自动化专业英语教程第二版翻译

PART 1　Electrical and Electronic Engineering Basics 　UNIT 1　A　Electrical Networks — — — — — — — — — — — — 3 　　B　Three-phase Circuits 　UNIT 2　A　The Operational Amplifier — — — — — — — — — — — 5 　　B　Transistors 　UNIT 3　A　Logical Variables and Flip-flop — — — — — — — — — — 8 　　B　Binary Number System 　UNIT 4　A　Power Semiconductor Devices — — — — — — — — — — 11 　　B　Power Electronic Converters 　UNIT 5　A　Types of DC Motors — — — — — — — — — — — — —15 　　B　Closed-loop Control of DC Drivers 　UNIT 6　A　AC Machines — — — — — — — — — — — — — — —19 　　B　Induction Motor Drive 　UNIT 7　A　Electric Power System — — — — — — — — — — — —22 　　B　Power System Automation PART 2　Control Theory 　UNIT 1　A　The World of Control — — — — — — — — — — — —27 B　The Transfer Function and the Laplace Transformation — — — — —29 　UNIT 2　A　Stability and the Time Response — — — — — — — — — 30 　　B　Steady State— — — — — — — — — — — — — — —— — 31 　UNIT 3　A　The Root Locus — — — — — — — — — — —— — 32 　　B　The Frequency Response Methods: Nyquist Diagrams — — — — — 33 　UNIT 4　A　The Frequency Response Methods: Bode Piots — — — — — 34 B Nonlinear Control System 37 UNIT 5 A Introduction to Modern Control Theory 38 B State Equations 40 UNIT 6 A Controllability, Observability, and Stability B Optimum Control Systems UNIT 7 A Conventional and Intelligent Control B Artificial Neural Network PART 3 Computer Control Technology UNIT 1 A Computer Structure and Function 42 B Fundamentals of Computer and Networks 43 UNIT 2 A Interfaces to External Signals and Devices 44 B The Applications of Computers 46 UNIT 3 A PLC Overview B PACs for Industrial Control, the Future of Control UNIT 4 A Fundamentals of Single-chip Microcomputer 49 B Understanding DSP and Its Uses UNIT 5 A A First Look at Embedded Systems B Embedded Systems Design PART 4 Process Control UNIT 1 A A Process Control System 50 B Fundamentals of Process Control 52 UNIT 2 A Sensors and Transmitters 53 B Final Control Elements and Controllers UNIT 3 A P Controllers and PI Controllers B PID Controllers and Other Controllers UNIT 4 A Indicating Instruments B Control Panels PART 5 Control Based on Network and Information UNIT 1 A Automation Networking Application Areas B Evolution of Control System Architecture UNIT 2 A Fundamental Issues in Networked Control Systems B Stability of NCSs with Network-induced Delay UNIT 3 A Fundamentals of the Database System B Virtual Manufacturing—A Growing Trend in Automation UNIT 4 A Concepts of Computer Integrated Manufacturing B Enterprise Resources Planning and Beyond PART 6 Synthetic Applications of Automatic Technology UNIT 1 A Recent Advances and Future Trends in Electrical Machine Drivers B System Evolution in Intelligent Buildings UNIT 2 A Industrial Robot B A General Introduction to Pattern Recognition UNIT 3 A Renewable Energy B Electric Vehicles UNIT 1   A 电路  电路或电网络由以某种方式连接的电阻器、电感器和电容器等元件组成。如果网络不包含能源，如电池或发电机，那么就被称作无源网络。换句话说，如果存在一个或多个能源，那么组合的结果为有源网络。在研究电网络的特性时，我们感兴趣的是确定电路中的电压和电流。因为网络由无源电路元件组成，所以必须首先定义这些元件的电特性. 就电阻来说，电压-电流的关系由欧姆定律给出，欧姆定律指出：电阻两端的电压等于电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上表达为: 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 = i dt， 那么等式 (1-1A-3) 可写为式中 C = 电容量，法拉。 归纳式(1-1A-1)、(1-1A-2) 和 (1-1A-4)描述的三种无源电路元件如图1-1A-1所示。注意，图中电流的参考方向为惯用的参考方向，因此流过每一个元件的电流与电压降的方向一致。 有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。 有源电气元件存在两种基本形式：电压源和电流源。其理想状态为：电压源两端的电压恒定，与从电压源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基本恒定，所以上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面，电流源产生电流，电流的大小与电源连接的负载无关。虽然电流源在实际中不常见，但其概念的确在表示借助于等值电路的放大器件，比如晶体管中具有广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1-1A-2所示。 分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析法。应用于此方法的基本定律是基尔霍夫第一定律，基尔霍夫第一定律指出：一个闭合回路中的电压代数和为0，换句话说，任一闭合回路中的电压升等于电压降。网孔分析指的是：假设有一个电流——即所谓的回路电流——流过电路中的每一个回 路，求每一个回路电压降的代数和，并令其为零。 考虑图1-1A-3a 所示的电路，其由串联到电压源上的电感和电阻组成，假设回路电流i ，那么回路总的电压降为 因为在假定的电流方向上，输入电压代表电压升的方向，所以输电压在（1-1A-5）式中为负。因为电流方向是电压下降的方向，所以每一个无源元件的压降为正。利用电阻和电感压降公式，可得等式(1-1A-6)是电路电流的微分方程式。 或许在电路中，人们感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流。正如图1-1A-1指出的用积分代替式(1-1A-6)中的i，可得1-1A-7   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180°Y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 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 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著。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a flat side ，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。 UNIT 3   A 逻辑变量与触发器   逻辑变量我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量，而象或和与这样的操作被称为逻辑操作。现在我们将简要地讨论一下这些术语之间的关联，并在此过程中，阐明用标示“真”和“假”来识别一个变量的可能值的特殊用途。 举例说明， 假设你和两个飞行员在一架空中航行的飞机中，你在客舱中，而飞行员A和 B在驾驶员座舱中。在某一时刻，A来到了你所在的客舱中，你并不担心这种变化。然而，假设当你和A 在客舱时，你抬头发现B 也已经来到了你所在的客舱中。基于你的逻辑推理能力，你将会推断飞机无人驾驶；并且，大概你已听到了警报，以致使驾驶员之一将迅速对此紧急情况作出响应。 换句话说，假设每一位飞行员座位下面有一个电子装置，当座位上有人时，其输出电压为V1，当座位上无人时，其输出电压为V2。现在我们用“真”来代表电压V2，从而使电压V1表示“假”。让我们进一步制作一个带有两个输入端和一个输出端的电路，此电路的特性是：只要两个输入，即一个输入同时和另一个输入相与，结果为V2时，输出电压才是V2。否则，输出是V1。最后，让我们把输入和飞行员A 和B 座位下的装置联结起来，并安装一个与输出Z相连的警铃，当输出是V2 (“真”)时响应，否则不响应。这样，我们已创建了一个执行与操作的电路，这个电路能完成当两个驾驶员确实都离开驾驶舱时飞机是无人驾驶的逻辑推断。 概括一下，情形如下：符号A、B和Z 代表命题 A =飞行员A已离开座位为真（T） B = 飞行员B已离开座位为真（T） Z = 飞机无人驾驶，处于危险状况时为真（T） 当然，  、  和    分别代表相反的命题。例如，  代表的命题是当飞行员离开驾驶舱等时为假（F），以此类推。命题间的关系可写为 Z=AB        (1-3A-1)我们已经选择用电压来表示逻辑变量A、 B和Z 。但是必须注意，实际上式 (1-3A-1) 是命题间的关系，与我们选择的表示命题的确切方式无关，甚至可以说与我们具有的任何物理表示形式无关。式(1-3A-1) 指出，如果命题A 和B都为真，那么命题Z就为真，否则命题Z为假。 式(1-3A-1)是一个例子，这种命题代数被称为布尔代数。和其它处理有数字意义的变量一样，布尔代数处理的是命题，而且布尔代数对于分析仅有两个互反变量的命题之间的关系是一种有效的工具。 SR 触发器 图1-3A-1给出的一对交叉连接的或非门电路被称为触发器。其有一对输入端S 和R ，分别代表“置位”和“复位”。我们不仅用符号S 和R 标明端点，而且指定端点的逻辑电平。因此，通常S=1指的是对应于逻辑电平为1的电压出现在S 端。相似的，输出端和相应的输出逻辑电平为Q和    。使用这样的符号时，我们已经明确了一个事实，即在我们下面将看到的符号操作中，输出的逻辑电平是互补的。 触发器基本的、最重要的特性是其具有“记忆”功能。也就是说，设置S 和R目前的逻辑电平为0和0，根据输出的状态，即可确定S 和R在其获得当前电平之前的逻辑电平。 术语 为方便衔接下面的讨论内容，介绍一些常见的术语，这有助于了解逻辑系统设计师中惯用的观点。   在与非和或非门（以及与和或门）中，当用其来达到我们的设计意图时，我们能够任意选择一个输入端，并把其看成是使能-失效输入，因此可考虑或非或或门。如果被选的一个输入为逻辑1，那么门电路的输出与所有的其它输入无关。这个被选的输入可控制门电路，其它所有输入相对于这个门电路是失效的 (术语“抑制” 的同义词为“失效”)。相反，如果被选输入为逻辑0，那么它不能控制门电路，门电路能够响应其它输入。在与非或与门中，当被选输入为逻辑0时，此输入控制并截止门电路，因为一个输入为逻辑0，那么门电路的输出不能响应其它输入。 注意一方面是或非门和或门间的区别，另一方面是与非门和与门间的区别。在第一种情况下，当控制输入转为逻辑1时，其可获得门电路的控制；在第二种情况下，当控制输入转为逻辑0时，其可获得门电路的控制。 在数字系统中，普遍的观点是把逻辑0看成一个基本的、无干扰的、稳定的、静止的状态，把逻辑1看成激励的、活跃的、有效的状态，就是说，这种状态是发生在某种操作动作之后。因此，当作用已产生时，其倾向将是定义最后的状态作为对某逻辑变量已转为1的响应。当“无操作发生” 时，逻辑变量为逻辑0。类似地，如果作用将通过逻辑变量的变化产生，那么最好是以这样的方式定义有关的逻辑变量，即当逻辑变量转为逻辑1时达到此效果。在我们对触发器的讨论中，将看到持有此种观点的例子      B   二进制数字系统   概述大约在1850年由乔治·布尔提出的代数学中，变量仅允许具有两个值，真或假，通常被写为1和0，对这些变量的代数运算是与、或和非。在1938年，香农认识到了此代数形式和电气开关系统功能间的相似之处，在这种开关中存在有通-断两种状态的器件。布尔代数的推理过程由充当逻辑电路的开关完成。已有大量集成电路可完成脉冲信号的逻辑操作，这些脉冲信号采用二进制数字系统，并利用电子器件的关断和导通作为二进制系统的两种状态。二进制数字系统和其它代码为了用晶体管直接计算十进制数，要求晶体管认识这10个状态 0、1、…、9，此操作要求的精度是电子器件并不具备的。将导通和关断作为工作状态，这样的装置可以在两态即二进制系统中运行，因此数字计算机中的内部操作一般采用二进制系统。在十进制系统中，基数或底数为10，小数点左边或右边的每一个位都表示其权重增加或减少10的一次幂。在二进制系统中，底数为2，二进制小数点左边或右边的位具有的权重以2的幂次增加或减少。数字可被编码为两个电平的脉冲串，通常标为1或0，如图1-3B-1所示。1-3B-1b 中的脉冲序列能够译为：二进制：1´25 + 0´24 + 1´23 + 0´22 + 1´2 1 + 1´20 = 101011十进制： 32  +  0  +  8  +  0   +   2  +  1 =  43 相反，在把十进制数43转换为二进制形式的过程中，可使其连续被2除。每一次除后所得余数0或1即是二进制数的位数。十进制数43的转化过程：等价于十进制数43的二进制数为101011。虽然二进制数仅需两个信号电平，这种简化的获得是以附加的位数为代价的。