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自动化专业英语教程_王宏文_全文全套翻译版.doc

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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。

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180°Y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( )。为了从中减去,必需将反相,并把此相量加到上。相量和幅值相等,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 UNIT2

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。

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符号U +、U -和Uo 表示。每一个电压均指的是相对于接零管脚的电位。运算放大器是差分装置。差分的意思是:相对于接零管脚的输出电压可由下式表示 (1-2A-1)式中 A 是运算放大器的增益,U + 和 U - 是输入电压。换句话说,输出电压是A乘以两输入间的电位差。

集成电路技术使得在非常小的一块半导体材料的复合“芯片”上可以安装许多放大器电路。运算放大器成功的一个关键就是许多晶体管放大器“串联”以产生非常大的整体增益。也就是说,等式(1-2A-1)中的数A约为100,000或更多 (例如,五个晶体管放大器串联,每一个的增益为10,那么将会得到此数值的A )。第二个重要因素是这些电路是按照流入每一个输入的电流都很小这样的原则来设计制作的。第三个重要的设计特点就是运算放大器的输出阻抗(Ro )非常小。也就是说运算放大器的输出是一个理想的电压源。

我们现在利用这些特性就可以分析图1-2A-2所示的特殊放大器电路了。首先,注意到在正极输入的电压U +等于电源电压,即U + =Us。各个电流定义如图1-2A-2中的b图所示。对图1-2A-2b的外回路应用基尔霍夫定律,注意输出电压Uo 指的是它与接零管脚之间的电位,我们就可得到因为运算放大器是按照没有电流流入正输入端和负输入端的原则制作的,即I - =0。那么对负输入端利用基尔霍夫定律可得 I1 = I2,利用等式(1-2A-2) ,并设 I1 =I2 =I ,U0 = (R1 +R2 ) I (1-2A-3)根据电流参考方向和接零管脚电位为零伏特的事实,利用欧姆定律,可得负极输入电压U - :因此 U - =IR1 ,并由式 (1-2A-3)可得:因为现在已有了U+ 和U-的表达式,所以式(1-2A-1)可用于计算输出电压,综合上述等

式,可得:最后可得:这是电路的增益系数。如果A 是一个非常大的数,大到足够使AR1 >> (R1 +R2),那么分式的分母主要由AR1 项决定,存在于分子和分母的系数A 就可对消,增益可用下式表示这表明 (1-2A-5b),如果A 非常大,那么电路的增益与A 的精确值无关并能够通过R1和R2的选择来控制。这是运算放大器设计的重要特征之一——在信号作用下,电路的动作仅取决于能够容易被设计者改变的外部元件,而不取决于运算放大器本身的细节特性。注意,如果A=100,000,而(R1 +R2) /R1=10,那么为此优点而付出的代价是用一个具有100,000倍电压增益的器件产生一个具有10倍增益的放大器。从某种意义上说,使用运算放大器是以“能量”为代价来换取“控制” 。

对各种运算放大器电路都可作类似的数学分析,但是这比较麻烦,并且存在一些非常有用的捷径,其涉及目前我们提出的运算放大器两个定律应用。

1) 第一个定律指出:在一般运算放大器电路中,可以假设输入端间的电压为零,也就是说,

2) 第二个定律指出:在一般运算放大器电路中,两个输入电流可被假定为零:I+=I-=0

第一个定律是因为内在增益A的值很大。例,如果运算放大器的输出是1V ,并且A=100,000, 那么这是一个非常小、可以忽略的数,因此可设U+=U-。第二个定律来自于运算放大器的内部电路结构,此结构使得基本上没有电流流入任何一个输入端。

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。)这是晶体管最常见的连接方式,但是,当然也存在其它两种连接方法——共基极连接和共集电极连接。但是在每一种情况下晶体管的工作原理是相同的。本电路的特色是相对小的基极电流能控制和激发出一个比它大得多的集电极电流(或更恰当地说,一个小的输入功率能够产生一个比它大得多的输出功率)。换句话说,晶体管的作用相当于一个放大器。在这种工作方式中,基极-发射极电路是输入侧;通过基极的发射极和集电极电路是输出侧。虽然基极和发射极是公共路径,但这两个电路实际上是独立的,就基极电路的极性而言,基极和晶体管的集电极之间相当于一个反向偏置二极管,因此没有电流从基极电路流到集电极电路。要让电路正常工作,当然,加在基极电路和集电极电路的电压极性必须正确(基极电路加正向偏置电压,集电极电源的连接要保证公共端(发射极)的极性与两个电压源的极性相同)。这也就是说电压极性必须和晶体管的类型相匹配。在上述的PNP型晶体管中,发射极电压必须为正。因此,基极和集电极相对于发射极的极性为负。PNP 型晶体管的符号在发射极上有一个指示电流方向的箭头,总是指向基极。(在PNP型晶体管中,“P”代表正)。在NPN型晶体管中,工作原理完全相同,但是两个电源的极性正好相反(图1-2B-4)。也就是说,发射极相对于基极和集电极来说极性总是负的(在NPN型晶体管中,“N”代表负)。这一点也可以从NPN型晶体管符号中发射极上相反方向的箭头看出来,即,电流从基极流出。虽然现在生产的晶体管有上千种不同的型号,但晶体管各种外壳形状的数量相对有限,并尽量用一种简单码——TO(晶体管外形)后跟一个数字为统一标准。TO1是一种最早的晶体管外壳——即一个在底部带有三个引脚的圆柱体“外罩”,这三个引脚在底部形成三角状。观看底部时,“三角形”上面的管脚是基极,其右面的管脚(由一个彩色点标出)为集电极,其左面的管脚为发射极。集电极引脚到基集引脚的间距也许比发射极到基集引脚的间距要大。在其它TO外壳中,三个引脚可能有类似的三角形形状(但是基极、集电极和发射极的位置不一定相同),或三个引脚排成一条直线。使人容易搞乱的问题是同一TO号码的子系列产品其管脚位置是不一样的。例如,TO92 的三个管脚排成一条直线,这条直线与半圆型“外罩”的切面平行,观看TO92的底部时,将切面冲右,从上往下读,管脚的排序为1,2,3。(注otherwise circular“can”中的otherwise译为不同的,特殊的。在这里“特殊的圆形外罩”指的应该是普通的圆柱体“外罩”在圆平面上画一条小于等于直径的弦,沿轴线方向切入后形成的半或大半圆柱体,切入后形成的剖面就是文中说的a flat side ,这也是现在很常见的一种晶体管外壳。)对TO92子系列 a (TO92a): 1=发射极2=集电极 3=基极对TO92子系列 b (TO92b): 1=发射极2=基3=集电极更容易使人搞乱的是一些晶体管只有两个管脚(第三个管脚已在里边和外壳连接);一些和晶体管的外形很像的外壳底部有三个以上的管脚。实际上,这些都是集成电路(ICs),用和晶体管相同的外壳包装的,只是看起来像晶体管。更复杂的集成电路(ICs)用不同形状的外壳包装,例如平面包装。根据外壳形状非常容易识别功率晶体管。它们是金属外壳,带有延长的底部平面,底部平面上还有两个安装孔。功率晶体管只有两个管脚(发射极和基极),通常会标明。集电极在内部被连接到外壳上,因此,与集电极的连接要通过一个装配螺栓或外壳底面。

UNIT 3

A 逻辑变量与触发器

逻辑变量我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量,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A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,假设当你和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。

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V1,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V1表示“假”。让我们进一步制作一个带有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V1。最后,让我们把输入和飞行员A 和B 座位下的装置联结起来,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 =飞行员A已离开座位为真(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=AB (1-3A-1)我们已经选择用电压来表示逻辑变量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,甚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,那么命题Z就为真,否则命题Z为假。

式(1-3A-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有两个互反变量的命题之间的关系是一种有效的工具。

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

B 二进制数字系统

概述大约在1850年由乔治·布尔提出的代数学中,变量仅允许具有两个值,真或假,通常被写为1和0,对这些变量的代数运算是与、或和非。在1938年,香农认识到了此代数形式和电气开关系统功能间的相似之处,在这种开关中存在有通-断两种状态的器件。布尔代数的推理过程由充当逻辑电路的开关完成。已有大量集成电路可完成脉冲信号的逻辑操作,这些脉冲信号采用二进制数字系统,并利用电子器件的关断和导通作为二进制系统的两种状态。二进制数字系统和其它代码为了用晶体管直接计算十进制数,要求晶体管认识这10个状态 0、1、…、9,此操作要求的精度是电子器件并不具备的。将导通和关断作为工作状态,这样的装置可以在两态即二进制系统中运行,因此数字计算机中的内部操作一般采用二进制系统。在十进制系统中,基数或底数为10,小数点左边或右边的每一个位都表示其权重增加或减少10的一次幂。在二进制系统中,底数为2,二进制小数点左边或右边的位具有的权重以2的幂次增加或减少。数字可被编码为两个电平的脉冲串,通常标为1或0,如图1-3B-1所示。1-3B-1b 中的脉冲序列能够译为:二进制:1′25 + 0′24 + 1′23 + 0′22 + 1′2 1 + 1′20 = 101011十进制:

32 + 0 + 8 + 0 + 2 + 1 = 43 相反,在把十进制数43转换为二进制形式的过程中,可使其连续被2除。每一次除后所得余数0或1即是二进制数的位数。十进制数43的转化过程:等价于十进制数43的二进制数为101011。虽然二进制数仅需两个信号电平,这种简化的获得是以附加的位数为代价的。在以r 为底数的数制中表示n 位十进制数,需要m 位。其中等式右边是一个整数,或选择下一个较大的整数。对于一个10位的十进制数,可得m=33.2 ,因此必须使用34位二进制数。二进制位叫作比特。写为0.1101的二进制小数意味着0.1101 = 1′2 -1 + 1′2 -2 + 0′2 -3 + 1′2 -4= 1/2 + 1/4 + 0 + 1/16二进制数0.1101表示为十进制数 = 0.500 + 0.250 + 0.062 = 0.812小于1的十进制数的转换可通过连续乘2获得。对于结果在小数点左边为1的每一步,记录二进制数1,然后继续计算所得十进制数的小数部分。对于结果在小数点左边为0的每一步,记录二进制位0,然后继续计算。把十进制数0.9375转化为二进制数,运算如下:等价于十进制数0.9375的二进制数可写为0.11110。最高位是第一个获得的二进制位,放置在二进制小数点的右边。十进制数0到15的二进制等值表为: 给出一串正脉冲和负脉冲,或正脉冲和零,或者零和负脉冲来表示二进制的1和0时,就会有许多这些脉冲可以传递的码。计算机输入最常见的码就是BCD码,每一个十进制数需要四个脉冲或二进制数。用此种代码,每一个十进制位转化为其二进制等值数如上表所示,也就是说,十进制数827用BCD码表示为 1000 0010 0111计算机通过算术运算,能够容易地把此类输入转化为纯二进制形式。解码器也能够把BCD码转化为十进制形式。BCD码在传输中不需附加位的情况下,能够扩大到十进制数15,成为十六进制码,通常使用字母a、b、 L、f 来表示10到15。在某些计算机操作中应用的另一种码是八进制或8为底数的数制。采用的符号为0、1、2L、7,十进制数24可被写为八进制数30(3′81 +0′80)。八进制数字的二进制译码仅需要BCD表中三个最小的有效位,八进制数30的二进制译码为011 000。因为十进制数24用纯二进制形式可写为11000 ,用八进制译码形式可写为011 000,所以需要指出二进制数字转换为八进制数字的简易方法。以三个位为一组划分二进制数,每一组显示为一个等值的八进制译码数,例如,十进制数1206以二进制表示为10010110110,以三个位为一组,可得:二进制: 010 010 110 110八进制:2 2 6 6八进制数是2266。通过使用导电块上的电刷,光学读卡机或码盘,经常用格雷码将角位移或直线位移转换为二进制数。由于组合误差,不能同时变化两个数位以免产生不确定性。设计的格雷码就是为了解决此问题,其在二进制数的每一步变换中,仅需变化一个位。此码的一种形式是其它一些码被设计来降低传输误差,在这些码中将1变为0或将0变为1。通常,检测单一误差的代码可通过把检验位与原始码相加获得。合成码将有偶数个或奇数个1,这些码被称为偶数奇偶校验码或奇数奇偶校验码,例如0000 的奇数奇偶校验码将是10000;在任何位的误差将使结果具有偶数个1,接收装置将会进行校正。多重误差可通过更为复杂的代码形式探测

UNIT4

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 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。绝缘栅双极型晶体管在20世纪80年代中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可见,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双极结型晶体管,在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。IGBT 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P+层。 IGBT有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P-N-P 晶体管正向偏置的基极—发射极结使IGBT导通并引起 N-区传导性调制,这使得导通压降大大低于MOSFET 的导通压降。在导通条件下,在IGBT 的等效电路中,驱动器MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生N-P-N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少P+层电阻系数和通过MOSFET 将大部分电流转移而得到预防。IGBT通过减小门极电压到零或负电压来关断,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。IGBT 的输入电容(Ciss)比MOSFET 的要小得多。还有,IGBT的门极—集电极电容与门极—发射极电容之比更低,给出了改善的密勒反馈效应。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来控制通断。MCT 具有微单元结构,在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。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电压脉冲控制关断。MCT 具有类似晶闸管的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只有单极(或不对称)电压阻断能力。如果MCT 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合效应因而MCT 的关断时间有点长。MCT 有限定的上升速率,因此在MCT 变换器中必须加缓冲器电路。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,现在可买到中等功率的MCT。MCT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IGCT 的符号。基本上,IGCT是一个具有单位关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的GTO。这表示具有可控3,000安培阳极电流的4,500 V IGCT需要3,000安培负的门极关断电流。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来提供,并且驱动电路中的漏感要特别低。门驱动电路内置在IGCT模块内。IGCT内有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 。IGCT更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比GTO 更高的开关频率。多个IGCT可以串联或并联用于更大的功率场合。IGCT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。

