得：这是电路的增益系数。如果A
是一个非常大的数，大到足够使AR1>>(R1+R2)，那么分式的分母主要由AR1项决定，存在
于分子和分母的系数A就可对消，增益可用下式表示这表明(1-2A-5b)，如果A非
常大，那么电路的增益与A的精确值无关并能够通过R1和R2的选择来控制。这是运算放大器
设计的重要特征之一——在信号作用下，电路的动作仅取决于能够容易被设计者改变的外部元
件，而不取决于运算放大器本身的细节特性。注意，如果A=100,000，而(R1+R2)/R1=10，那
么为此优点而付出的代价是用一个具有100,000倍电压增益的器件产生一个具有10倍增益的放
大器。从某种意义上说，使用运算放大器是以“能量”为代价来换取“控制”。
对各种运算放大器电路都可作类似的数学分析，但是这比较麻烦，并且存在一些非常有用
的捷径，其涉及目前我们提出的运算放大器两个定律应用。
1)第一个定律指出：在一般运算放大器电路中，可以假设输入端间的电压为零，也就是
说，
2)第二个定律指出：在一般运算放大器电路中，两个输入电流可被假定为零：I+=I-=0
第一个定律是因为内在增益A的值很大。例，如果运算放大器的输出是1V，并且
A=100,000,那么这是一个非常小、可以忽略的数，因此可设U+=U-。第二个定律来自于运算放
大器的内部电路结构，此结构使得基本上没有电流流入任何一个输入端。
B???晶体管?
简单地说，半导体是这样一种物质，它能够通过“掺杂”来产生多余的电子，又称自由电子（N
型）；或者产生“空穴”，又称正电荷（P型）。由N型掺杂和P型掺杂处理的锗或硅的单晶体
可形成半导体二极管，它具有我们描述过的工作特性。晶体管以类似的方式形成，就象带有公
共中间层、背靠背的两个二极管，公共中间层是以对等的方式向两个边缘层渗入而得，因此中
间层比两个边缘层或边缘区要薄的多。PNP或NPN(图1-2B-1)这两种结构显然是可行的。PNP
或NPN被用于描述晶体管的两个基本类型。因为晶体管包含两个不同极性的区域（例如“P”区
和“N”区），所以晶体管被叫作双向器件，或双向晶体管因此晶体管有三个区域，并从这三个
区域引出三个管脚。要使工作电路运行，晶体管需与两个外部电压或极性连接。其中一个外部
电压工作方式类似于二极管。事实上，保留这个外部电压并去掉上半部分，晶体管将会象二极
管一样工作。例如在简易收音机中用晶体管代替二极管作为检波器。在这种情况下，其所起的
作用和二极管所起的作用一模一样。可以给二极管电路加正向偏置电压或反向偏置电压。在加
正向偏置电压的情况下，如图1-2B-2所示的PNP晶体管，电流从底部的P极流到中间的N极。
如果第二个电压被加到晶体管的顶部和底部两个极之间，并且底部电压极性相同，那么，流过
中间层N区的电子将激发出从晶体管底部到顶部流过的电流。在生产晶体管的过程中，通过控
制不同层的掺杂度，经过负载电阻流过第二个电路电流的导电能力非常显着。实际上，当晶体
管下半部为正向偏置时，底部的P区就像一个取之不竭的自由电子源（因为底部的P区发射电
子，所以它被称为发射极）。这些电子被顶部P区接收，因此它被称为集电极，但是流过这个
特定电路实际电流的大小由加到中间层的偏置电压控制，所以中间层被称为基极。因此，当晶
体管外加电压接连正确（图1-2B-3）后工作时，实际上存在两个独立的“工作”电路。一个是
由偏置电压源、发射极和基极形成的回路，它被称为基极电路或输入电路；第二个是由集电极
电压源和晶体管的三个区共同形成的电路，它被称为集电极电路或输出电路。（注意：本定义
仅适用于发射极是两个电路的公共端时——被称为共发射极连接。）这是晶体管最常见的连接
方式，但是，当然也存在其它两种连接方法——共基极连接和共集电极连接。但是在每一种情
况下晶体管的工作原理是相同的。本电路的特色是相对小的基极电流能控制和激发出一个比它
大得多的集电极电流(或更恰当地说，一个小的输入功率能够产生一个比它大得多的输出功率)。
换句话说，晶体管的作用相当于一个放大器。在这种工作方式中，基极-发射极电路是输入侧；
通过基极的发射极和集电极电路是输出侧。虽然基极和发射极是公共路径，但这两个电路实际
上是独立的，就基极电路的极性而言，基极和晶体管的集电极之间相当于一个反向偏置二极管，
因此没有电流从基极电路流到集电极电路。要让电路正常工作，当然，加在基极电路和集电极
电路的电压极性必须正确（基极电路加正向偏置电压，集电极电源的连接要保证公共端（发射
极）的极性与两个电压源的极性相同）。这也就是说电压极性必须和晶体管的类型相匹配。在
上述的PNP型晶体管中，发射极电压必须为正。因此，基极和集电极相对于发射极的极性为负。
PNP型晶体管的符号在发射极上有一个指示电流方向的箭头，总是指向基极。（在PNP型晶体
管中，“P”代表正）。在NPN型晶体管中，工作原理完全相同，但是两个电源的极性正好相
反（图1-2B-4）。也就是说，发射极相对于基极和集电极来说极性总是负的（在NPN型晶体管
中，“N”代表负）。这一点也可以从NPN型晶体管符号中发射极上相反方向的箭头看出来，即，
电流从基极流出。虽然现在生产的晶体管有上千种不同的型号，但晶体管各种外壳形状的数量
相对有限，并尽量用一种简单码——TO（晶体管外形）后跟一个数字为统一标准。TO1是一种最
早的晶体管外壳——即一个在底部带有三个引脚的圆柱体“外罩”，这三个引脚在底部形成三
角状。观看底部时，“三角形”上面的管脚是基极，其右面的管脚（由一个彩色点标出）为集
电极，其左面的管脚为发射极。集电极引脚到基集引脚的间距也许比发射极到基集引脚的间距
要大。在其它TO外壳中，三个引脚可能有类似的三角形形状（但是基极、集电极和发射极的
位置不一定相同），或三个引脚排成一条直线。使人容易搞乱的问题是同一TO号码的子系列产
品其管脚位置是不一样的。例如，TO92的三个管脚排成一条直线，这条直线与半圆型“外罩”
的切面平行，观看TO92的底部时，将切面冲右，从上往下读，管脚的排序为1，2，3。（注otherwise
circular“can”中的otherwise译为不同的，特殊的。在这里“特殊的圆形外罩”指的应该是
普通的圆柱体“外罩”在圆平面上画一条小于等于直径的弦，沿轴线方向切入后形成的半或大
半圆柱体，切入后形成的剖面就是文中说的aflatside，这也是现在很常见的一种晶体管外
壳。）?对TO92子系列a(TO92a):??????1=发射极2=集电极3=基极对TO92子系列b(TO92b):
1=发射极2=基3=集电极更容易使人搞乱的是一些晶体管只有两个管脚（第三个管脚已在里边和
外壳连接）；一些和晶体管的外形很像的外壳底部有三个以上的管脚。实际上，这些都是集成
电路(ICs)，用和晶体管相同的外壳包装的，只是看起来像晶体管。更复杂的集成电路（ICs）用
不同形状的外壳包装，例如平面包装。根据外壳形状非常容易识别功率晶体管。它们是金属外
壳，带有延长的底部平面，底部平面上还有两个安装孔。功率晶体管只有两个管脚（发射极和
基极），通常会标明。集电极在内部被连接到外壳上，因此，与集电极的连接要通过一个装配
螺栓或外壳底面。
UNIT3
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
B??二进制数字系统
UNIT4
A??功率半导体器件?
功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子
转换器中。开关式功率变换的效率更高。现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分
类如下：二极管晶闸管或可控硅双向可控硅门极可关断晶闸管双极结型晶体管电力金属氧化物
半导体场效应晶体管静电感应晶体管绝缘栅双极型晶体管金属氧化物半导体控制的晶闸管集成
门极换向晶闸管二极管电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：电镀、
电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯
性滑行功能。典型的功率二极管具有P-I-N结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于P-N
结的中部以阻断反向电压。图1-4A-1给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正向偏置条件
下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特
性曲线。典型的正向导通压降为1.0伏。导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对
二极管进行冷却来限制结温上升。在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏
电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪
崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。电力二极管分
类如下:标准或慢速恢复二极管快速恢复二极管肖特基二极管晶闸管闸流管或可控硅一直是工
业上用于大功率变换和控制的传统设备。50年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电
力电子技术。术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效装置，闸流管。通常，晶闸管是个系
列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸
管、集成门极换向晶闸管。晶闸管可分成标准或慢速相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。
逆变器型现已淘汰。图1-4A-2给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本上，晶闸管是一个
三结P-N-P-N器件，器件内P-N-P和N-P-N两个三极管按正反馈方式连接。晶闸管可阻断正向
和反向电压（对称阻断）。当阳极为正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；
但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压
的上升率（dv/dt）、结温的上升、PN结上的光照等产生误导通。在门电流IG=0时，如果将
正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电
压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流IG的增加，正向转折电压随之减少，最后，当
门极控制电流IG=IG3时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。在晶
闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流，晶闸管将成功导通。在导通期间，如果门极电流
是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。相对反
向电压而言，晶闸管末端的P-N结处于反向偏置状态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、
大电流（数千安）额定值。双向可控硅双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在
同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图1-4A-3给出了双向可控硅的符号。在电源的正半周和
负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在Ⅰ+工作方式，T2端为正，双向可控硅由
正门极电流脉冲触发导通。在Ⅲ-工作方式，T1端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通
双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。由于少数载
流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。由于同样的原因，重复施加的
dv/dt额定值较低，因此用于感性负载比较困难。双向可控硅电路必须有精心设计的RC冲器。
双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60赫兹电源频率的固态继电
器。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸
管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。
GTO的关断能力来自由门极转移P-N-P集电极的电流，因此消除P-N-P／N-P-N的正反馈效应。
GTO有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。GTO的阻断电
流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为4或5，非常低。这意味着6000
安培的GTO需要1,500安培的门极电流脉冲。但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常
小，用低压电力MOS场效应晶体管提供非常容易。GTO被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容
量AC/DC电源。大容量GTO的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。图1-4A-4给出
了GTO的符号。电力MOS场效应晶体管与以前讨论的器件不同，电力MOS场效应晶体管是一种
单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。图1-4A-5给出了N型MOS场效应晶体管的符号
如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多
数载流子（电子）组成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅—源极电容在导通和关
断时会产生一个脉冲电流。MOS场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通
过所有的反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连
接的快速恢复二极管旁路。?虽然对较高的电压器件来说，MOS场效应晶体管处于导通时损耗较
大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。它确实没有与双极性器件相关的少数载
流子存储延迟问题。虽然在静态MOS场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由
电流源驱动而后跟随一个电压源来减少开关延迟。MOS场效应晶体管在低压、小功率和高频（数
十万赫兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机
驱动和固态直流继电器。绝缘栅双极型晶体管在20世纪80年代中期出现的绝缘栅双极型晶体
管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。它们在中等功率（数千瓦到数兆瓦）的电
力电子设备上处处可见，被广泛用于直流/交流传动和电源系统。它们在数兆瓦功率级取代了双
极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。IGBT基本上是混合的MOS门控通
断双极性晶体管，它综合了MOSFET和BJT的优点。它的结构基本上与MOSFET的结构相似，只
是在MOSFET的N+漏极层上的集电极加了一个额外的P+层。IGBT有MOSFET的高输入阻抗和像
BJT的导通特性。如果门极电压相对于发射极为正，P区的N型沟道受到感应。这个P-N-P晶
体管正向偏置的基极—发射极结使IGBT导通并引起N－区传导性调制，这使得导通压降大大低
于MOSFET的导通压降。在导通条件下，在IGBT的等效电路中，驱动器MOSFET运送大部分的
端子电流。由寄生N-P-N晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少P+层电阻系数
和通过MOSFET将大部分电流转移而得到预防。IGBT通过减小门极电压到零或负电压来关断，
这样就切断了P区的导通通道。IGBT比BJT或MOSFET有更高的电流密度。IGBT的输入电容
(Ciss)比MOSFET的要小得多。还有，IGBT的门极—集电极电容与门极—发射极电容之比更低，
给出了改善的密勒反馈效应。金属氧化物半导体控制的晶闸管金属氧化物半导体控制的晶闸管
(MCT)，正像名字所说的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器件，它可以通
过在MOS门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。MCT具有微单元结构，在那里同一个芯片上
数千个微器件并联连接。单元结构有点复杂。图1-4A-7给出了MCT的符号。它由一个相对于
阳极的负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制关断。MCT具有类似晶闸管
的P-N-P-N结构，在那里P-N-P和N-P-N两个晶体管部件连接成正反馈方式。但与晶闸管不同
的是MCT只有单极（或不对称）电压阻断能力。如果MCT的门极电压相对于阳极为负，在P型
场效应晶体管中的P沟道受到感应，使N-P-N晶体管正向偏置。这也使P-N-P晶体正向偏置，
由正反馈效应MCT进入饱和状态。在导通情况下，压降为1伏左右（类似于晶闸管）如果MCT的
门极电压相对于阳极为正，N型场效应晶体管饱和并将P-N-P晶体管的发射极-基极短路。这将
打破晶闸管工作的正反馈环，MCT关断。关断完全是由于再结合效应因而MCT的关断时间有点
长。MCT有限定的上升速率，因此在MCT变换器中必须加缓冲器电路。最近，MCT已用于“软
开关”变换器中，在那不用限定上升速率。尽管电路结构复杂，MCT的电流却比电力MOSFET、
BJT和IGBT的大，因此它需要有一个较小的死区。1992年在市场上可见到MCT，现在可买到中
等功率的MCT。MCT的发展前景尚未可知。集成门极换向晶闸管集成门极换向晶闸管是当前电力
半导体家族的最新成员，由ABB在1997年推出。图1-4A-8给出了IGCT的符号。基本上，IGCT
是一个具有单位关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的GTO。这表示具有可控3,000
安培阳极电流的4,500VIGCT需要3,000安培负的门极关断电流。这样一个持续时间非常短、
di/dt非常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的MOSFET来提供，并且驱动电路中
的漏感要特别低。门驱动电路内置在IGCT模块内。IGCT内有一对单片集成的反并联二极管。
导通压降、导通时电流上升率di/dt、门驱动器损耗、少数载流子存储时间、关断时电压上升
率dv/dt均优于GTO。IGCT更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比GTO更高的开关频
率。多个IGCT可以串联或并联用于更大的功率场合。IGCT已用于电力系统连锁电力网安装（100
兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工业驱动。
B??电力电子变换器
电力电子变换器能将电力从交流转换为直流（整流器），直流转换为直流（斩波器），直流转
换为交流（逆变器），同频率交流转换为交流（交流控制器），变频率交流转换为交流（周波
变换器）。它们是四种类型的电力电子变换器。变换器被广泛用于加热和灯光控制，交流和直
流电源，电化学过程，直流和交流电极驱动，静态无功补偿，有源谐波滤波等等。整流器整流
器可将交流转换成直流。整流器可由二极管、可控硅、GTO、IGBT、IGCT等组成。二极管和相
控整流器是电力电子设备中份额最大的部分，它们的主要任务是与电力系统连接。由于器件开
通时损耗低，且其开关损耗几乎可忽略不计，故该类整流器的效率很高，典型值约为98％。但
是，它们的缺点是在电力系统中产生谐波，对其他用户产生供电质量问题。此外，晶闸管变换
器给电力系统提供了一个滞后的低功率因数负载。二极管整流器是最简单、可能也是最重要的
电力电子电路。因为功率只能从交流侧流向直流侧，所以它们是整流器。最重要的电路配置包
括单相二极管桥和三相二极管桥。常用的负载包括电阻性负载、电阻-电感性负载、电容-电阻
性负载。图1-4B-1给出了带RC负载的三相二极管桥式整流器。逆变器逆变器是从一侧接受直
流电压，在另一侧将其转换成交流电压的装置。根据应用情况，交流电压和频率可以是可变的
或常数。逆变器可分成电压源型和电流源型两种。电压源型逆变器在输入侧应有一个刚性的电
压源，即，电源的戴维南电路等效阻抗应该为零。如果电源不是刚性的，再输入侧可接一个大
电容。直流电压可以是固定的或可变的，可从电网或交流发电机通过一个整流器和滤波器得到。
电流注入或电流源型逆变器，像名字所表示的那样，在输入侧有一个刚性的直流电流源，与电
压源型逆变器需要一个刚性的电压源相对应。通过串联大电感，可变电压源可以在电流反馈控
制回路的控制下转换为可变电流源。这两种逆变器都有着广泛的应用。它们使用的半导体器件
可以是IGBT、电力MOSFET和IGCT等等。图1-4B-2给出了一种三相桥式电压源型逆变器的常见
电路。斩波器斩波器将直流电源转换成另一个具有不同终端参数的直流电源。它们被广泛用于
开关式电源和直流电机启动。其中一些斩波器，尤其是电源中的斩波器，有一个隔离变压器。
斩波器经常在不同电压的直流系统中用作连接器。降压和升压斩波器是两种基本的斩波器结构。
分别称作Buck斩波器和Boost斩波器。但是，要清楚降压斩波器也是升流斩波器，反之亦然，
因为输入功率一定等于输出功率。降-升压斩波器既可降压也可升压。所有这些斩波器在电路结
构上可有一、二、四象限的变化。图1-4B-3给出了降压斩波器的电路结构，它是一种电压降、
电流升斩波器。双位开关由电路开关S和二极管组成。开关S以1/Ts的频率通断，导通时间为
。电压波形如图1-4B-4所示。因此平均输出电压为平均电流为D为占空比，变化范围是0~1。
Is为直流电源输出的平均电流。周波变换器周波变换器是一种变频器，它将频率固定的交流电
转换成不同频率的交流电，具有一步变换过程。相控晶闸管变换器很容易被扩展为周波变换器。
自控式交流开关，通常由IGBT组成，很容易被用作高频链接周波变换器。晶闸管相控周波变换
器被广泛用于大功率工业应用。图1-4B-5给出了周波变换器的框图。对驱动交流电机的工业用
周波变换器而言，输入的50/60赫兹交流电在输出侧被转换成可变频、变压的交流电来驱动电
机。输出频率可从零（整流器工作）到一个上限值之间变化，上限值总是低于输入频率（降频
周波变换器），功率流可以是可逆的用于四象限电机速度控制。在变速恒频系统中，输入功率
由与可调速涡轮机连接的同步发电机提供。如果同步发电机励磁可调，则同步发电机电压可调，
但输出频率总是正比于涡轮机速度。周波变换器的作用是调解输出频率恒定（通常60或400赫
兹）。图1-4B-5给出了变频转换框图。图1-4B-5a一般用于先将输入交流整流，然后通过逆变
器转换成可变频交流。图1-4B-5b，输入交流先通过升频周波变换器转换成高频交流，再由降频
周波变换器转换成可变频交流。
UNIT5????
