自动化专业英语教程复习范围Word下载.docx
《自动化专业英语教程复习范围Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动化专业英语教程复习范围Word下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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）。
P11
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。
P20二进制数字系统
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´
21+1´
20=101011
十进制：
32
+
0
8
2
1=
43
相反，在把十进制数43转换为二进制形式的过程中，可使其连续被2除。
每一次除后所得余数0或1即是二进制数的位数。
P37
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。
P39
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。
P40
直流传动的闭环控制
应用限流控制，也称为并联电流控制的闭环速度控制系统的基本示意图如图1-5B-1所示。
ωm*为速度参考值。
正比于电机速度的信号可从速度传感器获得。
速度传感器的输出滤除交流波，并与速度参考值比较，速度误差被速度控制器处理，速度控制器的输出uc调整整流器的触发角α，以使实际的速度接近于参考速度。
速度控制器通常是PI（比例积分）控制器，具有三种作用——稳定驱动，调整阻尼比到期望值；
通过积分作用，使稳态速度误差接近于零；
还是由于积分作用，可滤除噪音。
P70
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。
P76
稳定性和时域响应
简介
连续系统或离散系统的稳定性是由其对输入或扰动的响应决定的。
直观地说，稳定系统是在没有外部激励时保持静态或平衡的系统，如果去掉所有的激励，系统会返回到静止状态。
输出将经过一个过度过程，稳定在一个与输入一致或由其决定的稳态。
如果我们将同样的输入加到一个不稳定系统上，输出将不会稳定到稳态过程，它将无限制的增加，通常为指数形式或增幅震荡。
稳定性可以由连续系统的脉冲响应或离散系统的Kroneckerdelta响应如下精确地定义：
当时间趋近无穷时，如果脉冲响应为零，则连续系统是稳定的。
一个可接受的系统至少应满足三个基本指标：
稳定性、精度和满意的暂态响应。
这三项标准体现在一个可接受的系统必须对特定的输入和扰动具有满意的时间响应。
因此，虽然我们为了方便在拉氏域和频域研究问题，但至少应在定性上将这两个域同时域联系起来。
实际上，拉氏域既能提供稳定和不稳定系统的暂态响应信息，也能提供稳定系统的稳态响应的信息。
本文讨论拉氏域和时间响应的关系，并重点强调暂态响应，和在拉氏域中建立系统稳定性的判剧。
精度将在下一篇文章中讨论，频率响应在以后的单元中讨论。
P81-P82
稳态
稳态误差
控制系统的设计目标是控制一个系统的动态性能，使之响应于命令或扰动。
设计者应充分了解稳态方程和误差在整个过程中的作用，同时也应知道它们在被控对象动态性能上的影响。
控制系统的精度是对系统跟随控制命令情况的衡量尺度。
它是一个重要的性能指标；
一个导航系统，如果不能把航天器置于合适的轨道上，它的暂态响应再好也没用。
精度通常是按可接受的对特定输入（Er）或扰动（Ed）的稳态误差而定的。
误差e（t）定义为期望输出值r（t）和实际输出值c（t）的差。
要注意，这里的误差并不一定是启动信号（t），除非是单位反馈系统。
当系统的暂态结束后，误差e（t）成为稳态误差ess。
根据终值定理，时域中的稳态误差可写作下式：
（2-2B-1）
指定输入的稳态误差
对如图2-2B-1中的单位反馈系统，闭环传递函数如下式：
（2-2B-2）
式中G=GcGp是开环传递函数。
指定输入的误差E为：
（2-2B-3）
式中Gr（s）=1/[1+G（s）]是指定输入的误差传递函数。
对开环传递函数G（s），设有如下的通用式子：
（2-2B-4）
在这个式子中：
图2-2B-1单位反馈系统
1）K已知，在分子分母多项式中，以常数项出现，使分式
单位化，即传递函数G的增益。
它和下一节介绍的根轨迹增益不同，后者的最高次幂项的系数是单位值1。
2）G的型数是整数n。
分母中s因子代表着积分，型数就是G中积分环节的数目n。
3）增益，根据n的不同取值，通常的惯例，把下列名字和注解与K相联系。
n=0:
Kp=positionerrorconstant位置误差常数
n=1:
Kv=velocityerrorconstant速度误差常数
n=2:
Ka=accelerationerrorconstant加速度误差常数
P86
控制系统三个基本的性能指标是稳定性、满意的稳态精度和满意的暂态响应。
如果已知系统的传递函数，劳斯-胡尔维茨判据会告诉我们系统是否稳定。
如果系统稳定，可以确定各种类型输入时系统的稳态精度。
为了确定暂态响应的特性，我们需要知道特征方程的根在s平面上的位置。
遗憾的是，特征方程通常不能分解成因式并且是高阶的。
根轨迹技术是一种当任意单一参数，如增益或时间常数，从零变到无穷时确定特征方程的根的位置的一种绘图方法。
因此，根轨迹不仅提供系统绝对稳定性而且提供稳定裕量的信息，稳定裕量是描述暂态响应特性的另一种方法。
如果系统是不稳定的或暂态响应不令人满意，根轨迹给出可能改进响应的方法并很方便地定性描述这些改进的效果。
幅角与幅值判据
AzeroisavalueofsthatmakesZ（s）equaltozeroandisgiventhesymbolo.Donotautomaticallyassumethatthiszeroisalsoaclosed-loopzerothatmakesN（s）equaltozerointhesystem（closed-loop）transferfunction;
itmaybe,butisnotnecessarilyso.ApoleisavalueofsthatmakesP（s）equaltozeroandisgiventhesymbolx.Thesntermrepresentsnpoles,allequaltozeroandlocatedattheoriginofthesplane.ArootofthecharacteristicequationhaspreviouslybeendefinedasavalueofsthatmakesD（s）equaltozero.
