《自动化专业英语教程》-王宏文主编-全文翻译

2021年2月1日发(作者：hater)

《自动化专业英语教程》

PART 1

Electrical and Electronic Engineering Basics

UNIT 1

A

Electrical Networks

—

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—

—

3

B

Three-phase Circuits

UNIT 2

A

The Operational Amplifier

—

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—

—

—

5

B

Transistors

UNIT 3

A

Logical Variables and Flip-flop

—

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—

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—

—

—

—

8

B

Binary Number System

UNIT 4

A

Power Semiconductor Devices

—

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—

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—

—

—

11

B

Power Electronic Converters

UNIT 5

A

Types of DC Motors

—

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—

—

15

B

Closed-loop Control of DC Drivers

UNIT 6

A

AC Machines

—

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—

—

—

—

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—

—

19

B

Induction Motor Drive

UNIT 7

A

Electric Power System

—

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—

22

B

Power System Automation

PART 2

Control Theory

UNIT 1

A

The World of Control

—

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—

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—

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—

—

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—

27

B

The Transfer Function and the Laplace Transformation

—

—

—

—

—

29

UNIT 2

A

Stability and the Time Response

—

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—

30

B

Steady State

—

—

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—

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—

—

—

——

—

31

UNIT 3

A

The Root Locus

—

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—

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—

—

—

—

—

—

——

—

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

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

1

43

UNIT 4

A

Fundamentals of Single-chip Microcomputer

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

UNIT 2

A

Sensors and Transmitters

53

50

B

Fundamentals of Process Control

52

49

UNIT 3

UNIT 4

PART 5

UNIT 1

UNIT 2

UNIT 3

UNIT 4

PART 6

UNIT 1

UNIT 2

UNIT 3

B

Final Control Elements and Controllers

A

P Controllers and PI Controllers

B

PID Controllers and Other Controllers

A

Indicating Instruments

B

Control Panels

Control Based on Network and Information

A

Automation Networking Application Areas

B

Evolution of Control System Architecture

A

Fundamental Issues in Networked Control Systems

B

Stability of NCSs with Network-induced Delay

A

Fundamentals of the Database System

B

Virtual Manufacturing

—

A Growing Trend in Automation

A

Concepts of Computer Integrated Manufacturing

B

Enterprise Resources Planning and Beyond

Synthetic Applications of Automatic Technology

A

Recent Advances and Future Trends in Electrical Machine Drivers

B

System Evolution in Intelligent Buildings

A

Industrial Robot

B

A General Introduction to Pattern Recognition

A

Renewable Energy

B

Electric Vehicles

2

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，

< p>
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)< /p>

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，

< p>
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，

< br>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，

< br>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

< p>
(1-1A-6)

中的

i

，可得

1-1A-7

3

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

< p>
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。

< br>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，

< br>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< /p>

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< /p>

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

< p>
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 < /p>

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 < /p>

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

< br>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

4

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，

< br>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

< br>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< /p>

或

AI

取决于双端口系统

(m

、

b

、

< br>RI

、

Ro

等

< br>)

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。< /p>

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。

5

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< /p>

U +

等于电源电压，

即

U + =Us< /p>

。

各个电流定义如图

1-2A-2

中的

b

图所示。

对图

1-2 A-2b

的外回路应用基尔霍夫定律，

注意输出电压

< p>
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)

< p>
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

6

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（

< br>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

< br>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

< 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，

< br>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< /p>

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

7

示电流方向的箭头，总是指向基极。（在

< br>PNP

型晶体管中，“P”代表正）

< br>。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

< br>型晶体管中，“N”

