自动化专业英语

1、PART1 echnology3A： Electrical Networks3UNIT 25A：The Operational Amplifier5UNIT 35A：Logical Variables and Flip-flop5B：Binary Number System6PART 2 Control Theory10Unit 110A：The World of Control10B：The Transfer Function and the Laplace Transformation11Unit 212A：Stability and the Time Response12B：Steady

2、 State13UNIT 314A：The Root Locus14B：The Frequency Response Methods: Nyquist Diagrams15UNIT 415A：The Frequency Response Methods: Bode Plots15B: Nonlinear Control System17Unit 517A: Introduction to Modern Control Theory17B: State equations19Part 3 Computer Control Technology19Unit 119A: Fundamentals o

3、f Computer and Networks19Unit 220A: The Application of Computer20B: Multimedium Information Superhighway22Unit 322A: Intelligent Robots22B: Introduction to MATLAB24UNIT 424A：Computer Structure and Function24B： Interface to External Signals and Devices25UNIT 527A: Fundamentals of Single-Chip Microcom

4、puters27B: PLC28Part 4 Electric Drive29UNIT 129A: DC Machine29B: Induction (Asynchronous) Machine30PART 5 Process Control31UNIT 131A: A Process Control System31B: Fundamentals of Process Control32UNIT 233A: Sensors and Transmitters33UNIT 333A: P Controllers and PI Controllers33UNIT 434A: Indicating

5、Instruments34B: Control Panel34PART1 echnologyA： Electrical Networks背景知识：这是一篇介绍电路理论的文献。电路可以分为有源电路和无源电路两种。构成电路的基本器件有：电压源、电流源、电阻、电感和电容。对于电路理论，最基本的问题就是列写和求解电路中各个变量（电压和电流）的方程A： Electrical Networks Unit 1电路或者电网络是由电阻、电感和电容等元件以某种方式连接而构成。如果在网络中没有电源，例如电池或者发电机，则称为无源电路。反之，如果网络中有一个或者多个电源则称为有源网络。在研究网络的行为时，我们所感兴趣

6、的是电路中的电压与电流。由于一个网络是由各种无源的元件所构成，我们必须先确定这些元件的电特性。将方程(1-1A-1), (1-1A-2) ,(1-1A-4) 总结如图1-1A-1所示。请注意，由于采用了约定的电流方向，因此每个元件中的电流是沿着电压下降的方向流动。0.分析电网络的一个方法称为网孔（或者回路）电流法。该方法所使用的一个基本定律是基尔霍夫第一定律，该定律表述为：沿着一个封闭回路的电压代数和为0，或者：沿着一个封闭的回路，电压降之和等于电压升之和。在网孔分析法中，假设每个网孔有一个电流流过，称为回路电流；然后将每个回路的电压降进行代数相加并令其为0。图1-1A-3b为电阻、电感和电容

7、的串联电路。按照上述的网孔分析法，电路的方程为：由于电流i=dq/dt ,将该变量代换可以消去方程中的积分项并得到一个二阶微分方程：三相电机或者控制设备与同等容量的单相设备相比，体积小、重量轻且效率高。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。背景知识：这是一篇介绍三相电路的文献。三相电路在强电的输送和配电上普遍应用。与单相电路相比较，三相电路具有输送电效率高、功率平稳等优点。要掌握三相电路中各相电压、电流之间的关系；三相电路的两种基本接法：三角形和Y形接法以及相电流、相电压、线电流、线电压之间的关系。应当注意的是，在图1-1B-2中，每个向量都使用2个下标。2个

8、字母表示2点之间存在的电压，字母的顺序则表示在正半周中电压的极性。例如，表示A点和N点之间的电压，当正半周内A点相对N点的电压是正的。在向量图表示中已经假定发电机的端子在正半波内相对中性点是正的。由于电压每半周变化一次，只要三相的极性定义是一致的，每一相的极性就能确定。应当注意，如果将A点相对N 点的极性（）定为正半周，那么在用于同一向量图中时就应该画得与相反，即相位相差180。y连接的发电机的两线端之间的电压就是这两线端相对中性点的电势的差。例如，线电压等于A相对于中性点的电压（）减去B相对于中性点的电压（）。为了从中减去可以将反向，然后与相加。如图1-1B-2c 所示，与长度相同，并有60