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。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τ。电压波形如图1-4B-4所示。因此平均输出电压为平均电流为 D为占空比,变化范围是0~1。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。

UNIT5

A 直流电机分类

现在可以买到的直流电机基本上有四种:⑴永磁直流电机,⑵串励直流电机,⑶并励直流电机,⑷复励直流电机。每种类型的电动机由于其基本电路和物理特性的不同而具有不同的机械特性。

永磁直流电机永磁直流电机,如图1-5A-1所示,是用与直流发电机同样的方法建造的。永磁直流电机用于低转矩场合。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。磁场由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镍钴永磁合金或陶瓷永磁磁铁而不是励磁线圈。铝镍钴永磁合金用于大功率电机。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有几个优点。优点之一是减少了运行损耗。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来实现。

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本特性。每一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电压源,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。仅有一个通路供电流从直流电压源流出。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。如果机械负载增加,电流也增加。增加的电流建立了更强的磁场。当负载从零增加到很大时,串励式电机的转速从很高变化到很低。由于大电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合。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。由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。由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。由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。流过并励式直流电动机的电流关系如下:I L=I a+I f公式中,I L—电机总电流I a —电枢电流I f —激磁电流。通过在激磁绕组中串联一个可变电阻可以改变激磁电流。由于激磁回路电流小,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。激磁阻抗增加,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,转子会由于与减弱的磁场相互作用而加速旋转。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有优良的转速调节功能。当负载增加时,由于增加了电枢绕组上的压降,转速稍微有一点降低。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合。许多种可调速机床由并励式直流电动机驱动。复励式直流电动机图1-5A-4所示的复励式直流电动机有两个激磁绕组,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。复励式电动机有两种连接方法: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致。差动直流电动机的串联和并联绕组的激磁方向相反。串联绕组的连接方法有两种。一种方法称为短并联(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)。复励式电机具有类似于串励式电机的高转矩,同时也具有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可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,直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。想把直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之间的关系。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n和电枢电流I a。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n的分子项变得较大。这导致转速上升。转速增加的范围取决于电枢电路压降的大小与电枢端电压的比值。

B 直流传动的闭环控制

应用限流控制,也称为并联电流控制的闭环速度控制系统的基本示意图如图1-5B-1所示。ωm* 为速度参考值。正比于电机速度的信号可从速度传感器获得。速度传感器的输出滤除交流波,并与速度参考值比较,速度误差被速度控制器处理,速度控制器的输出u c 调整整流器的触发角α,以使实际的速度接近于参考速度。速度控制器通常是PI (比例积分)控制器,具有三种作用——稳定驱动,调整阻尼比到期望值;通过积分作用,使稳态速度误差接近于零;还是由于积分作用,可滤除噪音。

传动装置采用限流控制,其目的在于防止电流超出安全值。只要I A

闭环速度控制的另一种示意图如图1-5B-2所示。在外环速度回路中采用内环电流控制回路。速度控制器的输出e c 用于电流控制器,为内环电流控制回路设置电流参考值I a*。电流控制器的输出u c 调整逆变器的触发角,以便使实际速度达到速度给定值ωm*所设置的值。由速度给定或负载转矩的增加所引起的任何正的速度偏差,都会产生更大的参考电流值I a*。由于I a 增加,电机加速,以调整速度误差,最终停留在新的I a*值上,使电机转矩与负载转矩相同,速度误差接近于零。对于任何大的正的速度误差,限流装置饱和,且电流参考值I a* 限制为I am*,传动装置的电流不允许超过最大允许值。在最大允许电枢电流下纠正速度误差,直到速度偏差减小且限流装置退出饱和状态。现在,速度误差在I a小于最大允许电流值的情况下进纠正。

负的速度误差将设置负的电流参考值I a* 。因为电机电流不能反向,负的I a*是没用的。然而,它将“掌管”PI控制器。当速度误差变正时,“被掌管”的PI控制器将花费较长时间响应,造成控制中不必要的延迟。因此,对于负的速度误差,限流器的电流给定值被设为零。

因为速度控制回路和电流控制回路串联,因此内环电流控制也被称为串联控制。整体也被称为电流操纵控制。由于具有如下优势,其应用比限流控制更为普遍:

1. 对于任何电源电压扰动,提供更快的响应。这可通过考虑两个传动装置对于电源电压降低的响应来解释。电源电压的降低将减少电机电流和转矩。在限流控制中,由于电机转矩小于未改变的负载转矩,速度下降,造成的速度误差通过设置较小的整流器触发角达到原值。在内环电流控制的情况下,由于电源电压的降低,电机电流的减少将产生电流误差,改变整流器的触发角,使电枢电流返回到原值。现在,暂态响应由电机的电时间常数控制,因为与机械时间常数相比,传动装置的电时间常数要小的多,所以对于电源电压扰动,内环电流控制将提供较快的响应。

2. 对于确定的触发形式,整流器和控制电路一起在连续导电下,具有恒定增益。为此增益而设计的传动装置设置的阻尼比为0.707,给出了百分之五的超调量。在不连续导电的情况下,增益下降。导电角减少越多,增益下降越大。在不连续导电的情况下,传动装置响应缓慢,当导电角减小时,响应日益恶化。如果企图设计应用于不连续导电操作的传动装置,那么此传动装置可能对于连续导电都是振荡的,甚至是不稳定的。内环电流控制回路提供了一个具有整流器和控制电路的闭环,所以增益的变化对于传动装置的性能影响较小。因此,带有内环电流回路的传动装置的暂态响应优于限流控制。

3. 限流控制中,在限流开始作用前,电流首先必须超过允许值。因为触发角只有在离散的间隔中才可改变,所以只有在限流有效前,实际的电流超调才会发生。

小电机更能承受大的暂态电流,因此,为获得快速的暂态响应,通过选择较大尺寸的整流器, 即可允许出现更大的暂态电流。只有当电流值反常时,才会需要电流调节。在这样的情况下,由于简化,限流控制被应用。

这两种形式对速度给定的增与降有不同的响应。速度给定的减少至多可使电机转矩为零;由于不可能制动,所以转矩不能反向。传动装置减速主要是由于负载转矩,当负载转矩很小时,对速度给定减少的响应将很慢,因此,这些传动装置适合带有大的负载转矩的应用场合,例如纸张打印机、泵和吹风机。

UNIT 6

A 交流机简介

将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的电机是传动系统中的主要组成部分。从电学、机械学和热学的角度看,电机具有复杂的结构。虽然一百多年前就开始使用电机,关于电机的研究与开发工作一直在继续。但是,与电力电子器件和电力电子变换器相比,电机的发展十分缓慢。从传统观念上,由恒频正弦电源供电的交流机一直用于恒速场合,而直流机则用于变速场合。但在最近二、三十年,我们已经看到在变频、变速交流机传动技术上取得的研究与开发成果,并且它们正逐步取代直流传动。在大多数情况下,新设备都使用交流传动。一般可将交流机分类如下:感应电机:鼠笼或绕线式转子(双馈),旋转或直线运动;同步电机:旋转或直线运动,启动、绕线式激磁(转子)或永磁磁铁,径向或轴向气隙(圆盘状),凸磁极或内(隐)磁极,正弦波磁场或梯形波磁场;变阻抗电机:开关磁阻电机,步进电机。感应电机在所有的交流电机中,感应电机,尤其是鼠笼型感应电机,在工业上得到了最广泛的应用。这些电机价格便宜、结实、可靠,并且从不到一个马力到数兆瓦容量的电机都可买到。小容量电机一般是单相电机,但多相(三相)电机经常用于变速传动。图1-6A-1给出了一台理想的三相、两极感应电机,图中定子和转子的每一个相绕组用一个集中线圈来表示。三相绕组在空间上按正弦分布并嵌入在槽里。对绕线式转子电机而言,转子绕组与定子绕组类似,但鼠笼式电机的转子具有鼠笼状结构,并且有两个短路环。基本上,感应电机可以看作是一个具有可旋转并且短路的二次绕组的一台三相变压器。定子和转子的核用层压铁磁钢片制成,电机内的气隙实际上是均匀的(非凸极结构)。感应电机的一个最基本的原理是在气隙中建立旋转和按正弦分布的磁场。如果忽略槽和由于非理想分布的绕组产生的空间谐波的影响,可以证明,在三相定子绕组中能以三相对称电源建立一个同步旋转的旋转磁场。旋转速度由公式(1-6A-1)给出

N e称作同步转速,单位是转/分,()是定子频率,单位是赫兹。P是电机的极对数。转子绕组切割磁场,就会在短路的转子中产生感应电流。气隙磁通和转子磁动势的相互作用产生转矩使转子旋转。但转子的转速低于同步转速。因此称它为感应电机或异步电机。为了满足各种工业应用中对启动和运行的要求,可从制造厂家得到几种标准设计的鼠笼电机。最常见的转矩-速度特性,与国家电气制造协会的标准一致的,并很容易获得和定型的设计,如图1-6A-2所示。这些电机中最有意义的设计变量是转子笼型电路的有效阻抗。 A类电机这类电机适用于启动负载低(诸如风扇、泵类负载)以便能快速达到全速,因而避免了启动过程电机过热的问题。对大容量电机而言,需要降压启动以限制启动电流。B类电机这类电机是很好的通用电机,有着广泛的工业应用。它们特别适合对启动转矩要求不是特别严格的恒速驱动。比如驱动风扇、泵类负载、鼓风机和电动发电机组。 C类电机 C类电机适合驱动压缩机、输送机等等。D 类电机此类电机适合驱动要求迅速加速的间歇性负载和冲床、剪床这样的高冲击性负载。在驱动冲击性负载的情况下,在系统中加一个调速轮。当电机转速随负载冲击有点下降时,在负载冲击期间调速轮释放它的一部分动能。

同步电机

同步电机,正像名字所表示的,一定是像公式(1-6A-1) 那样以同步速度旋转。对感应电机恒速驱动应用而言,它是一位非常重要的竞争者。图1-6A-3给出了一台理想的三相、两极绕线式激磁的同步电机。同步电机的定子绕组与感应电机的定子绕组一样,但同步电机的转子上有一个绕组,这个绕组通过直流电流,在气隙中产生磁通,该磁通协助定子感应的旋转磁场来拉动转子与它一同旋转。直流激磁电流由静态整流器通过滑环和电刷提供给转子,或由无刷励磁电源提供。因为转子总是以同步转速旋转,同步旋转的d e-q e 轴与转子的相对位置是不变的,如图所示,d e 轴对应N极。在转子中没有定子感应的感应电势,因此转子的磁动势仅由激磁绕组提供。这使得电机在定子侧可以任意的功率因数运行,即引前、滞后或同相。从另一角度说,在感应电机中,定子给转子提供励磁使得电机功率因数总是滞后。转矩产生的原理有点类似于感应电机。如图所示的同步电机是凸极式同步机,因为转子周围的气隙是不均匀的,不均匀的气隙在d轴和q轴上造成了不对称的磁阻。与其(凸极式同步机)对应的另一种电机是有均匀气隙的圆柱体形转子结构的电机(与异步机相似),定义为隐极式同步电机。例如,水电站使用的低速

高一些。绕线式激磁绕组同步机通常用于大功率(数兆瓦)驱动。变阻抗电机变阻抗或双阻抗电机,正像名字所表示的那样,有两个凸极,这意味着电机的定子和转子都是凸极结构。如前所述,变阻抗电机有两种:开关磁阻电机和步进电机。步进电机基本上是一种数字电机,即它根据数字脉冲运动固定的步数或角度。小型步进电机广泛用于计算机外围设备。然而,由于步进电机不适合调速应用场合,不再作进一步讨论。有关文献对开关磁阻电机驱动十分关注,最近做了许多工作来使其商品化以参与和感应电机的竞争。图1-6A-4给出了有四对定子极对数、三对转子极对数的四相开关磁阻电机的截面图。电机转子没有任何绕组或永磁磁铁。定子极上有集中绕组(不是正弦分布绕组),每一对定子极绕组,如图所示,由变换器的一相供电。例如,当转子极对a-a‘接近定子极对A-A‘时,定子极对A-A’被通电,通过磁拉力产生转矩,当两个极对重合时,定子极对A-A'断。借助于转子位置编码器,电机的四对绕组依次、与转子同步得电,得到单向转矩。可给出转矩的幅值式中m =感应速率,i = 瞬时电流。感应速率恒定则电流i为常数。高速运行时,转子感应的反电动势也高。