代表负）。这一点也可以从

NPN< /p>

型晶体管符号中发射极上相反方向的箭头看出来，

即，

< p>
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< /p>

。

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

< p>
号码的子系列产品其管

脚位置是不一样的

。

例如，

TO92

< br>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

< br>，

3

。（注

otherwise circular“can”中的

oth erwise

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=< /p>

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（

< br>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，

< p>
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

8

< p>
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

< br>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。

< br>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< /p>

，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

V 2 (“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

。< /p>

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

< p>
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

< p>
R

目前的逻辑电平为

0

和

0

，根据输出的状态，即可确定

S < /p>

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。

9

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

< br>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< /p>

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

< p>
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

< p>
1

即是二进制数的位数。十进制数

43

< p>
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< /p>

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

10

m=33.2

，因此必须使用

34< /p>

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

+ 1/1 6

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

< p>
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< /p>

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

< p>
。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

< p>

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，

< p>
八进制数

30

的二进制译码为

011 000

。

因为十进

制数< /p>

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

1

< p>
，

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

< p>
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< /p>

，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

11

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，

< p>
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、

< p>
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

-

< p>
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

12

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

< br>6000

安培的

GTO

需要< /p>

1,500

安培的门极电流脉冲。但是，脉冲化的门极电流和与< /p>

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< /p>

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

M OS

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。

< p>
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 < /p>

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

< br>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

13

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)

< br>，

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

< br>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< /p>

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

< p>
IGBT

的大，

因此它需要有一

< br>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

AB B

在

1997

年推出。图

< p>
1-4A-8

给出了

IGCT

< br>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 IGC T

需要

3,000

安培负的门极关断< /p>

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

MO SFET

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

< p>
IGCT

可以串联或并联用于更大的功率场合。

I GCT

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

14 < /p>

管、可控硅、

GTO

、

< br>

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，

< p>
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

< br>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

MOS FET

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

< p>
-

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

< br>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< /p>

为占空比，

变化范围是

0~1

< p>
。

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

15

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。

< br>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< /p>

的永磁磁铁产生。

永磁磁铁电机的转子是绕线式电枢。

< p>

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、< /p>

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 ：

I

L=

I

a+

I

f

公式 中，

I

L

—

电机总电流

I

a

—电枢电流

I

f

—激磁电流。

< br>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

16

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

）。

< p>

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

< p>
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

I

< p>
a

。

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。

ω

m*

为速度参考值。正比于电机速度的信号可从速度传感器获 得。

速度传感器的输出滤除交流波，

并与速度参考值比较，

速度误差被速度控制器处理，

速度控制器的输出

u

c

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

I

< br>A<

I

x

，

其

I

x

是

I

A

的最大允许值，电流控制回路并不影响驱动。

如果

I

A

超出

I

x< /p>

，哪怕一点点，

阈值电路也会产生一个大的输出信号，电流环代替 速度环起主要调节作用，电枢电

17

流等于电机所允许的最大电流，并在此恒定电流下对速度误差进行整。当速度接近

于期 望值时，

I

A

下降到

I

x

以下，

电流控制失效，速度控制接替。因此，在此示意

图中，

在任意给定时间，

传动装置主要由速度控制回路或电流控制回路控制，

< br>所以，

也叫并联电流控制。

闭 环速度控制的另一种示意图如图

1-5B-2

所示。

< p>

在外环速度回路中采用内环

电流控制回路。速度 控制器的输出

e

c

用于电流控制器， 为内环电流控制回路设置

电流参考值

I

a

*

。电流控制器的输出

u

c

< p>
调整逆变器的触发角，以便使实际速度达

到速度给定值

ω

m*

所设置的值。

由速度给定或 负载转矩的增加所引起的任何正的速

度偏差，都会产生更大的参考电流值

I

a

*

。由于

I

a

增加，电机加速，以调整速度误

差，最终停留在新的

I

a*

值上，使电机转矩与负载转矩相同，速度误差接近于零。对

于任何大的正的速度误差，限流装置饱和，且电流参考值

I

a*

限制为

I

am*

，传动装

置的电流不允许超过最大允许值。在最大允许电枢电流下纠 正速度误差，直到速度

偏差减小且限流装置退出饱和状态。现在，速度误差在

< p>
I

a

小于最大允许电流值的情

况下进纠正。

负的速度误差将设置负的电流参考值

I

a*

。因为电机电流不能反向，负的

I

a*

是没用的。然而，它将“掌管”PI

控制器。当速度误差变正时，“被掌管”的

PI

控制器

将花费较长时间响应，造成控制中不必要的延迟。因此，对于负的速度误 差，限流

器的电流给定值被设为零。

因为速度控制回路和电流控制回路串联，

因此内环电流控制也被称为串联控制。

整体也被称为

电流操纵控制

。由于具有如下优势 ，其应用比限流控制更为普遍：

1.