9、的角度差。可以通过几何证明，等于1。73乘以 或的值。图形结构如向量图所示。因此对于平衡的y连接电路：UNIT 2A：The Operational Amplifier背景知识：运算放大器是一种常用的电子器件。具有输入阻抗高、输出阻抗低、放大倍数大、性能稳定的特点。在利用运算放大器设计电路时，由于其放大倍数很大，电路的特性主要是由外部输入输出网络的特性决定，与放大器本身的特性关系不大，因此可以方便地构成各种电子线路。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。（分析书上的译句）UNIT 2A：The Operational Amplifier对于一般的放大器。一

10、个问题是其增益AU 或者AI取决于两端口系统的内部特性。这就使得由于各个器件参数的差异以及温度的变化，而造成设计的困难。运算放大器就设计成使电子器件的设计对上述依赖性最小且设计尽可能容易。运算放大器就是由许多电阻、晶体管组成的集成电路器件。我们不准备讲述其内部工作原理。对运算放大器进行详尽地分析超出了本书的范围。我们将详细地学习一个例子，并给出运算放大器的两个法则用以展示其是如何应用于许多实际应用的分析。这两个法则使我们可以设计许多电路而无须深入了解运算放大器的内部特性。因此，对于不同技术领域的研究人员，当他们要构造一些简单的放大器但是又不愿意在晶体管级进行设计时，运算放大器是很有用的。在电路

11、和电子技术的文献中可以找到如何用运算放大器构造简单的滤波器。我们将对构成运算放大器的基本部件：晶体管放大器进行讨论。以上表明，如果A非常大，则电路的增益与A无关且仅由R1 和 R2. 决定。这是运算放大器的一个非常关键的特性，在信号作用下，电路动作仅取决于很容易为设计者所改变的外部元件。注意到，如果A=100,000 而 (R1+R2)/R1=10，我们为以上好处所付出的代价就是用一个增益为100，000的器件得到一个增益为10的放大器。换句话说，通过使用运算放大器，我们是用“功率”换取“控制”。UNIT 3A：Logical Variables and Flip-flop背景知识：逻辑变量就

12、是取值为“真”和“假”或者“0”和“1”的变量。逻辑变量和逻辑运算（逻辑代数）在数字线路和计算机技术中使用得很多。常用的逻辑运算有：“与运算”、“或运算”和“非运算”。逻辑运算可以使用各类逻辑器件来实现。图1-3A-1为一对交叉连接的或非门，称为触发器。它有一对输入端，S和R，分别表示“置位”和“复位”。我们不仅使用S和R来表示端子，还用其来表示端子的逻辑电平。因此，S=1，表示端子S逻辑值为1的电平。同样的，输出端子和相应的输出逻辑电平为Q and 。通过这种表示方式，我们已经明显考虑这样的事实：在通常的运算中，输出的逻辑电平是互补的。对于与非门和或非门（与门和或门也一样），当我们使用时，可

13、以任意选择一个输入端子并将其作为使能-禁止输入端。因此，考虑一个或门或者一个或非门，如果所选择的输入端为逻辑，则该门电路的输出不再受其他输入的影响。所选择的输入控制了门电路且该门电路相对其他输入来说是禁止的。反之，如果所选的输入为逻辑0，则其无控制作用，门电路对其他输入来说是可用的。对于一个与非门或者一个与门，所选的输入当取值逻辑0时起控制作用。当一个输入端子为逻辑0时门电路的输出对其他输入无响应。B：Binary Number System背景知识：二进制、八进制和十六进制是计算机技术的基础。一个数可以用多种代码来表示；例如BCD码、Gray码等。为了减少代码在传输、接受以及其他处理过程中出

14、现的错误，可以利用奇偶校验法来检查错误。基于使用正脉冲、负脉冲或者正脉冲、零或者零、负脉冲来表示1和0的基本思想，可以用这些脉冲来传递各种二进制编码。香农在1938年意识到该代数的形式和电子开关（这一类开关具有通-断两种状态）的功能的相似性。布尔代数所需的推理过程是通过开关来实现的，这些开关起着逻辑电路的作用。 十进制系统的基数为10，且从小数点每左进一位或者右退一位，其权增加或者减少10的幂次。二进制系统的基数为2，且从小数点每左进一位或者右退一位，其权增加或者减少2幂次。每个数可以用一串2电平的脉冲来记录，这些电平往往用0或者1来表示，正如图1-3B-1所示。BCD码可以无须增加位数就将表

