自动化专业英语.docx
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自动化专业英语
•电路（TheoryofCircuit）
•模拟电子技术（AnalogElectronicsTechnology）
•数字电子技术（DigitalElectronicsTechnology）
•电机学（TheoryofElectricElectricMotors）
•自动控制理论（AutomaticControlTheory）
•现代控制理论（ModernControlTheory）
•微机原理（PrincipleofMicrocomputer）
•计算机控制技术（ComputerControlTechniques）
•过程控制系统（ProcessControlSystem）
powerelectronicstechnology:
电力电子技术
thedistributionofthree-phasepowerrequiresonlythree-fourthsasmuchlinecopperasdoesthesingle-phasedistributionofthesameamountofpower.用三相传输法所消耗的铜只相当于单相传输法所传输同等电量所用铜的四分之三。
Oneproblemwithelectronicdevicescorrespondingtothegeneralizedamplifiersisthatthegains,AUorAI,dependuponinternalpropertiesofthetwo-portsystem.
对于一般的放大器。
一个问题是其增益AU或者AI取决于两端口系统的内部特性。
Operationalamplifiersaredifferentialdevices
•运算放大器为差动装置
•Thecontrolvoltagesignalgenerallyisobtainedbyamplifyingtheerror,orthedifferencebetweentheactualoutputvoltageanditsdesiredvalue.
•控制信号通常是由将实际的输出电压与期望的电压之差放大后得到
Inverting:
逆变blockdiagram方框图
malfunction [mæl'fʌŋʃən]故障amplifier ['æmplə,faɪr]放大器
Rectifying:
整流
•filtern.滤波器
•buckconverter降压变换器boostconverter升压变换器
•
•steadystate稳态impedancen.阻抗
kilohertzn.千赫芝instantaneousad.瞬间的
dutyratio占空比low-pass低通
durationn.持续（时间）
saw-tooth锯齿（波）dissipatevt.消耗
fluctuatev.波动、起伏
forcecommutated强制换流
第一部分第一单元
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。
B三相电路
三相电路不过是三个单相电路的组合。
因为这个事实，所以平衡三相电路的电流、电压和功率关系可通过在三相电路的组合元件中应用单相电路的规则来研究。
这样看来，三相电路比单相电路的分析难不了多少。
使用三相电路的原因
在单相电路中，功率本身是脉动的。
在功率因数为1时，单相电路的功率值每个周波有两次为零。
当功率因数小于1时，功率在每个周波的部分时间里为负。
虽然供给三相电路中每一相的功率是脉动的，但可证明供给平衡三相电路的总功率是恒定的。
基于此，总的来说三相电气设备的特性优于类似的单相电气设备的特性。
三相供电的机械和控制设备与相同额定容量的单相供电的设备相比：
体积小，重量轻，效率高。
除了三相系统提供的上述优点，三相电的传输需要的铜线仅仅是同样功率大小单相电传输所需铜线的3/4。
三相电压的产生
三相电路可由三个频率相同、在时间相位上相差120电角度的电动势供电。
这样的三相正弦电动势如图1-1B-1所示。
这些电动势由交流发电机的三套独立电枢线圈产生，这
三套线圈安装在发电机电枢上，互相之间相差120电角度。
线圈的头尾可以从发电机中全部引出，组成三个独立的单相电路。
然而，一般线圈无论在内部或在外部均会相互连
接，形成三线或四线三相系统。
第一部分第二单元
A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（、、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。
B晶体管
简单地说，半导体是这样一种物质，它能够通过“掺杂”来产生多余的电子，又称自由电子（N型）；或者产生“空穴”，又称正电荷（P型）。
由N型掺杂和P型掺杂处理的锗或硅的单晶体可形成半导体二极管，它具有我们描述过的工作特性。
晶体管以类似的方式形成，就象带有公共中间层、背靠背的两个二极管，公共中间层是以对等的方式向两个边缘层渗入而得，因此中间层比两个边缘层或边缘区要薄的多。
PNP或NPN（图1-2B-1）这两种结构显然是可行的。
PNP或NPN被用于描述晶体管的两个基本类型。
因为晶体管包含两个不同极性的区域（例如“P”区和“N”区），所以晶体
管被叫作双向器件，或双向晶体管。
因此晶体管有三个区域，并从这三个区域引出三个管脚。
要使工作电路运行，晶体管需与两个外部电压或极性连接。
其中一个外部电压工作方式类似于二极管。
事实上，保
留这个外部电压并去掉上半部分，晶体管将会象二极管一样工作。
例如在简易收音机中用晶体管代替二极管作为检波器。
在这种情况下，其所起的作用和二极管所起的作用一模
一样。
可以给二极管电路加正向偏置电压或反向偏置电压。
在加正向偏置电压的情况下，如图1-2B-2所示的PNP晶体管，电流从底部的P极流到中间的N极。
如果第二个电压被加到晶体管的顶部和底部两个极之间，并且底部电压极性相同，那么，流过中间层N区的电子将激发出从晶体管底部到顶部流过的电流。
在生产晶体管的过程中，通过控制不同层的掺杂度，经过负载电阻流过第二个电路电流的导电能力非常显著。
实际上，当晶体管下半部为正向偏置时，底部的P区就像一个取之不竭的自由电子源（因为底部的P区发射电子，所以它被称为发射极）。
这些电子被顶部P区接收，因此它被称为集电极，但是流过这个特定电路实际电流的大小由加到中间层的偏置电压控制，所以中间层被称为基极。
因此，当晶体管外加电压接连正确（图1-2B-3）后工作时，实际上存在两个独立的“工作”电路。
一个是由偏置电压源、发射极和基极形成的回路，它被称为基极电路或输入电路；第二个是由集电极电压源和晶体管的三个区共同形成的电路，它被称为集电极电路或输出电路。
（注意：
本定义仅适用于发射极是两个电路的公共端时——被称为共发射极连
接。
）
第一部分第三单元
A逻辑变量和触发器
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，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
。
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
第一部分第四单元
A功率半导体器件
功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。
它们
以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。
开关式功
率变换的效率更高。
现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类
如下：
▪二极管
▪晶闸管或可控硅
▪双向可控硅
▪门极可关断晶闸管
▪双极结型晶体管
▪电力金属氧化物半导体场效应晶体管
▪静电感应晶体管
▪绝缘栅双极型晶体管
▪金属氧化物半导体控制的晶闸管
▪集成门极换向晶闸管
二极管
电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：
电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源和变频驱动。
它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑
行功能。
典型的功率二极管具有P-I-N结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于P-N结的中部以阻断反向电压。
图1-4A-1给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。
在正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。
典型的正向导通压降为1.0伏。
导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。