这种电机的优点是结构简单、坚固;也可能它比其它电机要便宜一些。但是,这种电机有转矩脉动和严重的噪声问题。

B 感应电机传动装置

感应电机的转速由电机的同步速和转差决定。同步速与电源频率有关,转差由供给电机的电压或电流调节控制。为控制感应电机的转速,存在几个机理,它们是: (1) 变电压恒频率或定子电压控制,(2) 变电压变频率控制, (3) 变电流变频率控制,和 (4) 转差功率调节。这些方法之一,变电压变频率控制可被描述如下。方波逆变器传动装置馈电电压逆变器(也称电压源逆变器,VSI)通常分为两类:方波逆变器和脉宽调制逆变器。此类逆变器从二十世纪六十年代初,当先进的强制换相技术开始发展时就被提出。图1-6B-1显示了方波逆变器传动装置的传统电力电路,三相桥整流器把交流电变换为可变电压的直流电,作为强制变换桥逆变器的输入。逆变器产生变电压变频率电源,控制电机速度。由于大的滤波电容器给逆变器提供了一个刚性的电压源,且逆变器的输出电压不受负载种类的影响,因此,此类逆变器叫做馈电电压逆变器。通常,相对于假想的直流电源的中心点,逆变器每一桥臂上的每个晶闸管导通180°,在电机的一相产生方波电压。线电压可被显示为如图所示的六个阶梯形电压波。因为感应电机构成了滞后的功率因数负载,所以逆变器的晶体管需要强制换相。反馈二极管可利用滤波电容器促进负载无功能量的循环,并维持输出电压定位在直流链接电压上,二极管也参与换相和制动过程。变压变频速度控制方法的理论可由图1-6B-2和1-6B-3来帮助解释。用于此类传动装置的电机具有低转差特性,并提高效率。电机转速可通过简单改变同步速,例如,改变逆变器频率来改变。然而,随着频率的增加,电机的气隙磁通下降,导致产生的转矩降低。如果电压随频率变化,从而使电压/频率之比保持恒定,则就像直流并激电机一样可使气隙磁通保持不变。图1-6B-2显示了期望的电机电压-频率关系。在基频(1.0 标幺值) 以下,气隙磁通由于伏特/赫兹恒定而保持不变,这将导致恒定的转矩。处于低频时,定子阻抗超过漏感,占主导地位,因此,附加电压被施加,以补偿此作用。处于基频时,通过前推整流器触发角至所允许的最小值,电机全电压被建立,高于基频后,当频率增加时,由于气隙磁通的损失,转矩下降,电机以如图所示的恒功率方式运行。这与直流电机弱磁调速类似。电机恒转矩和恒功率区的转矩-转速曲线如图1-6B-3 所示,其中每一条转矩-转速曲线都对应于电机接线端特定的电压和频率组合。分别对应于恒定负载和变化负载的两个稳态运行点A 和 B如图所示。电机以最大可得转矩从零加速,以恒磁通转差控制方式或以恒转差磁通控制方式达到稳定点。稳态运转的磁通和转差调节均可提高电机效率。馈电电压方波传动装置通常用于中、小功率的工业场合,其调速比一般不超过10:1。最近,此类传动装置在很大程度上已被下一部分将要介绍的PWM传动装置所代替。馈电电压逆变器非常适合多电机驱动,在这种情况下,许多感应电机的速度可得到精确控制。脉宽调制型(PWM)逆变器传动装置在前一部分描述的变压变频逆变器传动装置中,若使用二极管整流器,则直流链接(link)电压不可控,基频输出电压可利用脉宽调制技术在逆变器中进行控制。利用这种方法,晶闸管在半周期中开合多次,产生低谐波的变压输出。在几种脉宽调制( PWM)技术中,正弦脉动宽调制(PWM)是最常见的,其原理如图1-6B-4所示。等腰三角形载波波形与正弦波信号比较,得到的交叉点确定变换点。除低频范围外,载波与信号同步,载波频率与信号频率之比保持为3的偶数倍以改善谐波。通过改变调制指数可改变基频输出电压。可见,如果调制指数小于一,那么在输出中只有与残留边带相关的基频的载波频率谐波出现。与方波相比,此种波形产生相当小的谐波温升和转矩脉动。随着调制指数超过1,电压可一直增加,直到获得方波波形中的最大电压。因此,PWM电压控制适用于恒转矩区(如图1-6B-2),然而,在恒功率区,运行等同于方波传动装置。指定谐波消除PWM(selected harmonic elimination)技术最近引起广泛关注。在这种方法中,换相点由预先确定的方波角度决定,此方波角度允许电压控制消除被选谐波。也可编程设计换相点角度,以使对于特定负载条件的电流谐波的有效值达到最小。微型计算机特别适合此类PWM,其中角度查询表存储在ROM 存储器中。在PWM乓乓控制方法中,逆变器开关控制的目的是让电流波被限制在参考波的磁滞带间,这样产生的纹波电流小。尽管电机谐波损耗在PWM传动装置中有很大改善,但由于在每半周期存在多次换相,逆变器效率有所降低。在设计完善的 PWM 传动装置中,应在器件允许的条件下增加换相频率,以便在逆变器损耗的增加和电机损耗的降低间找到一个合适的平衡点。在前节末尾提出的简单的、经济的二极管整流器可减少电网波形畸变和提高功率因数,减小滤波器容量,并提高系统运行的可靠性。因为直流链接电压相对恒定,所以晶闸管的换相在整个基频电压范围内均令人满意。另外,在低频区,低谐波和最小的转矩脉动允许大范围的速度控制,实际上是从电机具有最大转矩的停止状态开始。因为直流链接电压不可控,一些独立控制的逆变器可利用同一个整流器电源运行,这将节省大量的整流器费用。通过接通直流链接中的电池,传动系统可不受交流电源故障的干扰。对于电池或直流供电的传动系统,例如电车或地铁的发动机,电源可直接吸收再生发电制动能量。

UNIT7

A 电力系统介绍

电力系统把其它形式的能源转化为电能并输送给用户。尽管不同于其它形式的能源,电能不容易储存,一旦生产出来,必须得到使用,但是电力的生产和传输相对高效和廉价。电力系统的组成当今的电力系统由六个主要部分组成:电站,升压变压器(将发出来的电升压至传输线所需高电压),传输线,变电站(电压降至配电线电压等级),配电线路和降压变压器(将配电电压降至用户设备使用的电压水平)。1、电站。电力系统的电站包括原动机,如由水,蒸汽驱动的涡轮,或者燃烧气体操控的电动机和发电机系统,世界上大多数的电能由煤炭、石油、核能或者燃气驱动的蒸汽发电厂产生。少量电能由水力,柴油和内燃机发电厂产生。2、变压器。现代电力系统使用变压器把电能转换为不同的电压。有了变压器,系统的每个阶段都能在合适的电压等级下运行。在典型的系统中,电站发电机发出的电压范围是1000伏到26000伏。变压器把电压升至138000到765000伏后,送至主传输线上。因为对于长距离传输,电压越高,效率越高。在变电站,电压被降至69000到138000伏,以便在配电系统中传输。另外一组变压器把电压进一步降至配电等级,如2400到4160伏,或者15,27,33KV。最终,在使用端,经配电变压器,电压再次被降至240V或120V。3、传输线。高压传输系统通常由铜线、铝线或者镀铜、镀铝的钢线组成,它们悬挂在高大钢格构塔架上成串的瓷质绝缘体上。由于含镀层钢线和铁塔的使用,增大了塔与塔之间的距离,降低了传输线的成本。在当前的直线安装中,每公里高压线只需建立6个铁塔。在一些地区,高压线悬挂于距离较近的木质电线杆上。对于低压配电线路,更多的使用木质电线杆,而不是铁塔。在城市和一些地区,明线存在安全危险或者被认为影响美观,所以使用绝缘地下电缆进行配电。一些电缆内核中空,供低压油循环。油可以为防止水对封闭线路的破坏提供临时保护。通常使用管式电缆,三根电缆放入线管中,并填满高压油。这些电缆用于传输高达345KV的电流。4、辅助设备。每个配电系统包含大量辅助设备来保护发电机、变压器和传输线。系统通常还包括用来调整电压或用户端其它电力特性的设备。为了保护电力系统设施,防止短路和过载,对于正常的开关操作,采用断路器。断路器是大型开关,在短路时或者电流突然上升的情况下自动切断电源。由于电流断开时,断路器触点两端会形成电流,一些大型断路器(如那些用来保护发电机和主输电线的断路器)通常浸入绝缘液体里面,如油,以熄灭电流。在大型空气开关和油断路器中,使用磁场来削弱电流。小型空气开关用于商场,工厂和现代家庭设备的保护。在住宅电气布线中,以前普遍采用保险丝。保险丝由熔点低的合金组成,安装在电路中,当电流超过一定值,它会熔断,切断电路。现在绝大多数住宅使用空气断路器。供电故障世界上大多数地方,局部或全国电力设施都连成电网。电网可以使发电实现区域共享。同意共享的每个电力企业可以获得不断增加的储备功率,使用更大、效率更高的发电机,从电网中获取电能以应对局部电力故障。互联的电网是大型复杂系统,包括被不同组织操控的部分。这些系统可以节约开支,提高整体可靠性,但是也带来了大范围停电的风险。例如,2003年8月14日,美国和加拿大发生了历史上最严重的停电事故。当时,这个区域61800兆瓦的电力供应中断,五千万人口受到影响。(一兆瓦大约可以满足750居民的用电需求)。停电事件迫切要求更新老化设备,提出关于全国电网可靠性的问题。尽管存在大范围停电危险,互联电网提供了必要的备份措施和供替换的线路,相对于孤立系统,其整体可靠性要高得多。国家或地区电网还可以应对由暴风雨、地震、泥石流、森林火灾、人员操作错误或者蓄意破坏造成的意外停电。供电质量近年来,越来越多的精密复杂生产过程、计算机和网络及许多高科技消费品都使用电力为其提供能量。这些产品和生产过程对于供电的连续性和电压、频率的恒定性很敏感。于是,相关部门正采取新措施来保证供电的可靠性和质量。如提供附加的电气设备来保证电压和电能其它特性保持恒定。 1、电压调整。长距离传输线存在的电感和电容不容忽视。当电流流过线路时,随着电流的变化,电感和电容会对线路电压产生影响。这样,供电电压会随负荷变化。运行中,有几种设备用来克服这个波动,被称为电压调整。这些设备包括感应调节器、三相同步机(也称同步调相机),它们能够改变传输线路中的电感和电容的有效量。电感和电容作用能相互抵消。当负载电流感性电抗大于容性电抗时,这种情况总是出现在大型电力系统中,对于给定的电压和电流,传送的功率小于两者相等的时候。这两个量功率之比称为功率因数。由于传输线损耗和电流成比例,如果可能,将在电路中使用电容,这样功率因数尽可能接近于1。正是这个原因,在电力传输系统中,经常使用大型电容器。2、世界电力生产。从1950年到2003年,最近一年的可用数据显示,每年世界电力生产和消费从小于1万亿千瓦时增长到15.9万亿千瓦时。同样,发电类型也发生了变化。在1950年,世界电力约2/3来自蒸汽源,约1/3 来自水电。2003年,热源生产65%的电能,水电却降至17%,核电占总量的16%。出于安全的考虑,在一些国家,特别是美国,核能的增长缓慢。2003年,美国电能的20%来自核电厂;在世界领先的法国,这个数字是78%。保护世界上大多数电能的生产来自天然气、煤炭、石油和铀等不可再生资源。煤炭、石油、天然气含有碳元素,它们的燃烧加剧了二氧化碳和其它污染物的排放。科学家们认为,二氧化碳是导致全球变暖,地球表面温度上升的主要因素。电力用户通过节约用电,如离开房间时关闭电灯等措施消除不必要消耗,可以节省资金,有助于环境保护。其它保护措施包括购买和使用节能电器和灯泡,在费率较低的非用电高峰使用洗衣机和烘干机等电器。消费者也可以考虑环境措施,如购买当地公共部门提供的绿色能源等。绿色能源通常价格较贵,但依靠可再生和环境友好型资源,如风力轮机和地热发电厂。