A??直流电机分类
现在可以买到的直流电机基本上有四种：⑴永磁直流电机，⑵串励直流电机，⑶并励直流
电机，⑷复励直流电机。每种类型的电动机由于其基本电路和物理特性的不同而具有不同的机
械特性。永磁直流电机永磁直流电机，如图1-5A-1所示，是用与直流发电机同样的方法建造的。
永磁直流电机用于低转矩场合。当使用这种电机时，直流电源与电枢导体通过电刷/换向器装置
直接连接。磁场由安装在定子上的永磁磁铁产生。永磁磁铁电机的转子是绕线式电枢。这种电
机通常使用铝镍钴永磁合金或陶瓷永磁磁铁而不是励磁线圈。铝镍钴永磁合金用于大功率电机。
陶瓷永磁磁铁通常用于小功率、低速电机。陶瓷永磁磁铁抗退磁性能高，但它产生的磁通量较
低。磁铁通常安装在电机外壳里边，在安装电枢前将其磁化。永磁电机相对于常规直流电机有
几个优点。优点之一是减少了运行损耗。永磁电机的转速特性类似于并励式直流电机的转速特
性。永磁电机的旋转方向可通过将电源线反接来实现。串励式直流电动机直流电机电枢和激磁
电路的连接方式确定了直流电机的基本特性。每一种直流电机的结构与其对应的直流发电机的
结构类似。大部分情况下，二者的唯一区别在于发电机常作为电压源，而电动机常作为机械能
转换装置。串励式直流电动机，如图1-5A-2所示，电枢和激磁电路串联连接。仅有一个通路供
电流从直流电压源流出。因此，激磁绕组匝数相对少、导线直径大，以使激磁绕组阻抗低。电
机轴上负载的变化引起通过激磁绕组电流的变化。如果机械负载增加，电流也增加。增加的电
流建立了更强的磁场。当负载从零增加到很大时，串励式电机的转速从很高变化到很低。由于
大电流可以流过低阻抗的激磁绕组，串励式电动机产生一个高转矩输出。串励式电动机用于启
动重负载，而速度调节并不重要的场合。一个典型应用是车辆启动电机。并励式直流电动机并
励式直流电动机是最常用的一种直流电机。如图1-5A-3所示，并励式直流电动机的激磁绕组与
电枢绕组并联连接。这种直流电机的激磁绕组匝数多、导线直径小，因而阻抗相对比较高。由
于激磁绕组是并励式电动机电路的高阻抗并联通道，流过激磁绕组的电流很小。由于形成激磁
绕组的导线的匝数多，产生的电磁场很强。并励式电动机的大部分电流（大约95%）流过电枢电
路。由于电流对磁场强度几乎没有什么影响，电机转速不受负载电流变化的影响。流过并励式
直流电动机的电流关系如下：IL=Ia+If公式中，IL—电机总电流Ia—电枢电流If—激磁
电流。通过在激磁绕组中串联一个可变电阻可以改变激磁电流。由于激磁回路电流小，低功耗
可变电阻器可用于改变激磁绕组阻抗，进而改变电机转速。激磁阻抗增加，激磁电流会减少。
励磁电流的减小会使磁场减弱。当磁通减少时，转子会由于与减弱的磁场相互作用而加速旋转。
因此使用励磁变阻器，并励式直流电动机的转速很容易调节。并励式直流电动机具有优良的转
速调节功能。当负载增加时，由于增加了电枢绕组上的压降，转速稍微有一点降低。由于它的
优良的转速调节特性和转速控制的简易性，并励式直流电动机通常用于工业场合。许多种可调
速机床由并励式直流电动机驱动。复励式直流电动机图1-5A-4所示的复励式直流电动机有两
个激磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。这种电机综合了串励式电机和并励
式电机的预期特性。复励式电动机有两种连接方法：累加与差动。累加复励式直流电动机的串
联和并联绕组的激磁方向一致。差动直流电动机的串联和并联绕组的激磁方向相反。串联绕组
的连接方法有两种。一种方法称为短并联（见图1-5A-4），这种方法是将并联绕组跨接在电枢
绕组两端。长并联方法是将并联绕组跨接在电枢绕组和串联绕组的两端（见图1-5A-4）。复励
式电机具有类似于串励式电机的高转矩，同时也具有类似于复励式电机的优良的速度调节。因
此，当既需要良好的转矩特性又需要良好的速度调节时可采用复励式直流电动机。复励式直流
电动机的一个主要缺点是价格贵。直流电机速度-转矩特性在许多应用场合，直流电机用于驱
动机械负载。某些应用场合要求电机驱动的机械负载变化时，而电机的转速保持恒定。另一方
面，某些应用场合要求调速范围宽。想把直流电机用于特定场合的工程师必须了解电机的转矩
和速度之间的关系。首先我们讨论并励式电机，再把这种方法用于其它电机。为此，两个相关
的公式是转矩和电流公式图1-5A-5给出了并励式、累加复励式和串励式电机转速-转矩特性的
一般曲线。为便于比较，三条曲线都通过额定转
矩和额定转速这个公共点。公式中的两个变量是转速n和电枢电流Ia。在电机输出额定转
矩时，电枢电流输出的是额定电枢电流，转速输出的是额定转速。当负载转矩为零时，电枢电
流变得相对较小，使转速n的分子项变得较大。这导致转速上升。转速增加的范围取决于电枢
电路压降的大小与电枢端电压的比值。
B??直流传动的闭环控制
应用限流控制，也称为并联电流控制的闭环速度控制系统的基本示意图如图1-5B-1所示。
m*为速度参考值。正比于电机速度的信号可从速度传感器获得。速度传感器的输出滤除交流
波，并与速度参考值比较，速度误差被速度控制器处理，速度控制器的输出uc调整整流器的触
发角，以使实际的速度接近于参考速度。速度控制器通常是PI(比例积分)控制器，具有三
种作用——稳定驱动，调整阻尼比到期望值；通过积分作用，使稳态速度误差接近于零；还
是由于积分作用，可滤除噪音。
传动装置采用限流控制，其目的在于防止电流超出安全值。只要IA
大允许值，电流控制回路并不影响驱动。如果IA超出Ix，哪怕一点点，阈值电路也会产生
一个大的输出信号，电流环代替速度环起主要调节作用，电枢电流等于电机所允许的最大电流，
并在此恒定电流下对速度误差进行整。当速度接近于期望值时，IA下降到Ix以下，电流控制
失效，速度控制接替。因此，在此示意图中，在任意给定时间，传动装置主要由速度控制回路
或电流控制回路控制，所以，也叫并联电流控制。
闭环速度控制的另一种示意图如图1-5B-2所示。在外环速度回路中采用内环电流控制回
路。速度控制器的输出ec用于电流控制器，为内环电流控制回路设置电流参考值Ia*。电流
控制器的输出uc调整逆变器的触发角，以便使实际速度达到速度给定值m*所设置的值。由
速度给定或负载转矩的增加所引起的任何正的速度偏差，都会产生更大的参考电流值Ia*。由
于Ia增加，电机加速，以调整速度误差，最终停留在新的Ia*值上，使电机转矩与负载转矩相
同，速度误差接近于零。对于任何大的正的速度误差，限流装置饱和，且电流参考值Ia*限制
为Iam*，传动装置的电流不允许超过最大允许值。在最大允许电枢电流下纠正速度误差，直到
速度偏差减小且限流装置退出饱和状态。现在，速度误差在Ia小于最大允许电流值的情况下进
纠正。
负的速度误差将设置负的电流参考值Ia*。因为电机电流不能反向，负的Ia*是没用的。
然而，它将“掌管”PI控制器。当速度误差变正时，“被掌管”的PI控制器将花费较长时间响
应，造成控制中不必要的延迟。因此，对于负的速度误差，限流器的电流给定值被设为零。
因为速度控制回路和电流控制回路串联，因此内环电流控制也被称为串联控制。整体也被
称为电流操纵控制。由于具有如下优势，其应用比限流控制更为普遍：
1.对于任何电源电压扰动，提供更快的响应。这可通过考虑两个传动装置对于电源电压降
低的响应来解释。电源电压的降低将减少电机电流和转矩。在限流控制中，由于电机转矩小于
未改变的负载转矩，速度下降，造成的速度误差通过设置较小的整流器触发角达到原值。在内
环电流控制的情况下，由于电源电压的降低，电机电流的减少将产生电流误差，改变整流器的
触发角，使电枢电流返回到原值。现在，暂态响应由电机的电时间常数控制，因为与机械时间
常数相比，传动装置的电时间常数要小的多，所以对于电源电压扰动，内环电流控制将提供较
快的响应。
2.对于确定的触发形式，整流器和控制电路一起在连续导电下，具有恒定增益。为此增
益而设计的传动装置设置的阻尼比为0.707，给出了百分之五的超调量。在不连续导电的情况下，
增益下降。导电角减少越多，增益下降越大。在不连续导电的情况下，传动装置响应缓慢，当
导电角减小时，响应日益恶化。如果企图设计应用于不连续导电操作的传动装置，那么此传动
装置可能对于连续导电都是振荡的，甚至是不稳定的。内环电流控制回路提供了一个具有整流
器和控制电路的闭环，所以增益的变化对于传动装置的性能影响较小。因此，带有内环电流回
路的传动装置的暂态响应优于限流控制。
3.限流控制中，在限流开始作用前，电流首先必须超过允许值。因为触发角只有在离散的
间隔中才可改变，所以只有在限流有效前，实际的电流超调才会发生。
小电机更能承受大的暂态电流，因此，为获得快速的暂态响应，通过选择较大尺寸的整流
器,即可允许出现更大的暂态电流。只有当电流值反常时，才会需要电流调节。在这样的情况
下，由于简化，限流控制被应用。
这两种形式对速度给定的增与降有不同的响应。速度给定的减少至多可使电机转矩为零；
由于不可能制动，所以转矩不能反向。传动装置减速主要是由于负载转矩，当负载转矩很小时，
对速度给定减少的响应将很慢，因此，这些传动装置适合带有大的负载转矩的应用场合，例如
纸张打印机、泵和吹风机。
UNIT6
A??交流机简介
将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的电机是传动系统中的主要组成部分。从电学、
机械学和热学的角度看，电机具有复杂的结构。虽然一百多年前就开始使用电机，关于电机的
研究与开发工作一直在继续。但是，与电力电子器件和电力电子变换器相比，电机的发展十分
缓慢。从传统观念上，由恒频正弦电源供电的交流机一直用于恒速场合，而直流机则用于变速
场合。但在最近二、三十年，我们已经看到在变频、变速交流机传动技术上取得的研究与开发
成果，并且它们正逐步取代直流传动。在大多数情况下，新设备都使用交流传动。一般可将交
流机分类如下：感应电机：鼠笼或绕线式转子（双馈），旋转或直线运动；同步电机：旋转或
直线运动，启动、绕线式激磁（转子）或永磁磁铁，径向或轴向气隙（圆盘状），凸磁极或内
（隐）磁极，正弦波磁场或梯形波磁场；变阻抗电机：开关磁阻电机，步进电机。感应电机在
所有的交流电机中，感应电机，尤其是鼠笼型感应电机，在工业上得到了最广泛的应用。这些
电机价格便宜、结实、可靠，并且从不到一个马力到数兆瓦容量的电机都可买到。小容量电机
一般是单相电机，但多相（三相）电机经常用于变速传动。?图1-6A-1给出了一台理想的三相、
两极感应电机，图中定子和转子的每一个相绕组用一个集中线圈来表示。三相绕组在空间上按
正弦分布并嵌入在槽里。对绕线式转子电机而言，转子绕组与定子绕组类似，但鼠笼式电机的
转子具有鼠笼状结构，并且有两个短路环。基本上，感应电机可以看作是一个具有可旋转并且
短路的二次绕组的一台三相变压器。定子和转子的核用层压铁磁钢片制成，电机内的气隙实际
上是均匀的（非凸极结构）。感应电机的一个最基本的原理是在气隙中建立旋转和按正弦分布
的磁场。如果忽略槽和由于非理想分布的绕组产生的空间谐波的影响，可以证明，在三相定子
绕组中能以三相对称电源建立一个同步旋转的旋转磁场。旋转速度由公式(1-6A-1)给出
Ne称作同步转速，单位是转/分，（）?是定子频率，单位是赫兹。P是电机的极对数。转
子绕组切割磁场，就会在短路的转子中产生感应电流。气隙磁通和转子磁动势的相互作用产生
转矩使转子旋转。但转子的转速低于同步转速。因此称它为感应电机或异步电机。为了满足各
种工业应用中对启动和运行的要求，可从制造厂家得到几种标准设计的鼠笼电机。最常见的转
矩-速度特性，与国家电气制造协会的标准一致的，并很容易获得和定型的设计，如图1-6A-2
所示。这些电机中最有意义的设计变量是转子笼型电路的有效阻抗。A类电机这类电机适用于
启动负载低（诸如风扇、泵类负载）以便能快速达到全速，因而避免了启动过程电机过热的问
题。对大容量电机而言，需要降压启动以限制启动电流。B类电机这类电机是很好的通用电机，
有着广泛的工业应用。它们特别适合对启动转矩要求不是特别严格的恒速驱动。比如驱动风扇、
泵类负载、鼓风机和电动发电机组。C类电机C类电机适合驱动压缩机、输送机等等。D类电
机此类电机适合驱动要求迅速加速的间歇性负载和冲床、剪床这样的高冲击性负载。在驱动冲
击性负载的情况下，在系统中加一个调速轮。当电机转速随负载冲击有点下降时，在负载冲击
期间调速轮释放它的一部分动能。
同步电机?