在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。
如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。
电力二极管分类如下:
标准或慢速恢复二极管
快速恢复二极管
肖特基二极管
晶闸管
闸流管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。
50年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电力电子技术。
术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效装置，闸流管。
通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。
晶闸管可分成标准或
慢速相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。
逆变器型现已淘汰。
图1-4A-2给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。
基本上，晶闸管是一个三结P-N-P-N器件，器件内P-N-P和N-P-N两个三极管按正反馈方式连接。
晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。
当阳极为正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。
晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上升率（dv/dt）、结温的上升、PN结上的光照等产生误导通。
在门电流IG=0时，如果将正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。
随着门极控制电流IG的增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流IG=IG3时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。
在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流，晶闸管将成功导通。
在导通期间，如果门极电流是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。
相对反向电压而言，晶闸管末端的P-N结处于反向偏置状态。
现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千安）额定值。
双向可控硅
双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。
图1-4A-3给出了双向可控硅的符号。
在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。
在Ⅰ+工作方式，T2端为正，双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。
在Ⅲ-工作方式，T1端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通。
双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。
由于少数载流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。
由于同样的原因，重复施加的dv/dt额定值较低，因此用于感性负载比较困难。
双向可控硅电路必须有精心设计的RC缓冲器。
双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60赫兹电源频率的固态继电器。
门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。
同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。
GTO的关断能力来自由门极转移P-N-P集电极的电流，因此消除P-N-P／N-P-N的正反馈效应。
GTO有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。
GTO的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为4或5，非常低。
这意味着6000安培的GTO需要1,500安培的门极电流脉冲。
但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常小，用低压电力MOS场效应晶体管提供非常容易。
GTO被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容量AC/DC电源。
大容量GTO的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。
图1-4A-4给出了GTO的符号。
电力MOS场效应晶体管
与以前讨论的器件不同，电力MOS场效应晶体管是一种单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。
图1-4A-5给出了N型MOS场效应晶体管的符号。
如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组成的电流。
虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅—源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。
MOS场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通过所有的反向电流的二极管。
二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。
虽然对较高的电压器件来说，MOS场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。
它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。
虽然在静态MOS场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动而后跟随一个电压源来减少开关延迟。
MOS场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。
譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机驱动和固态直流继电器
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。
第二部分第二单元
A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。
B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：
第二部分第三单元
A根轨迹
简介
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。
第二部分第四单元
A频率响应法：
波特图
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。
第二部分第五单元
A现代控制理论简介
引言
经典控制理论以输入输出关系主要是传递函数为基础。
当遇到微分方程时，它们必须是线性的、包含（服从）所有约束条件，才能建立有用的输入输出关系。
然而，现代控制理论是基于微分方程本身的直接使用。
尽管经典控制理论的技术是强有力的，而且相对简单，但它的确存在一些局限和缺点，这些缺点会随着被控对象和控制系统的复杂化而加剧，这正是现代控制理论出现的原因。
几种因素为现代控制理论的发展提供了动力：
1.处理更为实际的系统模型的需要。
2.侧重点移向最优控制和最优系统设计。
3.计算机技术的持续发展。
4.先前方法的缺陷。
5.对其他知识领域已知方法的应用能力的认识。
第二部分第六单元
A可控性，可观性和稳定性
一台装置（或系统）如果能找到一个无约束控制矢量u（t）在有限的时间间隔内将任意初始状态x（t0）转化为任意其它状态x（t），则这台装置（或系统）是完全可控的。
因为状态完全能控性不一定意味着输出的完全可控，而且反之亦然，所以输出完全能控性以类似的方式单独定义。
如果可从有限的时间间隔内的输出c（t）的信息中确定状态x（t），则装置是完全可观的。
可控性和可观性的对偶概念是多变量装置控制的基础，特
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