B 电力系统自动化概述

提高生产力,降低成本,是电力供应商一直以来面对的问题。这就转化为需要管理者,工程师、操作员、计划者、现场人员和其它人员收集并执行决策信息。电力系统供应商遵从这一趋势,使设备变得智能化,这样,它们就可以创造并交流信息。术语“电力系统”描述的是用来产生、传输和分配电能的物理系统的组成设备集合。术语“设备和控制系统”指的是用来监视、控制和保护电力系统的设备集合。电力系统自动化指的是使用I&C 设备执行自动决策并对电力系统进行控制。数据采集:数据采集指的是获取或者采集数据。采集的数据形式为测量的模拟电压或电流值,接触点的开关状态。采集到的数据可以被采集设备使用,发送到同一变电站的其它设备或者从变电站发送到一个或多个数据库供操作人员、工程师、计划人员和管理人员使用。电力系统监视:有了获得的数据,计算机可以处理,人员可以监控电力系统的状况和状态。操作人员和工程师在远程可以通过计算机显示和图形墙显示,或者在现场,通过设备的前面板和笔记本电脑对信息进行监视。电力系统控制:控制指的是对设备发送命令消息,实现对I&C和电力系统设备的操作。传统的监控和数据采集系统依赖于操作人员在主计算机的操控台监视系统并发送命令。现场人员也可以使用前面板按钮或笔记本电脑控制设备。电力系统自动化:系统自动化是通过使用计算机和智能I&C设备的自动化过程而自动控制电力系统的行为。这个过程依赖于数据采集,电力系统监视和控制协调、自动地工作。像操作人员发送命令一样,命令自动生成,并以同样的方式传送。 I&C System IEDs:使用微处理器制造的I&C 设备通常指的是智能电子设备。微处理器是单片机,利用其制造的设备能够像计算机一样处理数据、接受命令和通信。在IED中,可以运行自动过程,像计算机通信端口一样,通过串口处理通信。在变电站和杆顶都能发现IED的身影。电力系统自动化设备电力系统自动化包括很多设备。下面列出主要设备并进行简单描述。仪表(用)互感器:仪表(用)互感器用来检测电力系统电流和电压值。它们和电力系统设备连接在一起,把实际的电力系统信号,包括高电压,电流幅值,转换为小信号水平。变换器:变换器把仪表(用)互感器输出的模拟信号从一种幅值变换到另一种,或者从一种类型变换到另一种,如把交流电流信号转换位直流电压信号。远程终端单元:如名称所示,远程终端设备,是安装在远端,操作起来像终端点控制现场触点一样的IED。特意安排的一对铜导线用来检测每个触点和变换器的值。这些导体引自电力系统设备,安装在电缆沟或架空电缆盘中,终端连与RTU的面板。RTU可以通过串口把采集到的数据传送给其它设备,并接收来自其它设备的数据和命令。用户可编程RTU指的是智能RTU。通信端口交换机:通信交换机是能按照要求在不同串行口之间转换的设备。远程用户通常用租用线路,或者电话拨号与变电站建立连接,并用端口交换机进行通信。一旦建立链接,用户可以通过端口交换机与连接的变电站IED进行通信。端口交换机只不过是IED通信的通道。仪表:仪表是用来对电力系统电流、电压和功率进行精确测量的IED。测量值(如需求量和峰值)可以保存在仪表中,用于创建电力系统运行的历史信息。数字故障记录仪:数字故障记录仪,是记录电力系统干扰信息的IED。当检测到电力系统出现情况时,它能以数字形式存储数据。谐波、频率和电压都是能被DRF捕捉到的例子。负载抽头开关转换器:负载抽头开关转换器是用来改变变压器抽头位置的装置。这些设备可以自动工作,或者受控于现场IED或者远程操作人员或过程。自动重合闸控制器:自动重合闸控制器远程控制自动重合闸装置和开关。这些设备监视、存储电力系统状况,决定进行控制操作的时机。它们也接收来自远程人员或过程的命令。时间同步源:时间同步源是一种智能电子设备,用来产生日历时钟值,并传送给其它IED,使其时钟保持一致。协议网关:IED通过特定语言或协议进行串行通信连接。协议网关把一种通信协议转换为另一种。这个任务通常由PC机的软件完成。人机界面:变电站中作为系统数据和人员控制接口的前端显示面板或按钮或个人电脑。可编程逻辑控制器:正如其名,PLC是可编程进行逻辑控制的IED。和RTU一样,每个触点和变换器都有一对专用的铜导线连到PLC的面板。熟悉PLC开发环境的人员可以对其进行编程,从传感器数据生成信息,执行自动控制。PLC可以通过串口,将采集到的数据传输给其它设备,也可以从其它设备接收数据和控制命令。保护继电器:保护继电器是一种用来检测电力系统扰动,自动执行I&C系统和电力系统中控制操作,保护人员和设备安全的智能电子设备。继电器拥有现场引出端,因此对应于每个触点的铜导线不必连接到RTU和PLC的终端面板上。由于继电器直接从仪表(用)变压器接收信号,也不必使用变换器。保护继电器产生测量信息,收集系统状态信息和存储电力系统操作的历史记录。通信处理机:通信处理机是变电站控制器,把其它许多I&C设备的功能整合到一台IED中。它具有多个通信端口,支持多种同步通信链接。通信处理机执行数据采集功能,控制其它变电站的IED,并把用于发送的采集数据集中到变电站内部和外部的一个或多个主机上。通信处理机集成了很多IED的特性,包括RTU,通信交换机,协议网关,时间同步源和有限的PLC功能。通信处理机具有本地终端I/O,当状态发生改变时,能够进行拨叫,让人员和处理机提高警惕。电力系统自动化电力系统集成:电力系统集成是在I&C系统中的IED和远程用户之间进行数据通信的操作。变电站集成指的是将局部和整个变电站的IED数据进行合成,对于变电站内所有I&C数据,只有一个单一联系点。杆顶设备通常通过无线或光纤连接与变电站进行通信。远程、本地变电站和馈线控制像单一联系点一样通过变电站控制器。一些系统用直接连接与RTU,保护继电器和控制器等杆顶设备进行旁路连接。电力系统自动化:电力系统自动化是通过I&C设备自动控制电力系统的行为。变电站自动化指的是使用IED 数据、变电站内部的调节和自动控制能力和来自远程用户的控制命令去控制电力系统设备。由于真正的变电站自动化依赖于变电站集成,这两个术语通常互用。电力系统自动化涵盖电力生产和发送的各个环节。其中一些环节涉及电力传输和分配的各个级别,即电力输送自动化。对于变电站和杆顶电力输送系统的监控能减少断电的发生,缩短断电时间。IED、通信协议和前面描述的通信方法作为一个系统协同工作,实现电力系统自动化。电力输送自动化:尽管各个公共部门不同,但大多数认为电力输送自动化,配电变电站和馈电线路应包括:监控和数据采集—操作员监视和控制,配电自动化—故障定位,自动隔离,自动分段,自恢复供电,变电站自动化—断路器故障(失灵),自动重合闸,电池监视,故障变电站转移和变电站负荷转移,能源管理系统—潮流,无功和电压监控,发电控制,变压器和馈电线路负荷平衡,故障分析和设备维护。没有自动控制的系统仍然具有远程监视和操作员控制电力系统设备的优点,包括:远程监控断路器和自动开关远程监视非自动开关和熔丝远程监控电容组合远程监视和电压控制远程电力质量监控电力系统自动化特点前面描述的IED用来执行电力系统集成和自动化。很多设计要求一个IED 扮演变电站控制器的角色,执行数据采集和控制其它IED的功能。变电站控制器也要求支持系统自动化任务。通信行业对设备使用术语客户/服务器,主设备或客户从其它设备得到数据,从设备或服务器向其它设备发送数据客户端/服务器动态地收发数据。数据集中器通过收集,集中来自其它设备的动态数据创建变电站数据库。在这种方式下,来自每个IED的重要数据子集通过一次数据转移发送给主设备。数据集中器数据库用于间接连接的IED之间的数据传输。变电站档案客户端/服务器从几个设备收集、存储数据。存档数据可以方便供用户检索。现在变电站的IED

未来的IED 。在变电站升级工程中,弃用所有现存的IED 是很少见的。电力系统自动化对公共的益处电力传输的监视,远程控制和自动化的优点包括提高员工和公众安全,推迟购买新设备的

花销。同时,运行和维护成本的降低得益于现存设备的使用,通过降低断电造成的损失优化电力系统性能,提高电压分布。信息的收集可以用于进行更好的计划和协调设计,日益增加的客户

满意度源自改善的响应性、服务可靠性和供电质量的提高。

A 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。因为输出以由反馈元件决定的一种函数形式反馈回来,然后被输入减去。闭环系统通常是指负反馈系统或简称为反馈系统。

连续和离散系统:所有变量都是时间的连续函数的系统称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。

线性和非线性系统:如果系统所有元件都是线性的,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。

单变量和多变量系统: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(MIMO )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一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精确

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)被控对象的建模;

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)性能指标的选择;

7)控制器的设计;

8)整个系统的动态分析;

9)整个系统的非线性仿真;

10)所用硬件的选择;

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。

这个顺序不是固定的,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。

B 拉氏变换和传递函数

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。G(s)=C(s)/R(s) 传递函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: 110110()()()m m m m n n n n b s b s b N s G s D s a s a s a ----++==+++ 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 ω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。(70页止)

拉氏变换

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。

(拉氏变换第一段止)

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)(t y δ或者离散系统的Kronrcker Δ 响应)(k y δ来定义:一个连续(离散)系统是稳定的,如果其脉冲响应)(t y δ(Kronrcker Δ 响应)(k y δ)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,1t T e e --= ,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。

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。

UNIT 3

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о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。s n 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,()()

KZ s P s 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φ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

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。

应。由于频率响应的相角就是复函数G(j ω0)的角度。幅值比(c 0/r 0)就是的G(j ω0)幅值,所以G(j ω0)在频率域定义了稳态输入-输出关系。G(j ω0)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j ω0而得到。,反之,G(j ω0)可以通过实验得到,则传递函数也可以通过将j ω0替换为s 得到。

UNIT 4

A :The Frequency Response Methods: Bode Plots

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)()(??P KZ 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:①与频率无关的系数K 。②在原点的零点和极点个数。③一阶项,即实数零点和极点个数n j ±+)1?τ(。④二阶项,即零点和极点

n n n j ±??????+-?????221。

++==21lg 20lg 20lg 20M M M M db 对于乘积:φφφj j j Me e M e M s P s KZ == 2121)()(,这里 21M M M =,而 ++=21φφφ。相角φ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: ++==21lg 20lg 20lg 20M M M M db 在伯德图中幅值M 使用分贝,相角φ使用度,画在ω为横坐标的半对数纸上。以上推导表明:)()(ωωj P j KZ 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Φm 为180°加上1=KZ(s)P(s)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Φm 为相角曲线在穿越频率c ω

(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180-时对应频率的幅值。因此,dB GM ,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

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。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 5

A: Introduction to Modern Control Theory

当使用微分方程时,要对其进行线性化并受限于一定的约束条件才能建立有用的输入-输出关系。

认识到其他领域的一些有名的方法的适用性。

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。

当系统存在非线性和时变特性时,经典方法赖以存在的基础就不存在了。一些成功的方法,如相平面法、描述函数法以及一些特定的方法可以改进经典控制理论。

翻译示例:

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t 0的值再加上t 0时刻的输入的知识可以确定以后时刻t 1的状态。就t 1时刻的状态而言,它与初始状态是如何实现的无关。因此,t 0时刻的状态就构成了t 0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x i 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i x C ∈。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[]12T n x x x x =。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01[,]t t t ∈的所有实数构成。对于离散时间系统,T 由{}01k t t t 离散时刻

集合构成。在任何一种情形,有时,初始时刻可以为-∞,最终时刻可以是+∞。

t T ∈. 状态向量x(t)仅仅是在01[,]t t t ∈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t ∑

。这里假设这里∑表示,对于t T ∈系统的维数都是n 维。 B: State equations

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x 和 x

的拉氏变换如下:

Part 3 Computer Control Technology

Unit 1

A :Computer Structure and Function

A 计算机的结构与功能

这一节介绍计算机的内部体系结构,描述了指令如何存储和译码,并解释了指令执行周期怎样分解成不同的部分。

从最基本的水平来讲,计算机简单执行存储在存储器中的二进制编码指令。这些指令按照二进制编码数据来产生二进制编码结果。对于通用可编程计算机,四个必要部件是存储器、

中央处理单元(CPU ,或简称处理器),外部处理器总线,输入/输出系统。

图 3-1A-1 计算机的基本元件

存储器储存指令和数据。

CPU 读取和解释指令,读每条指令所需的数据,执行指令所需的操作,将结果存回存储器。CPU 所需的操作之一是从外部设备读取或写入数据。这利用输入/输出系统来实现。

外部处理器总线是一套能在其他计算机部件之间传送数据、地址和控制信息的电导线。

存储器

计算机的存储器是由一套连续编号的单元所组成。每个存储单元是一个能存二进制信息的寄存器。单元的编号称为地址。初始地址为0。制造商定义处理器的一个字长为单元的整

数长。在每个字中,各位表示数据或指令。对于英特尔8086/87和摩托罗拉MC68000微处理器来说,一个字是16位长,但每个存储单元仅为8位,因此两个8位单元来存取获得一个数据字长。

为了使用存储器中的内容,处理器必须取来右边的内容。为了完成这一次读取,处理器把所需单元的二进制编码地址放到外部处理器地址总线的地址线上,然后,存储器允许处理

器读取所寻址的存储单元的内容。读取存储单元的内容的这一过程并不改变该单元的内容。

存储器中的指令 存储器中的指令由CPU 取来。除非发生程序转移,它们按在存储器中出现的顺序来执行。用二进制形式所写的指令叫做机器语言指令。一种得到(指令)有效形

式的方法是将(这些)位分成段,如图3-4A-2所示。每一段都包含一个不同类型信息的代码。

在简单的计算机中,每条指令可分为四段,每段有四位。每条指令包括操作代码(或操作码,每条指令有唯一的操作码)、操作数地址、立即数、转换地址。

在一个实际的指令集中,有很多指令。也有大量的存储单元来存储指令和数据。为了增加存储单元的数目,如果我们使用同样的方法,地址段的指令一定长于16位。除了增加指

令长度外,还有很多增加微处理器寻址范围的方法:可变指令段、多字指令、多寻址模式,可变指令长度。我们不将详细讨论它们。

存储数据 数据是存储器中代表代码的信息。为了有效利用存储空间和处理时间,大多数计算机提供了不同长度和表示方法的处理数据能力。能被处理器识别的各种不同表示称作

数据类型。常用的数据类型有:位、二进制码、十进制数字(4位字节,BCD )、字节(8位)、字(2个字节)、双字(4个字节)。

有一些处理器提供了可处理其他数据类型。例如单精度浮点数据类(32位)和双精度浮点数据(64位)等的指令。还有另一类的数据–––特征数据。通常也表示为8位。在标

准键盘上,每个计算机终端键和键的组合(例如shift 和control 功能键)有定为美国信息交换标准码的7位码。

存储器类型 在数字控制系统的应用中,我们也关注不同存储技术的特征。对主存储器来说,我们需用它临时存储信息,并逐次地从不同单元写入或获得信息。这种类型的存

储器称作随机访问存储器(RAM )。在某些情况下,我们不想让存储器中的信息丢失。因此我们愿使用特殊技术写入存储器。如果写入只在物理改变连接时才能实现,那么这种存储器称为只读