同步电机，正像名字所表示的，一定是像公式(1-6A-1)那样以同步速度旋转。对感应电机
恒速驱动应用而言，它是一位非常重要的竞争者。图1-6A-3给出了一台理想的三相、两极绕线
式激磁的同步电机。同步电机的定子绕组与感应电机的定子绕组一样，但同步电机的转子上有
一个绕组，这个绕组通过直流电流，在气隙中产生磁通，该磁通协助定子感应的旋转磁场来拉
动转子与它一同旋转。直流激磁电流由静态整流器通过滑环和电刷提供给转子，或由无刷励磁
电源提供。因为转子总是以同步转速旋转，同步旋转的de-qe轴与转子的相对位置是不变的，
如图所示，de轴对应N极。在转子中没有定子感应的感应电势，因此转子的磁动势仅由激磁绕
组提供。这使得电机在定子侧可以任意的功率因数运行，即引前、滞后或同相。从另一角度说，
在感应电机中，定子给转子提供励磁使得电机功率因数总是滞后。转矩产生的原理有点类似于
感应电机。如图所示的同步电机是凸极式同步机，因为转子周围的气隙是不均匀的，不均匀的
气隙在d轴和q轴上造成了不对称的磁阻。与其(凸极式同步机)对应的另一种电机是有均匀气
隙的圆柱体形转子结构的电机(与异步机相似)，定义为隐极式同步电机。例如，水电站使用的
低速发电机是凸极同步机，而火力发电厂使用的高速发电机是隐极式同步机。除激磁绕组之外，
转子通常有一个阻尼器，或叫阻尼绕组，它就像感应电机中短路的鼠笼棒。同步机更昂贵但效
率也高一些。绕线式激磁绕组同步机通常用于大功率（数兆瓦）驱动。变阻抗电机变阻抗或双
阻抗电机，正像名字所表示的那样，有两个凸极，这意味着电机的定子和转子都是凸极结构。
如前所述，变阻抗电机有两种：开关磁阻电机和步进电机。步进电机基本上是一种数字电机，
即它根据数字脉冲运动固定的步数或角度。小型步进电机广泛用于计算机外围设备。然而，由
于步进电机不适合调速应用场合，不再作进一步讨论。有关文献对开关磁阻电机驱动十分关注，
最近做了许多工作来使其商品化以参与和感应电机的竞争。图1-6A-4给出了有四对定子极对数、
三对转子极对数的四相开关磁阻电机的截面图。电机转子没有任何绕组或永磁磁铁。定子极上
有集中绕组（不是正弦分布绕组），每一对定子极绕组，如图所示，由变换器的一相供电。例
如，当转子极对a-a‘接近定子极对A-A‘时，定子极对A-A’被通电，通过磁拉力产生转矩，
当两个极对重合时，定子极对A-A\'断。借助于转子位置编码器，电机的四对绕组依次、与转子
同步得电，得到单向转矩。可给出转矩的幅值??????????????????式中m=感应速率，i=瞬
时电流。感应速率恒定则电流i为常数。高速运行时，转子感应的反电动势也高。
这种电机的优点是结构简单、坚固；也可能它比其它电机要便宜一些。但是，这种电机有
转矩脉动和严重的噪声问题。
B??感应电机传动装置
感应电机的转速由电机的同步速和转差决定。同步速与电源频率有关，转差由供给电机的
电压或电流调节控制。为控制感应电机的转速，存在几个机理，它们是：(1)变电压恒频率
或定子电压控制，(2)变电压变频率控制，(3)变电流变频率控制，和(4)转差功率调节。
这些方法之一，变电压变频率控制可被描述如下。方波逆变器传动装置馈电电压逆变器（也称
电压源逆变器，VSI）通常分为两类：方波逆变器和脉宽调制逆变器。此类逆变器从二十世纪六
十年代初，当先进的强制换相技术开始发展时就被提出。图1-6B-1显示了方波逆变器传动装
置的传统电力电路，三相桥整流器把交流电变换为可变电压的直流电，作为强制变换桥逆变器
的输入。逆变器产生变电压变频率电源，控制电机速度。由于大的滤波电容器给逆变器提供了
一个刚性的电压源，且逆变器的输出电压不受负载种类的影响，因此，此类逆变器叫做馈电电
压逆变器。通常，相对于假想的直流电源的中心点，逆变器每一桥臂上的每个晶闸管导通180，
在电机的一相产生方波电压。线电压可被显示为如图所示的六个阶梯形电压波。因为感应电机
构成了滞后的功率因数负载，所以逆变器的晶体管需要强制换相。反馈二极管可利用滤波电容
器促进负载无功能量的循环，并维持输出电压定位在直流链接电压上，二极管也参与换相和制
动过程。变压变频速度控制方法的理论可由图1-6B-2和1-6B-3来帮助解释。用于此类传动装
置的电机具有低转差特性，并提高效率。电机转速可通过简单改变同步速，例如，改变逆变器
频率来改变。然而，随着频率的增加，电机的气隙磁通下降，导致产生的转矩降低。如果电压
随频率变化，从而使电压/频率之比保持恒定，则就像直流并激电机一样可使气隙磁通保持不变。
图1-6B-2显示了期望的电机电压-频率关系。在基频(1.0标幺值)以下，气隙磁通由于伏特/
赫兹恒定而保持不变，这将导致恒定的转矩。处于低频时，定子阻抗超过漏感，占主导地位，
因此，附加电压被施加，以补偿此作用。处于基频时，通过前推整流器触发角至所允许的最小
值，电机全电压被建立，高于基频后，当频率增加时，由于气隙磁通的损失，转矩下降，电机
以如图所示的恒功率方式运行。这与直流电机弱磁调速类似。电机恒转矩和恒功率区的转矩-转
速曲线如图1-6B-3所示，其中每一条转矩-转速曲线都对应于电机接线端特定的电压和频率组
合。分别对应于恒定负载和变化负载的两个稳态运行点A和B如图所示。电机以最大可得转
矩从零加速，以恒磁通转差控制方式或以恒转差磁通控制方式达到稳定点。稳态运转的磁通和
转差调节均可提高电机效率。馈电电压方波传动装置通常用于中、小功率的工业场合，其调速
比一般不超过10:1。最近，此类传动装置在很大程度上已被下一部分将要介绍的PWM传动装置
所代替。馈电电压逆变器非常适合多电机驱动，在这种情况下，许多感应电机的速度可得到精
确控制。脉宽调制型（PWM）逆变器传动装置在前一部分描述的变压变频逆变器传动装置中，
若使用二极管整流器，则直流链接（link）电压不可控，基频输出电压可利用脉宽调制技术在
逆变器中进行控制。利用这种方法，晶闸管在半周期中开合多次，产生低谐波的变压输出。在
几种脉宽调制（PWM）技术中，正弦脉动宽调制（PWM）是最常见的，其原理如图1-6B-4所示。
等腰三角形载波波形与正弦波信号比较，得到的交叉点确定变换点。除低频范围外，载波与信
号同步，载波频率与信号频率之比保持为3的偶数倍以改善谐波。通过改变调制松下问童子言师采药去是什么古诗 指数可改变基
频输出电压。可见，如果调制指数小于一，那么在输出中只有与残留边带相关的基频的载波频
率谐波出现。与方波相比，此种波形产生相当小的谐波温升和转矩脉动。随着调制指数超过1，
电压可一直增加，直到获得方波波形中的最大电压。因此，PWM电压控制适用于恒转矩区（如图
1-6B-2），然而，在恒功率区，运行等同于方波传动装置。指定谐波消除PWM（selectedharmonic
elimination）技术最近引起广泛关注。在这种方法中，换相点由预先确定的方波角度决定，此
方波角度允许电压控制消除被选谐波。也可编程设计换相点角度，以使对于特定负载条件的电
流谐波的有效值达到最小。微型计算机特别适合此类PWM，其中角度查询表存储在ROM存储器
中。在PWM乓乓控制方法中，逆变器开关控制的目的是让电流波被限制在参考波的磁滞带间，
这样产生的纹波电流小。尽管电机谐波损耗在PWM传动装置中有很大改善，但由于在每半周期
存在多次换相，逆变器效率有所降低。在设计完善的PWM传动装置中，应在器件允许的条件下
增加换相频率，以便在逆变器损耗的增加和电机损耗的降低间找到一个合适的平衡点。在前节
末尾提出的简单的、经济的二极管整流器可减少电网波形畸变和提高功率因数，减小滤波器容
量，并提高系统运行的可靠性。因为直流链接电压相对恒定，所以晶闸管的换相在整个基频电
压范围内均令人满意。另外，在低频区，低谐波和最小的转矩脉动允许大范围的速度控制，实
际上是从电机具有最大转矩的停止状态开始。因为直流链接电压不可控，一些独立控制的逆变
器可利用同一个整流器电源运行，这将节省大量的整流器费用。通过接通直流链接中的电池，
传动系统可不受交流电源故障的干扰。对于电池或直流供电的传动系统，例如电车或地铁的发
动机，电源可直接吸收再生发电制动能量。
UNIT7
A?电力系统介绍?