15、示范围扩展到十进制的15。因此可以变成十六-十进制码。通常使用英文字母a，b，f表示十进制的10到5。用于计算机运算的另一种码是8进制码。这种码只使用符号0,1,2,7，且十进制数24表示为8进制的30(381+080)。8进制数的二进制编码只须BCD表中的最后3位，8进制的30的二进制编码为011000。 因为十进制数24的纯二进制形式为11000，而8进制编码形式为011 000，给了一种从二进制数转换为8进制数的启发。通过将二进制数每三个一组分组，每一组都对应一个等效的8进制编码。例如，十进制数1206的二进制数为，每三位一组则有：二进制 010 010 110 110 8进制 2 2

16、6 68进制数为：2266。 然而正如可控硅数据资料所指明的，其电流在完全等于零之前，会有一小段翻转为负值的时间。因此重要的参数不是其从负值到零的时间，而是关断时间tq，这是指从电流的过零点到可控硅两端的电压过零点的时间。图1-4A-1为二极管的线路符号。二极管正向偏置时导通，并有1伏左右的正向压降。当二极管反向偏置时，仅有很小的、可忽略的漏电流流过，除非是达到反向击穿电压。在正常工作时，反向偏置电压不应高于击穿电压。与二极管的工作电流和电压相比，在阻断（截止）状态下漏电流很小，在导通状态下电压比较小，因此二极管的电流-电压（伏安）特性可以理想化。这个理想化的特性可以用来分析换流器的拓扑性质但

17、是不能应用于实际设计，例如估计设备所需的散热器。在导通时，与功率电流的瞬态特性相比二极管可以视为理想开关。然而在关断时，二极管的电流在降至零之前有一个反向恢复时间。这可能会在电感电路中导致过电压。在许多的电路中，二极管反向电流不会影响换流器特性，因此在关断过程中仍然可以视为理想的。如果是处于正向阻断状态，只要在门极提供一个短暂的正脉冲，晶闸管就会导通。在导通状态的正向压降很小（取决于阻断电压的值，一般为13伏）。一旦器件（晶闸管）导通，门极电流即可去掉。此时晶闸管就象二极管一样导通，不能通过门极关断。只有当阳极电流在与晶闸管连接的电路的作用下开始变负时，晶闸管才会关断且流过其的电流为零。这样，

18、当晶闸管重新处于正向阻断状态（器件处于可控时间），使得门极变得可控。我们假设换流器的直流输入电源的内阻为零。 该直流电压源可能是一个电池，然而在大多数的情形是一个经二极管整流的交流电压再加上一个大的滤波电容，用以提供一个低内阻、低脉动的直流电压。在变流器的输出级，一个小的滤波器作为直流-直流变流器整体的一部分。输出通常假定供给一个负载，这负载在大多数的开关型直流电源的情形可视为一个等效电阻。直流电动机负载则可以表示为一个直流电压与一个电感和电阻串联。对于直流-直流变流器，虽然输入电压和输出负载会波动，直流输出电压必须控制在一个希望的水平。开关型的直流-直流变流器利用一个或者多个开关将直流电压从

19、一个等级转换为另一个等级。在一个给定了输入电压的直流-直流变流器中，输出的平均电压是通过控制开关的导通和关断时间来控制的。为了解释开关型变流器的概念，考虑图1-5A-1.所示的基本直流-直流变流器。输出的平均电压取决于ton 和 toff. ，一种控制方法是固定开关频率（因此固定开关时间Ts=ton+toff），同时调节开通持续时间以控制平均输出电压。这种方法称之为脉冲宽度调制（PWM），其导通比D（占空比）定义为开通时间与开关时间之比。D是可变化的。U0 可以通过改变开关的占空比ton/Ts 来控制。重要的一点是平均输出电压当放大器为线性时，U0与控制电压的关系是线性的。在实际应用时，前面的

20、电路有2个缺陷：（1）实际负载都是感性的，即使是电阻负载也会有一定量的杂散电感。这就意味着，开关必须吸收（消耗）电感能量，因此有可能会被损坏。（2）输出电压在0和之间波动Ud，在许多实际应用中是不可接受的。电感存储能量问题可以通过加二极管（如图1-5A-2中所示）。输出电压的波动可以通过使用包含电感和电容的低通滤波器来大大地降低。开关型直流-交流逆变器通常用于交流电动机拖动和不停电交流电源，这些装置的输出幅值和频率都要求是可控的。作为一个例子，考虑如图1-5B-1方框图所示的交流电动机拖动。直流电压通过对工频电压整流和滤波得到。通常是使用二极管整流电路。对于一个交流电动机负载（将在其他章节讨论