存储器(ROM )。如果相互连接的模式可由程序设定,那存储器叫做可编程只读存储器(PROM )。如果需要实现改写的情况,我们有可擦的可编程只读存储器(EPROM )。电可擦除的PROM 缩写

为EEPROM 。

中央处理单元CPU

CPU 的工作是从存储器中取回指令并执行。CPU 的结构如图3-4A-3。它有四个主要部件:算术-逻辑单元,一系列存储器,一个内部处理器总线和控制器。

CPU 的这些及其其他部件和它们在指令周期的分享将在后面的章节中说明。

算术-逻辑单元(ALU ) ALU 提供很广泛的算术操作,包括加、减、乘、除。它也完成布尔逻辑操作,例如:与、或、二进制算术求补。其他操作,例如字比较也可达到。计算机

任务的主要部分包括ALU ,但为了利用ALU 指令,需要大量的数据移动。

寄存器 CPU 内的一系列寄存器是用于存储信息的。

指令寄存器 当一条指令取回来,它被复制到指令寄存器内,并被译码。译码意味着检查操作代码并用于确定执行顺序的各步

CPU 的编程器模型 可由编程器检查或修改的寄存器集称为CPU 的编程器模型。由指令集操作或明显受硬件输入或数据操作的结果影响的一类寄存器是模型中表示的寄存器。

标志寄存器 执行顺序不仅由指令而且也由前面指令的结果来确定。例如,如果在ALU 中进行加法运算,加法的结果(不论结果是正、负或0)存储在称为标志寄存器、状态寄

存器或条件寄存器中。如果下一指令是一个条件转移指令,标志字需要检验以确定是否需要转移。

程序计数器(指令指针) 下一指令的地址位于称作程序计数器的寄存器中。

数据寄存器 当一指令用寄存器存储数据,指令中的寄存器参考被称作寄存器寻址。利用内部寄存器存数据的原因在于它们能使指令更短,执行速度更快。

地址寄存器 内部寄存器也可用于储存存储器数据的地址。这种情况下,指令字包含寄存器数(例如一个寄存器地址)。寄存器中包含用于指令中的存储器数据的地址。这种

寻址方式叫做寄存器直接寻址。寄存器的内容指向存储器中的数据。

内部处理器总线 内部处理器总线使数据在内部存储器间移动。总线是一套分组的电导线,它能在CPU 的功能块间传送数据、地址和控制信息。当两个寄存器连到总线上时,源寄

存器中的数据可传到目的寄存器中。

控制器 控制器提供了程序周期内取自寄存器每条指令的控制信号的适宜顺序。一个总程序周期是由许多指令周期组成,每个指令周期可分为它部件的机器周期,每个机

器周期由许多时钟周期组成。

例如图3-1A-4,为了取回一条指令,程序计数器中的地址放到在时钟周期C1上升沿的外部总线的地址线上。同时,利用控制线上的一个代码,CPU 通知所有连接到总线上的设备,

即CPU 正执行一个“操作码取回”的机器周期。存储器允许存储器寻址去选择包含指令的存储器单元。在C2段,控制器将“读”命令放到控制总线上,允许存储器数据放到数据线上。

然后在C3段,控制器将数据选通到指令寄存器中,并从控制总线再移动读命令。在C4段,控制器在地址总线上再移地址并开始译指令的操作代码部分,来看一看执行需要说明步骤。译

码操作或许会在“操作码取回”机器周期的末端花费几个更多的时钟周期。

外部提示请求 停止正常的指令处理顺序往往是必要的。一种外部提示请求是复位请求。在不可恢复故障的情况下,计算机系统可要求自身复位。这带来的影响是初始化系统中

所有重要寄存器,并从标志存储单元–––通常是0单元开始执行指令。

在正常事件过程中更通常的启动服务是中断请求。来自外部设备的一个中断请求信号可使CPU 立即执行实施必要动作的服务子程序。当完成服务子程序后,处理器将从最初被中

断的地方继续执行。

第三种类型的输入是总线请求,或直接存储器寻址请求。有一个终端接口来存储正文的所有特征,直到接到一个“回车”。然后,接口请求使用系统总线,此时,数据以尽可快的

速度被传递给存储器。这种方式下,处理器仅变为停止,直到传递完成。

总线

总线是计算机系统最重要的通信系统。在CPU 控制下,一个数据源设备和一个数据目的设备被允许在短时传输下连接到总线上。

外部处理器总线 内部处理器总线通过位于微处理器集成电路上的一组总线缓冲区连接到外部处理器总线上。

系统总线 微计算机板能够通过一个连接器与外部系统总线相联而能与其他板进行通信。

计算机输入和输出

CPU 外部的一组寄存器是与输入/输出系统有关的。I/O 系统在接口处利用控制、地址、数据线通过I/O 寄存器来与外部处理器总线连接。有两种方法用于寻址I/O 寄存器。

第一种方法,称为I/O 映射的输入/输出,操作码本身有专门的I/O 指令,寻址在接口中称为I/O 口的标号寄存器。

第二种寻址I/O 寄存器的方法给出了位于CPU 寻址寄存器范围内的I/O 口地址。这叫做存储器映射的I/O 。当然,没有任何存储器单元在同一寻址下作I/O 单元。

存储器映射方法的益处之一是存储器寻址方式的全部范围可用于I/O 寄存器寻址。

B 计算机与网络基础

计算机系统的组成

在说明了什么是计算机之后,让我们在来看一下计算机的定义:计算机是一种能接收、存储和处理数据,并能产生输出结果的快速、精确的符号加工系统,这一系统是在存

储指令程序控制下工作的。本文说明为什么计算机是一个系统以及计算机是如何组成的。系统的主要部件包括输入设备、处理机和输出设备。现在详细介绍每一部件。

输入设备 计算机系统使用多种输入设备。其中有些输入设备直接进行人-机通信,另一些则首先要求把数据记录在诸如磁性材料那样的输入介质上。常用的是读取以磁化

方式记录在专门涂敷的塑料带或软盘上的数据的输入设备。直接输入设备有与计算机的工作站直接连接或在线连接的键盘,以及鼠标器、输入器、触摸式屏幕和话筒等。不论使用哪种设备,

所有这些都是人与计算机系统之间的解释和通信的部件。

中央处理机 中央处理机(CPU )是计算机系统的核心。一台典型计算机的CPU 由三部分组成:主存储器部分、算术逻辑部分和控制部分。不仅个人计算机如此,各种规模的计

算机的CPU 都有这三部分。

输出设备 与输入设备类似,输出设备也是人与计算机系统之间的解释和通信的设备。输出设备从CPU 中取出机器代码形式的结果,然后将其转换成(a )人们可读的形式(例

如打印或显示报告)或(b )另一处理周期的机器输入。

在个人计算机系统中,常用的输出设备是显示屏和台式打印机。比较大型的计算机系统通常要配备更大、更快的打印机,多台在线工作站和磁带机。

有时也将输入/输出设备和辅助存储器称为外围设备,这是因为这些设备不属于CPU ,但又位于CPU 附近。

操作系统

操作系统朝着两个主要目标已发展了三十多年。第一,为程序的开发和执行提供了一个方便的环境。第二,操作系统试图通过对计算任务的调度以确保计算系统的良好性能。

操作系统必须确保计算机系统的正确操作。为避免用户程序影响系统的正常操作,对硬件进行修改以建立两种方式:用户方式和监控方式。各种指令(如I/O 指令,HALT 指令)

被赋予特权,只能在监控方式中执行。监控程序存放在内存,同样业应避免用户对其修改。另外采用一个时钟避免无限循环。这样,一旦基本的计算机系统发生了变动(两种方式,特权指令,

存储器保护,时钟中断),仍有可能写出正确的操作系统。

正如我们前面所说,操作系统对于生产它们的厂家及其运行的硬件环境通常是唯一的。一般,安装一台新计算机的同时购买了与该硬件相应的操作系统。用户需要有效地支持其

处理任务的可靠操作软件。

尽管各厂家的操作软件各不相同,但都具有类似的性能。现代硬件系统,由于其复杂性,需要有操作系统来满足某些特定的标准。例如,考虑到该领域的现状,操作系统应支持某

种形式的联机处理。通常,与操作软件相关的功能有:

作业管理;

资源管理;

I/O 操作控制;

错误恢复;

存储器管理

计算机网络

分布式计算机系统间需要进行通信有许多原因,例如在一个国家内,处于各地的计算机使用公共通信设施交换电子信息(邮件),从一个计算机向另一个计算机传送文件。

同样,在一个局部区域内,例如在一个大楼或机关内,分布式的计算机工作站间使用局部通信网络访问昂贵的共享资源,例如打印机、复印机、磁盘和磁带等,这些设备也由计算机管理。

很明显,随着基于计算机的产品和相应的公共和局部通信网络的激增,计算机-计算机通信也将得到迅速的发展,最终将在分布式系统中占统治地位。

虽然相互通信的计算机间的实际距离因应用类型不同有很大变化,但一般来讲,任何一个计算机通信网络的核心数据通信设备,这些设备可以是PSTN ,专用LAN 或很多这种网络

的互联系统。但是如果不考虑数据通信设备的类型,那么为处理相应的与网络有关的协议,需在联网的计算机上配备很多硬件和软件。一般来讲这些都与跨网通信信道的建立,与通过该信道

的信息流控制有关。提供这种设备仅是网络要求的一部分,但是在很多应用中,通信的计算机类型可以不同。这表面它们可以使用不同的编程语言,而更重要的是可以使用不同的操作系统,

因而用户应用程序(通常叫做应用处理程序或AP )与基本通信服务程序之间的接口也不同。例如,一台计算机可能是小型单用户机,而另一台可能是大型多用户系统。

Unit 2

A : Interface to External Signals and Devices

自治的外部设备和信号由于没有与总线兼容的信号也没有与系统总线信号的暂时关系(注:实际上是指没有暂存器)就无法与系统总线直接相连。与系统总线的通信是由输入输出接口来

完成的。输入输出接口的主要目的是将数据在处理器与独立的外部设备之间转换并将数据按为处理器能识别的方式进行转换。接口的其他功能包括:电气绝缘、信号放大、噪声去除、数据暂

存或者数据格式转换。

在某些情形,使用如图Fig. 3-4B-2所示的握手信号(用于请求、允许和转换的信号序列)是必须的。一旦信号是可用的,外设就会关闭信号可用线并将数据选通至接口。同时,状态寄

存器给出‘就绪’标志,通知CPU 数据已经可用。为了得知外设是否就绪,CPU 必须不停地轮询接口(读状态寄存器)并最终锁存数据。

随着高精度转换器发展就产生了双积分模数转化器。在该种转换器中,一个未知的正值(常数)输入电压U i 加至一个电子积分器上,该积分器从零电压开始积分,时间为固定的T ,从而

产生一个斜率与U i T 成正比的正向斜坡电压。然后去掉U i , 对一个已知的负常值参考电压U 积分一产生一个下降的斜坡。这第二个斜坡信号从参考电压作用时算起在U i T/ U 秒过零。这个时间

通过一个高速计数器来测量, 由于T 和U 都是常数,计数器所计的数就与输入电压成比例。如果输入电压等于参考电压,,两个积分时间就相等,计数器就达到最大值。 这种转换器通常线

性度很好,转换精度达到20位,但是转换时间相对比较长。 在高速转换性能的范围内,并行(闪速)转换器可以提供高达100MHz 的转换速率。该转换器的实现原理是,为每一份量值为输入模拟电压除以21

N 的电压提供一个内部参考电

压。输入模拟信号立即与所有的参考电压通过一串高速比较器进行比较,高速比较器用于产生二进制输出。由于该类型的A/D 所需要的元件的数量比较多、要求的质量比较高,通常都是8位

或者更低位。闪速转换器通常比较昂贵。

在模拟量转换系统中在模/数转换器的前端通常都会有一个采样-保持电路。在逐次逼近转换器中一个固定的输入特别重要,因为在一个转换周期中输入要和参考值比较好几次。

如图Fig. 3-4B-5所示的多路开关在概念上如同一个旋转开关,在处理器的控制下可以旋转寻址任意一个输入通道。多路开关可以用机械开关或者固态器件(例如CMOS )开关构成。多路

开关的输入端可以有多种输入连接方式,例如单端连接或者差分连接。当信号值是相对地而言的,则使用单端连接。当我们对两个电压的差感兴趣时(例如一个应力传感器桥的两个桥臂的电

压差)则使用差分连接。

B: The Application of Computer

计算机取代了过去是需要人的特殊技巧和知识的工作。例如,控制生产过程、操纵机器、检查产品质量、生产计划管理和库存管理等等,一切都是自动的且效率和精度都很高。在数控系统、PID控制系统、伺服系统、群控系统、最优和自适应控制系统中,计算机都是作为一个中心控制单元,进行与过程自动控制有关的各种运算并对系统中的其他单元进行调度。CIMS(计算机集成制造系统)不仅包含生产控制系统而且还包含了生产规划和管理系统,其目标是集成工厂自动化(FA)和办公自动化(OA)并为整个公司构成一个计算机网络。HIMS(人集成制造系统)是计算机控制的一种高层形式。虚拟现实技术通过使用高性能计算机以及特殊的软件来为操作员创立一个虚拟的空间。