电力系统把其它形式的能源转化为电能并输送给用户。尽管不同于其它形式的能源，电能
不容易储存，一旦生产出来，必须得到使用，但是电力的生产和传输相对高效和廉价。电力系
统的组成当今的电力系统由六个主要部分组成：电站，升压变压器（将发出来的电升压至传输
线所需高电压），传输线，变电站（电压降至配电线电压等级），配电线路和降压变压器（将
配电电压降至用户设备使用的电压水平）。1、电站。电力系统的电站包括原动机，如由水，蒸
汽驱动的涡轮，或者燃烧气体操控的电动机和发电机系统，世界上大多数的电能由煤炭、石油、
核能或者燃气驱动的蒸汽发电厂产生。少量电能由水力，柴油和内燃机发电厂产生。2、变压器。
现代电力系统使用变压器把电能转换为不同的电压。有了变压器，系统的每个阶段都能在合适
的电压等级下运行。在典型的系统中，电站发电机发出的电压范围是1000伏到26000伏。变压
器把电压升至138000到765000伏后，送至主传输线上。因为对于长距离传输，电压越高，效
率越高。在变电站，电压被降至69000到138000伏，以便在配电系统中传输。另外一组变压器
把电压进一步降至配电等级，如2400到4160伏，或者15，27，33KV。最终，在使用端，经配
电变压器，电压再次被降至240V或120V。3、传输线。高压传输系统通常由铜线、铝线或者镀
铜、镀铝的钢线组成，它们悬挂在高大钢格构塔架上成串的瓷质绝缘体上。由于含镀层钢线和
铁塔的使用，增大了塔与塔之间的距离，降低了传输线的成本。在当前的直线安装中，每公里
高压线只需建立6个铁塔。在一些地区，高压线悬挂于距离较近的木质电线杆上。对于低压配
电线路，更多的使用木质电线杆，而不是铁塔。在城市和一些地区，明线存在安全危险或者被
认为影响美观，所以使用绝缘地下电缆进行配电。一些电缆内核中空，供低压油循环。油可以
为防止水对封闭线路的破坏提供临时保护。通常使用管式电缆，三根电缆放入线管中，并填满
高压油。这些电缆用于传输高达345KV的电流。4、辅助设备。每个配电系统包含大量辅助设备
来保护发电机、变压器和传输线。系统通常还包括用来调整电压或用户端其它电力特性的设备。
为了保护电力系统设施，防止短路和过载，对于正常的开关操作，采用断路器。断路器是大型
开关，在短路时或者电流突然上升的情况下自动切断电源。由于电流断开时，断路器触点两端
会形成电流，一些大型断路器（如那些用来保护发电机和主输电线的断路器）通常浸入绝缘液
体里面，如油，以熄灭电流。在大型空气开关和油断路器中，使用磁场来削弱电流。小型空气
开关用于商场，工厂和现代家庭设备的保护。在住宅电气布线中，以前普遍采用保险丝。保险
丝由熔点低的合金组成，安装在电路中，当电流超过一定值，它会熔断，切断电路。现在绝大
多数住宅使用空气断路器。供电故障世界上大多数地方，局部或全国电力设施都连成电网。电
网可以使发电实现区域共享。同意共享的每个电力企业可以获得不断增加的储备功率，使用更
大、效率更高的发电机，从电网中获取电能以应对局部电力故障。互联的电网是大型复杂系统，
包括被不同组织操控的部分。这些系统可以节约开支，提高整体可靠性，但是也带来了大范围
停电的风险。例如，2003年8月14日，美国和加拿大发生了历史上最严重的停电事故。当时，
这个区域61800兆瓦的电力供应中断，五千万人口受到影响。（一兆瓦大约可以满足750居民
的用电需求）。停电事件迫切要求更新老化设备，提出关于全国电网可靠性的问题。尽管存在
大范围停电危险，互联电网提供了必要的备份措施和供替换的线路，相对于孤立系统，其整体
可靠性要高得多。国家或地区电网还可以应对由暴风雨、地震、泥石流、森林火灾、人员操作
错误或者蓄意破坏造成的意外停电。供电质量近年来，越来越多的精密复杂生产过程、计算机
和网络及许多高科技消费品都使用电力为其提供能量。这些产品和生产过程对于供电的连续性
和电压、频率的恒定性很敏感。于是，相关部门正采取新措施来保证供电的可靠性和质量。如
提供附加的电气设备来保证电压和电能其它特性保持恒定。1、电压调整。长距离传输线存在
的电感和电容不容忽视。当电流流过线路时，随着电流的变化，电感和电容会对线路电压产生
影响。这样，供电电压会随负荷变化。运行中，有几种设备用来克服这个波动，被称为电压调
整。这些设备包括感应调节器、三相同步机（也称同步调相机），它们能够改变传输线路中的
电感和电容的有效量。?电感和电容作用能相互抵消。当负载电流感性电抗大于容性电抗时，
这种情况总是出现在大型电力系统中，对于给定的电压和电流，传送的功率小于两者相等的时
候。这两个量功率之比称为功率因数。由于传输线损耗和电流成比例，如果可能，将在电路中
使用电容，这样功率因数尽可能接近于1。正是这个原因，在电力传输系统中，经常使用大型电
容器。2、世界电力生产。从1950年到2003年，最近一年的可用数据显示，每年世界电力生产
和消费从小于1万亿千瓦时增长到15.9万亿千瓦时。同样，发电类型也发生了变化。在1950
年，世界电力约2/3来自蒸汽源，约1/3来自水电。2003年，热源生产65%的电能，水电却降
至17%，核电占总量的16%。出于安全的考虑，在一些国家，特别是美国，核能的增长缓慢。2003
年，美国电能的20%来自核电厂；在世界领先的法国，这个数字是78%。保护世界上大多数电能
的生产来自天然气、煤炭、石油和铀等不可再生资源。煤炭、石油、天然气含有碳元素，它们
的燃烧加剧了二氧化碳和其它污染物的排放。科学家们认为，二氧化碳是导致全球变暖，地球
表面温度上升的主要因素。电力用户通过节约用电，如离开房间时关闭电灯等措施消除不必要
消耗，可以节省资金，有助于环境保护。其它保护措施包括购买和使用节能电器和灯泡，在费
率较低的非用电高峰使用洗衣机和烘干机等电器。消费者也可以考虑环境措施，如购买当地公
共部门提供的绿色能源等。绿色能源通常价格较贵，但依靠可再生和环境友好型资源，如风力
轮机和地热发电厂。
B?电力系统自动化概述
提高生产力，降低成本，是电力供应商一直以来面对的问题。这就转化为需要管理者，工
程师、操作员、计划者、现场人员和其它人员收集并执行决策信息。电力系统供应商遵从这一
趋势，使设备变得智能化，这样，它们就可以创造并交流信息。术语“电力系统”描述的是用
来产生、传输和分配电能的物理系统的组成设备集合。术语“设备和控制系统”指的是用来监
视、控制和保护电力系统的设备集合。电力系统自动化指的是使用I&C设备执行自动决策并对
电力系统进行控制。数据采集：数据采集指的是获取或者采集数据。采集的数据形式为测量的
模拟电压或电流值，接触点的开关状态。采集到的数据可以被采集设备使用，发送到同一变电
站的其它设备或者从变电站发送到一个或多个数据库供操作人员、工程师、计划人员和管理人
员使用。电力系统监视：有了获得的数据，计算机可以处理，人员可以监控电力系统的状况和
状态。操作人员和工程师在远程可以通过计算机显示和图形墙显示，或者在现场，通过设备的
前面板和笔记本电脑对信息进行监视。电力系统控制：控制指的是对设备发送命令消息，实现
对I&C和电力系统设备的操作。传统的监控和数据采集系统依赖于操作人员在主计算机的操控
台监视系统并发送命令。现场人员也可以使用前面板按钮或笔记本电脑控制设备。电力系统自
动化：系统自动化是通过使用计算机和智能I&C设备的自动化过程而自动控制电力系统的行为。
这个过程依赖于数据采集，电力系统监视和控制协调、自动地工作。像操作人员发送命令一样，
命令自动生成，并以同样的方式传送。I&CSystemIEDs：使用微处理器制造的I&C设备通常
指的是智能电子设备。微处理器是单片机，利用其制造的设备能够像计算机一样处理数据、接
受命令和通信。在IED中，可以运行自动过程，像计算机通信端口一样，通过串口处理通信。
在变电站和杆顶都能发现IED的身影。电力系统自动化设备电力系统自动化包括很多设备。下
面列出主要设备并进行简单描述。仪表（用）互感器：仪表（用）互感器用来检测电力系统电
流和电压值。它们和电力系统设备连接在一起，把实际的电力系统信号，包括高电压，电流幅
值，转换为小信号水平。变换器：变换器把仪表（用）互感器输出的模拟信号从一种幅值变换
到另一种，或者从一种类型变换到另一种，如把交流电流信号转换位直流电压信号。远程终端
单元：如名称所示，远程终端设备，是安装在远端，操作起来像终端点控制现场触点一样的IED。
特意安排的一对铜导线用来检测每个触点和变换器的值。这些导体引自电力系统设备，安装在
电缆沟或架空电缆盘中，终端连与RTU的面板。RTU可以通过串口把采集到的数据传送给其它设
备，并接收来自其它设备的数据和命令。用户可编程RTU指的是智能RTU。通信端口交换机：通
信交换机是能按照要求在不同串行口之间转换的设备。远程用户通常用租用线路，或者电话拨
号与变电站建立连接，并用端咏柳唐贺知章的诗 口交换机进行通信。一旦建立链接，用户可以通过端口交换机与
连接的变电站IED进行通信。端口交换机只不过是IED通信的通道。仪表：仪表是用来对电力
系统电流、电压和功率进行精确测量的IED。测量值（如需求量和峰值）可以保存在仪表中，用
于创建电力系统运行的历史信息。数字故障记录仪：数字故障记录仪，是记录电力系统干扰信
息的IED。当检测到电力系统出现情况时，它能以数字形式存储数据。谐波、频率和电压都是能
被DRF捕捉到的例子。负载抽头开关转换器：负载抽头开关转换器是用来改变变压器抽头位置
的装置。这些设备可以自动工作，或者受控于现场IED或者远程操作人员或过程。自动重合闸
控制器：自动重合闸控制器远程控制自动重合闸装置和开关。这些设备监视、存储电力系统状
况，决定进行控制操作的时机。它们也接收来自远程人员或过程的命令。时间同步源：时间同
步源是一种智能电子设备，用来产生日历时钟值，并传送给其它IED，使其时钟保持一致。协议
网关：IED通过特定语言或协议进行串行通信连接。协议网关把一种通信协议转换为另一种。这
个任务通常由PC机的软件完成。人机界面：变电站中作为系统数据和人员控制接口的前端显示
面板或按钮或个人电脑。可编程逻辑控制器：正如其名，PLC是可编程进行逻辑控制的IED。
和RTU一样，每个触点和变换器都有一对专用的铜导线连到PLC的面板。熟悉PLC开发环境的
人员可以对其进行编程，从传感器数据生成信息，执行自动控制。PLC可以通过串口，将采集到
的数据传输给其它设备，也可以从其它设备接收数据和控制命令。保护继电器：保护继电器是
一种用来检测电力系统扰动，自动执行I&C系统和电力系统中控制操作，保护人员和设备安全
的智能电子设备。继电器拥有现场引出端，因此对应于每个触点的铜导线不必连接到RTU和PLC
的终端面板上。由于继电器直接从仪表（用）变压器接收信号，也不必使用变换器。保护继电
器产生测量信息，收集系统状态信息和存储电力系统操作的历史记录。通信处理机：通信处理
机是变电站控制器，把其它许多I&C设备的功能整合到一台IED中。它具有多个通信端口，支
持多种同步通信链接。通信处理机执行数据采集功能，控制其它变电站的IED，并把用于发送的
采集数据集中到变电站内部和外部的一个或多个主机上。通信处理机集成了很多IED的特性，
包括RTU，通信交换机，协议网关，时间同步源和有限的PLC功能。通信处理机具有本地终端
I/O，当状态发生改变时，能够进行拨叫，让人员和处理机提高警惕。电力系统自动化电力系
统集成：电力系统集成是在I&C系统中的IED和远程用户之间进行数据通信的操作。变电站集
成指的是将局部和整个变电站的IED数据进行合成，对于变电站内所有I&C数据，只有一个单
一联系点。杆顶设备通常通过无线或光纤连接与变电站进行通信。远程、本地变电站和馈线控
制像单一联系点一样通过变电站控制器。一些系统用直接连接与RTU，保护继电器和控制器等杆
顶设备进行旁路连接。电力系统自动化：电力系统自动化是通过I&C设备自动控制电力系统的
行为。变电站自动化指的是使用IED数据、变电站内部的调节和自动控制能力和来自远程用户
的控制命令去控制电力系统设备。由于真正的变电站自动化依赖于变电站集成，这两个术语通
常互用。电力系统自动化涵盖电力生产和发送的各个环节。其中一些环节涉及电力传输和分配
的各个级别，即电力输送自动化。对于变电站和杆顶电力输送系统的监控能减少断电的发生，
缩短断电时间。IED、通信协议和前面描述的通信方法作为一个系统协同工作，实现电力系统自
动化。电力输送自动化：尽管各个公共部门不同，但大多数认为电力输送自动化，配电变电站
和馈电线路应包括：监控和数据采集—操作员监视和控制，配电自动化—故障定位，自动隔离，
自动分段，自恢复供电，变电站自动化—断路器故障（失灵），自动重合闸，电池监视，故障
变电站转移和变电站负荷转移，能源管理系统—潮流，无功和电压监控，发电控制，变压器和
馈电线路负荷平衡，故障分析和设备维护。没有自动控制的系统仍然具有远程监视和操作员控
制电力系统设备的优点，包括:远程监控断路器和自动开关远程监视非自动开关和熔丝远程监控
电容组合远程监视和电压控制远程电力质量监控电力系统自动化特点前面描述的IED用来执行
电力系统集成和自动化。很多设计要求一个IED扮演变电站控制器的角色，执行数据采集和控
制其它IED的功能。变电站控制器也要求支持系统自动化任务。通信行业对设备使用术语客户/
服务器，主设备或客户从其它设备得到数据，从设备或服务器向其它设备发送数据客户端/服务
器动态地收发数据。数据集中器通过收集，集中来自其它设备的动态数据创建变电站数据库。
在这种方式下，来自每个IED的重要数据子集通过一次数据转移发送给主设备。数据集中器数
据库用于间接连接的IED之间的数据传输。变电站档案客户端/服务器从几个设备收集、存储数
据。存档数据可以方便供用户检索。现在变电站的IED寿命差别很大。大多数IED仍然有用但
是缺少最新的协议。通过特定波特率和协议与IED通信，通信处理机可以延长每个IED的可用
时间。使用通信处理机进行变电站集成可以很容易地适应未来的IED。在变电站升级工程中，弃
用所有现存的IED是很少见的。电力系统自动化对公共的益处电力传输的监视，远程控制和自
动化的优点包括提高员工和公众安全，推迟购买新设备的花销。同时，运行和维护成本的降低
得益于现存设备的使用，通过降低断电造成的损失优化电力系统性能，提高电压分布。信息的
收集可以用于进行更好的计划和协调设计，日益增加的客户满意度源自改善的响应性、服务可
靠性和供电质量的提高。
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。
B拉氏变换和传递函数
如果图2-1B-1所示的线性系统的输出关系已知，则系统的特性就可以得知。输入-输出
在拉氏域的关系称为传递函数。由定义，部件或者系统的传递函数是输出的拉氏变换比上输
入的拉氏变换。G(s)=C(s)/R(s)
传递函数的定义要求系统是线性的、稳定的、变量是连续的以及初始条件为零。当系统
是集中参数的，没有传输时延或可忽略就显得特别有用。在以上条件下，传递函数可以表示
为两个复拉氏变量多项式之比:
对于实际的系统，由于其积分特性要强于微分特性，所以N(s)的阶次要低于D(s)的阶次。
稍后将表明，在频率域使用的频率传递函数（FTF）可以通过将传递函数里的拉氏变量s换
成j而得到。
在方程(2-1B-2)中，分母D(s)称为特征函数是因为其包含了系统的所有物理特性。将D(s)
等于零可以得到特征方程。特征方程的根决定了系统的稳定性以及对各种输入的响应特性。
分子多项式N(s)是表征输入是如何进入系统的函数。因此，N(s)不会影响绝对稳定性以及瞬
态特性的模式和模式个数。然而对于某些特殊的输入，N(s)会影响瞬态响应的幅值和符号，
因此，正如会影响输出的稳态值一样会影响瞬态响应的形状。(70页止)
拉氏变换
拉氏变换来自工程数学，对分析和设计线性系统非常有用。常系数的常微分方程变换为
代数方程可以用于实现传递函数的概念。而且拉氏域很好运算，传递函数可以很容易运算、
修改和分析。设计人员可以很快就熟练地将拉氏域的变化与时迩怎么读 域的行为相联系，而不须求解
系统方程。当需要时域解时，拉氏变换方法也是很直接的。其解是一个完整的解，包括齐次
解（动态解）和特解（稳态解），且初始条件已经自动地包括了。最后，从拉氏域转换到频
率域也很容易。
（拉氏变换第一段止）
Unit2
Thestabilityofacontinuousordiscrete-timesystemisdeterminedbyitsresponsetoinputor
ively,astablesystemisonethatremainsatrest(orinequilibrium)unless
exciputwillpass
throughatransientphaseandsettledowntoasteady-stateresponsethatwillbeofthesameform
as,orboundedby,plythesameinputtoanunstablesystem,theoutputwill
neversettledowntoasteady-statephase;itwillincreaseinanunboundedmanner,usually
exponentiallyorwithoscillationofincreasingamplitude.
连续或离散系统的稳定性由其对输入或者干扰的响应决定。直观地说，如果一个系统是
稳定的，则其停留在稳态（或者平衡点），除非是受到外部激励，且当外部激励去除后，输
出又回到稳态点。输出经过瞬态阶段后将回到与输入有相同形式的稳态或者是在输入的附
近。如果我们将同样的输入作用于不稳定的系统，其输出将不会回到稳态，而是以无界的方
式增长，通常其幅值是指数增长或者振荡增长。
Stabilitycanbepreciselydefinedintermsoftheimpulseresponse)(ty
ofacontinuous
system,Kronrckerdeltaresponse)(ky
ofadiscrete-timesystem,asfollows:Acontinuous
(discrete-time)systemisstableifitsimpulseresponse)(ty
(Kroneckerresponse)(ky
)
approacheszeroastimeapproachesinfinity.