21、），其端电压要求是正弦的，其幅值和频率要求是可调的。这些都是通过如图1-5B-1所示的开关型直流-交流逆变器来实现的，这些逆变器的输入是直流电压，输出是所要求的交流电压。为了使图. 1-5B-1中的交流电动机速度慢下来，将电动机以及其负载中惯性的动能进行转换，此时交流电动机相当一个发电机。在所谓制动阶段，功率从开关型变流器的交流侧流向直流侧；此时变流器相当于一个整流器。交流电动机所转换的能量可以通过在与直流母线电容并联一个电阻来消耗。然而，在应用中，制动是经常发生的，一个更好的方法是采用再生制动，也就是将电动机负载惯性转换来的能量送回公用电网，见图1-5B-2。这就要求连接电动机和公用电网的变

22、流器是电流可逆的且可工作在两象限，其在直流电动机运行时以整流器方式工作，电动机制动时工作在逆变器方式。这种电流可逆的两象限变流器可以用两个背靠背的工频晶闸管变流器或者如图1-5B-2所示的开关型变流器来实现。使用这种开关型的整流器作为公用电网和驱动器的接口更为合适；之所以称为整流器，是因为在大多数的时间内，功率是从交流侧流向直流侧。开关型整流器的详细讨论参见其他关于电力电子设备与公用电网接口的文献。在这一节，我们将考虑对开关型逆变器的要求。为了简单起见，考虑一个单相的逆变器，如图1-5B-3所示，该逆变器的输出电压已经滤波，因此u0可以假设是正弦的。由于逆变器作为一个感性负载的电源，例如一个交

23、流电动机， 因此i0 滞后于u0。从输出波形可以看出，在区间1，i0 和 u0都是正的，在区间3，i0 和 u0都是负的。因此，在区间1和3， 瞬时功率P0 =i0 u0 i从直流端流向交流端，这对应于逆变模式。相反地，在区间2和4，u0 和i0 的符号相反，因此功率P0 从交流端流向直流端，这对应于整流模式。因此，图1-5B-3所示的开关型逆变器必须在交流输出的每一个周期内在u0 -i0 平面的四个象限都能够工作。这样一个四象限的逆变器最早是在其他的章节中介绍的，为一个全桥变流器，在那里i0 可以反向，且u0 的极性与i0 的方向独立。 因此，全桥变流器能够满足开关型逆变器的要求。然而， 所

24、有的电力电子变换装置（包括那些保护关键负载的）都会由于谐波电流注入公共电网而产生波形畸变或者电磁干扰而产生对电力线的干扰。居民和办公设备制造商都已经认识到提高功率因数的重要性。他们都可以通过提高功率因数而获得最大的电能并从中获益。前面的讨论表明，电力电子系统和负载使用量的增大对公用电网及其用户都有显著的潜在负面影响。减小这种影响的一个办法是，将由电力电子负载产生的谐波电流或者电磁干扰滤除。另一个更好的办法是在设计电力电子装置时就设法避免或减小这些谐波电流和电磁干扰的产生，尽管这种办法要略微增加初始成本。电力电子装置对电网的影响以及如何设计电力电子装置以减小这种影响都在此讨论。一类使用工频晶闸管

25、控制的交流-直流变流器作为公用电网接口。这些变流器前面已经详细地讨论过，其平均输出电压的幅值、极性是可变的，但是直流电流Id 是单向的。由于直流电压的极性是可变的，所以功率流也是可反向的。正如所指出的，这类传感器的使用趋势是在非常高功率等级的系统，例如，高压直流电压传输系统。由于功率等级非常高，这类变流器滤除谐波电流、改善功率因数的技术与那些在其他章节所讨论的工频二极管整流器是很不一样的。在方程(1-6A-1)，转移功率因数等于。 电流比等于基波电流的有效值比上总电流的有效值。功率因数表明用电设备从公用电网获取电能的效率，对于给定的电压和功率水平，功率因数低，即意味着流入设备的电流就大，因此将

26、会提高公用电网设备（例如，变压器、输电线、发电机等）的电流/电压比。居民和办公设备制造商都已经认识到提高功率因数的重要性。他们都可以通过提高功率因数而获得最大的电能并从中获益。例如，在一幢建筑中，电压是120V,，电流是15 A，只要功率因数为1，最大的功率就为1.8 kW。随着功率因数的降低，由于有最大电流不超过15A的限制，所能获得的最大电能也会随之下降。前面的论点表明，制造商和用户有责任、有愿望设计或选用高功率因数的电气设备。这将要求在方程(1-6A-1)中，转移功率因数DPF要高，并且要提高电流比，就要降低谐波电流。PART 2 Control TheoryUnit 1A：The Wo

