弃我去者, 弃我去者,昨日之日不可留 乱我心者, 乱我心者,今日之日多烦忧
PART 1 Electrical and Electronic Engineering Basics UNIT 1 A Electrical Networks B Three-phase Circuits UNIT 2 A The Operational Amplifier ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5 B Transistors UNIT 3 A Logical Variables and Flip-flop ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3
B Binary Number System UNIT 4 A Power Semiconductor Devices ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 11 B Power Electronic Converters UNIT 5 A Types of DC Motors ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?15 B Closed-loop Control of DC Drivers UNIT 6 A AC Machines ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?19 B Induction Motor Drive UNIT 7 A Electric Power System ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?22 B Power System Automation PART 2 Control Theory UNIT 1 A The World of Control ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?27 B The Transfer Function and the Laplace Transformation UNIT 2 A B ? ? ? ? ?29 Stability and the Time Response ? ? ? ? ? ? ? ? ? 30 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 32
Steady State? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 31
UNIT 3 A The Root Locus
B The Frequency Response Methods: Nyquist Diagrams ? ? ? ? ? 33 UNIT 4 A The Frequency Response Methods: Bode Piots ? ? ? ? ? 34 B Nonlinear Control System 37 UNIT 5 A Introduction to Modern Control Theory B UNIT 6 State Equations 40 38
A Controllability, Observability, and Stability B Optimum Control Systems
UNIT 7
A Conventional and Intelligent Control B Artificial Neural Network
PART 3 UNIT 1
Computer Control Technology A Computer Structure and Function
1
42
B UNIT 2
Fundamentals of Computer and Networks
43 44
A Interfaces to External Signals and Devices B The Applications of Computers 46
UNIT 3
A PLC Overview B PACs for Industrial Control, the Future of Control
UNIT 4
A Fundamentals of Single-chip Microcomputer B Understanding DSP and Its Uses
49
UNIT 5
A A First Look at Embedded Systems B Embedded Systems Design
PART 4 UNIT 1
Process Control A A Process Control System 50 B Fundamentals of Process Control 53 52
UNIT 2
A Sensors and Transmitters B
Final Control Elements and Controllers
UNIT 3
A P Controllers and PI Controllers B PID Controllers and Other Controllers
UNIT 4
A Indicating Instruments B Control Panels
PART 5 UNIT 1
Control Based on Network and Information A Automation Networking Application Areas B Evolution of Control System Architecture
UNIT 2
A Fundamental Issues in Networked Control Systems B Stability of NCSs with Network-induced Delay
UNIT 3
A Fundamentals of the Database System B Virtual Manufacturing?A Growing Trend in Automation
UNIT 4
A Concepts of Computer Integrated Manufacturing B Enterprise Resources Planning and Beyond
PART 6 UNIT 1
Synthetic Applications of Automatic Technology A Recent Advances and Future Trends in Electrical Machine Drivers B System Evolution in Intelligent Buildings
UNIT 2
A Industrial Robot B A General Introduction to Pattern Recognition
UNIT 3
A Renewable Energy B Electric Vehicles
2
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。
3
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
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。连接三相发电机线圈有两种方法,一般来说,把任何类型的装置连接 到三相电路也存在两种方法。它们是星(Y)形联接和角(D)形联接。大多数发电 机是星(Y)形联接,但负载可以是星(Y)形联接或角(D)形联接。 星(Y)形联 接发电机的电压关系 图 1-1B-2a 表示发电机的三个线圈或相绕组。这些绕组在电 枢表面上是按它们产生的电动势在时间相位上相差 120°分布的。每一个线圈的两 端均标有字母 S 和 F (起始和终结)。图 1-1B-2a 中,所有标有 S 的线圈端连接到一 个公共点 N,三个标有 F 的线圈端被引出到接线端 A、B 和 C ,形成三相三线电源。 这种联接形式被称为 Y 形联接。 中性联接经常被引出接到接线板上, 如图 1-1B-2a 的 虚线所示,形成三相四线系统。交流发电机每相产生的电压被称为相电压(符号为 Ep)。如果中性联接从发电机中引出,那么从任一个接线端 A、 B 或 C 到中性联接 N 间的电压为相电压。三个接线端 A、 B 或 C 中任意两个间的电压被称为线到线的 电压,或简称线电压(符号为 EL)。三相系统的三相电压依次出现的顺序被称为相 序或电压的相位旋转。这由发电机的旋转方向决定,但可以通过交换发电机外的三 条线路导线中的任意两条(不是一条线路导线和中性线)来改变相序。将三相绕组排 列成如图 1-1B-2b 所示的 Y 形有助于 Y 形联接电路图的绘制。注意,图 1-1B-2b 所
4
示的电路与图 1-1B-2a 所示的电路完全一样,在每一种情况下,连接到中性点的每 一个线圈的 S 端和 F 端都被引出到接线板。在画出所有的接线点都标注了字母的电 路图后,绘制的相量图如图 1-1B-2c 所示。相量图可显示相隔 120° 的三相电 压 号 请注意在图 1-1B-2 中每一个相量用带有两个下标的字母表示。 这两个下标字 表示点 A 和 N 间的电压,在其正半周,A 点相对于 N 点为正。在所示的相量 母表示电压的两个端点,字母顺序表示在正半周时电压的相对极性。例如,符 图中,已假定在正半周时发电机接线端相对于中性线为正。因为电压每半周反一次 相,所以我们也可规定在电压的正半周 A 点相对于 N 点为负,但对每一相的规定要 一样。要注意到,如果是在电压的正半周定义 A 点相对于 N 的极性( 么 在用于同一相量图中时就应该画得同 ) ,那 相反, 即相位差为 180°Y 形联 )减去 B 接线端相对于中 反相,并把此相量加 或() 。图形结
接发电机的任意两个接线端间的电压等于这两个接线端相对于中性线间的电位差。 例如, 线电压 性线间的电压( 到 上。相量 等于 A 接线端相对于中性线间的电压( )。为了从 和 中减去 ,必需将
幅值相等,相位相差 60°,如图 1-1B-2c 所示。由 等于
  1.73 乘以 ()
图形可以看出通过几何学可以证明
构如相量图所示。因此,在对称 Y 形联接中星(Y)形联接发电机的电流关系 从发 电机接线端 A、 B 和 C (图 1-1B-
  2)流到线路导线的电流必定从中性点 N 中流出, 并流过发电机线圈。 因此流过每一条线路导线的电流( 电流( )。在 Y 形联接中 IL=IP UNIT2 运算放大器 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。 )必定等于与其相连接的相
5
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
 

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