系统的稳定性可以用连续系统的脉冲响应)(ty
或者离散系统的Kronrcker响应)(ky
来定义：一个连续（离散）系统是稳定的，如果其脉冲响应)(ty
（Kronrcker响应)(ky
）
当时间趋于无穷大时趋于零。
Anacceptablesystemmustatminimumsatisfythethreebasiccriteriaofstability,accuracy,and
hreecriteriaareimpliedinthestatementthatan
acceptablesystemmu
althoughweworkintheLaplaceandfrequencydomainsforconvenience,wemustbeableto
relatethesetwodomains,atleastqualitatively,tothetimedomain.
一个可接受的系统必须至少满足：稳定性、精度和满意的瞬态响应这三个指标。在陈述：
“一个可接受的系统对指定输入和扰动必须有满意的时域响应”已经包含了这三个指标的含
义。因此尽管我们为了方便工作在拉氏域或者频率域，我们必须与时间域（至少是定性的）
相联系。
WiththetransferfunctionintheformofEq.(2-2A-1),theorderofthesystemindefinedasthe
orderofthecharacteristicfunctionD(s),thehighestpowerofsappearinginD(s)establishesthe
orderofthesystem.
在传递函数所在的方程(2-2A-1)中，系统的阶次定义为特征函数D(s)的阶次，因此D(s)
的最高次幂决定了系统的阶次。
Thefirsttermistheforcedsolution,duetotheinput,andthesecondthetransientsolution,due
.2-2A-2showsthistransientaswellasc(t).Thetransientisseentobea
decayingexponential,andthecommonlyusedmeasuredofthespeedofdecayisthetimeconstant:
Thetimeconstantisthetimeinsecondsforthedecayingexponentialtransienttobereducedto
e-1=0.368ofitsinitialvalue.
Since1
t
Tee
whent=T,itisseenthatthetimeconstantforasimplelag
1
1Ts
isT
,infact,
coefficientofsthenimmediatelyindicatesthespeedofdecay,andittakes4Tsecondsforthe
transienttodecayto1.8%ofitsinitialvalue.
第一项为强迫解，对应于输入；第二项为瞬态解，对应于系统的极点。在图2-2A-2中，
该瞬态解为c(t)。瞬态解看上去为指数衰减的，且通常用于衡量衰减速度的是时间常数：
即指数衰减的瞬态解衰减至其初始值的36.8%所需的时间（秒数）。
因为，当t=T,1
t
Tee
，对于一阶惯性环节，时间常数是T秒。这也是为什么一阶惯
性环节要写成这个形式。S的系数立即给出了衰减的速度。而且，当时间为4T时，瞬态解
衰减至初始值的1.8%。
B：SteadyState
Acontrolsystemisdesignedtocontrolthedynamicbehavior(thetimeresponse)ofaplant
ignershouldbefullyaware,however,oftheroleof
thesteadyequationsanderrorsintheoverallprocess,aswellastheirinfluenceonthedynamic
behavioroftheplant.
控制系统设计就是使装置在有指令信号或者干扰时有满意的行为（时域响应）。设计者
必须清楚地知道整个过程的稳态方程和误差，以及他们对装置的动态性能的影响。
important
performancecriterion;aguidancesystemthatcannotplacespacecraftonasuitabletrajectoryis
obviouslyuselessnomatterhowwell-behaveditstransientresponse.
衡量系统的精度之一，就是其如何跟踪给定命令。这是一项重要的性能指标。一个导航
系统如果不能将飞行器置于合适的轨迹，那么无论有多好的动态性能，都是没有用。
Actualsystemarealsosubjectedtoundesirableinputs,suchasnoiseincommandinputsand
disturbancesarisingfromchangesintheplantparametersorchangesintheenvironmentinwhich
nputsthatenterthesystemwiththecommandinputrequirefiltering
technillimit
ourdiscussiontodisturbanceinputswhichenterthesystemattheplantratherthanatthe
controller.
实际系统总是容易受到不希望的输入干扰，例如，命令输入中的噪声以及由于参数改
变在被控对象中产生的干扰或者被控对象工作环境变化产生的干扰。随着命令输入进入系统
的噪声输入需要滤波器进行驱除或者抑制并不对输入信号产生影响。我们将限于讨论通过被
控对象进行系统的噪声而不讨论通过控制器进入系统的噪声。
Itisly,itis
necesror
termsofEq.(2-2B-7)
additionalintegratorincreasesthetypeofthesystem(from1to2,forexample),thuseliminating
thevelocityerror,andbybeingintroducedaheadofthepointofentryofthedisturbanceintothe
system,elimin
additionalintegratormustbeaccompaniedbyatleastonezeroifthesystemistoremainstable.
通常同时将误差的两个部分最小化是困难的。很明显，具有适当的干扰输入特性的一些知识是很有必要的。
方程2-2B-7的两个误差项都能通过在控制器中加入积分器而消除。这些附加的积分器增加了系统的型（例如，
从1型系统变为2型系统），因此可以消除速度误差，并通过在系统扰动进入点之前引入积分环节，可以消除
由输入信号中包含的阶跃扰动引起的稳态误差。如果要保持系统稳定该附加的积分器必须相应增加至少一个零
点。
UNIT3
A：TheRootLocus
Therootlocustechniqueisagraphicalmethodofdeterminingthelocationoftherootsofthe
characteristicequationasanysingleparameter,suchasagainortimeconstant,isvariedfromzero
tlocus,therefore,providesinformationnotonlyastotheabsolutestabilityofa
systembutalsoastoitsdegreeofstability,whichisanotherwayofdescribingthenatureofthe
ystemisunstableorhasanunacceptabletransientresponse,theroot
locusindicatespossiblewaystoimprovetheresponseandisaconvenientmethodofdepicting
qualitativelytheeffectsofanysuchchanges.
根轨迹技术是当一个单一的参数，例如增益或者时间常数从零到无穷大变化时，确定特
征方程的各个根的位置的图形技术。因此，根轨迹不仅仅提供了系统绝对稳定性的信息，还
提供了稳定程度的信息。稳定程度实际上还是描述动态响应特性的方式。如果系统是不稳定
的或者动态响应不可接受，根轨迹还可以指出可能改进响应的方法而且可以定性描述改进的
效果。
AzeroisavalueofsthatmakesZ(s)equaltozeroandisgiventhesymbol.Donot
automaticallyassumethatthiszeroisalsoaclosed-loopzerothatmakesN(s)equaltozerointhe
system(closed-loop)transferfunction;itmaybe,savalueofs
thatmakesP(s)equaltozeroandisgiventhesymbol.Thesntermrepresentsnpoles,allequalto
fthecharacteristicequationhaspreviously
beendefinedasvalueofsthatmakesD(s)equaltozeroandisgiventhesymbol□.
零点是使Z(s)为零的s值，用符号表示。不能自动地假设这个零点就是使N(s)为零的
闭环传递函数的零点。它可能是，但不一定。极点是使P(s)为零的s值，用符号表示。sn
表示n个极点，其值为零，位于s平面的原点。特征方程的根前面已经定义为使D(s)为零
的s值，用符号□表示。
Sincesisacomplexvariableandthepolesandzerosmaybecomplex,
()
()
KZs
Ps
isacomplex
functionandmay,therefore,behandledasavectorhavingamagnitudeandanassociatedangleor
thefactorsontherightsideofEq.(2-3A-2)canalsobetreatedasavectorwith
anindividualmagnitudeandassociatedangle,attheangleis
measuredfromthehorizontalandispositiveinthecounterclockwisedirection.
由于s是一个复变量，极点和零点也可能是复数，
()
()
KZs
Ps
也是一个复函数，因此有可能
视为一个有幅值和相角的向量。方程(2-3A-2)右边的每一个因子都可以视为有各自幅值和相
角的向量，并如图2-3A-1.所示。请注意相角是按从水平轴逆时针方向为正计算。
()belongtotheloci,theremustbea
pointofbreakawayfrom,orarrivalat,herpoleszerosarecloseby,the
breakawaypointwillbehalfway.
如果实轴在两个开环极点（开环零点）之间属于根轨迹，则在其中必定有突破点（汇合
点）。如果附近没有极点或者零点，则突破点（汇合点）必定在（两个开环极点/开环零点）
的中间。
B：TheFrequencyResponseMethods:NyquistDiagrams
Thenatureoftheinputalsoinfluencesthechoiceoftechniquestobeusedforsystemanalysis
mmandinputmerelyinstructasystemtomovefromonesteady-state
peofinputcanbedescribedadequatelyby
suitablestepsinposition,velocity,andacceleration,andtheLaplacedomainisappropriateforthis
,however,theintervalbetweensuchstepinputsisdecreasedsothatthesystemnever
hastimetoreachthecorrespondingsteady-state,thesteprepresentationandLaplacedomainare
pidlyvaryingcommandinputs(ordisturbance)maybeperiodic,
random,dloadingofatrackingradarantenna,forexample,
resultsfromamea
thefrequencydistributionoftheseinputscanbecalculated,measured,orevenestimated,the
frequencyresponsecanbeusedtodeterminetheireffectsuponthesystemoutput.
输入信号的特性可以影响到系统分析和设计的技术的选择。许多的系统指令输入仅仅是
让系统从一个稳定状态转移到另一个稳定状态。这种类型的输入可以用适当的位置、速度和
加速度的阶跃来描述。但是，如果减小这些阶跃输入的间隔，系统没有足够的时间来到达下
一个相应的稳态，则阶跃响应以及拉普拉斯域就显得不合适。这些快速变化的指令输入可以
是周期的、随机的以及它们的组合。例如跟踪雷达天线的风力负载是由一个随时间变化的平
均速度成分与迭加的随机阵风组成的。如果这些输入的频率的分布是可计算、测量、甚至可
估计的，则频率响应可以用来决定系统输出的效果。
Fromtheseequationsweseethatsinusoidalinputtoalinearstablesystemproducesa
steady-stateresponsethatisalsosinusoidal,havingthesamefrequencyastheinputbutdisplaced
throughaphaseangleeady-state
hephaseangleisthe
angleassociatedwiththecomplexfunctionG(j
0
)andtheamplituderatio（c
0
/r
0
）isthemagnitude
ofG(j
0
),knowledgeofG(j
0
)specifiesthesteady-stateinput-outputrelationshipinthefrequencydomain.G(j
0
)iscalledthefrequencytransferfunctionandcanbeobtainedfromthetransferfunctionG(s)byreplacingthe
Laplacevariablesbyj
0
.Consequently,ifG(j
0
)canbedeterminedfromexperimentaldata,G(s)canalsobe
foundbyreplacingj
0
bys.
根据以上方程，将正弦信号输入于一个稳定的线性系统，产生的稳态响应也是一个与输
入信号具有相同频率的正弦信号，但是其相角和幅值可能会不同。这个稳态正弦响应称为系
统的频响应。由于频率响应的相角就是复函数G(j
0
)的角度。幅值比（c
0
/r
0
）就是的G(j
0
)幅值，所以G(j
0
)在频率域定义了稳态输入-输出关系。G(j
0
)成为频率传递函数，并
可以通过将传递函数G(s)的拉普拉斯变量s替换为j
0
而得到。，反之，G(j
0
)可以通过实
验得到，则传递函数也可以通过将j
0
替换为s得到。
UNIT4
A：TheFrequencyResponseMethods:BodePlots
Thefrequencytransferfunctionofasystemorofits
()
()
Kzj
pj
functioncanbepresentedeither
bythesingleNyquistdiagram(apolarplot)orbyplotsoftheamplitudewhichcanbequicklyand
easilysketchedorplottedbyhandusingthetechniquestobedevelopedanddiscussedinthis
article.
系统的频率特性可以用Nyquist图（极坐标图）或者用其幅值（比）和相角为因变量，
输入信号的频率为自变量绘图。在绘图时通常幅值（比）用分贝表示，相角用度表示，输入
信号的频率按常用对数取值。以上这两个图称为伯德图（以命名）。可以用计
算机绘出精确的伯德图。在本文中将讨论用手工绘制的技巧简单而快速地绘制直线渐进线
图。
Bodeplotsofthesystemtransferfunctionareusedtodeterminetheeffectsofvariousinputs
(includingastep)hefrequencyresponseisa
steady-stateresponse,thesystemmustbestableanditsstabilitymustbedeterminedbeforethe
systemBodeplotscanbeused.
系统传递函数的伯德图可以用于确定各种输入（包括阶跃输入）下系统的稳态响应。因
为频率响应为稳态响应，所以系统必须是稳定且其稳定性必须在绘制伯德图之前确定。
Bodeplotsaremostcommonlyusedwiththefrequencyfunction
()
()
Kzj
pj
toexaminethe
efunctionhasnopoleorzeroinsidetheright-halfsplane,
functionisminimumphase,theBodeplotscanbesketchedratherrapidlywithaknowledgeofthe
ermsare:①Frequency-invariant
termsK.②Zerosandpolesattheorigin(j)n③Firstordertermsorrealpolesandzeros
(j+1)n④Secondorderpolesandzeros
n
nn
j
22
1.
伯德图和频率（特性）函数
)(
)(
P
KZ
一起用来确定系统的稳定性。当该函数无零点和极
点在S平面右半部时，即系统为最小相位系统，可以使用函数的四个快速地绘出伯德图。这
四个量分别是：①与频率无关的系数K。②在原点的零点和极点个数。③一阶项，即实数零
点和极点个数nj)1（。④二阶项，即零点和极点
n
nn
j
22
1。
Foraproduct
j
jjMeeMeM
sP
sKZ
21
21)(
)(
,
21
MMMand
21
.The
phaseanglenitudeMwillalsobeexpressedasasum,byusing
decibels(dB)asunits:
21
lg20lg20lg20MMMM
db
对于乘积：
j
jjMeeMeM
sP
sKZ
21
21)(
)(
，这里
21
MMM，而
21
。相角表现为和的形式，幅值M如果使用分贝为单位也表现为和的形式：
21
lg20lg20lg20MMMM
db
InBodeplots,themagnitudeMindBandthephaseangle凌烟阁二十四功臣 indegreesareplottedagainston
elopmenthasshownthefollowing:Bodemagnitudeandphase-angleplots
of
)(
)(
jP
jKZ
lotaremucheasier
tomakethanpolarplotsorNyquistdiagrams,andcanreadilybeinterpretedintermsofdifferent
aspectsofsystemperformance.
在伯德图中幅值M使用分贝，相角使用度，画在为横坐标的半对数纸上。以上推
导表明：
)(
)(
jP
jKZ
的幅值和相角伯德图可以分别由各个基本因子的伯德图相加而得到。这些
伯德图比极坐标图要容易画，且可以方便地解释系统性能。
InBodeplot,thephasemargin
m
isthesumof180andthephaseangleatthefrequencywhere
1
KZ(s)
P(s)
(i.e.,0dB).Hence,asshownbythepartialplotsinFig.2-4A-2,thephasemargin
m
is
thedistanceofthephase-anglecurveabove-180atthecrossoverfrequency
c
,wherethe
rly,thegainmarginequals1dividedbythemagnitude
atthefrequencywherethephaseangleis180.
dB
GM,thegainmarginindB,isthereforethe
distanceofthemagnitudebelow0dBatthisfrequency,asshowninFig.2-4A-2.
