自动化专业英语教程(王宏文)第二版全文翻译

《自动化专业英语教程》-王宏文-全文翻译

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

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。

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

UNIT4

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。

UNIT 6

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。

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。

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。

B

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

)(t

y

δof a continuous system, Kronrcker delta response

)

(k

y

δof a

discrete-time system, as follows: A continuous (discrete-time) system is stable if its impulse response

)(t

y

δ(Kronecker response

)

(k

y

δ)

approaches zero as time approaches infinity.

系统的稳定性可以用连续系统的脉冲响应

)(t

y

δ或者离散系统的Kronr cker Δ 响应

)

(k

y

δ来定义：一个连续（离散）系统是稳定的，

如果其脉冲响应

)(t

y

δ（Kronrcker Δ 响应

)

(k

y

δ）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

1

t

T

e e

--

=

when t=T, it is seen that the time constant for a simple lag

1

1

Ts+

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,

1

t

T

e e

--

=

，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%。

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 s n 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。s n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,

()

()

KZ s

P s

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 φ

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，

()

()

KZ s

P s

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φ

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。