在以r 为底数的数制中表示n 位十进制数，需要m 位。其中等式右边是一个整数，或选择下一个较大的整数。对于一个10位的十进制数，可得m=33.2 ，因此必须使用34位二进制数。二进制位叫作比特。写为0.1101的二进制小数意味着0.1101 = 1´2 -1 + 1´2 -2 + 0´2 -3 + 1´2 -4= 1/2  + 1/4  + 0  + 1/16二进制数0.1101表示为十进制数  = 0.500 + 0.250 + 0.062 = 0.812小于1的十进制数的转换可通过连续乘2获得。对于结果在小数点左边为1的每一步，记录二进制数1，然后继续计算所得十进制数的小数部分。对于结果在小数点左边为0的每一步，记录二进制位0，然后继续计算。把十进制数0.9375转化为二进制数，运算如下：等价于十进制数0.9375的二进制数可写为0.11110。最高位是第一个获得的二进制位，放置在二进制小数点的右边。十进制数0到15的二进制等值表为: 给出一串正脉冲和负脉冲，或正脉冲和零，或者零和负脉冲来表示二进制的1和0时，就会有许多这些脉冲可以传递的码。计算机输入最常见的码就是BCD码，每一个十进制数需要四个脉冲或二进制数。用此种代码，每一个十进制位转化为其二进制等值数如上表所示，也就是说，十进制数827用BCD码表示为  1000     0010     0111计算机通过算术运算，能够容易地把此类输入转化为纯二进制形式。解码器也能够把BCD码转化为十进制形式。BCD码在传输中不需附加位的情况下，能够扩大到十进制数15， 成为十六进制码，通常使用字母a、 b、 L、f 来表示10到15。 在某些计算机操作中应用的另一种码是八进制或8为底数的数制。采用的符号为0、1、2L、7，十进制数24可被写为八进制数30(3´81 +0´80)。八进制数字的二进制译码仅需要BCD表中三个最小的有效位，八进制数30的二进制译码为011 000。因为十进制数24用纯二进制形式可写为11000 ，用八进制译码形式可写为011 000，所以需要指出二进制数字转换为八进制数字的简易方法。以三个位为一组划分二进制数，每一组显示为一个等值的八进制译码数，例如，十进制数1206以二进制表示为10010110110，以三个位为一组，可得：二进制：  010  010  110  110八进制：2  2  6 6八进制数是2266。通过使用导电块上的电刷，光学读卡机或码盘，经常用格雷码将角位移或直线位移转换为二进制数。由于组合误差，不能同时变化两个数位以免产生不确定性。设计的格雷码就是为了解决此问题，其在二进制数的每一步变换中，仅需变化一个位。此码的一种形式是其它一些码被设计来降低传输误差，在这些码中将1变为0或将0变为1。通常，检测单一误差的代码可通过把检验位与原始码相加获得。合成码将有偶数个或奇数个1，这些码被称为偶数奇偶校验码或奇数奇偶校验码，例如0000 的奇数奇偶校验码将是10000；在任何位的误差将使结果具有偶数个1，接收装置将会进行校正。多重误差可通过更为复杂的代码形式探测 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4,500 V IGCT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τ。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。ωm* 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α，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 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 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&C System IEDs：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jω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） Unit 2 The stability of a continuous or discrete-time system is determined by its response to input or disturbance. Intuitively, a stable system is one that remains at rest (or in equilibrium) unless excited by an external source and returns to rest if all excitations are removed. The output will pass through a transient phase and settle down to a steady-state response that will be of the same form as, or bounded by, the input. If we apply the same input to an unstable system, the output will never settle down to a steady-state phase; it will increase in an unbounded manner, usually exponentially or with oscillation of increasing amplitude. 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。 Stability can be precisely defined in terms of the impulse response of a continuous system, Kronrcker delta response of a discrete-time system, as follows: A continuous (discrete-time) system is stable if its impulse response (Kronecker response ) approaches zero as time approaches infinity. 系统的稳定性可以用连续系统的脉冲响应或者离散系统的Kronrcker Δ 响应来定义：一个连续（离散）系统是稳定的，如果其脉冲响应（Kronrcker Δ 响应）当时间趋于无穷大时趋于零。 An acceptable system must at minimum satisfy the three basic criteria of stability, accuracy, and a satisfactory transient response. These three criteria are implied in the statement that an acceptable system must have a satisfactory time response to specified inputs and disturbances. So although we work in the Laplace and frequency domains for convenience, we must be able to relate these two domains, at least qualitatively, to the time domain. 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。 With the transfer function in the form of Eq.(2-2A-1), the order of the system in defined as the order of the characteristic function D(s), the highest power of s appearing in D(s) establishes the order of the system. 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。 The first term is the forced solution, due to the input, and the second the transient solution, due to the system pole. Fig.2-2A-2 shows this transient as well as c(t). The transient is seen to be a decaying exponential, and the commonly used measured of the speed of decay is the time constant: The time constant is the time in seconds for the decaying exponential transient to be reduced to e-1=0.368 of its initial value. Since when t=T, it is seen that the time constant for a simple lag is T seconds. This is, in fact, the reason a simple lag transfer function is often written in this form. The coefficient of s then immediately indicates the speed of decay, and it takes 4T seconds for the transient to decay to 1.8% of its initial value. 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, ，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：Steady State A control system is designed to control the dynamic behavior( the time response) of a plant subject to commands or disturbances. The designer should be fully aware, however, of the role of the steady equations and errors in the overall process, as well as their influence on the dynamic behavior of the plant. 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。 An accuracy of a system is a measure of how well it follows commands. It is an important performance criterion; a guidance system that cannot place spacecraft on a suitable trajectory is obviously useless no matter how well-behaved its transient response. 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。 Actual system are also subjected to undesirable inputs, such as noise in command inputs and disturbances arising from changes in the plant parameters or changes in the environment in which the plant is operating. Noise inputs that enter the system with the command input require filtering techniques to remove or suppress them without affecting the command input itself. We shall limit our discussion to disturbance inputs which enter the system at the plant rather than at the 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。 It is often difficult to minimize both components of the error simultaneously. Obviously, it is necessary to have some knowledge as to the nature of probable disturbance inputs. Both error terms of Eq.(2-2B-7) can be set equal to zero by introducing an integrator into the controller. This additional integrator increases the type of the system ( from 1 to 2, for example) , thus eliminating the velocity error, and by being introduced ahead of the point of entry of the disturbance into the system, eliminates the steady-state error resulting from a step in the disturbance input. This additional integrator must be accompanied by at least one zero if the system is to remain stable. 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。 UNIT 3 A：The Root Locus The root locus technique is a graphical method of determining the location of the roots of the characteristic equation as any single parameter, such as a gain or time constant, is varied from zero to infinity. The root locus, therefore, provides information not only as to the absolute stability of a system but also as to its degree of stability , which is another way of describing the nature of the transient response. If the system is unstable or has an unacceptable transient response, the root locus indicates possible ways to improve the response and is a convenient method of depicting qualitatively the effects of any such changes. 