专业英语部分课文翻译(整理版)

1、unit 1a电路电路或电网络由以某利叨式连接的电阻器、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，如果在一个或多个能源，那么组介的结果为冇源网 络。在研究电网络的特性时，我们感兴趣的是确定电路屮的电压和屯流。因为网络山无源电路元件组成， 所以必须首先定义这些元件的屯特性.就电阻來说，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二电压，伏特；i二电流，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

2、电流随时间的 变化率。因此可得到：u二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増量dq的和 或积分，因此得到的等式为u二 ，式屮电容量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二dq/dt。因此电荷増鼠dq等于电流乘以相应的时间增量，或dq二 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

3、考方向，因此流过每一个元件的电流与屯压降的方向一致。有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能來自其储存的化学能，发电机的电 能是旋转屯枢机械能转换的结果。有源电气元件存在两种基木形式：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 电床源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基木恒定，所以上述电池和发电机被认为是屯压源。另一 方而，电流源产生屯流，电流的人小与电源连接的负载无关。址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人器件，比如晶体管中具冇广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1-1a-2 所示。分析电网络的般方法是网孔分析法或回路分析法。应用

4、于此方法的基本定律是基尔崔夫第一定律, 基尔霍夫第一定律指出：一个闭合冋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l-la-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 总的电床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，所以输电床在(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)是屯路屯流的微分方程式。或许在电路中，人

5、们感兴越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-7unit 3a逻辑变最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，血豫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z间的关联，并在此过程中，阐明用标示“真”和“假”來识别一个变量的可 能值的特殊用途。举例说明，假设伤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 2舱中。在某一时刻，a來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也已经來到了你所在的客舱中。基于你的逻辑推理能力，你将

6、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z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vi,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vi表示“假”。让我们进 一步制作一个带冇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vi。最后,让我们把输入和飞行员a和 b朋位下的装置联结起來,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

7、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二飞行员a己离开座位为真(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二ab(1-3a-1)我们己经选择用电压來表示逻辑变量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，茯至可以 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，

8、那么命题z就为真, 否则命题z为假。式仃-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冇两个互反变量的命题z间的关系是一种冇效的工具。sr触发器图1-3a-1给出的一对交叉连接的或菲门屯路被称为触发機。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的屯压出现在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

9、发器基木的、最重要的特性是其具冇“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在其获得当前屯平z前的逻辑屯平。术语为方便衔接下面的讨论内容，介绍一些常见的术语，这冇助于了解逻辑系统设计师屮惯用的观点。在与非和或非门(以及与和或门)屮，当用其來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 输出与所冇的其它输入无关。这个被选的输入可控制门电路,其它所冇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

10、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。注意一方血是或菲门和或门间的区别，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看成一个基木的、无干扰的、稳定的、静止的状态，把逻辑1 看成激励的、活跃的、冇效的状态，就是说，这种状态是发生在某种操作动作z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

11、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，那么戢好是以这样的方式定义有关的逻供变量，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，将看到持冇此种观点的例子unit4a 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； 町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

12、极管电力二极管捉供不可控的整流电源，这些屯源冇很广的应用，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冋馈和惯性滑行功能。典型的功率二极管具冇p-i-n 结构，即它几乎是纯半导体层（木征层），位于p-n结的中部以阻断反向屯压。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 变化的电阻來表示，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,必须用介适的吸热设备对二极管进行冷却來限制结温上升。在反向偏置条件下，由于少 数载流子的存在，冇很小的泄漏电流流过，泄漏

13、屯流随屯压逐渐増加。如果反向电压超过了临界值，叫做 击穿电床，二极管雪崩击穿,雪朋击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过人造成的热击穿。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丁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 了现代尚态电力电子技术。术语“晶闸管”來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羽，快速开关型，电压回馈逆变器羽。逆变器烈现己淘汰。 图

14、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 闸管可山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tg = o时，如果将正向电压施加到品闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临 界极限（转折屯压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流1g的増加，正向转折电压随z减少，m 后，当

15、门极控制电流ig二1g3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屯压（数t伏）、大屯流（数t安）额定值。双向可控硅双向可控硅冇复杂的复结结构，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町控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在i +zt作 方式，t2端为正，双向可控

