自动化专业英语教程（王宏文）第二版全文翻译

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 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。

B 感应电机传动装置

感应电机的转速由电机的同步速和转差决定。同步速与电源频率有关，转差由供给电机的电压或电流调节控制。 为控制感应电机的转速，存在几个机理，它们是： (1) 变电压恒频率或定子电压控制 ，(2) 变电压变频率控制， (3) 变电流变频率控制，和 (4) 转差功率调节。这些方法之一，变电压变频率控制可被描述如下。方波逆变器传动装置 馈电电压逆变器（也称电压源逆变器，VSI）通常分为两类：方波逆变器和脉宽调制逆变器。此类逆变器从二十世纪六十年代初，当先进的强制换相技术开始发展时就被提出。 图1-6B-1 显示了方波逆变器传动装置的传统电力电路，三相桥整流器把交流电变换为可变电压的直流电，作为强制变换桥逆变器的输入。逆变器产生变电压变频率电源，控制电机速度。 由于大的滤波电容器给逆变器提供了一个刚性的电压源，且逆变器的输出电压不受负载种类的影响，因此，此类逆变器叫做馈电电压逆变器。通常，相对于假想的直流电源的中心点，逆变器每一桥臂上的每个晶闸管导通180°，在电机的一相产生方波电压。线电压可被显示为如图所示的六个阶梯形电压波。因为感应电机构成了滞后的功率因数负载，所以逆变器的晶体管需要强制换相。反馈二极管可利用滤波电容器促进负载无功能量的循环，并维持输出电压定位在直流链接电压上，二极管也参与换相和制动过程。变压变频速度控制方法的理论可由图1-6B-2 和1-6B-3 来帮助解释。用于此类传动装置的电机具有低转差特性，并提高效率。电机转速可通过简单改变同步速，例如，改变逆变器频率来改变。然而，随着频率的增加，电机的气隙磁通下降，导致产生的转矩降低。 如果电压随频率变化，从而使电压/频率之比保持恒定，则就像直流并激电机一样可使气隙磁通保持不变。图1-6B-2 显示了期望的电机电压-频率关系。在基频(1.0 标幺值) 以下，气隙磁通由于伏特/赫兹恒定而保持不变，这将导致恒定的转矩。处于低频时，定子阻抗超过漏感，占主导地位，因此，附加电压被施加， 以补偿此作用。处于基频时，通过前推整流器触发角至所允许的最小值，电机全电压被建立，高于基频后，当频率增加时，由于气隙磁通的损失，转矩下降，电机以如图所示的恒功率方式运行。这与直流电机弱磁调速类似。电机恒转矩和恒功率区的转矩-转速曲线如图1-6B-3 所示，其中每一条转矩-转速曲线都对应于电机接线端特定的电压和频率组合。分别对应于恒定负载和变化负载的两个稳态运行点A 和 B 如图所示。 电机以最大可得转矩从零加速，以恒磁通转差控制方式或以恒转差磁通控制方式达到稳定点。稳态运转的磁通和转差调节均可提高电机效率。馈电电压方波传动装置通常用于中、小功率的工业场合，其调速比一般不超过10:1。最近， 此类传动装置在很大程度上已被下一部分将要介绍的PWM 传动装置所代替。馈电电压逆变器非常适合多电机驱动，在这种情况下，许多感应电机的速度可得到精确控制。脉宽调制型（PWM） 逆变器传动装置在前一部分描述的变压变频逆变器传动装置中，若使用二极管整流器，则直流链接（link）电压不可控，基频输出电压可利用脉宽调制技术在逆变器中进行控制。利用这种方法，晶闸管在半周期中开合多次， 产生低谐波的变压输出。 在几种脉宽调制（ PWM） 技术中，正弦脉动宽调制（PWM） 是最常见的，其原理如图1-6B-4 所示。 等腰三角形载波波形与正弦波信号比较， 得到的交叉点确定变换点。除低频范围外，载波与信号同步， 载波频率与信号频率之比保持为3 的偶数倍以改善谐波。通过改变调制指数可改变基频输出电压。可见， 如果调制指数小于一，那么在输出中只有与残留边带相关的基频的载波频率谐波出现。与方波相比，此种波形产生相当小的谐波温升和转矩脉动。随着调制指数超过1，电压可一直增加，直到获得方波波形中的最大电压。因此，PWM 电压控制适用恒转矩区（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PW（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。 也可编程设计换相点角度，以使对于特定负载条件的电流谐波的有效值达到最小。微型计算机特别适合此类PWM，其中角度查询表存储在ROM 存储器中。在PWM 乓乓控制方法中，逆变器开关控制的目的是让电流波被限制在参考波的磁滞带间， 这样产生的纹波电流小。尽管电机谐波损耗在PWM 传动装置中有很大改善，但由于在每半周期存在多次换相，逆变器效率有所降低。在设计完善的 PWM 传动装置中， 应在器件允许的条件下增加换相频率，以便在逆变器损耗的增加和电机损耗的降低间找到一个合适的平衡点。在前节末尾提出的简单的、经济

的二极管整流器可减少电网波形畸变和提高功率因数，减小滤波器容量，并提高系统运行的可靠性。因为直流链接电压相对恒定，所以晶闸管的换相在整个基频电压范围内均令人满意。 另外，在低频区，低谐波和最小的转矩脉动允许大范围的速度控制，实际上是从电机具有最大转矩的停止状态开始。因为直流链接电压不可控，一些独立控制的逆变器可利用同一个整流器电源运行，这将节省大量的整流器费用。通过接通直流链接中的电池，传动系统可不受交流电源故障的干扰。对于电池或直流供电的传动系统， 例如电车或地铁的发动机，电源可直接吸收再生发电制动能量。

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

B：Steady State

A control system is）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。 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…… 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……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。

Part 3 Computer Control Technology

B: Fundamentals of Computer and Networks

The operating……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……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。

PART 4 Process Control UNIT 1

A: A Process Control System

As we 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 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…… 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 ……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 ……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……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 ……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。

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 ……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 ……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……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 ……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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l2da.html