虚拟的计算机仿真是建立在能够代表要研究或检查的对象的数学模型之上的。该数学模型包含了一组描述了对象内在过程的数学方程。一个计算机仿真程序包含了从以上方程推导出来的算法。许多的计算机仿真系统已经开发出来并且证明是性能价格比高的。之所以这样,是因为通过使用计算机仿真,工程师们可以反复地运行过程,每次输入不同的策略和参数(进入计算机模型)而无须构造真实的模型。

机器人中的控制器大多数情况下都是计算机,从微处理器到小型计算机。数字控制与伺服控制被广泛使用。他们都可以重复编程,以产生一系列的指令用于机器人的动作与行为。例如。控制器将系列脉冲送到机器人手臂关节的步进电机使其转动如程序所要求的角度。当所有的关节都用该方法驱动,机器人就可以达到所希望的位置和姿势。且终端执行机构就如控制器所指示的那样工作。动作的精度由控制器来决定。

CAD是这样的软件,可以帮助工程师设计新产品、建筑、印刷线路板、桥梁和机场等土木工程;使他们从绘图等繁琐、累人和费时的工作中解脱出来。当工程师们着手设计时,他们要参考很多的有关结构、零件、材料和辅助材料的手册以作为他们设计的选择。CAD产品将以上内容的手册放在一系列的软件库中,因此可以给工程师提供各种信息,例如,元件、部件、工具和材料的名称、尺寸、功能、性能、规格、形状、颜色、制造商、价格等,所有这些都是工程设计所必须的。

CAM是工程师们用于分析产品和项目的软件,它能给出制造或者构造产品或者项目的建议。表示产品形状、尺寸、结构、组成和制造材料的数据、图形和表格等将按软件的需求输入。接着,CAM软件将给出加工的建议,例如,加工程序、加工所用的工具与设备、技术参数(如,公差、加工精度)以及特殊处理过程等。

人工智能(AI)是计算机科学的一个分支。其目的是提出一定的理论和方法以创建“智能”计算机程序,这些计算机程序象人一样工作,而不是使使用者囹于呆板的计算机为中心的工作方式。从模拟的意义上来说,将人类智能加在计算机程序中使其具有更广泛的能力,例如,思考、推理和获取知识,并将其用于解决目前计算机所不能解决的更复杂、更困难的问题。

专家系统是人工智能领域最为成功的例子。一个专家系统面向人类专家的特殊的专门工作并能提出建议以解决用户给出的问题。专门的知识组织在知识库中供用户检索。当今,已经有许多的商业专家系统且还有许多正在开发。

UNIT3

A PLC概述

许多不同的过程控制系统的自动化,如控制生产机械或工厂生产线,由被称为可编程逻辑控制器(PLC)的小型计算机完成。1968年,通用汽车公司首创PLC并应用于汽车工业,并开发第一个PLC工程,用电子控制器替代硬接线的继电器系统。

-

随着PLC的出现,工厂过程控制的集中化,尤其在汽车工业中,得到了大幅提高。

PLC 的架构

PLC是一个无盘的紧凑计算机,包含所有过程控制必需的软硬件。他们通常用于自动化控制应用(如闭环控制),可以独立存在,也可以连到分布I/O,其他PLC或者监控计算机。这些连接通过现场总线建立,如WorldFIP, PROFIBUS 或者 Ethernet.

典型的PLC包含:

电源

程序运行的CPU

输入输出模块

可选通信模块

可用IO模块支持很多电气接口:

模拟模块 (+/- 10V, +/- 1V, 4-20ma, 电阻,等)

温度测量 (pt100, Ni 100, 等).

数字模块 (+/- 24V, 220V, 等.)

TTL 模块 (Beckhoff I/O 模块, 等.)

RS 232 模块

其他

这些模块可以连接到PLC的内部总线上,也可以通过总线连接器和现场总线单元(如PROFIBUS, WorldFIP or CAN)连接,并于其他PLC共享总线。

用户的硬件很难和PLC内部总线直接连接。解决的方案是使用特定接口卡(如HMS的AnyBus卡)作为标准现场总线接口(如PROFIBUS, CAN, and WorldFIP)集成用户硬件。

现在,PLC提供基于以太网的通信。尽管基于TCP/IP 和 IEEE 8

02.

2,每个厂商的PLC协议都不同。因此,默认情况下,不同厂商的PLC不能通过以太网交换数据。但是,施耐德的的PLC拥有接口库,可以用西门子PLC实现RFC10

00,也可以使用OPC DX服务器,SCADA应用,或者特定通信接口卡,如APPLICOM one,作为网关。

基于PLC的方案可以很好用于两层控制体系架构中,前端层独立于监控层。过程控制(输入输出,读出,闭环控制等)既不依赖于网络,也不依赖于远程电脑,它更为安全。

PLC具有长期可用性,并得到支持:通常情况下,老的软硬件可以得到各自制造商的至少10年的支持。

PLC 操作

PLC使用制造商提供的特定操作系统。操作系统处理:

CPU状态 (开始,停止,初始化, 等);

用户程序的调用

中断

内存

和编程设备和其他通信设备通信

PLC采用轮询的方式执行精确的循环。循环包括连续执行的三部分(如图3-3A-2所示):

读输入状态。PLC内核读取所有输入模块,并把数值复制到内部输入内存区域

执行用户程序状态。PLC内核访问所有PLC内存区域,执行用户程序。并把执行结果存贮在内部输出内存中。

写输出状态。PLC内核复制内部输出内存内容到输出模块。

源代码由供应商特定的集成开发环境生成。通常他们由一系列工具组成:

设置管理应用

设置分配硬件参数

设置总线和连接设备

设置通信链路

为PLC创建用户程序

下载程序并测试

用户程序可以用国际电工委员会的IEC 1131-3推荐的五

种语言中任何一种完成。IEC 1131-3是一个试图在一个国际标

准之下涵盖PLC编程语言的世界标准。它通过对编程接口的标准

化,协调人们看待工业控制的方式。包括用来构建程序内部组

织的顺序功能图定义和其他四种内部操作语言:梯形图、功能

框图、结构文本和指令表。前三种语言是图形化的,后两种是

文本的。每个生产商都有自己的专用语言。

通过模块化和变量的定义,每个程序都得以结构化和简化,增强了可用性。此外,IEC 1131-3定义了控制系统的组态方式。但是,在语言方面有些不同。源代码并非100%兼容。主要问题在于硬件寻址和PLC 内核(操作方式,如何处理中断,如何调用用户程序等)

大多数PLC 供应商属于PLCopen 组织,它是一个独立于生产商和产品的世界协会,致力于通过寻求IEC 1131-3开放软件开发标准,为PLC用户带来更多的价值。

今天的 PLC

随着PLC 技术的发展,编程语言,通信能力和其他很多性能都进一步提高。现在的PLC 提供了更快的扫描时间,更高效的利用内存空间,高密度的I/O系统和非传统设备直接连接到PLC 的特殊接口。它们不但可以和其他控制系统进行通信,还具有执行报告功能,诊断自身、机器或过程的故障。

通常用大小来对现在的PLC进行分类,它标志着适用的具体应用的特点和类型。小型化的,非模块化的PLC,也被称为固定IO的PLC,通常内存更小,适合I/O数量不多的固定场合中。模块化PLC拥有背板或导轨,可以用来安装多个I/O模块,适用于更复杂的应用中。

PLC具有如此多的优点,显而易见,它们已经成为一个工业标准,并将在未来继续它们的辉煌。

面,从I/O读写速率到控制器上各个线程的优先级。

B PAC?新一代工业控制系统, 可编程自动化控制的未来

随着许多厂商已生产出能结合PC功能和PLC可靠性的可编程自动化控制器(PAC),目前控制系统已逐渐开始采用PAC。本白皮书介绍PAC的起源以及它与PLC和PC的区别,并指出了使用PAC的工业控制未来发展方向。

PAC将成为未来的工业控制方式

和基于PC控制系统相比,有关PLC(可编程逻辑控制器)优势和劣势的激烈争论已经持续了十年。由于PC和PLC在技术上的差别越来越小,并且随着PLC采用了商业化(COTS)硬件以及PC能采用实时操作系统,从而出现了一种新类型的控制器??PAC。PAC的概念是由自动化研究机构 (ARC) 提出的,它表示可编程自动化控制器,用于描述结合了PLC和PC功能的新一代工业控制器。传统的PLC厂商使用PAC的概念来描述他们的高端系统,而PC控制厂商则用来描述他们的工业化控制平台。

在PLC被开发出来的三十年里,它经过不断地发展,已经能结合模拟I/O,网络通信以及采用新的编程标准如IEC 61131-

3。然而,工程师们只需利用数字I/O和少量的模拟I/O数以及简单的编程技巧就可开发出80%的工业应用。来自ARC、联合开发公司(VDC)以及网上PLC培训资源https://www.sodocs.net/doc/cc16212383.html,的专家估计:

77%的PLC被用于小型应用(低于128 I/O)

72%的PLC I/O是数字的

80%的PLC应用可利用20条的梯形逻辑指令集来解决

由于采用传统的工具可以解决80%的工业应用,这样就强烈地需要有低成本简单的PLC;从而促进了低成本微型PLC的增长,它带有用梯形逻辑编程的数字I/O。然而,这也在控制技术上造成了不连续性,一方面80%的应用需要使用简单的低成本控制器,而另一方面其它的20%应用则超出了传统控制系统所能提供的功能。工程师在开发这些20%的应用需要有更高的循环速率,高级控制算法,更多模拟功能以及能更好地和企业网络集成。

在八十和九十年代,那些要开发“20%应用”的工程师们已考虑在工业控制中使用PC。PC所提供的软件功能可以执行高级任务,提供丰富的图形化编程和用户环境,并且PC的COTS部件使控制工程师能把不断发展的技术用于其它应用。这些技术包括浮点处理器;高速I/O总线,如PCI和以太网;固定数据存储器;图形化软件开发工具。而且PC还能提供无比的灵活性,高效的软件以及高级的低成本硬件。

然而,PC还不是非常适合用于控制应用。尽管许多工程师在集成高级功能时使用PC,这些功能包括模拟控制和仿真、连接数据库、网络功能以及和第三方设备通信,但是PLC仍然在控制领域中处于统治地位。基于PC控制的主要问题是标准PC并不是为严格的工业环境而设计的。

PC主要面临三大问题:

稳定性:通常PC的通用操作系统不能提供用于控制足够的稳定性。安装基于PC控制的设备会迫使处理系统崩溃和未预料到的重启。

可靠性:由于PC带有旋转的磁性硬盘和非工业性牢固的部件,如电源,这使得它更容易出现故障。

不熟悉的编程环境:工厂操作人员需要具备在维护和排除故障时恢复系统的能力。使用梯形逻辑,他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态,并能快速修补受影响的代码以快速恢复系统。然而,PC系统需要操作人员学习新的更高级的工具。

尽管某些工程师采用具有坚固硬件和专门操作系统的专用工业计算机,但是由于PC可靠性方面的问题绝大多数工程师还是避免在控制中使用PC。此外,在PC中的用于各种自动化任务的设备,如I/O、通信、或运动可能需要不同的开发环境。

因此那些要开发“20%应用”的工程师们要么使用一个PLC无法轻松实现系统所需的功能,要么采用既包含PLC又包含PC的混合系统,他们利用PLC来执行代码的控制部分,用PC来实现

的主要问题是该系统常常难以构建,排除故障和维护。系统工程师常常被要结合来自多个厂商软硬件的工作所困扰,这是因为这些设备并不是为了能协同工作而设计的。

构建更好的控制器

由于没有适合的PC或PLC解决方案,那些需要开发复杂应用的工程师就和控制厂商密切合作开发新的产品。他们需要新产品能结合PC的高级软件功能和PLC的可靠性。这些重要用户为PLC和基于PC控制的公司提供了产品开发指导。

实现软件的功能不仅需要有高级的软件,而且控制器的硬件功能也需要有所提高。由于世界范围内对PC部件的需求在下降,所以许多半导体厂商开始为工业应用重新设计他们的产品。目前控制领域的厂商已开始在工业控制产品中使用工业化浮点处理器、DRAM、固态存储器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。这使得厂商能利用基于PC控制系统的灵活性和可用性来开发更为强大的软件,而且该PC控制系统还可运行实时操作系统以保证可靠性。

这种新的控制器是为解决“20%”的应用问题而设计的,它结合了PLC和PC两者的优点。ARC的工业分析家把这种设备称为可编程自动化控制器,即PAC。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中,他们给出了PAC的五个主要特性。这些控制器特性是通过定义软件的能力来实现其功能的。

1.“多功能性,在一个平台上有逻辑、运动、PID控制、驱动和处理中的至少两种以上功能。”除了为了实现特殊的协议如SERCOS要对I/O做一些改进;而且软件还能提供逻辑、运动、处理和PID的功能。例如,运动控制作为软件控制循环,它能从正交编码器上读取数字输入,执行模拟控制循环并输出控制设备的模拟信号。