零点是使Z（s）等于零的值，用符号o表示。
不要自动认为这个零点也是使系统（闭环）传递函数N（s）也等于零的闭环零点；
它可能是，但不一定非是。
极点是使P（s）等于零的值，用符号×
表示。
sn项代表n重极点，n个极点都等于零且位于s平面的原点。
特征方程的根以前已经定义为使D（s）等于零的值。
P88
4.如果开环零点少于开环极点（j<
i），那些无零点趋近的根轨迹分支沿着渐近线趋于无穷大。
渐近线的条数为（i-j）。
5.可从幅角判据中得到渐近线的方向。
从所有m个开环零点和n个开环极点到s的矢量具有相同的角度a。
因此渐近线的角度a必须满足（k=任意整数）。
渐近线的角度是均匀分布的。
6.每一条渐近线与实轴有一个交点，与原点的距离为r0
7.根轨迹对称于实轴，因为复数开环极点和零点都是共轭对。
8.实轴上某个区间右侧实轴上的开环零极点数之和为奇数时，这个区间形成根轨迹，因为这个区间上的任一点满足幅角判据。
9.如果实轴上两个开环极点（或两个开环零点）之间有根轨迹，那么实轴上一定存在分离点（或汇合点）。
如果附近没有其它的极点和零点，分离（或汇合）点一定位于两个极点（或两个零点）的中间。
在图2-3A-2d中，添加极点p3将会推远分离点，类似地，在p3的位置添加一个零点将会吸近分离点。
10.复数开环极点的出射角（或复数开环零点的入射角）是根轨迹最后一个重要的特征。
对图2-3A-3上紧挨着p1的根轨迹上的点应用幅角判据。
则有从其它零、极点到这一点的矢量角与它们到p1点的矢量角相同。
从p1到这点的角度一定满足如下公式：
出射角：
类似地，入射角：
P90
频率响应奈奎斯特图
简介
有时在频域而不是在根轨迹的s域开展研究工作是必要或有益的。
因为做系统分析时根轨迹法需要传递函数但获得某些元件、子系统以致系统的传递函数很困难、甚至是不可能的。
在这种情况下可用实验方法确定在已知频率和幅值的正弦测试波作用下的频率响应。
输入信号的性质也影响系统分析和设计方法的选择。
许多命令输入仅仅是让系统从一个稳态转移到另一个稳态。
P97
频率响应法：
波特图
一个系统的频率传递函数或它的KZ（j）/P（j）函数既能用单个的奈奎斯特图（极坐标图）表示，也可以用相对输入（强迫）频率的幅值比和相角表示。
人们习惯于按照输入频率的常用对数绘制以分贝为单位的幅值比图和以度为单位的相角图。
按照这种形式，这两张图称为伯德图（以H.W.Bode命名），可以绘制准确的伯德图，它是由计算制作的，也有直线渐近线图，它可以快速容易地运用到已经发展出的技术徒手草绘或绘制，本文将介绍这一技术。
系统传递函数的波特图用来确定各种输入（包括阶跃）对系统响应的影响。
因为频率响应是一个稳态响应，所以这个系统必须是稳定的，并且它的稳定性必须在使用系统波特图以前确定。
人们经常使用频率函数KZ（j）/P（j）的波特图来检验系统的稳定性。
当函数在s右半平面没有零点或极点时，即函数是最小相角，则这个波特图能很快地根据出现在函数中的四个基本环节的知识草绘出来。
这些基本环节是：
①频率不变项K②在原点上的零点和极点③一阶项式的极点和零点（j+1）n④二阶极点和零点（j+1）n
对于一个乘积，和。
相角表示成一个和用分贝为单位幅值M，也将表示成一个和：
在波特图中，以分贝为单位的幅值M和以度为单位的相角在半对数坐标纸上按绘制出来。
这种改进如下：
KZ（j）/P（j）的波特幅值和相角图可以由它的相关项累加而得到。
这些图比极坐标图或奈奎斯特图更容易绘制出来，而且能够容易地按照系统特性的不同方面进行理解。
P110
状态方程
状态空间模型