16、硅由正门极电流脉冲触发导通。在1【1-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，但它的集成结构冇一些缺点。 山于少数载流子效应，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闲难。双向可控硅屯路必须冇精心设计的rc冲器。双向町控 硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联介型电机驱动、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z外，它还能被负门极电流

17、脉冲关断。gt0的关断能力來自由门极转移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。gt0冇非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电 床回馈和电流冋馈变换器。gt0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gt0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m0s场效应晶体管提供菲常容易。gt0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gt0的出现取代了强迫换流、屯压回馈的可控硅换流器。图1-4a-4给 出了 gt0的符号。电力m0s场效

18、应晶体管与以前讨论的器件不同，电力m0s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 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z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, 冇效的栅一源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。mos场效应晶体管冇不对称电压阻断能力，如 图所示内部集成一个通过所冇的反向电流的二极管。二极管具冇慢速恢复特性，在高频应用场介下通常被 一个外部连接的快速恢复二极管旁路。虽然对较窩的屯压器件來说,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

19、间非常小，因而开关损耗小。它确实没冇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场效应晶体管町由屯压源來控制，通常的做法是在动态由屯流源驱动而后跟随 一个电床源來减少开关延迟。mos场效应晶体管在低压、小功率和高频（数-|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。igbts绝缘栅双极型晶体管在20世纪80年代屮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町见，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戏极结羽晶体管，在

20、数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。tgbt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的n+漏极层上的集电极加了一个额外的片层。1gbt冇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 晶体管正向偏置的基极一发射极结使1gbt导通并引起"一区传导性调制，这使得导通压降大大低于mosfet 的导通床降。在导通条件下，在igbt的等效电路屮，驱动器mosfet运送人部分的端子电流。由寄生n-it 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用

21、通过冇效地减少p+层电阻系数和通过mosfet将大部分电流转移而 得到预防。1gbt通过减小门极电压到零或负屯压來关断，这样就切断了 p区的导通通道。igbt比bjt或 mosfet有更高的电流密度。1gbt的输入电容（ciss）比mosfet的要小得多。还冇，1gbt的门极一集电极 电容与门极一发射极电容z比更低，给出了改善的密勒反馈效应。mcts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）,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门施加一个短暂的电压脉冲來控制通断。mct 具冇微单元结构，在那里同一个芯片上数千个微器件并

22、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屯压脉冲控制关断。mct具 冇类似晶闸管的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成正反馈方式。但与晶闸管 不同的是mct只冇单极（或不对称）电床阻断能力。如果hct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

23、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介效应因而mct的关断时间冇点长。mct冇限定的上升速率，因此在mct变换器小必 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igbt的大,因此它需要有一个较小的死区。1992年在市场上可见到 mct,现在可买到屮等功率的mct。hct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abb在1997年推出。图1-4a-8给出了 1gct的 符号。基木上，igct是一个具冇单位关断电流

24、増益的高压、大功率、硕驱动不对称阻塞的gto。这表示具 冇可控3, 000安培阳极屯流的4, 500 v 1gct需要3, 000安培负的门极关断屯流。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mosfet來提供，并且驱动电路中的漏感要特 别低。门驱动电路内置在1gct模块内。1gct内冇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。1gctm快 速的通断时间使它不用加缓冲器并具冇比gto更高的开关频率。多个igct nj'以串联或并联用于更大的功

25、率场合。1gct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。unit 5a直流电机分类现在可以买到的直流电机基本上有四种:永磁直流电机,串励直流电机,并励直流电机, 复励直流电机。每种类型的电动机山于其基木电路和物理特性的不同而具冇不同的机械特性。永磁直流电机永磁直流电机，如图1-5a-1所示，是用与宜流发电机同样的方法建造的。永磁宜流电机用于低转矩 场介。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。磁场山安装在定子上的永 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银钻永磁介金或陶瓷永磁磁饮而不 是励磁线圈。铝傑钻永磁

26、介金用于大功率电机。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冇几个优点。优点z-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來实现。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木特性。每-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屯压源，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。仅冇

27、一个通路供电流从 直流电床源流出。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。如果机械负载増加，电流也増加。増加的电流建立了更强的磁场。当负载 从零増加到很人时，串励式电机的转速从很高变化到很低。山于大屯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介。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。