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。 A zero is a value of s that makes Z(s) equal to zero and is given the symbol о. Do not automatically assume that this zero is also a closed-loop zero that makes N(s) equal to zero in the system (closed-loop) transfer function; it may be, but is not necessarily so. A pole is a value of s that makes P(s)equal to zero and is given the symbol× . The sn term represents n poles, all equal to zero and located at the origin of the s plane. A root of the characteristic equation has previously been defined as value of s that makes D(s) equal to zero and is given the symbol □. 零点是使Z(s)为零的s值，用符号о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。 Since s is a complex variable and the poles and zeros may be complex, is a complex function and may, therefore, be handled as a vector having a magnitude and an associated angle or argument. Each of the factors on the right side of Eq.(2-3A-2) can also be treated as a vector with an individual magnitude and associated angle, as shown in Fig. 2-3A-1. Note that the angle is measured from the horizontal and is positive in the counterclockwise direction. 由于s是一个复变量，极点和零点也可能是复数，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。 If the part of the real axis between two o.l. poles ( o.l. zeros) belong to the loci, there must be a point of breakaway from , or arrival at, the real axis. If no other poles zeros are close by, the breakaway point will be halfway. 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：The Frequency Response Methods: Nyquist Diagrams The nature of the input also influences the choice of techniques to be used for system analysis and design. Many command input merely instruct a system to move from one steady-state condition to a second steady-state condition. This type of input can be described adequately by suitable steps in position, velocity, and acceleration, and the Laplace domain is appropriate for this purpose. If, however, the interval between such step inputs is decreased so that the system never has time to reach the corresponding steady-state, the step representation and Laplace domain are no longer adequate. Such rapidly varying command inputs (or disturbance) may be periodic, random, or a combination thereof. The wind loading of a tracking radar antenna, for example, results from a mean velocity component that varies with time plus superimposed random gusts. If the frequency distribution of these inputs can be calculated, measured, or even estimated, the frequency response can be used to determine their effects upon the system output. 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。 From these equations we see that sinusoidal input to a linear stable system produces a steady-state response that is also sinusoidal, having the same frequency as the input but displaced through a phase angle Φ and having an amplitude that may be different. This steady-state sinusoidal response is called the frequency response of the system. Since the phase angle is the angle associated with the complex function G(jω0) and the amplitude ratio （c0/r0） is the magnitude of G(jω0), knowledge of G(jω0) specifies the steady-state input-output relationship in the frequency domain. G(jω0) is called the frequency transfer function and can be obtained from the transfer function G(s) by replacing the Laplace variable s by jω0 . Consequently, if G(jω0) can be determined from experimental data, G(s) can also be found by replacing jω0 by s. 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(jω0)的角度。幅值比（c0/r0）就是的G(jω0)幅值，所以G(jω0)在频率域定义了稳态输入-输出关系。G(jω0)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jω0而得到。，反之，G(jω0)可以通过实验得到，则传递函数也可以通过将jω0替换为s得到。 UNIT 4 A：The Frequency Response Methods: Bode Plots The frequency transfer function of a system or of itsfunction can be presented either by the single Nyquist diagram( a polar plot) or by plots of the amplitude ratio and the phase angle against the input(forcing) frequency. It is customary to plot the amplitude ratio in decibels and the phase angle in degree against the common logarithm of the input frequency. In this form, the two plots are known as Bode plots(after H.W.Bode). There are exact Bode plots, which are best prepared with a computer, and straight-line asymptotic plots, which can be quickly and easily sketched or plotted by hand using the techniques to be developed and discussed in this 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H. W. Bode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。 Bode plots of the system transfer function are used to determine the effects of various inputs (including a step) upon the steady-stat response of the system. Since the frequency response is a steady-state response, the system must be stable and its stability must be determined before the system Bode plots can be used. 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。 Bode plots are most commonly used with the frequency function to examine the stability of a system. When the function has no pole or zero inside the right-half s plane, i.e. the function is minimum phase, the Bode plots can be sketched rather rapidly with a knowledge of the four elementary factors that appear in the function. These terms are : ①Frequency-invariant terms K.② Zeros and poles at the origin(jω)±n ③ First order terms or real poles and zeros (jωτ+1)±n ④ Second order poles and zeros . 伯德图和频率（特性）函数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。④二阶项，即零点和极点。 For a product , and . The phase angle φ is expressed as a sum. The magnitude M will also be expressed as a sum, by using decibels(dB) as units: 对于乘积：，这里，而 。相角φ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： In Bode plots , the magnitude M in dB and the phase angle φ in degrees are plotted against ω on semilog paper. The development has shown the following: Bode magnitude and phase-angle plots of are obtained by summing those of its elementary factors. These plot are much easier to make than polar plots or Nyquist diagrams, and can readily be interpreted in terms of different aspects of system performance. 在伯德图中幅值M使用分贝，相角φ使用度，画在ω为横坐标的半对数纸上。以上推导表明：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。 In Bode plot, the phase margin Φm is the sum of 180°and the phase angle at the frequency where (i.e., 0dB). Hence, as shown by the partial plots in Fig. 2-4A-2, the phase margin Φm is the distance of the phase-angle curve above -180° at the crossover frequency , where the magnitude plot crosses the 0 dB axis. Similarly, the gain margin equals 1 divided by the magnitude at the frequency where the phase angle is . , the gain margin in dB, is therefore the distance of the magnitude below 0dB at this frequency, as shown in Fig. 2-4A-2. 在Bode图中，相角稳定裕量Φm为180°加上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Φm为相角曲线在穿越频率（幅值曲线穿越0 dB线处）处与-180°线的距离。同样，增益裕量等于1除以相角为时对应频率的幅值。