27、rld of Control背景知识：自动控制理论是分析和设计自动控制系统的学科。自动控制理论可以大致分为“经典控制理论”和“现代控制理论”。自动控制系统可以分为：开环系统和闭环系统（反馈系统）、连续系统和离散系统、线性系统和非线性系统、时不变（定常）系统和时变系统、集中参数系统和分布参数系统、确定系统和随机系统、单变量系统和多变量系统。例如在现代飞行器中，动力助推控制系统将飞行员的力放大以推动受到很大的气流作用的机翼表面。集中参数系统是指这样一些系统，其物理特性都集中在一个或者多个集中体上，因此与空间分布无关。在效果上，物体被假设为是刚体并且质量都集中在一点上，弹簧的质量可以忽略；导线的电阻

28、为零；或者是可以得到合适的关系式使得系统的质量、电阻和温度的分布是均匀的。在许多情形，控制系统的设计是基于一些理论，而不是直觉或者试凑法。控制理论用于处理系统对命令、调节或者干扰的动态响应。控制理论的应用有两个基本的阶段：动态分析和控制系统设计。分析阶段主要考虑装置（被控对象）对命令、干扰和对象参数改变的响应。如果动态响应是满意的，则不需要第二阶段了。如果响应不满意且不能改变对象，则需要第二阶段：选择控制元件（控制器）以将性能指标改进至可接受的水平。控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两类。经典控制理论创建于第二次世界大战，其特点是使用传递函数的概念，主要在拉氏域和频率域进行分析和设计。现代

29、控制理论是随着高速数字计算机的出现而产生的，主要特点是使用状态变量的概念并强调矩阵代数和主要在时间域进行分析和设计。不难想象，每一种方法都有优点和缺点并都有支持者和反对者。连续系统与离散系统。如果系统的变量都是时间的连续函数，就称为连续变量系统或者模拟系统，其描述方程为微分方程。离散系统或者数字系统，有一到两个变量只在特殊的时刻是确定的，如图2-2A-2b所示，其描述方程为差分方程。如果时间间隔是可控的，称之为采样系统。从扫描雷达每次扫描中获得位置数据或者从轮流传输数据的通道获取信息，很自然地就得到可离散变量。很明显，当采样间隔减小时，离散变量会逼近连续变量。如图2-1A-2c所示的不连续变量

30、，主要是在“通-断”控制或者“砰-砰”控制出现，将后续章节单独处理。集中参数系统是指这样一些系统，其物理特性都集中在一个或者多个集中体上，因此与空间分布无关。 在效果上，物体被假设为是刚体并且质量都集中在一点上，弹簧的质量可以忽略；导线的电阻为零；或者是可以得到合适的关系式使得系统的质量、电阻和温度的分布是均匀的。在分布参数系统中，要考虑物理特性的连续空间分布。物体是弹性的，弹簧有分布质量，导线有分布电阻，物体中的温度各点不一。集中参数系统用常微分方程描述，而分布参数系统用偏微分方程描述。B：The Transfer Function and the Laplace Transformatio

31、n背景知识：拉氏变换和传递函数是分析线性定常连续系统的有效工具。传递函数的定义为系统在零初始条件下，其输出信号的拉氏变换与输入信号拉氏变换的比值。传递函数包含了系统结构的全部动态信息。拉氏变换是一个线性变换，文章使用了比较大的篇幅来叙述拉氏变换的基本性质。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。This combination or reduction process is termed block diagram algebra. 这一合并和化简过程称为方框图代数。The Laplace transform is an evolution fro

32、m the unilateral Fourier integral拉氏变换是单边富立叶变换的特例Since the definite integral of Eq. 2-1B-4 is improper, not all functions are Laplace transformable 由于方程2-1B-4是奇异的，所以并非所有的函数的拉氏变换都存在。-late- 词根 ，边 ，侧面，Bilateral 双边如果图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。传递函

33、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j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

34、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。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。Unit 2A：Stabilit

35、y and the Time Response背景知识：稳定性分析和（动态）时域分析是自动控制理论的两个重要部分。如果令系统的传递函数的分母为零，则得到系统的特征方程，特征方程是描述系统特性的重要工具。系统稳定的充分和必要条件是其特征方程的根全部在复平面的左半平面。判别系统的稳定的重要判据是Routh判据。一阶系统（惯性环节）和典型二阶系统的阶跃响应是自动控制理论的重要内容。 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