28、山于激磁绕组是 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。山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。山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。流过并励式直流屯动机的电流关系如下：a=7a+/f公式 中，几一电机总电流/a 电枢电流/f 激磁电流。通过在激磁绕组屮串联一个可变电b4可以改变激磁 电流。山于激磁回路电流小，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 増加，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，转子会山于与减弱的磁场相互作 用而加速旋转

29、。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冇优艮 的转速调节功能。当负载増加时，山于増加了电枢绕组上的压降，转速稍微冇一点降低。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介。许多种可调速机床山并励式直 流电动机驱动。复励式直流电动机图1-5a-4所示的复励式直流屯动机冇两个激磁绕组，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。复励式电动机冇两种连接方法：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徴。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

30、法冇两种。一利叨法称为短并联（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）。复励式电机具冇 类似于串励式电机的高转矩，同时也具冇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对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，肓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。想把玄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z间的

31、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77和电枢电流怡。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 转速的分子项变得较人。这导致转速上升。转速增加的范围収决于电枢电路压降的人小与电枢端电床的 比值。p2u1a the world of controla 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

32、系统大量存在于我们周用。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e行员的力量放大， 从而克服巨大的空气阻力推动匕行控制翼面。总行员的反应速度太慢，如果不附加阻尼偏航系统，e 行员就无法通过轻微阻尼的侧倾转向方式來驾驶飞机。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屮解脱出來。没冇了这些常规操作，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

33、种理论，而不是靠直觉或试凑法。控制系统能 够用來处理系统对命令、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。系统分析关注的足命令、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婆的，就不需要第二步了。如果系统不能满足要求，而il不能改变被 控对彖，就需婆进行系统设计，來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 而发展起來的。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

34、主要在时域。每种方法 都有其优点和缺点，也各有其们导者和反对者。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。因为输出以山反

35、馈元件决定的一种函数形 式反馈回來，然后被输入减去。闭环系统通帘是指负反馈系统或简称为反馈系统。连续和离散系统：所冇变量都是时间的连续函数的系统称做连续变暈或模拟系统，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，离散变最就接近一 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-乓控制系统小。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

36、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，则系统是时变或非的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。集小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i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；弹簧是没冇质量的, 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i致的，等等。在分布 参

37、数系统中，耍考虑到物理特性的连续空间分布。物体是有弹性的，弹赞是有分布质量的，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：一个系统或变暈，如果其未來的性能在合理的限度内是可预测和 重复的，则这个系统或变暈就是确定的。否则，系统或变暈就是随机的。对随机系统或冇随机 输入的确定系统的分析是基于概率论慕础上的。单变罐和多变罐系统：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（m1m0）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

38、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-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粘确或严格确 定的过程，而是一系列相关事情的序列，典型的顺序是：1）被控对彖的建模；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）性能拆标的选择；7）控制器的设汁；8）整个系统的动态分析；9） 幣个系统的非线性仿真；10）所用硕件的选择；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i古i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。p2u2a

39、 stability and the time responsea 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。玄观地说，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。稳定性可以山连续系统的脉冲响应或离散系统的kronecker delta响应如下耕确地定义: 当时间趋近无穷时，如果脉冲响应为零，则连续系统是稳足的。一个可接受的系统至少应满

40、足三个基木指标: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愆态响应信息，也能提供稳定系统的稳态 响应的信息。木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。耕度将在下一篇文章中讨论，频率响应在以后的单元中讨论。特征方程系统对任何输入的时间响应可表示为下式：式屮5(f)是稳态响应，是暂态响应。如果系统是不稳定的，就将没冇稳态响应，只冇暂态 响应。没有传输延时的情况下，

41、系统的传递*1数可以表示为拉氏复变量s的多项式的比值。将分母多项式等于零即得到特征方程并可写作因子形式式中口衣示特征方程的根，即使得(s)等于零的s值。这些根可以是实根、复根或零，如果为复根，则由于微分方程的系数为实数，复根都足成对共扼的。拉氏域中n个不同根的暂态响应如下：在时域中为后一个方程的每-项被称做新态模式。每个根都有一个新态模式，其形状仅由根在s域中的位置 决定。因此，系统稳定的充分必要条件就是特征方程根的实部为负。这保证脉冲响应将按指数 形式随时间衰减。劳斯稳定性判剧劳斯判剧是判断连续系统稳定性的一种方法，适用于形式如下的阶特征方程的系统。使用劳斯判剧表的准则如下这里是特征方程的系