因此，,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: Nonlinear Control System In practice, most systems are nonlinear for large enough variations about the operating point, and linearization is based on the assumption that these variations are sufficiently small. But this cannot be satisfied, for example, for systems that include relays, which can switch position for very small changes. Startup and shutdown also frequently require the consideration of nonlinear effects, because of the size of the transients. 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。 The principle of superposition does not apply to nonlinear systems. This has serious consequences. In fact, the analysis and design techniques so far, including the use of transfer function and Laplace transforms, are no longer valid. Worse, there is no general equivalent technique to replace them. Instead, a number of techniques exist, each of limited purpose and limited applicability. We only introduce the well-known phase plane and describing function methods. 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。 The nature of the response depends on input and initial conditions. For example, a nonlinear system can change from sable to unstable, or vice versa, if the size of step input is doubled. （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。 Instability shows itself frequently in the form of limit cycles. These are oscillations of fixed amplitude and frequency which can be sustained in the feedback loop even if the system input is zero. In linear systems an unstable transient grows theoretically to infinite amplitude, but nonlinear effects limit this growth. （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。 The jump phenomenon is illustrated by the frequency response plot in Fig.2-4B-1. If the frequency of the input is reduced from high value, the amplitude of the response drops suddenly at the vertical tangent point C to the value at D. 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。 Unit 5 A: Introduction to Modern Control Theory When differential equations are encountered, they are linearized and subjected to whatever constraints are necessary to establish useful input-output relationships. 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。 A recognition of the applicability of well-known methods in other fields of knowledge. 认识到其他领域的一些有名的方法的适用性。 Optimal control theory often dictates that nonlinear time varying control law be used, even if the basic system is linear and time-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。 When nonlinearities and time variation are present, the very basis for classical techniques is removed. Some successful techniques such as phase-plane, describing function, and ad hoc methods, have been developed to alleviate this shortcoming . 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： With an advancing technological society, there is a trend towards more ambitious goals. This also means dealing with complex system with a larger number of interesting components. The need for greater accuracy and efficiency has changed the emphasis on control system performance. The classical specifications in terms of percent overshoot, settling time, bandwidth, etc., have in many cases given way to optimal criteria such as minimum energy, minimum cost, and minimum time operation. Optimization of these criteria makes it even more difficult to avoid dealing with unpleasant nonlinearities. Optimal control theory often dictates that nonlinear time varying control law be used, even if the basic system is linear and time-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。 The concept of state occupies a central position in modern control theory. However, it appear in many other technical and non-technical context as well. In thermodynamics the equations of state are prominently used. Binary sequential networks are normally analyzed in term of their state. In everyday life, monthly financial statements are commonplace. The President’ state of the Union meesage is another familiar example. 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。 In all of these examples the concept of state is essentially the same. It is a complete summary of the status of the system at a particular point in time. Knowledge of the state at some initial time t0 plus knowledge of the system inputs after t0, allows the determination of the state at a later time t1. As far as the state at t1 is concerned, it makes no difference how the initial state was attained. Thus the state at t0 constitutes a complete history of the system behavior prior to t0, insofar as that history affects future behavior. Knowledge of the present state allows a sharp separation between the past and the future. 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t0的值再加上t0时刻的输入的知识可以确定以后时刻t1的状态。就t1时刻的状态而言，它与初始状态是如何实现的无关。因此，t0时刻的状态就构成了t0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。 At any fixed time the state of a system can be described by the values of a set of variables xi called state variables. One of the state variables of a thermodynamic system is temperature and its value can arrange over the continuum of real number. In a binary network state variable can take on only two discrete values, 0 or 1. Note that the state of your cheking account at the end of the month can be represented by single number, the balance. The state of the Union can be represented by such things as gross national product, percent unemployment, the balance of trade deficit, ect. For the systems considered in this article the state variables may take on any scalar value, real or complex. That is . Although some systems require an infinite number of state variables, only system which can be described by a finite number n of state variables will be considered here. Then the state can be represented by an n component state vector It belongs to an n- dimensional vector space defined over the field C. 在任何一个固定的时刻，系统的状态可以用变量集合的值xi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。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。状态向量属于某个域C上的状态空间。 For Continuous-time system, the state is defined for all time in some interval, for example, a continually varying temperature or voltage. Discrete-time system have their state defined only at discrete times, as with the monthly financial statement or the annual State of the Union message. Continuous-time and discrete-time systems can be discussed simultaneously by defining the times of interest as T. For continuous-time system T consists of the set of times . In either case the initial time could be and the final time could be in some circumstances. 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由的所有实数构成。对于离散时间系统，T由离散时刻集合构成。在任何一种情形，有时，初始时刻可以为，最终时刻可以是。 The state vector x(t) is defined only for those . At any given t, it is simply an ordered set of n numbers. However, the character of a system could change with time, causing the number of required state variables (and not just the values) to change. If the dimension of the state space varies with time, the notation could be used. It is assumed here that is the same n-dimensional state space at all . 