在Bode图中，相角稳定裕量
m
为180加上1
KZ(s)
P(s)
时的频率处对应的相角值。因此，
如图2-4A-2所示，相角稳定裕量
m
为相角曲线在穿越频率
c
（幅值曲线穿越0dB线处）
处与-180线的距离。同样，增益裕量等于1除以相角为
180
时对应频率的幅值。因此，
dB
GM,以dB来表示，为如图Fig.2-4A-2.所示的频率处，幅值曲线与0分贝线的距离。
教材中注释1的翻译：
对于超前环节，其Bode图同样与相应的滞后环节的Bode图成镜象。
B:NonlinearControlSystem
Inpractice,mostsystemsarenonlinearforlargeenoughvariationsabouttheoperatingpoint,
andlinearizatis
cannotbesatisfied,forexample,forsystemsthatincluderelays,whichcanswitchpositionfor
pandshutdownalsofrequentlyrequiretheconsiderationofnonlinear
effects,becauseofthesizeofth山中访友教案一等奖 etransients.
实际上，大多数的系统当在工作点周围有较大的变化时，都是非线性的。线性化的是基
于这样的假设：变化足够的小。但是这种条件通常得不到满足，例如当系统包含继电器时，
即使是很小的变化，也会引起较大的变化。起动和停止时通常也要考虑非线性的影响，因为
相对系统的动态特性，系统的非线性是不能忽略的。
s
,theanalysisanddesigntechniquessofar,including
theuseoftransferfunctionandLaplacetransforms,,
d,anumberof
techniquesexist,
introducethewell-knownphaseplaneanddescribingfunctionmethods.
迭加原理不适用于非线性系统。这一点的后果是严重的。事实上，至今为止所讨论的分
析和设计技术包括传递函数和拉氏变换已经不适用了。更糟糕的是，并没有一般的方法能够
取代它们。有那么几种方法，但是各自存在限定的目的和范围。我们将介绍比较熟知的相平
面法和描述函数法。
mple,
anonlinearsystemcanchangefromsabletounstable,orviceversa,ifthesize
ofstepinputisdoubled.
（非线性系统）响应的特性取决于输入或者初始条件。例如，当阶跃输入的的幅度增大
一倍时，非线性系统可能会从稳定变得不稳定；反之亦然。
re
oscillationsoffixedamplitudeandfrequencywhichcanbesustainedinthefeedback
arsystemsanunstabletransientgrows
theoreticallytoinfiniteamplitude,butnonlineareffectslimitthisgrowth.
（非线性系统）的不稳定性通常表现为极限环的形式。其振荡以固定的幅值和频率在反
馈环中维持即使系统的输入为零。对于不稳定的线性系统其瞬态过程的幅值在理论上会趋于
无穷大，但是非线性特性会限制其增长。
ThejumpphenomenonisillustratedbythefrequencyresponseplotinFig.2-4B-1.
Ifthefrequencyoftheinputisreducedfromhighvalue,theamplitudeofthe
responsedropssuddenlyattheverticaltangentpointCtothevalueatD.
跳跃现象如图Fig.2-4B-1所示，该图解释了输出幅值与输入频率之间的关系。如果输入
的频率从一个比较高的数值减小，响应的幅值会突然垂直的相切点C下降到点D。
Unit5
A:IntroductiontoModernControlTheory
Whendifferentialequationsareencountered,theyarelinearizedandsubjectedtowhatever
constraintsarenecessarytoestablishusefulinput-outputrelationships.
当使用微分方程时，要对其进行线性化并受限于一定的约束条件才能建立有用的输入-
输出关系。
Arecognitionoftheapplicabilityofwell-knownmethodsinotherfieldsofknowledge.
认识到其他领域的一些有名的方法的适用性。
Optimalcontroltheoryoftendictatesthatnonlineartimevaryingcontrollawbeused,evenifthe
basicsystemislinearandtime-invariant.
即使系统是线性定常的，最优控制理论通常给出非线性时变控制律。
Whennonlinearitiesandtimevariationarepresent,theverybasisforclassicaltechniquesis
ccessfultechniquessuchasphase-plane,describingfunction,andadhoc
methods,havebeendevelopedtoalleviatethisshortcoming.
当系统存在非线性和时变特性时，经典方法赖以存在的基础就不存在了。一些成功的方
法，如相平面法、描述函数法以及一些特定的方法可以改进经典控制理论。
翻译示例：
Withanadvancingtechnologicalsociety,
alsomeansd
needforgreateraccuracyandefficiencyhaschangedtheemphasisoncontrolsystemperformance.
Theclassicalspecificationsintermsofpercentovershoot,settlingtime,bandwidth,etc.,havein
manycasesgivenwaytooptimalcriteriasuchasminimumenergy,minimumcost,andminimum
zationofthesecriteriamakesitevenmoredifficulttoavoiddealingwith
lcontroltheoryoftendictatesthatnonlineartimevaryingcontrol
lawbeused,evenifthebasicsystemislinearandtime-invariant.
随着社会技术的进步，人们总是选择更高的目标。这就意味着要处理复杂的具有更多相
互作用的部件的系统。由于需要更高的精度和效率控制系统的性能指标已经发生变化。经典
的指标如超调量、调节时间、带宽等已经让位于最优化指标如最小能量、最小成本已经最小
时间等。即使系统是线性定常的，最优控制理论通常给出非线性时变控制律。
r,itappear
modynamicstheequationsof
sequentialnetworksarenormallyanalyzedintermoftheirstate.
Ineverydaylife,sident’stateoftheUnion
meesageisanotherfamiliarexample.
状态的概念在现代控制理论中占据中心位置。然而其也出现在其他技术和非技术领域。
在热力学中状态方程的概念被突出地使用。二进制序列网络通常使用状态的术语进行分析。
在日常生活中每月的也使用财政（财务）状况。美国总统的国情咨文也是一个熟悉的例子。
ompletesummary
dgeofthestateatsomeinitialtime
t
0
plusknowledgeofthesysteminputsaftert
0
,allowsthedeterminationofthestateatalatertime
t
1
.Asfarasthestateatt
1
isconcerned,itmakesnodifferencehowtheinitialstatewasattained.
Thusthestateatt
0
constitutesacompletehistoryofthesystembehaviorpriortot
0
,insofarasthat
dgeofthepresentstateallowsasharpseparationbetween
thepastandthefuture.
在上述所有的例子中，“状态”的概念是基本相同的。“状态”完全就是系统在某个特
殊时刻的“状况”的一个总结。状态在某个时刻t
0
的值再加上t
0
时刻的输入的知识可以确定
以后时刻t
1
的状态。就t
1
时刻的状态而言，它与初始状态是如何实现的无关。因此，t
0
时刻
的状态就构成了t
0
以前行为的历史，这个历史状态在一定程度上影响系统未来的行为。当前
状态就将过去与未来作了一个截然的划分。
Atanyfixedtimethestateofasystemcanbedescribedbythevaluesofasetofvariablesx
i
hestatevariablesofathermodynamicsystemistemperatureandits
arynetworkstatevariablecantake
ononlytwodiscretevalues,atthestateofyourchekingaccountattheendofthe
monthcanberepresentedbysinglenumber,teoftheUnioncanberepresented
bysuchthingsasgrossnationalproduct,percentunemployment,thebalanceoftradedeficit,ect.
Forthesystemsconsideredinthisarticlethestatevariablesmaytakeonanyscalarvalue,realor
i
xC.Althoughsomesystemsrequireaninfinitenumberofstatevariables,
onlysystemwhichcanbedescribedbyafinitenumbernofstatevariableswillbeconsideredhere.
Thenthestatecanberepresentedbyanncomponentstatevector
12
T
n
xxxxIt
belongstoann-dimensionalvectorspacedefinedoverthefieldC.
在任何一个固定的时刻，系统的状态可以用变量集合的值x
i
来描述，称为状态变量。热
力学系统的一个状态变量是温度，其值是在一个实数连续区间R变化。对于一个二进制网络
状态变量可以仅仅有两个离散的值，0和1。你在月底帐目的平衡的状态可以用一个数来表
示。国情咨文中的状态可以用国民生产总值、失业率、贸易赤字等来表示。对于本文所考虑
的系统，状态变量可以用任何一个标量值（实数或复数）来表示。即
i
xC。虽然有的系统
需要用无穷多个状态变量来表示，但是在这里我们仅仅考虑有限个数目状态变量的系统。因
此，状态可以表示为n个分量的状态向量
12
T
n
xxxx。状态向量属于某个域C上
的状态空间。
ForContinuous-timesystem,thestateisdefinedforalltimeinsomeinterval,forexample,a
te-timesystemhavetheirstatedefinedonlyat
discretetimes,aswiththemonthlyfinancialstatementortheannualStateoftheUnionmessage.
Continuous-timeanddiscrete-timesystemscanbediscussedsimultaneouslybydefiningthetimes
tinuous-timesystemTconsistsofthesetoftimes
01k
eithercasetheinitialtimecouldbeandthefinaltimecouldbeinsomecircumstances.
对于连续时间系统，状态可以定义某个区间上的所有时间。例如，连续变化的温度或者
电压。离散时间系统的状态只定义在离散时刻。例如，每月财务状况或者年度国情咨文。连
续时间系统和离散时间系统可以通过定义时间域T来统一讨论。对于连续时间系统，T由
01
[,]ttt的所有实数构成。对于离散时间系统，T由
01k
ttt离散时刻集合构成。在
任何一种情形，有时，初始时刻可以为，最终时刻可以是。
Thestatevectorx(t)isdefinedonlyforthose
01
[,]ttt.Atanygivent,itissimplyan
r,thecharacterofasystemcouldchangewithtime,causingthe
numberofrequiredstatevariables(andnotjustthevalues)imensionofthestate
spacevarieswithtime,thenotation
tsumedherethatisthesame
n-dimensionalstatespaceatall
tT
.
状态向量x(t)仅仅是在
01
[,]ttt上有定义。对于任意给定的t，x(t)仅仅是一个有序的n
个数的集合。然而系统的特性可以随时间变化，会引起系统状态变量个数（不是变量的值）
的变化。如果状态空间的维数发生变化需要巴金激流三部曲 使用符号
t。这里假设这里表示，对于
tT
系统的维数都是n维。
B:Stateequations
Thederivationofstatespacemodelsisnodifferentfromthatoftransferfunctioninthatthe
sferfunctionmodels
theseequationsaretransformedandvariablesareeliminatedbetweenthemtofindtherelation
temodels,instead,theequationsarearranged
intoasetoffirst-orderdifferentialequationsinthetermsofselectedstatevariables,andthe
etheeliminationofvariablesbetween
equationsisnotaninherentpartofthisprocess,
examplesaregivenforillustrationandtorelatestatemodelstothetransferfunctionsusedthusfar.
状态空间模型的推导与传递函数的推导没有什么不同，总是先将描述系统特性微分方程
写出来。在传递函数模型中，这些方程经过（拉氏）变换，并消去中间变量，以求得所
选定的输入输出变量间的关系。对于状态模型，所不同的是，将方程整理成为一阶微分
方程组，其变量为选定的状态变量。而且输出变量同样也表示成为状态变量。由于所消
去的变量并非过程本质部分，状态模型更容易得到。给出两个例子作为解释并将状态模
型与所用过的传递函数模型相联系。
isusuallyadvantageoustousevariableswhichhavephysicalsignificanceand,ifpossible,canbe
mofthe
informcases,
forexample,atransferfunctionisobtainedexperimentallyandmustbeusedasthestartingpoint.
状态变量的选择不是惟一的。有多组状态变量可以选择。。通常最好是选择有物理意义
的变量，如果有可能，最好是可以测量的。对于一个系统，所能得到的信息的形式通常决定
了所使用的方法。。例如，在一些例子中，传递函数是通过实验得到的，而且必须是建模的
开始。
Withastate-modeldescriptionofthesystemdynamics,thefirstquestiontobeansweredis
vethestabilitycriterion,,thegeneralizationofthe
conceptionofytransferfunctionisconsideredfirst,byfindingthetransferfunctionmatrixthat
quiresLaplacetransformationofthestate-model
lacetransformofavectoristhevectoroftheLaplacetransformofitselements,
sothatthetransformofxand
x
areasfollows:
因为状态模型描述了系统的动态特性，首先要确定的是系统的稳定性。为了推导稳定性
判据首先确定状态模型的传递函数矩阵来考虑传递函数概念的推广。这需要状态模型方程的
拉氏变换。一个向量的拉氏变换等于其每个元素的拉氏变换。因此x和
x
的拉氏变换如下：
Part3ComputerControlTechnology
Unit1
A：ComputerStructureandFunction
TheCPUreadsandinterpretstheinstructions,readsthedatarequiredbyeachinstruction,
executestheactionrequiredbytheinstruction,he
actionthat
carriedoutusingtheinput/outputsystem.
CPU读取并解释指令，读取每一条指令所需的数据，执行指令所需的动作并将结果存储
回内存。CPU所必需的一个动作就是从外设读写数据。该动作由输入/输出系统来完成。
Tcationisa
‘number’oflocationiscalleditsaddress.
ufacturerdefinesawordlengthfortheprocessorthatisan
wordthebitscanrepresenteitherdataorinstructions.
FortheIntel8086/87andMotoralaMC68000microprocessors,awordis16bitslong,buteach
memorylocationhasonly8bitsandthustwo8-bitlocationmustbeaccessedtoobtaineachdata
word.
计算机的内存由一组连续编号的单元构成。每一个单元都是一个存储二进制信息的寄存
器。单元的编号称为其地址。最低的地址为0。制造商为处理器定义了字长，字长为单元长
度的整数倍。每一个字中的位，既可以表示数据也可以表示指令。对于Intel8086/87或者
MotoralaMC68000微处理器，一个字的长度为16位，但是每一个内存单元只有8位，因此，
为了得到一个字的数据必须访问两个8位的单元。
Inordertousethecontentsofmemory,theprocessormustfetchthecontentsoftheright
youtafetch,theprocessorplace(enables)thebinary-codedaddressofthedesired
orythenallowsthecontents
cessoffetchingthecontents
ofamemorylocationdoesnotalterthecontentsofthatlocation.
为了使用内存的内容，处理器必须读取正确的存储单元的内容。为了完成一个取数操作，
处理器将所需的单元的二进制编码的地址放（使能）在外部处理器的地址线上。接着，内存
就允许处理器读取所给地址内存单元中的内容。取数操作不会影响存储单元中的内容。
salsoamuchlargernumber
rtoincreasethenumberof
memorylocations,theaddressfieldsandhencetheinstructionsmustbelongerthan16bitsifwe
reanumberofwaytoincreasetheaddressingrangeofthe
microprocessorwithoutincreasingtheinstructionlength:variableinstructionfield,multiword
instructions,multipleaddressingmode,notdiscussthemin
detail.
在实际的指令集中往往有更多的指令。也有更多数量的存储指令和数据的内存单元。如
果我们使用原来的方法，为了增加内存的容量，地址段以及指令必须比16位更长。有各种
方法在不增加指令长度的前提下增大微处理器的寻址范围。例如：变指令段、多字指令、多
寻址方式、变指令长度等。我们对此不作详细讨论。
ontrolof
theCPU,adatasourcedeviceanddatadestinationdeviceare“enabled”onto(equivalen人非圣贤孰能无过下一句 ttobeing
connectedto)thebuswiresforashorttransmission.