42、数etc. etc.这张衣向水平(向右)垂直(向下)方向延伸，直到得到的都是零为止。在计算下一行 前，任一行都可以乘以一个正帘数，这不会影响表的性质。劳斯判剧：当且仅当劳斯表的第一列符号相同时，特征方程的所有根祁有负实部。否则, 具有正实部根的个数和符号变化的次数相等。赫尔维茨判据是另一种判断连续系统特征方程的所有根都有负实部的方法。实际上，虽 然形式或方式不同，它和劳斯判据原理相同，因此它们常被称为：劳斯-赫尔维茨判据。简单滞后：一阶系统对形如式(2-2a-1)的传递函数，系统的阶次被定义为特征方程(s)的阶次，也就是 其中s的最高次幕决定了系统的阶次。简单一阶系统的传递函数为，如图2-2a

43、-1所示，如果输入是一个单位阶跃斤(s)二1/s,则输出为因此暂态响应。第一项为强制分量，由输入引起，第二项为暂态分量，由系统的极点决定。图2-2a-2给出了暂态和c&)。暂态呈指数衰减，常用的表示衰减速度的量是时间常数：时间常数是衰减指数新态降到初始值e*=0. 368倍所用的秒数。因为当庐t时，可以看出简单滞后1/(741)的时间常数是t秒。实际上，这就 是简单滞后传递函数帘被写为这种形式的原因。s的系数直接农明衰减的速度，47秒后，暂态衰减到 初值的1.8%。简单滞后冇两个重要特征。1. 稳定性：对于系统稳定性，系统极点必须位于s平而的左半边,这样系统暂态衰减,而不是随时间增加而

44、增加。2. 响应速度：加速系统的响应(即减小时间常数)，极点1应左移。多阶滞后：二阶系统这种常见的传递两数通常可以简化为如下的标准形式：式中妙是无阻尼自然频率，了是阻尼比。这些参数的意义将被讨论。根据阻尼比，系统特征方程的根(极点)有三种可能：<>1:过阻尼：了=1:临界阻尼：< <1:欠阴尼：图2-2a-3显示了绘制极点位置的s平面。对于单位阶跃输入*(s)二1/s,输出的变换为：>1时，极点在负实轴上妙的两侧，暂态是两个衰减指数的和，毎个各有其自己的时间 常数。离原点最近的极点对应的指数项具冇最人的时间常数，用戢长的时间衰减。这个极点称为主极 点。旷1时，两极

45、点重合于处“1时，极点沿着以原点为中心，a为半径的圆周上移动。从图2-2a-3 中的三角形，口j以看出cos 0 =4% 输出为图2-2a-4中为对于不同阻尼比：的归一化响应曲线。暂态项为以阻尼自然频率的震荡，其幅值 按衰减。重要的性能指标如图2-2a-5所示：稳定时间久是响应永久在稳态值上下5%或2%所需的时间t8=3t (5%)或監=4 7' (2%)。超 过稳态值的最大超调量百分比是一项严格的性能指标。令式(2-2a-9)中c(f)的导数为零，得出响应的极值，得到方程：这意味着在各峰值2-1, 3,因为左右相等。因此最大值必在峰值(7=1),峰值时间几为如果式(2-2a-10)的

46、角度的正切是，其正弦值，将式eq. (2-2a-11)代入式(2-2a-9)中得到上升时间7；,如式2-2a-5定义为响应第一次达到稳态值的时间，同极值时间7；紧密相关。应注意到各时间常数%.和7；同时依赖于血利而p. 0.仅依赖于阻尼比0(图2-2a-6)。 允许瑕大超调，和允许瑕小阻尼比歹依赖于实际应用。对于机床进给，超调会导致车刀进入加工件， 因此需要阻尼比大丁 1。但在很多情况卜一，一定的超调是允许的，由于可缩短时间7；和儿阻尼比小 于1是仑适的。阻尼比等于0.7,超调仅为5%,响应达到稳态更快。如果a增加时阻尼比不变极点会沿i员i周外移，稳态时间和上升时间会下降。因此，我们 町以通过