状态向量x(t)仅仅是在上有定义。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使用符号。这里假设这里表示，对于系统的维数都是n维。 B: State equations The derivation of state space models is no different from that of transfer function in that the differential equations describing the system dynamics are written first. In transfer function models these equations are transformed and variables are eliminated between them to find the relation between selected input and output variables. For state models, instead, the equations are arranged into a set of first-order differential equations in the terms of selected state variables, and the outputs are expressed in these same state variables. Because the elimination of variables between equations is not an inherent part of this process, state models are often easier to obtain. Two examples are given for illustration and to relate state models to the transfer functions used thus far. 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。 The selection of state variables is not a unique process. Various sets variables can be used. It is usually advantageous to use variables which have physical significance and, if possible, can be measured. There are several applicable methods of selecting state variables. The form of the information available for a system will often dictate which method should be used. In some cases, for example, a transfer function is obtained experimentally and must be used as the starting point. 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。 With a state-model description of the system dynamics, the first question to be answered is how stability may be determined. To derive the stability criterion, , the generalization of the conception of y\transfer function is considered first, by finding the transfer function matrix that corresponds to the state model. This requires Laplace transformation of the state-model equations. The Laplace transform of a vector is the vector of the Laplace transform of its elements, so that the transform of and are as follows: 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。因此和 的拉氏变换如下： Part 3 Computer Control Technology Unit 1 A：Computer Structure and Function The CPU reads and interprets the instructions, reads the data required by each instruction, executes the action required by the instruction, and stores the results back in memory. One of the action that is required of the CPU is to read data from or write data to an external device. This is carried out using the input/output system. 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。 The memory of computer consists of a set of sequentially numbered locations. Each location is a register in which binary information can be stored. The ‘number’ of location is called its address. The lowest address is 0. The manufacturer defines a word length for the processor that is an integral number of locations long. In each word the bits can represent either data or instructions. For the Intel 8086/87 and Motorala MC68000 microprocessors, a word is 16 bits long, but each memory location has only 8 bits and thus two 8-bit location must be accessed to obtain each data 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Intel 8086/87或者Motorala MC68000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。 In order to use the contents of memory, the processor must fetch the contents of the right location. To carry out a fetch, the processor place (enables) the binary-coded address of the desired location onto the address line of the external processor bus. The memory then allows the contents of the addressed memory location to be read by the processor. The process of fetching the contents of a memory location does not alter the contents of that location. 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。 In a real instruction set there are many more instructions. There is also a much larger number of memory locations in which to store instructions and data. In order to increase the number of memory locations, the address fields and hence the instructions must be longer than 16 bits if we use the same approach. There are a number of way to increase the addressing range of the microprocessor without increasing the instruction length: variable instruction field, multiword instructions, multiple addressing mode, variable instruction length. We will not discuss them in 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。 The bus is the most important communication system in a computer system. Under control of the CPU, a data source device and data destination device are “enabled” onto (equivalent to being connected to ) the bus wires for a short transmission. 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。 The internal processor bus described in Sec.XX is connected to the external processor bus by a set of bus buffers located on the microprocessor integrated circuit. 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: Fundamentals of Computer and Networks The operating system must ensure correct operation of the computer system. To prevent user programs from interfering with the proper operation of the system, the hardware was modified to create two modes: user mode and monitor mode. Various instructions( such as I/O instructions and halt instruction) are privileged and can only be executed in monitor mode. The memory in which the monitor resides must also be protected from modification by the user. A timer prevents infinite loops. Once these changes (dual mode, privileged instructions, memory protection, timer interrupt) have been made to the basic computer architecture, it is possible to write a correct operating 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。 Although the physical separation of the communicating computers may vary considerably from one type of application to another, or, at the heart of any computer, the communication network is the data communication facility which may be a PSDN, a private LAN, or perhaps a number of such networks interconnected together. However, irrespective of the type of data communication facility, an amount of hardware and software is required within each attached computer to handle the appropriate network-dependent protocols. Typically, these are concerned with the establishment of a communication channel access the network and with the control of flow of messages across this channel. The provision of such facilities is only part of the network requirement, however, since in many applications the communicating computer may be of different types. This means that they may use different programming languages and more importantly, different forms of data representation interface between user(application) programs, normally referred to as application processes or APs, and the underlying communication services may be different. For example, one computer may be a small single-user computer, while another may be a large multi-user system. 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。 