总线是计算机系统中最重要的通信系统。CPU的控制下，数据源器件和数据目的地器件
被“使能”（等价于将其连接）至总线用于短暂的传输。
nnectedtotheexternalprocessorbusbya
setofbusbufferslocatedonthemicroprocessorintegratedcircuit.
XX节所描述的内部总线通过一组位于微处理器集成电路内的总线缓冲器与外部总线连
接。
B:FundamentalsofComputerandNetworks
entuser
programsfrominterferingwiththeproperoperationofthesystem,thehardwarewasmodifiedto
createtwomodes:sinstructions(suchasI/Oinstructionsand
haltinstruction)oryinwhich
preventsinfinite
esechanges(dualmode,privilegedinstructions,memoryprotection,timerinterrupt)
havebeenmadetothebasiccomputerarchitecture,itispossibletowriteacorrectoperating
system.
操作系统必须能够确保计算机系统的正确运行。为了防止用户程序干扰系统的正确运
行，将硬件修改为两个模式：用户模式和监控模式。许多的指令（如I/O指令，停止指令）
为特许指令且仅仅能够在监控模式下运行。监控程序所在的内存也必须保护起来以防用户修
改。定时器可以防止死循环。一旦对一个基本的计算机体系结构完成了以上修改（双模式、
特许指令、内存保护、定时器中断），就有可能写出正确的操作系统。
Althoughthephysicalseparationofthecommunicatingcomputersmayvaryconsiderably
fromonetypeofapplicationtoanother,or,attheheartofanycomputer,thecommunication
networkisthedatacommunicationfacilitywhichmaybeaPSDN,aprivateLAN,orperhapsa
r,irrespectiveofthetypeofdata
communicationfacility,anamountofhardwareandsoftwareisrequiredwithineachattached
lly,theseareconcerned
withtheestablishmentofacommunicationchannelaccessthenetworkandwiththecontrolof
visionofsuchfacilitiesisonlypartofthenetwork
requirement,however,sinceinmanyapplicationsthecommunicatingcomputermaybeof
ansthattheymayusedifferentprogramminglanguagesandmore
importantly,differentformsofdatarepresentationinterfacebetweenuser(application)programs,
normallyreferredtoasapplicationprocessesorAPs,andtheunderlyingcommunicationservices
mple,onecomputermaybeasmallsingle-usercomputer,whileanother
maybealargemulti-usersystem.
虽然，通信计算机在无论是在应用上或者是在计算机的核心部件上都存在很大的物理差
别，通信网络在本质上就是一个数据通信设备，可能是一个PSDN、一个自有的局域网以及
这些网络的互连。然而，即使不考虑数据通信设备的类型，每一台计算都需要一定的硬件和
软件以处理相应的网络协议。这些协议要考虑建立访问网络的通信通道以及控制信息流。提
供这些设备仅仅是网络需求的一个部分；许多的通信计算机有着不同的应用程序类型。即他
们使用不同的编程语言；更为重要的是用户程序之间使用不同的数据表示接口；而且基础的
通信服务也是不同的。例如有的计算机可能只是单台计算机而另一些则是大型多用户系统。
Unit2
A：InterfacetoExternalSignalsandDevices
Autonomousexternaldevicesandsignalshavingnobus-compatiblesignalsandnotemporal
relationshipwiththesystembussignalcannotbeconnectedtothesystembusdirectly.
Communicationwiththesystembusisaccomplishedviaaninput/n
purposeofaninput/outputinterfaceareconvertingthetransferofdatabetweentheprocessorand
independentoutsidedevices,andconvertingdatabetweenamodalityrecognizedbytheprocessor.
Otherfunctionsofinterfacemaybetoprovideelectricisolation,amplification,noiserejection,
temporarydatastorage,ordataformatconversion.
自治的外部设备和信号由于没有与总线兼容的信号也没有与系统总线信号的暂时关系
（注：实际上是指没有暂存器）就无法与系统总线直接相连。与系统总线的通信是由输入输
出接口来完成的。输入输出接口的主要目的是将数据在处理器与独立的外部设备之间转换并
将数据按为处理器能识别的方式进行转换。接口的其他功能包括：电气绝缘、信号放大、噪
声去除、数据暂存或者数据格式转换。
Insomecases,theuseofhandshaking(sequenceusedforrequest,permission,andtransfer)
edataisavailable,theperipheralnegatesthe
data-availableline,tthesametime,a‘ready’
flrtoknowthis,
theCPUmustbecontinually‘polling’theinterface(readingthestatusregister),andfinallylatched
thedata.
在某些情形，使用如图Fig.3-4B-2所示的握手信号（用于请求、允许和转换的信号序列）
是必须的。一旦信号是可用的，外设就会关闭信号可用线并将数据选通至接口。同时，状态
寄存器给出‘就绪’标志，通知CPU数据已经可用。为了得知外设是否就绪，CPU必须不
停地轮询接口（读状态寄存器）并最终锁存数据。
Towardthehi
thisconverter,anunknownpositive(constant)inputvoltageU
i
isappliedtoanelectronicintegrator
fromzerovoltsforafixedtimeT,producingapositive-goingoutputvoltagerampproportionalto
U
i
T(theintegralofaconstantvoltageovertimeT).U
i
isthenremovedandaknownnegative
condrampcrossed
zeroatU
i
T/eismeasuredbya
high-speedcounter;andsinceTandUareconstant,thecounterholdsavaluethatisproportional
nputvoltage,forexample,isequaltothereferencevoltageU,thetwo
ipeof
converterisusuallyquitlinearandconvertersupto20bitscanbeobtained,buttheconversion
timeisrelativelylong.
随着高精度转换器发展就产生了双积分模数转化器。在该种转换器中，一个未知的正值
（常数）输入电压U
i
加至一个电子积分器上，该积分器从零电压开始积分，时间为固定的
T，从而产生一个斜率与U
i
T成正比的正向斜坡电压。然后去掉U
i
，对一个已知的负常值参
考电压U积分一产生一个下降的斜坡。这第二个斜坡信号从参考电压作用时算起在U
i
T/U
秒过零。这个时间通过一个高速计数器来测量，由于T和U都是常数，计数器所计的数就
与输入电压成比例。如果输入电压等于参考电压，，两个积分时间就相等，计数器就达到最
大值。这种转换器通常线性度很好，转换精度达到20位，但是转换时间相对比较长。
Atthehigh-speedendoftheperformancespectrum,theparallel(flash)convertercanprovide
accomplishedbyprovidinginternalvoltage
referenceforeachofthe
21N
log
signaliscomparedwithallthereferencevoltagesatoncebyastringofhigh-speedcomparators
eofthenumberandqualityofthe
componentsrequiredforthisA/D,
convertersareusuallyexpensive.
在高速转换性能的范围内，并行（闪速）转换器可以提供高达100MHz的转换速率。该
转换器的实现原理是，为每一份量值为输入模拟电压除以
21N
的电压提供一个内部参考电
压。输入模拟信号立即与所有的参考电压通过一串高速比较器进行比较，高速比较器用于产
生二进制输出。由于该类型的A/D所需要的元件的数量比较多、要求的质量比较高，通常
都是8位或者更低位。闪速转换器通常比较昂贵。
InfrontoftheA/Dconverterinananalogconversionsystemisusuallylocateda
antinputisespeciallyrequiredinasuccessiveapproximation
converterbecausetheinputiscomparedwithareferenceseveraltimesovertheconversionperiod.
在模拟量转换系统中在模/数转换器的前端通常都会有一个采样-保持电路。在逐次逼近
转换器中一个固定的输入特别重要，因为在一个转换周期中输入要和参考值比较好几次。
ThemultiplexershowninFig.3-4B-5isconceptuallylikearotaryswitchthatcanberotated
to“address”tiplexercanbeconstructed
fromeithermechanicalswitchesorsolid-statedevices(suchadCMOSswitches).Themultiplexer
canbecarriedoutinavarietyofwayssuchas“single-end”and“differential”
ferentialmultiplexer
isusefulwhenyouareinterestedinthedifferencebetweentwovoltages,suchasthetwoarmsofa
straingaugebridge.
如图Fig.3-4B-5所示的多路开关在概念上如同一个旋转开关，在处理器的控制下可以旋
转寻址任意一个输入通道。多路开关可以用机械开关或者固态器件（例如CMOS）开关构成。
多路开关的输入端可以有多种输入连接方式，例如单端连接或者差分连接。当信号值是相对
地而言的，则使用单端连接。当我们对两个电压的差感兴趣时（例如一个应力传感器桥的两
个桥臂的电压差）则使用差分连接。
B:TheApplicationofComputer
Computertakeoverthejobswhichusedtobeexclusiveforhumanswithspecialskilland
knowledge,forexample,controllingproductiveprocess,manipulatingmachines,inspecting
productsquality,managingproductionplans,administeringinventory,etc.,allonanautomatic
(Numericalcontrol)systems,PIDcontrolsystems,
servocontrolsystems,groupcontrolsystems,optimalcontrolandadaptivecontrolsystems,
computerasacentralcontrolunittakeallrelevantcalculationsinvolvedintheautomaticcontrol
S(computerIntegrated
ManufacturingSystem)containsnotonlyaproductioncontrolsystembutalsoproduction
planningandmanagementsystemsaimingattheintegrationoffactoryautomation(FA)andan
officeautomation(OA),S
(HumanIntegratedManufacturingSystem)l
realitytechnologyisusedtocreatevirtualspaceforhumanoperatorsthroughtheuseof
high-performancecomputerandspecificsoftware.
计算机取代了过去是需要人的特殊技巧和知识的工作。例如，控制生产过程、操纵机器、
检查产品质量、生产计划管理和库存管理等等，一切都是自动的且效率和精度都很高。在数
控系统、PID控制系统、伺服系统、群控系统、最优和自适应控制系统中，计算机都是作为
一个中心控制单元，进行与过程自动控制有关的各种运算并对系统中的其他单元进行调度。
CIMS(计算机集成制造系统)不仅包含生产控制系统而且还包含了生产规划和管理系统，其目
标是集成工厂自动化（FA）和办公自动化(OA)并为整个公司构成一个计算机网络。HIMS（人
集成制造系统）是计算机控制的一种高层形式。虚拟现实技术通过使用高性能计算机以及特
殊的软件来为操作员创立一个虚拟的空间。
Virtuallycomputersimulationisbasedonmathematicalmodelsrepresentingthenatureofthe
hematicalmodelcomprisesaseriesofequationsthat
tersimulationprogram
mputersimulationsystemhave
beendevelopedandprovedtobecost-effective,becauseusingcomputersimulationprograms,
engineerscanaccomplishiterativeprocesseachtimebyinputtingdifferentschemesand
parametersintotheircomputermodelsratherthanbuildingmanydifferentrealmodel.
虚拟的计算机仿真是建立在能够代表要研究或检查的对象的数学模型之上的。该数学模
型包含了一组描述了对象内在过程的数学方程。一个计算机仿真程序包含了从以上方程
推导出来的算法。许多的计算机仿真系统已经开发出来并且证明是性能价格比高的。之
所以这样，是因为通过使用计算机仿真，工程师们可以反复地运行过程，每次输入不同
的策略和参数（进入计算机模型）而无须构造真实的模型。
Thecontrollerinarobotismostlyacomputer–frommicroprocessorsto
(NumericControl)andSC(ServoControl)
arere-programmabletoproducesequencesofinstructionsforallmovementsand
actionstobetakenbytherobot,mple,
acontrollersendsaseriesofpulsestoastepmotorinajointofarobotarm
ljointsdriven
inthesameway,therobotarmreachthedesignedpositionandattitude,andit
uracyof
movementisdeterminedbythecontrolleritself.
机器人中的控制器大多数情况下都是计算机，从微处理器到小型计算机。数字控制与伺
服控制被广泛使用。他们都可以重复编程，以产生一系列的指令用于机器人的动作与行
为。例如。控制器将系列脉冲送到机器人手臂关节的步进电机使其转动如程序所要求的
角度。当所有的关节都用该方法驱动，机器人就可以达到所希望的位置和姿势。且终端
执行机构就如控制器所指示的那样工作。动作的精度由控制器来决定。
CADissoftwarethatcanhelpengineeringintheirdesignsfornewproductsbuilding,
printcircuitboards,civilworkslikebridgeandairports,relievingthemfromthetedious,
back=barkingontheir
designs,engineersfrequentlymakereferenceintovariousmanualslistedinwhicharedetailsof
structure,parts,materialsandauxiliarymaterialsreadyfordesigns’
productsincorporatethecontentofallthesemanualsintoaseriesoflibrariesinthesoftware
product,providingtheengineerswithinformation,forinstance,names,dimensions,functions,
performance,specifications,shapes,color,manufacturers,pricesofthemachineparts,components,
tools,materials,essaryforengineeringdesign.
CAD是这样的软件，可以帮助工程师设计新产品、建筑、印刷线路板、桥梁和机场等
土木工程；使他们从绘图等繁琐、累人和费时的工作中解脱出来。当工程师们着手设计时，
他们要参考很多的有关结构、零件、材料和辅助材料的手册以作为他们设计的选择。CAD
产品将以上内容的手册放在一系列的软件库中，因此可以给工程师提供各种信息，例如，元
件、部件、工具和材料的名称、尺寸、功能、性能、规格、形状、颜色、制造商、价格等，
所有这些都是工程设计所必须的。
CAMisasoftwarehelpingengineerstoanalyzeaproductoraproject,andgiveadvicefor
,diagrams,tables,gitsshape,dimension,
structure,fwill
giveoutsuggestionsaboutitsmanufacturing,forinstance,machineprocedure,machinetoolsand
facilitiestobeused,technicalparameterslikeallowanceforfinish,machiningaccuracy,aswellas
specialprocessings.
CAM是工程师们用于分析产品和项目的软件，它能给出制造或者构造产品或者项目的
建议。表示产品形状、尺寸、结构、组成和制造材料的数据、图形和表格等将按软件的需求
输入。接着，CAM软件将给出加工的建议，例如，加工程序、加工所用的工具与设备、技
术参数（如，公差、加工精度）以及特殊处理过程等。
Artificialintelligence(AI)poseistodevelop
theoryandmethodtocreate“intelligent”computerprogramsthatworkinahuman-likeway,
ratherthansuse
ofanalogy,humanintelligenceisaddedtocomputerprogramswhichthenexhibitmoreextensive
ability,forexample,thinkingandreasoning,acquiringknowledgeandapplyingittosolvingmore
complexanddifficultproblemsthatpresentcomputercan’t.
人工智能（AI）是计算机科学的一个分支。其目的是提出一定的理论和方法以创建“智
能”计算机程序，这些计算机程序象人一样工作，而不是使使用者囹于呆板的计算机为中心
的工作方式。从模拟的意义上来说，将人类智能加在计算机程序中使其具有更广泛的能力，
例如，思考、推理和获取知识，并将其用于解决目前计算机所不能解决的更复杂、更困难的
问题。
rtsystemorientedtoaspecificprofessionworkslike
ahumanexpertoiseisderivedand
,manyexpertsystemhavebeencommerciallyavailable
and,andmoreareunderdevelopment.