36、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。系统的稳定性可以用连续系统的脉冲响应或者离散系统的Kronrcker 响应来定义：一个连续（离散）系统是稳定的，如果其脉冲响应（Kronrcker 响应）当时间趋于无穷大时趋于零。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。在传递函数所在的方程(2-2A-1)中

37、，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。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。 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, ，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4T时， 瞬态解衰减至初始值的1.8%。B：Steady State背景知识：稳态误差是衡量控制系统性能的一个重要指标。有两种不同的稳态误差。一种是对

38、输入信号跟踪所产生的稳态误差，另一种是外部干扰所引起的稳态误差。增加前向通道的放大倍数或者在适当的位置增加积分环节可以减少或者消除稳态误差。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）。s. 系统的精度是衡量其是否能够跟踪指令的一个指标。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。实际系统总是容易受到不希望的输入干扰，例

39、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。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

40、定该附加的积分器必须相应增加至少一个零点。UNIT 3A：The Root Locus背景知识：根轨迹是分析控制系统动态性能的有力工具。根轨迹的定义为当系统的某个参数变化时其所有的闭环特征根在复平面上移动所描出的轨迹。学习根轨迹，最主要的是学习绘制根轨迹的几个主要准则以及利用根轨迹分析控制系统动态性能的基本方法 。 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

41、进响应的方法而且可以定性描述改进的效果。零点是使Z(s)为零的s值，用符号表示。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。sn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)为零的s值，用符号表示。由于s是一个复变量，极点和零点也可能是复数，也是一个复函数，因此有可能视为一个有幅值和相角的向量。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.所示。请注意相角是按从水平轴逆时针方向为正计算。如果实轴在两个开环极点（开环零点）之间属于根轨迹，则

42、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背景知识：频率特性（函数）是分析控制系统的有力工具，也是描述系统动态特性的数学模型。如果一个线性定常系统是稳定的，则其输入为一个正弦信号时Sint，其稳态输出也是一个正弦信号，所不同的是其幅值A()和相角（）发生了变化。输出信号的幅值和相角都是的函数。称复变函数A()ej（）为系统的频率特性函数。可以证明系统的频率特性可以通过将其传递函数G(S)中的S换成j而得到：G(j)。得到系

43、统开环的G(j)后，可以在复平面上画出从0到+变化时的G(j)曲线（称为极坐标图，又称Nyquist曲线），利用Nyquist曲线可以判断闭环系统的稳定性，称为Nyquist判据。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。许多的系统指令输入仅仅是让系统从一个稳定状态转移到另一个稳定状态。这种类型的输入可以用适当的位置、速度和加速度的阶跃来描述。但是，如果减小这些阶跃输入的间隔，系统没有足够的时间来到达下一个相应的稳态，则阶跃响应以及拉普拉斯域就显得不合适。这些快速变化的指令输入可以是周期的、随机的以及它们的组合。例如跟踪雷达天线的风力负载是由一个随时间变化的平均速度成分与迭加的随机阵

44、风组成的。如果这些输入的频率的分布是可计算、测量、甚至可估计的，则频率响应可以用来决定系统输出的效果。 根据以上方程，将正弦信号输入于一个稳定的线性系统，产生的稳态响应也是一个与输入信号具有相同频率的正弦信号，但是其相角和幅值可能会不同。这个稳态正弦响应称为系统的频 响应。由于频率响应的相角就是复函数G(j0)的角度。幅值比（c0/r0）就是的G(j0)幅值，所以G(j0)在频率域定义了稳态输入-输出关系。G(j0)成为频率传递函数，并可以通过将传递函数G(s)的拉普拉斯变量s替换为j0而得到。，反之，G(j0)可以通过实验得到，则传递函数也可以通过将j0替换为s得到。UNIT 4A：The

45、Frequency Response Methods: Bode Plots背景知识：已知系统的频率特性A() ej（），将20lg A()和（）分别画出，并且横轴取对数坐标，则得到Bode图。Bode图包含了系统的全部动态特性，从稳定性、稳态误差到瞬态响应均在Bode图中得到反映。由于Bode图具有很清晰的物理意义，工程人员也喜欢利用其来分析和设计控制系统。有一点要注意的是，通常都是用开环传递函数的Bode图来分析闭环系统的特性。系统的频率特性可以用Nyquist 图（极坐标图）或者用其幅值（比）和相角为因变量，输入信号的频率为自变量绘图。在绘图时通常幅值（比）用分贝表示，相角用度表示，输入