Unit 2 A： Interface to External Signals and Devices Autonomous external devices and signals having no bus-compatible signals and no temporal relationship with the system bus signal cannot be connected to the system bus directly. Communication with the system bus is accomplished via an input/output interface. The main purpose of an input/output interface are converting the transfer of data between the processor and independent outside devices, and converting data between a modality recognized by the processor. Other functions of interface may be to provide electric isolation, amplification, noise rejection, temporary data storage, or data format conversion. 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 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 转换。 In some cases, the use of handshaking (sequence used for request, permission, and transfer) signal shown in Fig. 3-4B-2 is necessary. When the data is available, the peripheral negates the data-available line, and data is then strobed into the interface. At about the same time, a ‘ready’ flag is set in the status register to indicate to the CPU that data is available. In order to know this, the CPU must be continually ‘polling’ the interface (reading the status register), and finally latched the data. 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 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 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。 Toward the high-accuracy end of the performance spectrum lies the dual slope converter. In this converter, an unknown positive(constant) input voltage Ui is applied to an electronic integrator from zero volts for a fixed time T, producing a positive-going output voltage ramp proportional to UiT(the integral of a constant voltage over time T). Ui is then removed and a known negative constant reference voltage U is integrated which produces a ramp down. This second ramp crossed zero at UiT/ U seconds from the time the reference was applied. The time is measured by a high-speed counter; and since T and U are constant, the counter holds a value that is proportional to the input voltage. If the input voltage, for example, is equal to the reference voltage U, the two integration times are equal and the counter would be set to reach its maximum. This type of converter is usually quit linear and converters up to 20 bits can be obtained, but the conversion time is relatively long. 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Ui 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UiT成正比的正向斜坡电压。然后去掉Ui， 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UiT/ 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。 At the high-speed end of the performance spectrum, the parallel (flash) converter can provide conversion rate greater than 100MHz. This is accomplished by providing internal voltage reference for each of the quanta into which the analog voltage range is divided. The analog signal is compared with all the reference voltages at once by a string of high-speed comparators whose outputs are used to generate the binary output. Because of the number and quality of the components required for this A/D, implementations are more common for 8 bit or less. Flash converters are usually expensive. 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。 In front of the A/D converter in an analog conversion system is usually located a sample-and-hold circuit. A constant input is especially required in a successive approximation converter because the input is compared with a reference several times over the conversion period. 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。 The multiplexer shown in Fig. 3-4B-5 is conceptually like a rotary switch that can be rotated to “address” any input channel under control of processor. The multiplexer can be constructed from either mechanical switches or solid-state devices (such ad CMOS switches). The multiplexer can be carried out in a variety of ways such as “single-end” and “differential” connection. The single-end connection is useful when a signal is referenced to ground. The differential multiplexer is useful when you are interested in the difference between two voltages, such as the two arms of a strain gauge bridge. 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: The Application of Computer Computer take over the job s which used to be exclusive for humans with special skill and knowledge, for example, controlling productive process, manipulating machines, inspecting products quality, managing production plans, administering inventory, etc., all on an automatic scale with high efficiency and accuracy. In NC(Numerical control) systems, PID control systems, servo control systems, group control systems, optimal control and adaptive control systems, computer as a central control unit take all relevant calculations involved in the automatic control process and schedule all other working units in the system. The CIMS (computer Integrated Manufacturing System) contains not only a production control system but also production planning and management systems aiming at the integration of factory automation (FA) and an office automation (OA), constituting a computer network for a whole company. The HIMS (Human Integrated Manufacturing System) is a form of high-level computer control. Virtual reality technology is used to create virtual space for human operators through the use of high-performance computer and specific software. 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 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 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。 Virtually computer simulation is based on mathematical models representing the nature of the object under study or examination. The mathematical model comprises a series of equations that depict the inherent process of the object in mathematical terms. A computer simulation program includes algorithms that are derived from those equations. Many computer simulation system have been developed and proved to be cost-effective, because using computer simulation programs, engineers can accomplish iterative process each time by inputting different schemes and parameters into their computer models rather than building many different real model. 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。 The controller in a robot is mostly a computer –from microprocessors to minicomputers. NC (Numeric Control) and SC( Servo Control) are widely used. They are re-programmable to produce sequences of instructions for all movements and actions to be taken by the robot, in accordance with the program. For example, a controller sends a series of pulses to a step motor in a joint of a robot arm to rotate it a certain angle exactly as program requires. When all joints driven in the same way, the robot arm reach the designed position and attitude, and it end effector performs its jobs as the controller instructs it. The accuracy of movement is determined by the controller itself. 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。 