2022年自动化专业英语教程-王宏文-全文全套翻译版 .pdf

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1、1 UNIT 1A 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

2、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

3、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-

4、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。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

5、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

6、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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

7、- - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 2 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

8、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

9、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。这两个下标字母表示电压的两个端点，字母顺序表示

10、在正半周时电压的相对极性。例如，符号表示点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 ，那么 在用于同一相量图中时就应该画得同相反，即相位差为180Y 形联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，线电压等于 A接线端相对于中性线间的电压( )减去 B接线端相对于中性线间的电压() 。为了从中减，必需将反相，并把此相量加到上。相量和

11、 幅值相等，相位相差 60，如图 1-1B-2c 所示。由图形可以看出通过几何学可以证明等于 1.73 乘以 或（ 。图形结构如相量图所示。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 ) 必定等于与其相连接的相电流。在 Y 形联接中 IL=IP 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

12、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

13、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。直流电压可以名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

14、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 3 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。图 1-4B-2 给出了一种三相桥式电压源型逆变器的常见电路。斩波器斩波器将直流电源转换成另一个具有不同终端参

15、数的直流电源。它们被广泛用于开关式电源和直流电机启动。其中一些斩波器，尤其是电源中的斩波器，有一个隔离变压器。斩波器经常在不同电压的直流系统中用作连接器。降压和升压斩波器是两种基本的斩波器结构。分别称作Buck 斩波器和 Boost 斩波器。但是，要清楚降压斩波器也是升流斩波器，反之亦然，因为输入功率一定等于输出功率。降- 升压斩波器既可降压也可升压。所有这些斩波器在电路结构上可有一、二、四象限的变化。图 1-4B-3 给出了降压斩波器的电路结构，它是一种电压降、电流升斩波器。双位开关由电路开关S和二极管组成。开关 S以 1/Ts 的频率通断，导通时间为。电压波形如图1-4B-4 所示。 因此

16、平均输出电压为平均电流为 D为占空比，变化范围是01。Is 为直流电源输出的平均电流。周波变换器周波变换器是一种变频器，它将频率固定的交流电转换成不同频率的交流电，具有一步变换过程。相控晶闸管变换器很容易被扩展为周波变换器。自控式交流开关，通常由 IGBT 组成，很容易被用作高频链接周波变换器。晶闸管相控周波变换器被广泛用于大功率工业应用。图1-4B-5给出了周波变换器的框图。对驱动交流电机的工业用周波变换器而言，输入的50/60 赫兹交流电在输出侧被转换成可变频、变压的交流电来驱动电机。输出频率可从零（整流器工作）到一个上限值之间变化，上限值总是低于输入频率（降频周波变换器），功率流可以是可

17、逆的用于四象限电机速度控制。在变速恒频系统中，输入功率由与可调速涡轮机连接的同步发电机提供。如果同步发电机励磁可调，则同步发电机电压可调，但输出频率总是正比于涡轮机速度。周波变换器的作用是调解输出频率恒定（通常60 或 400 赫兹）。图 1-4B-5 给出了变频转换框图。图1-4B-5a 一般用于先将输入交流整流，然后通过逆变器转换成可变频交流。图1-4B-5b，输入交流先通过升频周波变换器转换成高频交流，再由降频周波变换器转换成可变频交流。A 控制的世界控制一词的含义一般是调节、指导或者命令。控制系统大量存在于我们周围。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

18、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飞行员的力量放大，从而克服巨大的空气阻力推动飞行控制翼面。飞行员的反应速度太慢，如果不附加阻尼偏航系统，飞行员就无法通过轻微阻尼的侧倾转向方式来驾驶飞机。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中解脱出来。没有了这些常规操作，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种理论，而不是靠直觉或试凑法。控制系统能够用来处理系统对命令、调节或扰动的动态响应。控制理论的应用基本

19、上有两个方面：动态响应分析和控制系统设计。系统分析关注的是命令、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要的，就不需要第二步了。如果系统不能满足要求，而且不能改变被控对象，就需要进行系统设计，来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来的。它以状态变量的概念为特征，重点在于矩阵代数，分析和设计主要在时域。每种方法都有其优点和缺点，也各有其倡导者和反对者。与现代控制理论相比，经典方法具有指导性的优点，它把