46、信号的频率按常用对数取值。以上这两个图称为伯德图（以H. W. Bode命名）。可以用计算机绘出精确的伯德图。在本文中将讨论用手工绘制的技巧简单而快速地绘制直线渐进线图。系统传递函数的伯德图可以用于确定各种输入（包括阶跃输入）下系统的稳态响应。因为频率响应为稳态响应，所以系统必须是稳定且其稳定性必须在绘制伯德图之前确定。伯德图和频率（特性）函数一起用来确定系统的稳定性。当该函数无零点和极点在S平面右半部时，即系统为最小相位系统，可以使用函数的四个快速地绘出伯德图。这四个量分别是：与频率无关的系数K。在原点的零点和极点个数。一阶项，即实数零点和极点个数。二阶项，即零点和极点。对于乘积：，这里，而

47、。相角表现为和的形式，幅值M如果使用分贝为单位也表现为和的形式：在伯德图中幅值M使用分贝，相角使用度，画在为横坐标的半对数纸上。以上推导表明：的幅值和相角伯德图可以分别由各个基本因子的伯德图相加而得到。这些伯德图比极坐标图要容易画，且可以方便地解释系统性能。在Bode图中，相角稳定裕量m为180加上时的频率处对应的相角值。因此，如图2-4A-2所示，相角稳定裕量m为相角曲线在穿越频率（幅值曲线穿越0 dB线处）处与-180线的距离。同样，增益裕量等于1除以相角为时对应频率的幅值。因此，,以dB来表示，为如图Fig. 2-4A-2.所示的频率处，幅值曲线与0分贝线的距离。教材中注释1的翻译：对于

48、超前环节，其Bode图同样与相应的滞后环节的Bode图成镜象。B: Nonlinear Control System背景知识：世界上所有的系统都是非线性系统。只不过是因为，有一部分非线性系统的非线性不是很严重，在一定的条件下可以用线性模型来近似。常见的非线性特性有：跳跃、饱和、死区、继电特性、磁滞回环等。对于非线性系统，最根本的一条就是：迭加原理不成立。相平面法和函数法是2种常用的分析非线性系统的方法。实际上，大多数的系统当在工作点周围有较大的变化时，都是非线性的。线性化的是基于这样的假设：变化足够的小。但是这种条件通常得不到满足，例如当系统包含继电器时，即使是很小的变化，也会引起较大的变化。

49、起动和停止时通常也要考虑非线性的影响，因为相对系统的动态特性，系统的非线性是不能忽略的。迭加原理不适用于非线性系统。这一点的后果是严重的。事实上，至今为止所讨论的分析和设计技术包括传递函数和拉氏变换已经不适用了。更糟糕的是，并没有一般的方法能够取代它们。有那么几种方法，但是各自存在限定的目的和范围。我们将介绍比较熟知的相平面法和描述函数法。（非线性系统）响应的特性取决于输入或者初始条件。例如，当阶跃输入的的幅度增大一倍时，非线性系统可能会从稳定变得不稳定；反之亦然。（非线性系统）的不稳定性通常表现为极限环的形式。其振荡以固定的幅值和频率在反馈环中维持即使系统的输入为零。对于不稳定的线性系统其瞬

50、态过程的幅值在理论上会趋于无穷大，但是非线性特性会限制其增长。跳跃现象如图Fig.2-4B-1所示，该图解释了输出幅值与输入频率之间的关系。如果输入的频率从一个比较高的数值减小，响应的幅值会突然垂直的相切点C下降到点D。Unit 5A: Introduction to Modern Control Theory背景知识：现代控制理论（以状态方程和状态空间为标志）出现在上个世纪60年代末，70年代初。开始时主要是应用在航天领域。经典控制理论主要是使用描述系统输入、输出关系的模型（传递函数、频率特性），而现代控制理论则是使用描述系统内部特性的变量（状态变量）。由于采用时域模型，现代控制理论特别适合

51、于使用计算机，而计算机的广泛应用为现代控制理论的发展提供了动力。随着社会技术的进步，人们总是选择更高的目标。这就意味着要处理复杂的具有更多相互作用的部件的系统。由于需要更高的精度和效率控制系统的性能指标已经发生变化。经典的指标如超调量、调节时间、带宽等已经让位于最优化指标如最小能量、最小成本已经最小时间等。即使系统是线性定常的，最优控制理论通常给出非线性时变控制律。状态的概念在现代控制理论中占据中心位置。然而其也出现在其他技术和非技术领域。在热力学中状态方程的概念被突出地使用。二进制序列网络通常使用状态的术语进行分析。在日常生活中每月的也使用财政（财务）状况。美国总统的国情咨文也是一个熟悉的例