CAD is software that can help engineering in their designs for new products building, print circuit boards, civil works like bridge and airports, relieving them from the tedious, back=breaking and time consuming jobs like drafting and drawing. When embarking on their designs, engineers frequently make reference into various manuals listed in which are details of structure, parts, materials and auxiliary materials ready for designs’ choice for their designs. CAD products incorporate the content of all these manuals into a series of libraries in the software product, providing the engineers with information, for instance, names, dimensions, functions, performance, specifications, shapes, color, manufacturers, prices of the machine parts, components, tools, materials, etc. all necessary for engineering design. 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。 CAM is a software helping engineers to analyze a product or a project, and give advice for manufacturing it or constructing it. Data, diagrams, tables, etc. showing its shape, dimension, structure, fabrication and the material is made from are input as the software requires. Then it will give out suggestions about its manufacturing, for instance, machine procedure, machine tools and facilities to be used, technical parameters like allowance for finish, machining accuracy, as well as special processings. 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。 Artificial intelligence (AI) is a subdivision of computer science. Its purpose is to develop theory and method to create “intelligent” computer programs that work in a human-like way, rather than subjecting human user to the stereotyped computer-dominated working style. In a sense of analogy, human intelligence is added to computer programs which then exhibit more extensive ability, for example, thinking and reasoning, acquiring knowledge and applying it to solving more complex and difficult problems that present computer can’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。 Expert systems are the most successful example of AI. An expert system oriented to a specific profession works like a human expert of that field and provides advice to solving the problem proposed by the user. Expertise is derived and organized in its knowledge base ready for the user to retrieve. Today, many expert system have been commercially available and, and more are under development. 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。 UNIT 4 A: Fundamentals of Single-Chip Microcomputers ROM is usually for the permanent, non-volatile storage of an applications program. Many microcomputers and microcontrollers are intended for high-volume applications and hence the economical manufacture of the device requires that the contents of the program memory be committed permanently during the manufacture of the chips. Clearly, this implies a rigorous approach to ROM code development since changes cannot be made after manufacture. This development process may involve emulation using a sophisticated development system with a hardware emulation capability as well as the use of powerful software tools. 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。 Some manufacturers provide additional ROM options by including in their range devices with (or intended for use with ) user programmable memory. The simplest of these is usually a device which can operate in a microprocessor mode by using some of the input/output lines as an address and data bus for accessing external memory. This type of device can behave functionally as the single-chip microcomputer from which it is derived albeit with restricted I/O and modified external circuit. The use of these ROMless devices is common even in production circuits where the volume does not justify the development costs of custom on-chip ROM, there can still be a significant saving in I/O and other chips compared to a conventional microprocessor based circuit. More exact replacement for ROM devices can be obtained in the form of variants with piggy-back EPROM (Erasable Programmable ROM) sockets or devices with EPROM instead of ROM. These devices are naturally more expensive than the equivalent ROM device, but do provide complete circuit equivalents. EPROM based devices are also extremely attractive for low-volume applications where they provide the advantages of a single-chip device, in terms of on-chip I/O. etc, with the convenience of flexible user programmability. 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。 Serial communication with terminal devices is a common means of providing a link using a small number of lines. This sort of communication can also be exploited for interfacing special function chips or linking several microcomputers together. Both the common asynchronous and synchronous communication schemes require protocols that provide framing (start and stop) information. This can be implemented as a hardware facility or UART relieving processor(and applications programmer) of this low-level, time-consuming, detail. It is merely necessary to select a baud-rate and possibly other options (number of stop bits, parity, etc.) and load (or read from) the serial transmitter (receiver) buffer. Serialization of the data in the appropriate format is then handled by the hardware circuit. 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。 PART 5 Process Control UNIT 1 A: A Process Control System As we shall see in the ensuing pages, processes are dynamic in nature. Changes are always occurring, and if actions are not taken, the important process variables—those related to safely, product quality, and production rates—will not achieve design conditions. 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。 The engineer designing a control system must be sure that the action taken affects the variable to be controlled, that is, that the action taken affects the measured value. Otherwise, the system is not controlling and will probably do more harm than good. 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： One way to accomplish this objective is by first measuring the temperature T(t), then comparing it to its desired value, and based on this comparison, deciding what to do to correct for any deviation. The flow of steam can be used to correct for the deviation. This is, if the temperature is above its desired value, then the steam valve can be throttled back to cut the steam flow(energy) to the heat exchanger. If the temperature is below its desired value, then the steam valve could be opened some more to increase the steam flow(energy) to the exchanger. All of these can be done manually by operator, and since the procedure is fairly straightforward, it should present no problem. However, since in most process plants there are hundreds of variables that must be maintained at some desired value, this correction procedure would required a tremendous number of operator. Consequently, we would like to accomplish this control automatically. That is, we want to have instruments that control the variable without requiring intervention from the operator. This is what we mean by automatic process control. 