20、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，但它的解名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 4 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：连续和离散系统：所有变量都是时间的连续函数的系统称

21、做连续变量或模拟系统，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，离散变量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 -乓控制系统中。这将分别在后续的章节中讨论。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

22、静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。集中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一块或多块，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；弹簧是没有质量的，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；温度在各部分是一致的，等等。在分布参数系统中，要考虑到物理特性的连续空间分布。物体是有弹性的，弹簧是有分布质量的，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：一个系统或变量，如果其未来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

23、量就是确定的。否则，系统或变量就是随机的。对随机系统或有随机输入的确定系统的分析是基于概率论基础上的。Unit 2 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)(ty或者离散系统的Kronrcker 响应)(ky来定义：一个连续（离散）系统是稳定

24、的，如果其脉冲响应)(ty（Kronrcker 响应)(ky）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，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

25、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 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

26、 - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 5 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

27、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。如果要保持系统稳定该附加的积分器必须相应增加至少一个零点。A：The Root Locus 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

28、可接受，根轨迹还可以指出可能改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，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

29、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。UNIT 4 A 单片机基础单片机是本世纪两大引起争论的重大发明创新即数字计算机与集成电路发展的顶点。单片机有这样两种结构类型。一些使用了哈佛结构的分离的程序/ 数据存储器，另一些被通用计算机和微处理器广泛采用的是普林斯顿结构，遵循在程序存储器与数据存储器之间没有逻辑区别的原理。概括地讲，单片机的特征是将计算机的所有部件都合并到一个单一的装置上。只读存储器（ ROM ）: ROM 通常用于永久的、不易变的应用程序的存储。许

30、多微计算机和微控制器要有大量应用场合，因此这些设备的生产要求在制造过程中，程序存储器中的内容要保证长久不变。显然，由于在生产后不能产生变化，因此这意味着要有一个ROM 代码开发的严格的方法。这一开发过程不仅包括利用其硬件仿真能力的复杂开发系统的仿真，还包括强大的软件工具的应用。一些生产商提供了包括带用户可编程存储器范围内设备的附加ROM 可选项。其中最简单的设备是在微处理器模式下运算，把一些输入/ 输出线用作地址和数据总线来访问外部存储器。虽然带有限定I/O 和改进的外部电路，但这种类型的设备能够像单片机派生的功能那样工作。这些无 ROM 设备的应用在生产电路中通常是偶数，其容量不能调整、定制

31、的单片 ROM 的开发成本；但与传统的基于电路的微处理器相比，在I/O 和其他芯片上仍有很大的节省。 ROM 设备的更精确的替代可通过不同形式的带有背页式EPROM（可擦写编程 ROM ）插座或由 EPROM 取代 ROM 的设备而获得。这些设备本质上比相等的ROM 设备要昂贵，但确实提供了完全等效的电路。带EPROM 的设备时少量的应用场合具很大诱惑，它们可提供单片设备的优点，单片I/O ，等等，以及灵活的用户编程的方便性。读/ 写存储器（ RAM ）:RAM是用于程序执行过程中对对工作变量和数据的存储。存储器的大小随设备的类型而变，但它与处理器有相同的特征宽度（4，8，16 位等）。特殊功

32、能寄存器，例如栈指针或定时寄存器通常合并到RAM区。在哈佛类型的微计算机中，RAM 和寄存器常常没有实际分离，因此在一个微处理器系统情况下，没有必要把RAM 和处理器寄存器区分开。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 6 中央处理单元（ CPU ）:CPU更象任何一种微处理器。微计算机和微控制器的许多应用包括BCD码的处理（例如，数据显示），因此，普遍发现CPU 能很好地处理这一类型的数据。由于许多控制器的应用包括开或

33、关单个输出线或读取单个线，因此对测试、设定和复位存储器或I/O 的独立的位，它们通常也是很好的设备。这些线很容易与双套设备来接口，例如：开关，恒温器，固态继电器，阀，电动机，等等。并行输入 / 输出: 具有终端设备的串行通信通用的方法是用少量的线进行连接。这种通信业可开发用于连接特殊功能的芯片或将几个微计算机连在一起。公用异步和同步通信系统要求协议能提供成帧（开始和停止）信息。这可由硬件设施或 U(S)ART （通用（同步）异步接收 / 发送器）来使处理器从低电平、占时、细目中解脱出来。仅需选择一个波特率和其他可能的选项（停止位的数目，奇偶检验，等等）以及装载（或读取）串行发送器（或接收器）的