2.“单一的多规程开发平台使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。”由于PAC是为更为高级的应用如多功能而设计的,他们需要更为高级的软件。为了能高效地设计系统,软件必须是单一的集成化软件包,而不是多种分离的软件工具,这些软件工具在工程上不能无缝地协同工作。

3.“通过结合IEC61131-

3,用户向导和数据管理,软件工具能设计出在跨越多个机器和处理单元的处理流程。”简化系统设计的另一方面是具有高级的图形化开发工具,利用该工具可以使工程师很轻松地把处理的概念转变为能实际控制机器的代码。

4.“开放的模块化构架能解决的工业应用可从控制分布于工厂机器到加工车间的操作单元。”由于所有的工业应用都需要有高度的定制特性,所以硬件必须是模块化的以便工程师们可以选择合适的部件。而且,软件也必须能让工程师增加和拆除模块以设计出所需的系统。

5.“采用已有的网络接口标准,语言等,如TCP/IP,OPC&XML和SQL查询语言。”能和企业的网络通信对于现代化控制系统是非常关键的。尽管PAC包含有以太网接口,但是为了要把设备和工厂其它系统无问题地集成在一起,通信软件是至关重要的。

两种不同的软件解决方案

一方面软件是PAC和PLC主要的区别,而另一方面厂商在提供高级软件的方式上也有所不同。通常他们以目前已有的控制软件作为起点,不断增加PAC编程所需的功能、可靠性和易用性。一般说来,有两种提供PAC软件的方式:基于PLC控制的软件和基于PC控制的软件

基于PLC概念的软件方案传统的PLC软件厂商以可靠且易用的扫描式架构软件为起点,并逐渐增加新的功能。PLC软件根据通用模型而建立:输入扫描,控制代码运行,输入更新,以及常规功能执行。由于输入循环,输出循环和常规循环都是隐藏的,所以控制工程师只需关注控制代码的设计。由于厂商已完成了大部分工作,这种严格的控制架构使得建立控制系统更为容易和快速。这些系统的严格性也能让控制工程师在开发可靠的程序时无需深入了解PLC的底层操作。然而,作为PLC主要优势的这种严格的扫描式构架也导致其灵活性的欠缺。

-

绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新的功能来建立PAC软件,这些新功能包括以太网通信,运动控制和高级算法。然而,通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及其在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型应用而设计的,如逻辑,运动和PID,但是对于定制的应用则缺乏灵活性,如通信、数据记录或定制的控制算法。

基于PC概念的软件方案传统PC软件厂商以非常灵活的通用编程语言为起点,能提供对硬件的深层次访问。该种软件也具有可靠性、确定性以及预设的控制架构。尽管工程师能为PLC 编程人员建立起扫描式构架,但是它并不是基于PC的软件所固有的。这些使得PC软件极为灵活,非常适合那些需要高级的架构、编程技巧或者系统级控制的复杂应用,但却使本应简单的应用复杂化。

这些厂商首先要能提供通用操作系统如Windows所不具备的可靠性和确定性。它们可以通过采用实时操作系统(RTOS)如来自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks来实现。这些RTOS能控制系统的各个层面,从I/O读写速率到控制器上各个线程的优先级。然后为了使工程师能更为容易地开发出可靠的控制程序,厂商增加了抽象层和I/O读写架构。因而这种灵活软件非常适合于定制控制,数据记录和通信,但舍弃PLC编程架构的代价是使程序的开发难度增加。

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。

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。

B 了解数字信号处理器和它的用途

数字信号处理器(名词)

数字信号处理器是一种超高速单片计算机,它已被优化以用于一些现实信号如语音、视频、音乐等等的实时检测、处理和产生。它通常在一块单芯片或一块集成电路的一部分中实现,大小大约是0.5-4cm2 ,价格在3-300美元之间,在每台移动电话、MP3播放器和大多数汽车上都有它。

与之比较,微处理器(我们可能都比较熟悉的术语)是一个传统意义上能力很差的计算机,它在后台执行任务,常常控制其他设备一例如键盘入口、中央供热、洗衣机的旋转等等。说到这里,一块奔腾3芯片与其说是一个DSP 不如将其归类到微处理器系列去,然而它以超过1GHz 的速度运行,这不能说能力很差。

当前,微处理器和数字信号处理器两者的任务界限已经变得模糊了-也许协同工作会更好.现在很多所谓的数字信号处理器有微处理器的功能,而许多所谓的微处理器在工作时又有数字信号处理器的功能。要按应用来分辨DSP与微处理器可能不是最好的方法。实际上,它们两者主要的不同存在于它们的内部芯片结构。DSP 器件对高速、高精确度的乘法进行了特殊的优化。

数字信号处理(动词)

数字信号处理就是处理真实世界生成的信号或者处理即将输出到真实世界的信号,这些信号用数字表示。也就是说 ,DSP的完整应用有两部分:从真实世界信号(模拟语音、音乐、视频、引擎速度、地震)到数字信号处理器所能处理的数字值的转变,即模/数变换过程。从DSP所产生的数字值到现实信号的模拟值的数/模变化。这个过程如图3-5B-1所示。

对数字信号处理而言,最根本的是,任何真实世界的信号如音乐信号,都能精确地由它的周期采样值表示(Nyquist对这个规律总结了一个公式)。这些采样样本能够转变成数字形式(例如在这个采样点表示音乐的音量),这些数字能用二进制的形式表示。我们现在生活在计算机和软件的世界中,在这个世界中,二进制数字的处理就好比是面包和黄油,不可缺少。

如果我们用同一个量对所有数值进行缩放,然后把它们转变成电压样值去驱动耳机或者扬声器,就实现了一个DSP的音量控制。从另一方面来说,如果用不同的量来缩放这些样值,这就实

现了一个简单的音频FX处理器。

对数字信号处理而言,这些只是非常简单的任务,甚至还没开始利用它的处理能力。一个更具挑战性的例子是图解均衡器。它按照频率来改变音乐源各个分量的音量.应用一个图解均衡器需要使用滤波器变换来把信号分离到各个频带,分别标度每一个滤波段,然后把每一段加起来后送到输出端。

数字滤波对一个DSP来说轻而易举,但是实际上涉及到相当多的计算。例如,保存连续的样值,并对每一个值进行单独缩放,然后求和来完成即使是最简单的滤波器功能。为执行任务,数字信号处理器和它的指令集被优化过(这是DSP与微处理器的不同之处), 在大部分DSP器件上,仅仅使用三行代码就能真正地实现这个功能。

数字信号处理器简史

在20世纪60年代,DSP硬件使用分立元件,因为价格高和体积大,它的应用仅仅可能是为非常特殊的要求作验证(或者庞大的预算研究程序)。在70年代,出现了一些 DSP子系统的单片集成电路,主要用于数字乘法器和地址发生器(见第3章),并且使用位片微处理器可以实现DSP系统。DSP技术开发的突破出现在1979 年,当时Intel发明了2920,这是一片40针DIP封装完整的信号处理器件,带有片内程序EPROM、数据RAM、A/D和D/A 转换器, 并且它的结构和指令集非常强大,足以应用于一个全双工的1200bps的调制解调器。紧接着,1982年德州仪器公司在

市场投放了TMS32010 。

从Intel2920开始,一共出现了五代通用信号处理器件,第六代也已被发布。最新一代数字信号处理器件的处理能力是早期2920器件处理能力的100000倍,所有这一切只用了20年的

时间。

今天,所有主要的半导体器件厂家都已经发布了或者正在开发DSP产品。这反映了从20世纪80年代后期到现在21世纪,他们对DSP器件需求量出现巨大增长充满信心。这与20世纪70

年代微处理器取得伟大成功的历史意义是相同的。

在开始进行信号的数字化处理中,语音分析曾是DSP发展的驱动力。在语音处理系统里,使用模拟技术,滤波器对误差的苛刻要求就得不到保证,这主要由于模拟技术存在温度漂移、元件误差和老化等问题。与之相比,数字处理运算只不过是对二进制数字进行乘、加、减等等,得到的结果完全可预测和可复制。再加上使用单个低功率器件,就能完成多重模拟处理的任务,这是DSP

成为几十亿美元产业的原因。

DSP用在哪里

表3-4B-1列出目前DSP的许多应用

PC 调制解调器例子

为了简短回答怎样使用DSP这个问题,我们先来看看用于PC的调制解调器。图 3-4B-2 概括了传输模拟信号的电话电缆、实时信号处理的DSP和非实时信号输入、显示和存

储的计算机之间的差别。

在这个例子中,首先我们看调制解调器的调制(发送)部分,要用 DSP 处理的数据已经是数字形式的,如一个E-mail文件、一个编码的数据文件等等。DSP的任务是把信息的二进制形式转换成适合在电话线中进行传输的形式。不像电脑与打印机之间的连线,电话线不能直接传递二进制数据1和0,至少因为电话线的抗干扰部分是交流耦合的(DC电源通过同一对线加到电话上)。DSP将数据组转换成符号。这些符号是一个载波信号的离散的幅度和相位值,该信号的频率在1800Hz处。在生成这些符号的过程中,用专门的滤波器完成已调信号的整形,以便让尽可能多的数据能够压缩进带宽有限的电话信道。已滤波的符号波形的数字样本通过一个数模转换器和一个抗混叠滤波器(见第4章)进入电话线。

在电话线的接收端,模数转换是DSP部分的入口,在这里,波形被进一步滤波,以去掉电话线里的噪声。在这个阶段, 通常要执行均衡操作,以补偿电话线里的信号衰减和延时。均衡采用自适应滤波器的形式,它按照链路的响应来调整它的特性值。要是没有DSP技术,这个功能就不可能实现。

下一个任务是把符号转换成数据比特组,在把数据传回PC数据总线前,需要进行检错和纠错。

一片只要3美元的DSP就能完成所有的调制解调过程。实际上,最新的DSP器件能在单片中同时实现128路调制解调。这些超级DSP芯片广泛应用于电话交换机和Internet 服务商(ISP)

的调制解调器库中。

UNIT 5

A 初识嵌入式系统

概述

现在像嵌入式这样的术语越来越流行。我们被无处不在的嵌入式系统淹没。现在,问题是,从根本上说,嵌入式系统是什么?我们可以把嵌入式系统定义为“看起来不像计算机的基于微处理器的系统”或者可以说“设计用来执行特定功能的计算机硬件、软件和附加的机械的或者其他部件的结合。在一些情况下,嵌入式系统实大型系统或者产品的一部分,如汽车中的防

抱死系统。”

嵌入式系统包含很多硬件和软件,它们执行宿主系统的特定功能,例如,卫星,洗衣机,机器人,手持电话和汽车。

调制解调器,硬盘驱动器,软盘驱动器和声卡都是嵌入式系统。每个设备都包含处理器和软件,并执行特定功能。例如,调制解调器用来通过模拟电话线发送和接收数字数据。其他设备也都可以用一句话来概括。如果嵌入式系统设计精良,用户可以完全忽略处理器和软件的存在。这样的例子包括微波炉,录像机或者闹钟。在一些情况下,甚至可以制造功能相同的设

备而不包含处理器和软件。

嵌入式系统的特性

当嵌入式系统进入发展阶段,它们变得越来越复杂。此外,这些系统不断增加的新特性具有智能化的特点。嵌入式设备不但能完成工作,而且能够智能地工作。这些特性是:计算能力:这些设备具有一定的计算能力。非常简单的8位控制器或者高端64位微处理器都能提供这样的计算能力。

内存:下一个是内存。这些设备拥有处理器使用的一定数量的内存,其他一些内存用来存储用户数据和参数选择。

实时性:所有设备必须在规定时间周期内,对用户/环境的收入做出反应。

通信:设备必须能够接受外部其他设备的输入,进行处理并为其他设备或用户提供可靠的输出。

动态决策:根据外部环境或传感器的输入变化,系统应该能够改变下一步行动。

嵌入式系统应用

在我们日常生活中,嵌入式系统是那些隐蔽却很重要的应用。它们是小巧、迅捷、智能的微处理器,存在于打印机,电话答录机,电梯,汽车,点钞机,电冰箱,自动调温器,腕表甚至烤箱中。嵌入式系统是消费电子中最先进的技术,它们的“智能化”将彻底改变各种技术。

嵌入式系统应用描述了不同应用中嵌入式系统设计的最新技术。这包括了嵌入式系统设计总最新一些软件工具。嵌入式系统的一些实例如下:

自动柜员机

计算机用打印机

磁盘驱动器

移动电话和电话交换机

飞行器和导弹用惯性导航系统

医疗设备

游戏机

使用PLC处理自动控制和监控的工业机械

汽车用发动机控制计算机和防抱死控制器

腕表

家用电器,包括微波炉,空凋,电烙铁,洗衣机和电视机

家用自动化产品,如自动调温器,喷洒器和安全监视系统

网络设备,包括路由器和防火墙

交通控制,智能交通灯

音乐系统

读卡器

嵌入式系统的好处

以上面的例子为参考,我们看到这么多的系统在为人类服务。不管这些好处是涉及到安全,还是人们的舒适性,实际上,这些智能系统在生活的每个方面都在帮助人们。它们帮助人们开发新技术。嵌入式处理器使得公司在产品和服务上创新,增加产品和服务特色,为用户创造价值,如果没有这种技术,用户价值是不可能实现的。根据市场研究人员的分析,消费者喜欢做事“机灵”的电子设备,如通过红外线向其他设备发送指令;通过编程自动控制和与卫星等相关的超级技术,把远处能量带到身边。这样的系统使得生活安逸舒适。