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。 To accomplish this objective a control system must be designed and implemented. A possible control system and its basic components are shown in Fig. 5-1A-2. The first thing to do is to measure the outlet temperature of the process steam. A sensor (thermocouple, resistance temperature device, filled system thermometers, thermistors, etc) does this. This sensor is connected physically to a transmitter, which takes the output from the sensor and converts it to a signal strong enough to be transmitted to a controller. The controller then receives the signal which is related to the temperature, and compares it with desired value. Depending on this comparison, the controller decides what to do to maintain the temperature at its desired value. Base on this decision, the controller then sends another signal to final control element, which in turn manipulates the steam flow. 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。 As mentioned, these three operations, M, D, and A must be present in every system. The decision-making operation in some system is rather simple, while in other it is more complex. The engineer designing a control system must be sure that the action taken affects the variable to be controlled, that is, that the action taken affects the measured value. Otherwise, the system is not controlling and will probably do more harm than good. 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: Fundamentals of Process Control At this time it is necessary to define some terms used in the field of automatic process control. The first term is controlled variable. This is the variable that must be maintained or controlled at some desired value. In the preceding example, the process outlet temperature, T(t), is the controlled variable. The second term is set point, the desired value of controlled variable. The manipulated variable is the variable used to maintain the controlled variable at its set point. In the example, the flow of steam is the manipulated variable. Finally, any variable that can cause the controlled variable to deviate away from set point is defined as a disturbance or upset. In most process there re number of different disturbance. As an example, in the heat exchanger shown in Fig. 5-1A-2, possible disturbance are inlet process temperature, Ti(t), the process flow q(t), the quality of the energy of steam, ambient conditions, process fluid composition, fouling, and so on. What is important here is to understand that in the process industries, most often it is because of this disturbance that automatic process control is needed. If there were no disturbance, design-operating conditions would prevail and there would be no necessity of continuously “policing” the process. 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。 The following additional terms are also important. Open loop refers to the condition in which the controller is disconnected from the process. That is, the controller is not making decision of how to maintain the controlled variable at set point. Another instance in which open loop control exists is when the action (A) taken by controller does not affect the measurement (M). This is indeed a major flaw in the control system design. Close-loop control refers to the condition in which the controller is connected to the process, comparing the set point to the controlled variable and determining corrective action. 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。 Let us now say a few words about the signal used to provide communication between instruments of control system. There are three principal types of signals used in the process industry today. The pneumatic signal, or air pressure, ranges normally between 3 and 15 psig. Less often, signal of signals of 6to 30 psig or 3 to 27 psig are used. The usual representation in piping and instrument diagrams(P&ID) for pneumatic signal is .The electrical, or electronic, signal range normally between 4 and 20 mA. Less often 10 to 50 mA, 1 to 5V or 0 to 10V are used. The usual representation in (P&ID) is . The third type of signal, which is becoming common is the digital, or discrete, signal( zeros and ones). The use of process-control system based on large-scale computer, minicomputer, or microcomputers is forcing increased use of this type of signal. 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 15 psig，不太常用的信号有6到 30 psig 或者 3 到 27 psig。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 20 mA，不太常用的信号有10 到 50 mA, 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。 UNIT 2 A: Sensors and Transmitters Sensors and transmitters perform the measurements (M) operation of control system. The sensor produces a phenomenon, mechanical, or the like related to the process variable that it measures. The transmitter in turn converts this phenomenon into a signal that can be transmitted The signal, therefore, is related to the process variable. 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。 There are three important terms related to the sensor/transmitter combination. The range of the instrument is given by the low and high values of process variable that is measured. That is, consider a pressure sensor/transmitter that has been calibrated to measure a process pressure between the value of 20 psig and 50 psig. We say that the range of the sensor/transmitter combination is 20~50 psig. The span of the instrument is the difference between the high and low values of the range. For the mentioned pressure instrument the span is 30 psi. To summarize, we must specify a low and a high value to define the range of an instrument. That is two number must be given. The span of the instrument is the difference between the two values. Finally, the low value of range is referred to as the aero of the instrument. The value does not have to be zero in order to be called the zero of the instrument. For the above example, the “zero” of the instrument is 20 psig. 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。 This expression shows that the gain is not constant but rather a function of flow. The greater the flow is , the greater the gain. 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。 So the actual gain varies from aero to twice the nominal gain. 因此，实际的增益取值范围是从0到标称增益的2倍。 This fact result in a nonlinearly in flow control system. Nowadays most manufactures offer differential pressure transmitters with built-in square root extractors yielding a linear transmitter. 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。 The dynamic response of most sensor/transmitter is much faster than the that of process. Consequently, their time constants and dead time can often be considered negligible and thus, their transfer function is given by a pure gain. However, when the dynamics must be considered, it is usual practice to represent the transfer function of the instrument by first-order or second-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。 UNIT 3 A: P Controllers and PI Controllers