34、缓冲区。相应格式的串行化再由硬件电路来完成。定时器/ 计数器设备 : 单片机的许多应用技术要求有精确估计所经过的时间。这可经仔细评定程序每一分支的执行时间来确定，但这很快会变为全部无效，除了最简单的程序。较合人意的方法是，用定时电路来精确独立计算精确的时间增量，经过一段预定时间后，产生一个中断。这种类型的定时器通常被安排去预载所要求的计数值。然后，定时器减小这一数值， 当计数器减小为 0 时，产生一中断或设置一个标志。 较好的定时器有自动再加载初始计数值的能力。这使程序员从再加载计数器和存取定时器再启动前所经过的时间的责任中解脱出来。如果需要连续精确的定时中断，否则，这是必要的（例如，在一个时

35、钟内）。有时与定时器相关的是事件计数器。这一设备通常有一特殊输入针，它可直接驱动计数器。定时元件 : 大多数微计算机的时钟电路只需要简单的定时元件。若要达到最大性能，必须用一个晶体来保证达到最大时钟频率，而不是超过。许多时钟电路也把电阻和电容用作低成本定时元件或由外部源来驱动。如果微计算机的外部需要同步的话，这后一种方案是很有用的。PART 4 Process Control A 过程控制系统此部分的主要目的是满足读者对自动过程控制的需要和激励读者来学习。自动过程控制与持续过程变量、温度、压力、流量、成分和期望操作值一类的量有关。正如我们在后续的章节中所看到的，过程本身是动态的。变化不断发生，

36、并且如果激励未加入，重要的过程变量与安全有关的变量、产品质量和生产率将不能获得期望值。为了强化概念，让我们来考虑一个过程流通过浓缩流加热的热变换器，其过程框图如图4-1A-1 此单元的目的是把一过程流从某一入口温度Ti(t)加热到某一期望出口温度T(t) 。如前所述，热介质是浓只要对周围环境没有热损失，过程流所获得的能量等同于浓缩流释放的热量。也就是说，热变换器和管子均绝缘。在这种情况下，释放的热量就是浓缩流浓缩的潜热。在此过程中，有许多变量可变化，从而造成出口温度偏离期望值。如果发生此情况，激励必须加入以更正此偏差。也就是说，激励将控制出口温度以维持其期望值。完成此目的的一种方法是首先测量温

37、度T(t) ，然后与期望值比较，基于此比较值，确定以什么来更正偏差。浓缩流的流量可用于更正偏差。也就是说，如果温度高于期望值，那么到热变换器的浓缩流的流量（能量）可调节减少。如果温度低于期望值，那么到热变换器的浓缩流的流量（能量）可调节增加。所有这些均可由操作者人工完成，并且如果过程简单明了，这将不成问题。然而，在大多数过程控制工厂中，均有数百个变量必须保持期望值，那么更正过程将需要大量的操作人员。因此，我们希望自动的完成此控制。这就是说，我们需要一些不用操作人员介入就可控制这些变量的设备。这就是我们所说的自动过程控制。为完成此目的，必须设计和实现控制系统。一种可能的控制系统和其基本元件如图4

38、-1A-2 所示。首先是测量过程流的出口温度，完成此任务的是传感器 （热电偶、 阻抗温度仪、 *系统温度计、 电热调节器等） 。传感器会与热敏电偶相连，热敏电偶从传感器采一输出点，并把其转换为足够强的信号传递给一控制器。控制器接受与温度相关的信号，并与期望值相比较。依赖于此比较值，控制器可确定怎样保持温度在期望值。基于此决定，控制器给终端控制元件传送另一信号，其反过来操作流量。如上所述，在每一个控制系统中这三个基本操作：M 、D和 A都会存在。在某些系统中，决定-执行操作相当简单，而在另一些系统中操作很复杂。工程人员设计控制系统时必须确保采取的措施要影响控制变量，也就是说，采取的措施要影响测量

39、值。否则，系统是不可控的且有可能弊大于利。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 7 A P 控制器和 PI 控制器为了维持参考点，反馈控制器做出决定的方法是通过在被控量与参考点差别的基础上，计算输出。在本单元中，我们将通过描述其操作的公式着眼于最普通的控制器。比例控制器 (P) 除了在这里不考虑的开 -断控制器，比例控制器是最简单的控制器，描述其操作的方程式如下：偏差值， psig 或 mA ，此值的意义在于它是误差为