52、子。在上述所有的例子中，“状态”的概念是基本相同的。“状态”完全就是系统在某个特殊时刻的“状况”的一个总结。状态在某个时刻t0的值再加上t0时刻的输入的知识可以确定以后时刻t1的状态。就t1时刻的状态而言，它与初始状态是如何实现的无关。因此，t0时刻的状态就构成了t0以前行为的历史，这个历史状态在一定程度上影响系统未来的行为。当前状态就将过去与未来作了一个截然的划分。在任何一个固定的时刻，系统的状态可以用变量集合的值xi来描述，称为状态变量。热力学系统的一个状态变量是温度，其值是在一个实数连续区间R变化。对于一个二进制网络状态变量可以仅仅有两个离散的值，0和1。你在月底帐目的平衡的状态可以用一

53、个数来表示。国情咨文中的状态可以用国民生产总值、失业率、贸易赤字等来表示。对于本文所考虑的系统，状态变量可以用任何一个标量值（实数或复数）来表示。即。虽然有的系统需要用无穷多个状态变量来表示，但是在这里我们仅仅考虑有限个数目状态变量的系统。因此，状态可以表示为n个分量的状态向量。状态向量属于某个域C上的状态空间。对于连续时间系统，状态可以定义某个区间上的所有时间。例如，连续变化的温度或者电压。离散时间系统的状态只定义在离散时刻。例如，每月财务状况或者年度国情咨文。连续时间系统和离散时间系统可以通过定义时间域T来统一讨论。对于连续时间系统，T由的所有实数构成。对于离散时间系统，T由离散时刻集合构

54、成。在任何一种情形，有时，初始时刻可以为，最终时刻可以是。.状态向量x(t)仅仅是在上有定义。对于任意给定的t ，x(t)仅仅是一个有序的n个数的集合。然而系统的特性可以随时间变化，会引起系统状态变量个数（不是变量的值）的变化。如果状态空间的维数发生变化需要使用符号。这里假设这里表示，对于系统的维数都是n维。B: State equations背景知识：状态方程是现代控制理论的一个基本概念。可以通过对系统的机理分析得到状态方程，也可以通过适当地选择状态变量从一个高阶的微分方程等价地得到状态方程。我们都知道，状态变量的选择不是惟一的。状态空间模型的推导与传递函数的推导没有什么不同，总是先将描述系

55、统特性微分方程写出来。在传递函数模型中，这些方程经过（拉氏）变换，并消去中间变量，以求得所选定的输入输出变量间的关系。对于状态模型，所不同的是，将方程整理成为一阶微分方程组，其变量为选定的状态变量。而且输出变量同样也表示成为状态变量。由于所消去的变量并非过程本质部分，状态模型更容易得到。给出两个例子作为解释并将状态模型与所用过的传递函数模型相联系。状态变量的选择不是惟一的。有多组状态变量可以选择。通常最好是选择有物理意义的变量，如果有可能，最好是可以测量的。对于一个系统，所能得到的信息的形式通常决定了所使用的方法。例如，在一些例子中，传递函数是通过实验得到的，而且必须是建模的开始。因为状态模型

56、描述了系统的动态特性，首先要确定的是系统的稳定性。为了推导稳定性判据首先确定状态模型的传递函数矩阵来考虑传递函数概念的推广。这需要状态模型方程的拉氏变换。一个向量的拉氏变换等于其每个元素的拉氏变换。因此和 的拉氏变换如下：Part 3 Computer Control TechnologyUnit 1A: Fundamentals of Computer and Networks背景知识：计算机已经是现代社会日常生活所离不开的物品。一个计算机至少包含：中央处理单元（CPU）、输入设备、输出设备和操作系统这几个部分。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

57、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。 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

58、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。Unit 2 A: The Application of Computer背景知识：在现代社会中计算机的应用可以说是无处不在。从早期的科学计算，到现在的管理信息系统、自动控制、计算机仿真、计算机辅助设计、图象处理、互连网。可以这么说，只要有信息处理的地方，就会有计算机。如果要问计算机不能做什么？可能反而不好回答。不过我校的图书馆里，刚好有这么一本书就叫“