47、调整闭环极点來调整暂态响应。p2u3a the root locusa 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。如杲已知 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 的根的位習的-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。如杲系

48、统是不稳定的或暂态响应不令人满織，根轨迹给岀可 能改进响应的方法并很方便地定性描述这些改进的效果。根轨迹幅角与幅值判据没冇传输延迟，系统的传递两数可以简化成两个多项式z比如下根轨迹技术是将特征方程(s)表示为1和一个新的s的多项式z和。特征方程可以写作 公式中k是我们关注的参数，-如-?2,是开环零点，-pl, s，.是开环极点。k与s无 关，一定不能出现在多项式z(s)根轨迹和ms)小。磁(s)/hs)这个形式是重婆的，这些极点和零点可能是实数或共轨复根。注意在公 式(2-3八-2)中，s的系数总是定为1以用于根轨迹运算。零点是使z(s)等于零的值，用符号。表示。不要自动认为这个零点也是使系

49、统(闭环) 传递函数ms)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x 表示。5项代表刀重极点，刀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 (s)等于零的值。由于s是复变量，亟待和零点可能是复数，唸(s)/p(s)是复变函数，因此可用一个冇幅 值和与其札i关的角度或叫幅角的矢量來表示。在公式(2-3a-2)右边的每一个分解因子可被看作 根轨迹具有独自幅值和幅角的矢量，如图2-3a-1所示。注意幅角0是以水平方向为基准、逆时针方向 为正來计量的。如果我们用极坐标表示每一个因子，得到根轨迹如果我们合并幅值项并将指数项相乘,得到注意特征方程

50、公式(2-3a-3),求解必(s)/尸(s)得而-1可农示成幅值为1,幅角为奇数倍180。的矢量。根据公式(2-3a-3)和(2-3a - 4),我们看到有 两个参数使特征方程(s)等于零，即当斤从0增加到无穷大时，有两个参数可以确定系统(闭环)极 点。幅值判据:幅角判据:绘制根轨迹的规则应用幅角和幅值判据，显然根轨迹可山计算机绘出，但是，我们要介绍根轨迹草图的 快速绘制方法。以下规则有助于根轨迹的绘制。1. 当时，闭环极点等于开环极点。2. 当kfg时，闭环极点趋近开环零点。3. 根轨迹的分支数等丁开环极点数。当他时，分支起始于每一个开环极点。随着k值的增加, 闭环极点位置绘出根轨迹，当 5

51、时，根轨迹终止于开环零点。4. 如果开环零点少于开环极点 g)，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d。5. 可从幅角判据屮得到渐近线的方向。从所冇刃个开环零点和77个开环极点到s的矢量具冇相 同的角度血因此渐近线的角度q必须满足(&n壬意整数)。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，与原点的距离为炉7. 根轨迹对称于实轴，因为复数开环极点和零点都是共轨对。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）z间冇根轨迹，那么

52、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q将会推远分离点，类似地，在q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耍的特征。对图 2-3a-3 ±紧挨着q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 厂点的矢量角相同。从q到这点的角度一定满足如下公式：出射角：类似地，入射角：使用根轨迹法作系统设计与补偿根轨迹被用于确定增益以获得预想的阻尼比或时间常数。比例控制设计不改变根轨迹的 形状。但

53、如果需要动态补偿，一个串联的补偿器会添加极点和零点到开环极、零点图形中去，以按照 预想的方向改变根轨迹的图形。像图2-3a-4所示的那样，添加一个极点会将根轨迹推离这个极点，添加一个零点会将根 轨迹吸近这个零点。随着到原点距离的减小，它们的作用强度会增加。添加零点可以改善相对稳定性，因为它可以吸引根轨迹、 或根轨迹的一部分离开虚轴进入左半平而，较远地离开虚轴。在模拟控制系统中，通常用无源和有源电路来实现这些非常重要的补偿。包含补偿增益, 传递函数具有如下形式：相位超前时，z5,相位滞后时，z>p.图2-3a-5给出了极-零点图形。相位超前补偿近似于pd （比 例-微分）控制，经常用于降低