40、零时的输出，在中比例的刻度控制器中，此值通常被设定为9 psig 或12 mA。因为输入与输出范围是相同的（3?15 psig 或 4?20mA ），输入信号和输出信号以及参考点有时候也可用分数或百分数来表示。可以有趣的看到等式（ 4-3A-1）描述的是一个反作用控制器。如果控制器变量 c(t)，超过参考点 r(t)，误差变负，并且等式表明控制器的输出 m(t) ，下降。在数学上显示正作用控制器的一般方法是使控制器的增益Kc为负。然而，必须牢记，在工业控制器中没有负增益，只有正增益。反/ 正开关可以做到这一点。当做正作用控制器的控制系统的数学分析时，负增益Kc被使用。等式（4-3A-1 ）和等

41、式（ 4-3A-2 ）表明控制器的输出正比于参考点和被控量间的误差。比例由控制器的增益 Kc 给出。此增益或控制器的灵敏度决定对于给定的误差变化，控制器输出的变化程度。如图4-3A-1 所示。纯比例控制器的优点是只需整定一个参数Kc，然而，它有一个很大的缺点，就是用偏移量或“稳态误差”来操作被控量。为用图表表明此偏移量，考虑如图4-2B-2 所示的液面控制回路，假设设计条件为和，再假设为了使出口阀超过150gpm ，作用其上的空气压力为9 psig 。如果入口流量增加，纯比例控制器的系统的响应如图4-3A-2 所示。控制器使被控量回到稳定值，但此值不是期望参考点。被控量的参考点和稳定值间的差别

42、就是偏差。图4-3A-2 显示了对应于两个不同整定参数 Kc 的两条响应曲线，数据表明Kc值越大，偏差越小，但过程响应越振荡。然而，对于大多数过程，Kc 有最大值，超过此最大值，过程将不稳定。增益最大值的计算我们称之为极限增益Kcu。定义如下的两个偏差量：那么用拉普拉斯变换得到如下的传递函数：简单的说，纯比例控制器是仅有一个整定参数的最简单Kc或 PB的控制器。此控制器的缺点是在控制器变量中用偏差操作。在象调压槽似的一些过程中，可能不会有严重的后果。在过程被控制在参考点上下范围内的情况下，纯比例控制器就足够了。然而，在过程必须控制在参考点的情况下，纯比例控制器就不能提供满意的控制。比例- 积分

43、控制器 (PI) 大多数的过程不能用偏差控制，也就是说，它们必须被控制在参考点，在这些情况下，纯比例控制器中必须加入额外的信息以消除偏差，新的信息或新型控制是积分或复位作用，因此，控制器成为比例-积分控制器（ PI）。等式描述如下：式中积分或复位时间，分钟 / 次因此，PI 控制器有两个参数Kc和，这两个参数必须被调整以获得满意的控制。为了理解复位时间的物理意义，考虑如图4-3A-3 所示的假设的例子。是控制器重复比例作用的时间，因此单位是分钟/ 次 值越小，响应曲线越陡，这就意味着控制器响应越快。解释这一点的另一种方法是查看等式（4-3A-6 ），值越小，积分前的项越大，因此，积分或复位作用

44、的权越大。从式中，我们注意到只要误差项存在，控制器就会不断改变其输出，从而通过对误差积分来消除误差。记住，积分也意味着求和。为得到PI 控制器的传递函数，式（ 4-3A-6）描述如下：利用式（ 4-3A-3 ）和（4-3A-4 ）给出的偏差的相同的定义，采用拉普拉斯变换，重新排列得到：总之，比例 -积分控制器有两个参数：增益或比例带，复位时间或复位速率。此类控制器的优点是积分或复位作用消除偏差。B PID控制器和其它控制器比例- 积分- 微分控制器 (PID) 有时候另一种控制加在了PI 控制器上，这种新的控制是微分作用，也称为比率作用或超前。它的目的是预料过程率先查看误差变化的时间速率，即微