对于任何电源电压扰动，提供更快的响应。

这可通过考虑两个传动装置对于

< p>
电源电压降低的响应来解释。电源电压的降低将减少电机电流和转矩。在限流控制

< br>中，由于电机转矩小于未改变的负载转矩，速度下降，造成的速度误差通过设置较

小的整流器触发角达到原值。在内环电流控制的情况下，由于电源电压的降低，电

机电流 的减少将产生电流误差，改变整流器的触发角，使电枢电流返回到原值。现

在，暂态响应 由电机的电时间常数控制，因为与机械时间常数相比，传动装置的电

时间常数要小的多， 所以对于电源电压扰动，内环电流控制将提供较快的响应。

2.

对于确定的触发形式，整流器和控制电路一起在连续导电 下，具有恒定增

益。为此增益而设计的传动装置设置的阻尼比为

0.707

，给出了百分之五的超调量。

在不连续导电的情况下 ，增益下降。导电角减少越多，增益下降越大。在不连续导

电的情况下，传动装置响应缓 慢，当导电角减小时，响应日益恶化。如果企图设计

应用于不连续导电操作的传动装置，

那么此传动装置可能对于连续导电都是振荡的，

甚至是不稳定的 。内环电流控制回路提供了一个具有整流器和控制电路的闭环，所

以增益的变化对于传动 装置的性能影响较小。因此，带有内环电流回路的传动装置

的暂态响应优于限流控制。< /p>

3.

限流控制中，在限流开始作用前 ，电流首先必须超过允许值。因为触发角只

有在离散的间隔中才可改变，所以只有在限流 有效前，实际的电流超调才会发生。

18

小 电机更能承受大的暂态电流，因此，为获得快速的暂态响应，通过选择较大

尺寸的整流器

,

即可允许出现更大的暂态电流。只有当电流值反常时，才会 需要电

流调节。在这样的情况下，由于简化，限流控制被应用。

这两种形式对速度给定的增与降有不同的响应。速度给定的减少至多可使电机

< p>
转矩为零；由于不可能制动，所以转矩不能反向。传动装置减速主要是由于负载转

< br>矩，当负载转矩很小时，对速度给定减少的响应将很慢，因此，这些传动装置适合

带有大的负载转矩的应用场合，例如纸张打印机、泵和吹风机。

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

N

< p>
e

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。

< p>

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

19

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

< br>的标准一致的，并很容易获得和定型的设计，如图

1-6A-2

< br>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。

< br>

C

类电机

< br>C

类

电机适合驱动压缩机、

输送 机等等。

D

类电机

< br>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

< br>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

d

e

-q

< br>e

轴与转子的相对位置是不变的，如图所示，

d

e

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

< br>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

< p>
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

< br>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

< p>
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

< br>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

20

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，< /p>

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

< /p>

为常数。

高速运行时，转子感应的反电动势也高。

这种电机的优点是结构简单、坚固；也可能它比其它电机要便宜一些。但是，

这种电机有转矩脉动和严重的噪声问题。

B

感应电机传动装置

感应电机的转速由电机的同步速和转差决定。同步速与电源 频率有关，转差由

供给电机的电压或电流调节控制。

为控制感应电机的转速，

存在几个机理，

它们是 ：

(1)

变电压恒频率或定子电压控制

，

(2)

变电压变频率控制，

(3)

变电流变频率控

制，和

(4)