一个状态空间模型是一组压缩写成矩阵形式的一阶微分方程来描述的。
这种标准形式使得通用计算机程序的开发成为可能，这种通用程序可以用于相当巨大的系统的分析和设计。
状态空间模型的获得与传递函数是一样的。
首先要列写出描述系统动态的微分方程。
在传递函数模型中，这些方程要进行（拉氏）变换，消去中间变量，求出选定的输入输出变量间的关系。
而对于状态模型，方程要按照选定的状态变量组织成一个一阶微分方程组，输出也以相同的状态变量表示出来。
因为消去方程间的变量并不是这个过程固有的部分，所以状态模型往往比较容易得到。
有两个例子用来说明并将状态模型与至今使用的传递函数联系起来。
P111
关于状态空间表示法的说明
状态变量的选取不是一个唯一的过程，可以使用不同组变量。
选用有物理意义的变量有一些优点，如果可能它们应该是可以测量的。
有几种可以应用的选择状态变量的方法。
系统的可用信息的形式往往决定应该使用哪种方法。
例如在一些情况下可以凭经验（实验）得到传递函数，就要用开头那种方法。
在任何情况下，状态空间方法的优点包括以下：
1．它提供了一种方便的、压缩的记法，使功能强大的矢量矩阵理论得到应用。
2．对所有系统一致的记法使得一套一致的求解技术成为可能。
3．状态空间表示法对于计算机求解是一个理想的形式，无论是模拟（机）还是数字（机）。
这点非常重要，因为对于复杂系统的分析，经常需要使用计算机。
4．状态空间法给出了比输入输出法更全面的系统描述。
在后面讨论到可控性和可观性时这点会得到进一步的证明。
P134
存储器
计算机的存储器是由一套连续编号的单元所组成。
每个存储单元是一个能存二进制信息的寄存器。
单元的编号称为地址。
初始地址为0。
制造商定义处理器的一个字长为单元的整数长。
在每个字中，各位表示数据或指令。
对于英特尔8086/87和摩托罗拉MC68000微处理器来说，一个字是16位长，但每个存储单元仅为8位，因此两个8位单元来存取获得一个数据字长。
为了使用存储器中的内容，处理器必须取来右边的内容。
为了完成这一次读取，处理器把所需单元的二进制编码地址放到外部处理器地址总线的地址线上，然后，存储器允许处理器读取所寻址的存储单元的内容。
读取存储单元的内容的这一过程并不改变该单元的内容。
存储器中的指令
存储器中的指令由CPU取来。
除非发生程序转移，它们按在存储器中出现的顺序来执行。
用二进制形式所写的指令叫做机器语言指令。
一种得到（指令）有效形式的方法是将（这些）位分成段，如图3-4A-2所示。
每一段都包含一个不同类型信息的代码。
在简单的计算机中，每条指令可分为四段，每段有四位。
每条指令包括操作代码（或操作码，每条指令有唯一的操作码）、操作数地址、立即数、转换地址。
在一个实际的指令集中，有很多指令。
也有大量的存储单元来存储指令和数据。
为了增加存储单元的数目，如果我们使用同样的方法，地址段的指令一定长于16位。
除了增加指令长度外，还有很多增加微处理器寻址范围的方法：
可变指令段、多字指令、多寻址模式，可变指令长度。
我们不将详细讨论它们。
存储数据
数据是存储器中代表代码的信息。
为了有效利用存储空间和处理时间，大多数计算机提供了不同长度和表示方法的处理数据能力。
能被处理器识别的各种不同表示称作数据类型。
常用的数据类型有：
位、二进制码、十进制数字（4位字节，BCD）、字节（8位）、字（2个字节）、双字（4个字节）。
有一些处理器提供了可处理其他数据类型。
例如单精度浮点数据类（32位）和双精度浮点数据（64位）等的指令。
还有另一类的数据–––特征数据。
通常
升级会员 