45、分。描述等式如下：式中微分或比率，时间单位为分钟因此，PID 控制器有三个参数Kc 或 PB, 或和，必须整定这三个参数来达到满意的控制。注意：只有一个微分整定参数，对于生产者，它有相同的单位：分钟。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 8 如上所述，微分作用是通过误差求导，使控制器具有预料过程变化，也就是说，“预测未来”的能力。“预料”的程度由整定值决定。考虑如图 4-2B-1 所示的热交换器，并利用它通过“预料过程

46、变化的地方”来阐明其意思。假设入口过程温度下降了一些，出口温度会如图4-3B-1 所示的那样相应的下降。在时间ta ，误差量是正值且可能很小，因此，由PI 提供的控制修正量很小。然而，误差的微分、误差曲线的斜度是大的和正的，使得微分提供的控制修正量很大。通过查看误差微分，控制器就可知被控量率先相当快的远离参考点。因此可利用这个事实来帮助控制。在时间tb 误差依然是正的且必以前更大，由比例积分提供的控制更正量的大小也比以前的大，且仍然加到控制器的输出来更大的打开蒸汽阀门，然而，在这个时刻的是误差微分是负的，表明误差正在减小，也就是说，被控量开始下降到参考点。再次利用这个事实可知，自从误差开始下降

47、后，微分的作用开始从其他两种形式中下降，通过这一点，过程将花费较长的时间返回到参考点，然而，在参考点上下的超调和振荡下降。 PID控制器应用于长时间常数的系统中，典型的例子是温度浓缩回路，短时间常数（小电容）的过程很快且易受噪声干扰。此过程的典型例子是流量回路和控制液体流压力的回路。考虑如图4-3B-2 所示的流量记录，由于快速变换的噪声的微分数值很大，因此微分形式的应用仅仅造成了噪声的放大。长时间常数的过程（大电容）通常是衰减的，因此不易受噪声的干扰。然而，注意：你可能有一个长时间常数的过程，例如带有噪声热敏电阻的温度回路，在这种情况下，应用PID 控制器前必须安装热敏电阻。式（4-3B-1

48、 ）整理后得到“理想” PID 控制器的传递函数如下：利用式（ 4-3A-3）和式（ 4-3A-4）给出的微分变量的相同的定义，采用拉普拉斯变换，整理得到：传递函数被称为“理想的”是因为在实际中此微分计算不可能获得的。用超前/ 滞后近似微分得到“实际的”传递函数为：典型值范围是 0.05 到 0.1 。总之，PID 控制器有三个整定参数：增益或比例带、复位时间或复位速率和速率时间。额定时间或微分时间总以分钟为单位。 PID 控制器适用于不易受噪声干扰的具有长时间常数的环路系统。微分形式的优点是可以提供“查看过程快速变化的地方”的能力。比例- 微分控制器 (PD) 此类控制器用于纯比例控制器被应

49、用但一定程度的“预料”被需要的过程中。描述公式如下： PD控制器的缺点是用被控量偏差来操作，只有积分作用能够消除偏差。然而，在相同的回路中，PD控制器能够获得比纯比例控制器更高的增益，从而可造成更小的偏差。数字控制器和其它说明如前所述，式（ 4-3B-2）是工业模拟控制器的传递函数，然而，数字控制器是式（4-3B-1 ）的离散形式。整定数字控制器的方法与整定模拟控制器的方法差别不大。在结束这节之前，有必要再对控制器作一些说明。 式 （4-3B-1）表明在任何时候，增益都是变化的，这将影响积分和微分作用，因为和必须变换以适应 Kc的变换。所有的模拟控制器都是这种类型，有时候其被指定为“相互作用控

50、制器”。大部分基于微处理器的控制器也是这种类型。然而也有一些控制器用一个术语KI 来替代 ，用 KD替代以避免这个问题，这就意味着三个整定参数是 Kc 、 KI 和 KD 。最后的说明是有关微分作用的内容。改变控制器参考点的典型方法是通过如图4-3B-3a 所示的变化而引出的方法。当此种情况发生时，误差中引入节约变化。因为控制器采用的是误差微分，所以此微分在控制器输出中会产生一突然变化，如图4-3B-3c 所示。控制器输出中的变化是不必要的，并且可能对过程操作有害。建议解决此类问题的途径是用被控量微分的负数替代误差微分，当参考点恒定时，两个微分相同，如下所示：当引入参考点变化的时候，“新”的微