转差功率调节。这些方法之一，变电压变频率控制可被 描述如下。

方波

逆变器传动装置

馈电电压逆变器（也称电压源逆变器，

VSI

）通常分为两类：方波

逆变器和脉宽调制逆变器。此类逆变器从二十世纪六十年代初， 当先进的强制换相

技术开始发展时就被提出。

图

1-6B-1

显示了方波逆变器传动装置的传统电力 电路，

三相桥整流器把交流电变换为可变电压的直流电，作为强制变换桥逆变器的输入。

逆变器产生变电压变频率电源，

控制电机速度。

由于大的滤波电容器给逆变器提供

了一个刚性的电压 源，且逆变器的输出电压不受负载种类的影响，因此，此类逆变

器叫做馈电电压逆变器。 通常，相对于假想的直流电源的中心点，逆变器每一桥臂

上的每个晶闸管导通

< p>
180°，在电机的一相产生方波电压。线电压可被显示为如图所

示的六个 阶梯形电压波。因为感应电机构成了滞后的功率因数负载，所以逆变器的

晶体管需要强制 换相。反馈二极管可利用滤波电容器促进负载无功能量的循环，并

维持输出电压定位在直 流链接电压上，二极管也参与换相和制动过程。变压变频速

度控制方法的理论可由图

1-6B-2

和

1-6B-3

来帮助解释。

用于此类传动装置的电机

具有低转差特 性，并提高效率。电机转速可通过简单改变同步速，例如，改变逆变

器频率来改变。然而 ，随着频率的增加，电机的气隙磁通下降，导致产生的转矩降

低。

如果电压随频率变化，从而使电压

/

频率之比保持恒定，则就像直流并激电机

一样可使气隙磁通保持不变。图

1-6B-2

显示了期望的电机电压

-

频率关系。在基频

(1.0

标幺值

)