专家系统是人工智能领域最为成功的例子。一个专家系统面向人类专家的特殊的专门工
作并能提出建议以解决用户给出的问题。专门的知识组织在知识库中供用户检索。当今，已
经有许多的商业专家系统且还有许多正在开发。
UNIT4
A:FundamentalsofSingle-ChipMicrocomputers
ROMisusuallyforthepermanent,
microcomputersandmicrocontrollersareintendedforhigh-volumeapplicationsandhencethe
economicalmanufactureofthedevicerequiresthatthecontentsoftheprogrammemorybe
y,thisimpliesarigorous
appro
developmentprocessmayinvolveemulationusingasophisticateddevelopmentsystemwitha
hardwareemulationcapabilityaswellastheuseofpowerfulsoftwaretools.
ROM通常是用于永久的、非易失的应用程序存储。许多的微处理器或者微控制器是大
批量生产的，为了省钱，要求程序在生产时就永久地固化在存储器中。显然，这就意味着
ROM代码的开发必须十分精确，因为一旦生产出来就无法更改。这种开发过程包括使用一
个复杂的开发系统，该系统包括硬件仿真能力以及功能强大的软件工具。
SomemanufacturersprovideadditionalROMoptionsbyincludingintheirrangedeviceswith
(orintendedforusewith)plestoftheseisusuallyadevice
whichcanoperateinamicroprocessormodebyusingsomeoftheinput/outputlinesasanaddress
peofdevicecanbehavefunctionallyasthe
single-chipmicrocomputerfromwhichitisderivedalbeitwithrestrictedI/Oandmodified
oftheseROMlessdevicesiscommoneveninproductioncircuitswhere
thevolumedoesnotjustifythedevelopmentcostsofcustomon-chipROM,therecanstillbea
significantsavinginI/Oandotherchipscomparedtoaconventionalmicroprocessorbasedcircuit.
MoreexactreplacementforROMdevicescanbeobtainedintheformofvariantswithpiggy-back
EPROM(ErasableProgrammableROM)
devicesarenaturallymoreexpensivethantheequivalentROMdevice,butdoprovidecomplete
aseddevicesarealsoextremelyattractiveforlow-volume
applicationswheretheyprovidetheadvantagesofasingle-chipdevice,intermsofon-chipI/,
withtheconvenienceofflexibleuserprogrammability.
有的制造商通过在他们的产品系列中提供（或者打算提供）附加的用户可编程的内存。
其中最简单的是这么一种器件，该期间工作在微处理器模式，利用输入输出线作为地址和数
据总线访问外部存储器。这种设备从单片机上派生出来，尽管带有受限制的I/O和更改过的
外部电路，在功能上表现为一个单片机。无ROM的设备普遍使用，即使在产品电路中批量
使得片内ROM开发成本过高，和基于微处理器的传统电路相比还是可以显著地节省I/O和
其他芯片。取代ROM更为合理的一种方式，可以通过使用各种背负式EPROM（可擦写、
可编程ROM）插座或者用带EPROM的器件来取代ROM。这些器件自然会比较昂贵，但是
能够提供完全同等的、基于EPROM的器件对于小批量来们说也是有吸引力的，因为它们使
用片内的I/O，提供了单片器件的优势并有灵活的可编程的便利。
Serialcommunicationwithterminaldevicesisacommonmeansofprovidingalinkusinga
rtofcommunicationcanalsobeexploitedforinterfacingspecial
ecommonasynchronousand
synchronouscommunicationschemesrequireprotocolsthatprovideframing(startandstop)
nbeimplementedasahardwarefacilityorUARTrelievingprocessor(and
applicationsprogrammer)ofthislow-level,time-consuming,relynecessarytoselect
abaud-rateandpossiblyotheroptions(numberofstopbits,parity,etc.)andload(orreadfrom)
theserialtransmitter(receiver)izationofthedataintheappropriateformatisthen
handledbythehardwarecircuit.
串行通信是一种使用很少的几条线就能实现与终端设备通信的常用方式。这种通信方式
也可以开发为与一些特殊芯片的接口或者将几个微型计算机相互连接。异步和同步通信策略
需要协议提供（启动、停止）帧信息。这种工作可以使用硬件或者UART来实现，可以将
处理器或者应用程序从这种底层的、费时的和琐碎的工作解脱出来。用户只需要选择少数几
个选项，例如波特率、停止位、奇偶校验方式，然后向串行发送（或者接收）缓冲区发送（或
者读取）数据。将数据转换为串行所需的格式由硬件来完成。
PART5ProcessControl
UNIT1
A:AProcessControlSystem
Asweshallseeintheensuingpages,sarealways
occurring,andifactionsarenottaken,theimportantprocessvariables—thoserelatedtosafely,
productquality,andproductionrates—willnotachievedesignconditions.
在后续的章节中，我们可以看到过程的特性是动态的。各种参量总是在变化，如果不采
取措施，这些重要的，与安全、产量以及生产率有关的过程变量将无法达到设计值。
Theengineerdesigningacontrolsystemmustbesurethattheactiontakenaffectsthevariable
tobecontrolled,thatis,ise,thesystemis
notcontrollingandwillprobablydomoreharmthangood.
工程师在设计控制系统时，必须确保控制行为是可控的，即，控制行为所影响的变量是
可测量的。否则的话，系统不但是不可控的，而且还会有有害的结果。
注：safely应该改为safety。
翻译示例：
OnewaytoaccomplishthisobjectiveisbyfirstmeasuringthetemperatureT(t),then
comparingittoitsdesiredvalue,andbasedonthiscomparison,decidingwhattodotocorrect
,ifthe
temperatureisaboveitsdesiredvalue,thenthesteamvalvecanbethrottledbacktocutthesteam
flow(energy)emperatureisbelowitsdesiredvalue,thenthesteam
valvecouldbeopenedsomemoretoincreasethesteamflow(energy)
thesecanbedonemanuallybyoperator,andsincetheprocedureisfairlystraightforward,itshould
r,sinceinmostprocessplantstherearehundredsofvariablesthat
mustbemaintainedatsomedesiredvalue,thiscorrectionprocedurewouldrequiredatremendous
uently,,
wewanttohaveinstrumentsthatcontr岁岁重阳今又重阳朗诵稿 olthevariablewithoutrequiringinterventionfromthe
whatwemeanbyautomaticprocesscontrol.
完成这个目标的一个方法是首先测量温度，然后将其与期望值比较，在比较的基础上再
决定如何去做以消除偏差。蒸汽的流量可以用于消除偏差。即，如果温度高于期望值，将
蒸汽阀关小以削减进入热交换器的蒸汽（能量）。如果温度低于期望值，则蒸汽阀门就会打
开大一点以增加蒸汽流量（能量）。所有这些都可以由操作员手工完成，而且由于步骤很
直观，不会有什么问题。然而。在大多数的生产过程中有数百的变量必须维持在期望值，这
就要求有很多的操作员。因此，我们就希望采用自动控制来完成这些工作。即，我们要用仪
表来控制这些变量而不需操作员干预。这就是过程的自动控制。
Toacble
stthingtodoisto
r(thermocouple,resistance
temperaturedevice,filledsystemthermometers,thermistors,etc)nsoris
connectedphysicallytoatransmitter,whichtakestheoutputfromthesensorandconvertsittoa
trollerthenreceivesthesignalwhich
isrelatedtothetemperature,ingonthiscomparison,
theconthis
decision,thecontrollerthensendsanothersignaltofinalcontrolelement,whichinturn
manipulatesthesteamflow.
为了实现这一目标，必须设计与安装一个控制系统。一个可能的控制系统以及基本的元
件如图5-1A-2所示。首先是测量出口处的蒸汽温度。可以使用一个传感器（热电偶、热敏
电阻、温度计、热电阻等）来检测温度。该传感器与一变送器相连，变送器用于将传感器信
号转换为足够强的可传输给控制器的信号。控制器接收这一与温度有关的信号将其与期望值
比较。基于这一比较，控制器决定如何去作，以维持温度在期望值。然后控制器送出一个信
号给执行机构以操纵蒸汽流量。
Asmentioned,thesethreeoperations,M,D,
decision-makingoperationinsomesystemisrathersimple,
engineerdesigningacontrolsystemmustbesurethattheactiontakenaffectsthevariabletobe
controlled,thatis,ise,thesystemisnot
controllingandwillprobablydomoreharmthangood.
正如前面所说的，测量（M）、决策（D）和动作（A）这三种操作出现在每一个系统
中。决策行为在一些系统中是相当简单，而在一些系统则比较复杂。工程师在设计控制系统
时，必须确保控制行为是可控的，即，控制行为所影响的变量是可测量的。否则的话，系统
不但是不可控的，而且还会有有害的结果。
B:FundamentalsofProcessControl
Atthistimeitisnecessarytodefinesometermsus父爱如山的经典句子 edinthefieldofautomaticprocesscontrol.
thevariablethatmustbemaintainedorcontrolledat
recedingexample,theprocessoutlettemperature,T(t),isthe
ondtermissetpoint,
manipulatedvariab
example,y,anyvariablethatcancausethe
controlled
ample,intheheatexchangershownin
Fig.5-1A-2,possibledisturbanceareinletprocesstemperature,Ti(t),theprocessflowq(t),the
qualityoftheenergyofsteam,ambientconditions,processfluidcomposition,fouling,andsoon.
Whatisimportanthereistounderstandthatintheprocessindustries,mostoftenitisbecauseof
ewerenodisturbance,
design-operatingconditionswouldprevailandtherewouldbenonecessityofcontinuously
“policing”theprocess.
此时，有必要定义一些自动过程控制的术语。第一个属于是被控变量。该变量是指那些
要维持或者控制在期望值的变量。，在前面的例子中，过程出口的温度T(t)就是被控变量。
第二个术语是设定点，指被控变量的期望值。操纵变量是指用于将被控变量控制在期望值的
变量。在前面的例子中，蒸汽的流量就是操纵变量。最后，所有会使被控变量偏离期望值的
变量就称为干扰或者扰动。在大多数的过程中，有多个不同的干扰。例如，在图5-1A-2所
示的热交换器中，可能的干扰有，入口的过程温度Ti(t)，过程流量q(t)，蒸汽能量的质量，
周围的条件过程流质的成分，堵塞等等。必须理解，正是因为干扰存在，才需要自动控制。
如果没有干扰，所设计的工作点就一直保持，也就不需要连续地调节过程了。
opreferstotheconditionin
,thecontrollerisnotmaking
rinstanceinwhichopen
loopcontrolexistsiswhentheaction(A)takenbycontrollerdoesnotaffectthemeasurement(M).
-loopcontrolreferstothecondition
inwhichthecontrollerisconnectedtotheprocess,comparingthesetpointtothecontrolled
variableanddeterminingcorrectiveaction.
下面附加的术语也是重要的。开环是指这样的条件：控制器不与被控过程相连接。即
控制器不会为维持被控变量在设定值而作决断。开环控制的另一个例子是控制器的动作不会
影响测量量。闭环是指这样的条件：控制器与被控过程相连接，将设定值与被控变量相比较
然后决定再决定相应的调节行为。
Letusnowsayafewwordsaboutthesignalusedtoprovidecommunicationbetween
rethreeprincipaltypesofsignalsusedintheprocess
umaticsignal,orairpressure,
often,alrepresentationinpiping
andinstrumentdiagrams(P&ID)ctrical,orelectronic,
ten10to50mA,1to5Vor0to10Vareused.
Theusualrepresentationin(P&ID)rdtypeofsignal,whichisbecoming
commonisthedigital,ordiscrete,signal(zerosandones).Theuseofprocess-controlsystem
basedonlarge-scalecomputer,minicomputer,ormicrocomputersisforcingincreaseduseofthis
typeofsignal.
我们来稍微讨论一下控制系统仪表之间通信所使用的信号。今天，在过程工业中主要使
用三种信号。压缩空气信号，范围从3到15psig，不太常用的信号有6到30psig或者3到
27psig。在管道和仪表图(P&ID)中压缩空气的表示符号为。电气信号，通常是
4到20mA，不太常用的信号有10到50mA,1到5V或0到10V。在管道和仪表图
(P&ID)中电气的表示符号为：。第三种信号正变得日益普遍，是数字信号，或者
离散信号。在过程控制系统中基于大型、小型或者微型计算机使用的增加，使得这种类型信
号使用增加。
UNIT2
A:SensorsandTransmitters
Sensorsandtransmittersperformthemeasurements(M)
sensorproducesaphenomenon,mechanical,orthelikerelatedtotheprocessvariablethatit
nsmitterinturnconvertsthisphenomenonintoasignalthatcanbetransmitted
Thesignal,therefore,isrelatedtotheprocessvariable.
传感器和变送器在控制系统中起着测量的作用。传感器产生的现象、机制或其他与被测
量的变量有关。变送器将传感器所产生的量转换成可以传输的信号。该信号因此与过程变量
有关。
Therearethreeimportanttermsrelatedtothesensor/geof
theinstru,
considerapressuresensor/transmitterthathasbeencalibratedtomeasureaprocesspressure
hattherangeofthesensor/transmitter
combinationis20~noftheinstrumentisthedifferencebetweenthehighandlow
arize,we
twonumbermust
y,thelow
uedoesnothavetobezeroin
aboveexample,the“zero”oftheinstrument
is20psig.
传感器/变送器有三个重要的术语。仪表的量程是所测量的过程变量的最小值和最大值。
例如，考虑一个压力传感/变送器，已经校验为压力测量值为20到50psig。仪表的测量范围
是最大值和最小值的差。因此，所论的压力仪表的测量范围为30psi。总结一下，我们必须
定义仪表量程的最大值和最小值。这两个值必须给出。仪表的测量范围是这两个值的差。最
后，仪表测量的最小值称为仪表的零点。该虽然称为零点，但不一定要等于零。例如，我们
所讨论的仪表的零点是20psig。
Thisaterthe
flowis,thegreaterthegain.
该表达式说明，增益不是常量，而是一个流量的函数。流量越大，增益也越大。
Sotheactualgainvariesfromaerototwicethenominalgain.
因此，实际的增益取值范围是从0到标称增益的2倍。
ysmostmanufacturesoffer
differentialpressuretransmitterswithbuilt-insquarerootextractorsyieldingalineartransmitter.
该事实导致控制系统的非线性。，今天，大多数的制造商都能提供嵌入式的开方器，因
而得到线性的变送器。
Thedynamicresponseofmostsensor/transmitterismuchfasterthanthethatofprocess.
Consequently,theirtimeconstantsanddeadtimecanoftenbeconsiderednegligibleandthus,their
r,whenthedynamicsmustbeconsidered,itis
usualpracticetorepresentthetransferfunctionoftheinstrumentbyfirst-orderorsecond-order
system.
传感器/变送器的动态响应要比过程的特性快很多。因此，它们的时间常数和死区时间
都可以忽略不计，所以传递函数可以是一个纯增益。然而，当仪表的动态特性必须要考虑时，
往往将其传递函数看成一个一阶或者二阶的系统。
UNIT3A:PControllersandPIControllers
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