54、信号噪声，因此而改善稳定性。相位滞后是一种常用的补偿，例如pi （比例-积分）控制, 用来改善粘度。但是，相位超前可能也改善耕度，相位滞后也改善稳定性。相位超前和相位滞后补偿举例：在图2-3a-6a中，用相位超前代替比例控制，借助于补偿极点的作用，打算“吸引”比 例控制的根轨迹分支回到左半平而上來。忽略常被置于10倍于零点到原点距离处的附加极点的微弱作用，零点被用來满足补偿的 需要。类似地，在相位滞后补偿屮也使用一对极-零点。但是，这对极-零点离原点非常近，比 图2-3a-6b所表示的要近得多，画成这样是为了看清楚靠近原点根轨迹的形状。正像到虚线根轨迹上 的点的矢量所表示的那样，这样一对极-零

55、点电路对矢量角的影响很小。因此，主要的根轨迹几乎没 有什么变化。靠近原点的图形具有图2-3a-4c的形状。虽然主耍的根轨迹儿乎没有什么变化，我们感 兴趣的增益系数已包含在回路增益函数中，可增加增益系数以改善稳态误差。p2u6a a 可控性，可观性和稳定性可控性和可观性一台装置（或系统）如果能找到一个无约束控制矢量"&）在冇限的时间间隔内将任意初 始状态h/0）转化为任意其它状态x3,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）的信息中确定状态则装

56、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，特别是最优控制。完全能控性 保证无约束控制矢暈的存在，因而存在一个可控制器。但是，完全能控性并没冇告说明如何设计控制 器，也没有保证物理上可实现的控制矢量或控制器的存在。完全可观性保证从输出信息屮可确定状态 信息或装置的内部特性。然而，完全可观性并不保证输出变量是物理可测的。通过讨论一个冇n个状态变量因而冇n个暂态响应的广义n阶装置就可解释这两个概念的 意义。控制变量数用m表示,输出变量数用p表示。在实际系统中我们期望刃和p小于n并且越 少越好。如果装置不是完全能控的，将会有愆态响应（状态变量）不能由一个或多个控制变量用任何 方式

57、进行控制；这些暂态响应由控制矢量进行衰减。如果装迓不是完全可观的，将有不确定的暂态响 应；这些暂态响应由输出矢量进行衰减。如图2-6a-1所示，一台装置可分成四个子系统。因为仅有第一个子系统a是能观能控 的，具冇输入-输出关系，所以它是唯一一个可用传递函数或传递函数矩阵农示的子系统。相反，这 台装置的传递函数或传递函数矩阵并没有反映子系统b和d的动态特性也没有对子系统c和d的 特性进行控制。图2-6a-1 一台装置的四个子系统例如，如果子系统b的暂态响应对任何控制变量反应强烈，从输出变量中得不到这些特 性的信息。子系统c小不受欢迎的暂态响应会影响到输出，但控制变量对此无能为力。通过适当地増 加

58、控制变量可使这台装置完全可控。然而，要使这台装置完全可观，工作会更加闲难，这里不作进一 步讨论。稳定性离开可控性和可观性的问题，我们需要讨论广义上连续系统稳定性的概念和定义。定结 构线性系统的稳定性比较简单，因为稳定性仅取决丁系统本身的特性而与系统的初始状态、输入的幅 值和类型无关。有一种有限的（唯一的）平衡状态，如果在扰动的作用下，系统能返回到这个平衡状 态，我们称这个系统是稳定的。稳定性由特征根的位咒确定（特征方程的根），并且有许多种方法确 定特征根的位建。对变结构线性系统，特别是对非线性系统，稳定性不仅取决于系统木身的特性，也取决 于系统的初始状态、输入的类型和幅值。此外，可能冇不止一个平衡状态。要讨论这些系统的稳定性, 附加的定义和判据是必需的。我们将仅讨论s激系统，因为对任意输入情况下的稳定性理论尚未建立。如果离开初始状态的轨迹返回并保持在平衡状态周围规定的区域内，则系统是稳定的。 这种稳定性的广义定义通常被认为是李亚普诺夫意义下的稳定性，允许极限环和涡旋环的存在。如果 在李亚普诺夫意义下稳定系统的轨迹