以下，

气隙磁通由于伏特

/

赫兹恒定而保持不变，

这将导致恒定的转矩。

处于低频时，定子阻抗超过漏感，占主导地位，因此，附 加电压被施加，以补偿此

作用。

处于基频时，

< br>通过前推整流器触发角至所允许的最小值，

电机全电压被建立，

< br>高于基频后，当频率增加时，由于气隙磁通的损失，转矩下降，电机以如图所示的

恒功率方式运行。

这与直流电机弱磁调速类似。

电机恒转矩和恒 功率区的转矩

-

转速

21

曲线如图

1-6B-3

所示，

其中每一条转矩

-

转速曲线都对应于电机接线端特定的电压

和频率组合。分别对应于恒定负载和变化负 载的两个稳态运行点

A

和

B

如图所示。

电机以最大可得转矩从零加速，以恒磁通转差控制方式或以恒转差磁通控制方式达

到稳 定点。稳态运转的磁通和转差调节均可提高电机效率。馈电电压方波传动装置

通常用于中 、小功率的工业场合，其调速比一般不超过

10:1

。最近，此 类传动装置

在很大程度上已被下一部分将要介绍的

PWM

传动装置所代替。馈电电压逆变器非

常适合多电机驱动，在这种情况下 ，许多感应电机的速度可得到精确控制。

脉宽调

制型（

PWM

）

逆变器传动 装置

在前一部分描述的变压变频逆变器传动装置中，若

使用二极 管整流器，则直流链接（

link

）电压不可控，基频输出电压 可利用脉宽调制

技术在逆变器中进行控制。利用这种方法，晶闸管在半周期中开合多次， 产生低谐

波的变压输出。

在几种脉宽调制（

PWM

）

技 术中，正弦脉动宽调制（

PWM

）是

最 常见的，其原理如图

1-6B-4

所示。

等腰三角形载波波形与正弦波信号比较，得

到的交叉点确定 变换点。

除低频范围外，

载波与信号同步，

载波频率与信号频率之

比保持为

3

的偶数倍以改善谐波。通过改变调制指数可改变基频输出电压。可见，

如果调制指数小于一，那么在输出中只有与残留边带相关的基频的载波频率谐波出

现。与方波相比，此种波形产生相当小的谐波温升和转矩脉动。随着调制指数超过

1< /p>

，电压可一直增加，直到获得方波波形中的最大电压。因此，

PW M

电压控制适用

于恒转矩区（如图

1- 6B-2

），然而，在恒功率区，运行等同于方波传动装置。

指

定谐波消除

PWM

< br>（

selected harmonic elimination

）技术最近引起广泛关注。在这种

方法中，换相点由预先确定的方波角度决定 ，此方波角度允许电压控制消除被选谐

波。

< br>也可编程设计换相点角度，

以使对于特定负载条件的电流谐波的有效值达到最

小。微型计算机特别适合此类

PWM

，其中 角度查询表存储在

ROM

存储器中。在

PWM

乓乓控制方法中，

逆变器开关控制的目的是让电流波被 限制在参考波的磁滞带

间，这样产生的纹波电流小。尽管电机谐波损耗在

PWM

传动装置中有很大改善，

但由于在每半周期存在 多次换相，逆变器效率有所降低。在设计完善的

PWM

传动

装置中，应在器件允许的条件下增加换相频率，以便在逆变器损 耗的增加和电机损

耗的降低间找到一个合适的平衡点。在前节末尾提出的简单的、经济的 二极管整流

器可减少电网波形畸变和提高功率因数，减小滤波器容量，并提高系统运行的 可靠

性。因为直流链接电压相对恒定，所以晶闸管的换相在整个基频电压范围内均令人< /p>

满意。

另外，在低频区，低谐波和最小 的转矩脉动允许大范围的速度控制，实际上

是从电机具有最大转矩的停止状态开始。因为 直流链接电压不可控，一些独立控制

的逆变器可利用同一个整流器电源运行，这将节省大 量的整流器费用。通过接通直

流链接中的电池，传动系统可不受交流电源故障的干扰。对 于电池或直流供电的传

动系统，例如电车或地铁的发动机，电源可直接吸收再生发电制动 能量。

UNIT7

22

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。< /p>

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

< br>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< /p>

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< /p>

14

日，美国和加

23

拿大发生了历史上最严重的停电事故。

< br>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，< /p>

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

< p>
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

< br>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

< br>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< /p>

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。

< p>

B

电力系统自动化概述

< p>
提高生产力，降低成本，是电力供应商一直以来面对的问题。这就转化为需要

管理者，工程师、操作员、计划者、现场人员和其它人员收集并执行决策信息。电

力系 统供应商遵从这一趋势，使设备变得智能化，这样，它们就可以创造并交流信

24

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< /p>

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，

< p>
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

< p>
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

< br>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，

< p>
安装在电缆沟或架空电缆盘中，

终端连与

RTU< /p>

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

< br>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

< p>
。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

< p>
可以自动工作，

或者受控于现场

IED

< p>
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

25

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。

< br>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。

PL C

可以通过串口，将采

集到的数据传输给其它设备，

< p>
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

< p>
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

< p>
，

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

< p>
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

< br>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，

< br>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

< p>
，

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< /p>

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

26

< br>控制远程电力质量监控

电力系统自动化特点

前面描述的< /p>

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< /p>

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。

27

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

2-1 A-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

< br>，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< /p>

28

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

< p>
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。

< br>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。

< p>
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。

< p>
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

29

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

:

N

(

s

)

b

m

s

m

?

b

m

?

1

s

m

?

1

?

L

b

< br>0

G

(

s

)

?

?

D

(

s

)

a

n

s

n

?

a

n

?

1

s

n

?

1

< br>?

L

?

a

0

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

< br>D(s)

的阶次。稍后将表明，在频率域使用的频率传递函数（

< br>FTF

）可以通过将传

递函数里的拉氏变量

s

换成

j

ω

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)< /p>

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，< /p>

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。< /p>

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

30

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

y

< br>?

(

t

)

of

a continuous system, Kronrcker delta response

y

?

(

k

)

of a discrete-time system,

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

y

?

(

t

< p>
)

(Kronecker response

y

?

(

k

)

) approaches zero as time approaches infinity.

系统的稳定性可以用连续系统的脉冲响应

y

?

(

t

)< /p>

或者离散系统的

Kronrcker

Δ

响应

y

?

(< /p>

k

)

来定义：一个连续（离散）系统是稳 定的，如果其脉冲响应

y

?

(

t

)

（Kronrcker Δ

响应

y

?

(

k

)

）当时间趋于无穷大时趋于零。

< br>

An

acceptable

system

must

at

minimum

satisfy

the

three

basic

criteria

of

31

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

< br>(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

e

?

t

T

?

e

?

1

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

1

is T seconds. This is, in fact, the reason a simple lag transfer function is

Ts

?

1

32

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。

< br>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,

e

?

t

T

?

e

?

1

，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

< p>
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.

33

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，

< p>
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

34

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

< br>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

35

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)

< br>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)

< br>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

?

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，< /p>

KZ

(

s

)

也是一个复函数，

P

(

s

)

因此有可能视为一个有幅值和相角的向量。

< p>
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.

< p>
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,

36

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

37