未来前景

计算机将价格更低,外形更小巧,功能更强大,最终,它们将更加廉价,在几乎每件产品中都能看到它的身影。此外,几乎所有配备电脑的产品都能访问局域网或者互联。

经过下一个十年,众多家用设备将赋予嵌入式系统功能,彻底改造并永远改变它们。像桌面印刷系统和后来的互联网,嵌入式系统是一种将从根本上永远改变广告和营销工作的技术。它也将永远改变产品制造的种类和方式。嵌入式系统使得智能产品的开发和营销称为可能。这些产品能够满足用户的便利性。嵌入式系统的增长标志着工业化的新阶段。

毋庸置疑,嵌入式系统的领域越来越具有挑战性,嵌入式软件的开发问题吸引了产业界和学术界大量研究人员。实际上,嵌入式系统开发投入了大量精力,许多研究人员仍然为

之努力,使系统变得更智能。随着技术进步的快速发展,光明的前景就在眼前。

B 嵌入式系统设计

嵌入式系统基本组成

通常所有的嵌入式系统在其组成部件和要求方面都有很多共同点。下面是这些要求和组成部件:

计算处理能力。这是嵌入式系统主要要求之一。处理过程可以通过微处理器、液压回路或者简单的电气/电子线路完成。处理能力需要能够把用户的要求,外界的变化转化为终端

用户需要的输出。

用来对芯片或者其他电路进行硬接线的处理逻辑呈指数增长,并日益复杂,如果没有软件,实现这么多的功能很难想象。通常做法是成熟的技术用硬件实现,正在发展的技术用软

件实现。

嵌入式系统从外界获得输入,如冰箱,空调有很多功能,像除霜、空气循环,温度控制等。一些高级冰箱带有除臭,检测非工作状态的传感器。

为了计算、调整各种参数,系统需要不同级别的计算能力。要根据所需计算能力水平来选择微处理器。

内存:内存是非常珍贵的资源,很多嵌入式系统都需要它。由于激烈的价格战,每种资源必须加倍小心进行处理。在很多系统中,要为将来扩展留有部分空间。由于嵌入式系统设计的限制,我们不能为它提供PC中的扩展槽。所以,内存必须谨慎处理。除非特别需要,否则不要使用占用大量内存或者复制大量数据结构的算法。

很多嵌入式系统本身没有硬盘或软盘驱动器。在大多数嵌入式系统中无法使用二级存储设备。所以这些系统通常使用ROM和非易失性RAM存储用户代码和参数。

一些程序不需要中止,将永远运行下去。在一些特殊类型的系统中,当出现突发事件或者不可恢复的错误,嵌入式系统将使用看门狗定时器复位系统。

实时性:我们可以把系统定义为对用户、外界或者自身(如定时器)输入做出反应的子系统或者组件集合。通常情况下,输入给定时间和系统反应时间之间存在时间差。在任何系统中,人们很自然地期望系统在特定时间间隔内做出反应。有一些系统,必须满足严格时间(不一定是短时间)要求。这些系统被称为实时系统。这些特性是:“迟到的答案是错误的”。

实时系统可以分为:

硬实时系统:实时系统一旦没有满足最后时限,将引起严重的后果,导致人员财产损失。如飞行器,核反应堆等。

软实时系统:实时系统即使没有满足时限要求,也不会给用户带来很大不便。例如,电视机,DVD播放机或者音乐系统,互联网传输的多媒体流(能够承受数据包的损失)。

基于操作时间限制,实时系统还可以分为快速和慢速系统。

和实时性密切相关的概念是决定性。这也是实时编程区别于日常应用编程的重要概念。实时系统在一定时间内做出响应,

它的行为是可以预测的。从出现输入到出现输出的时间间隔是确定的或者可预测的。它要求系统应该在已知的时间周期内做出反应。

通信元件:嵌入式设备和应用不能作为信息存储的孤岛。它们不能孤立,而需要和其他设备进行通信,执行用户要求的任何操作。这些通信可以通过无线网络协议,如蓝牙,无线

局域网等实现。通信元件给简单的迁入实时系统带来了“智能”。

嵌入式系统其他重要参数包括:

成本:成本是很多嵌入式系统背后的主要驱动因素。这要求设计人员非常注意内存、外围设备等的设计。在大量生产的产品中,这个因素至关重要。

可靠性:一些产品需要正常操作率达到99.999%。但像在烤箱里烤面包就没有这个必要了。可靠性需要设计人员采用一定水平的冗余。

寿命:具有长寿命的产品必须用鲁棒性强并被证明性能优异的元件制造

能量消耗:这个因素已经成为研究本身的一个重要范围。随着移动式设备的大量增加,能量消耗成为关注的热点。移动式设备的设计也是如此,能量消耗必须减至最低。常用的策略包括关闭不需要的外围设备。这些策略非常依赖软件。在编程中移动设备的编程人员越来越注意节能特性。

嵌入式系统设计

嵌入式软件设计,必须建立详细的软件规范,包括

设想系统的外界环境和其它元件

执行过程中的要求,如硬件、内存使用,安全性,错误处理和能量使用

分析实时特性,满足时间限制要求。这需要合理分配处理的程序,安排任务和优先级。

部件之间进行通信所需协议的选择,所选协议正确性和性能的分析

设计中采用先进的方法应该保证达到要求的正确性和可靠性水平

解析嵌入式系统设计中的难点

与其他软件开发比较,嵌入式系统的开发要困难的多,原因如下:

复杂性:嵌入式系统的设计比其他软件困难。

测试:存在很多错误情况,因此修改错误很重要。

规范:嵌入式系统的规范必须逐条细化

领域知识:编程人员必须具有更多领域的知识

错误容限(容错能力):嵌入式系统需要高效的容错能力,所以当出错时,系统至少能部分恢复。嵌入式系统失效通常导致严重的后果(生命财产损失),系统地正确性和可靠

性至关重要。

PART 4 Process Control

UNIT1

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,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,热介质是浓缩流。

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4-1A-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。

前面的段落介绍了控制系统的四个基本元件。它们是:

传感器,通常称为主要元件。

热敏电偶,通常称为次要元件。

控制器,控制系统的“脑”。

终端控制系统,经常为控制阀但不总是。一般其它终端控制元件为可变的速度泵、传送机和电动机。

这些元件的重要性在于它们执行的是在每一个控制系统中所必须的三个基本操作。这些操作是:

测量(M ):传感器和热偶电阻的组合元件经常测量被控变量。

设定(D ):基于测量值,控制器决定怎样维持变量在期望值。

执行(A ):作为控制器决定后的结果,系统必须采取一定的措施,通常有终端控制元件完成。

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值。否则,系统是不可控的且有可能弊大于利。

B 过程控制的基本要素

自动过程控制的重要术语

目前,定义一些用于自动过程控制领域的术语是必要的。第一个术语是被控量,此变量必须维持或控制在某一期望值。在前面的例子中,过程出口温度T(t)是被控量。第二个术语是参考点,即被控量的期望值。操纵量是用于维持被控量处于期望值的变量,在上例中,流量是操纵量。最后,造成被控量偏离参考点的任何变量被定义为扰动或干扰。在大多数过程中存

在许多不同

的扰动。在图4-1A-2所示的热变换器的例子中,入口过程温度Ti(t)、过程流量q(t)、流能量的质量、周围环境、过程流体成分、阻塞等均可能是扰动。在这里重要的是理解在过程控制工业中,大多数情况下,正是因为扰动的存在才需要自动过程控制。如果没有扰动,设计-操作情况将盛行,并且将没有必要不断监测过程。

下面的附加术语也很重要。开环指的是控制器与过程开断的情况。也就是说,控制器并不决定怎样维持控制量在参考点。在开环控制中的另一个例子是控制器采取的措施(A)不能影响测量(M)。的确,这是控制系统设计的一个重大缺陷。闭环控制指的是控制器与过程连接,参考点与被控量比较并决定更正措施的情况。

基于这些术语的定义,自动过程控制系统的对象可陈述如下:自动过程控制系统的对象是尽管有扰动存在,也可利用操作量来维持被控量在其设置值。

调节和伺服系统

在一些过程中,由于扰动,被控量偏离恒定的参考点。调节控制指的是设计的系统补偿扰动。在另一些情况中,最重要的扰动是参考点本身,也就是说,参考点可能是时间的函数(典型的是成批处理),因此被控量必须随参考点变化。伺服控制指的是控制设计的系统达到此目的。

在过程控制工业中,调节控制远远比伺服控制更为普遍。然而,设计这两种控制的基本方法基本是一样的。因此自动过程控制中的很多原理对两者都适用。

传输信号

现在解释几个用于控制系统仪表间通讯的信号。目前,用于过程工业的信号主要有三类,气动信号或气压通常在3到15表压,6到30表压或3到27表压的信号也较常用到。在

管系和仪表图(P&ID)中气压信号的一般表示符号为。电力或电子符号

通常在4到20毫安,10到50毫安的符号也常用到,此符号在P&ID中的一般表示符号为--------。越来越普遍的第三类符号是数字的或抽象的符号(零一)。基于大型计算机、小型计算机和微处理器的过程控制系统的应用是强迫增强此类信号的应用。经常需要把一类信号变换为另一类信号,这由传感器完成。例如,可能需要把一个电信号,单位为毫安变换成一个气动信

号,单位为表压,这由电流(I)-气动(P)传感器(I/P)。框图如图4-1B-1所示。

输入信号在4到20毫安之间,输出信号在3到15表压之间。其他传感器还有:气动-电流传感器(P/I),电压-气动传感器(E/P),气动-电压传感器(P/E)等等。

过程控制所需背景

为使自动过程控制在实际中成功应用,工程师首先必须理解过程工程的原理,因此本单元假设读者熟悉热力学、流体流、热传送、分断过程、响应过程等的过程工程的基本原理。

为了学习过程自动控制,理解怎样处理动态性能也是非常重要的,因此需要建立一套描述不同过程的方程,这就叫做建模。为了做到这一点,需要前面段落提到的基本原理知识和不同方程式的数学知识。在过程控制中,拉普拉斯变换应用非常广泛。这在很大程度上简化了微分方程的求解、过程的动态分析和其控制系统。

学习和实践过程控制的另一个重要“工具”是计算机仿真。

建立描述过程的很多方程式本身是非线形的,因此,求解最精确的方法是运用数字方法,即计算机求解。过程模型的计算机求解被称为仿真。

UNIT 2

A 传感器和变送器

在第一单元中,我们了解了控制系统的四个基本元件是传感器、变送器、控制器和终端控制元件。我们也知道了这些元件执行每一个控制系统的三个基本操作:测量(M)、设定(D)和执行(A)。本部分随着控制器较详细的研究,简单介绍一下传感器和变送器。

传感器和变送器执行的是控制系统的测量(M)操作。传感器产生一个机械的或与测量的过程变量相关的类似的现象。反过来,变送器把这一现象转换为可以传递的信号。因此,信号与过程变量相关。

存在与传感器/变送器组合元件相关的三个重要术语。通过测量的过程变量的高低数值来设定仪表的范围。也就是说,可以考虑使用标有刻度的压力传感器/变送器来测量20表压到50表压

间的过程压力。我们可以说,传感器/变送器组合元件的范围是20~50表压,仪表的测量范围与高低压数值间的范围是不同的。上述的压力仪表测量范围是30表压。总之,我们必须明确高低数值来限定仪表的范围,也就是说,两个数值必须给出,仪表的测量范围与两个数值间的范围是不同的。最后确定,低压数值作为仪表的零点。仪表的零点并不一定就是零,上述例子中,仪表的零点是20表压。

其他工业传感器有:压力、流量、温度和水平面。有时候,获得描述传感器/热敏电阻动态性能的参数对于系统分析是很重要的。一旦得知测量间隔,增益即可容易获得。考虑一个范围为0-200表压得电子压力传感器/变送器,增益被定义为输入变化量除以输出变化量或激励函数变化量除以响应变化量。在这种情况下,输出是电子信号(4~20毫安),输入是过程压力(0~200表压),因此

考虑的另一个例子是范围在100~300°F的气动温度传感器/热敏电阻。增益为

也就是说,传感器/变送器的增益是输出测量范围与输入测量范围的比率。

上述的两个例子表明传感器/变送器的增益是超过其完全操作范围的常量,大多数传感器/变送器都是这种情况;然而,也有一些象用于测量流的微分压力h传感器不是这种情况的例子。微分压力传感器冷处理孔处的微分压力。微分压力与测定体积流的速率F的平方有关,即。

描述当测量范围为0~Fmaxgpm的测定体积流时,输出信号形式为微分压力热敏电阻的公式为

式中输出信号,毫安

测定体积流

从等式中可知,变送器的增益获得如下:

标称增益为:

此表达式说明增益不是常量,而是一个时间的函数。流量越大,增益越大。明确的说,

因此,实际上增益在零到两倍标称增益间变化。

在流体控制系统中这就造成了非线性。目前,大多数生产厂家均提供产生潜入变送器的嵌入式开方器的微分压力热敏电阻。

大多数传感器/变送器的动态响应比过程快,因此,时间常数和空载时间经常被忽略,从而传递函数有纯增益给出。然而,当考虑动态特性时,一次或二次系统的仪表传递函数通常表示为

B 终端控制元件和控制器

控制阀

控制阀是最普遍的终端控制元件。在过程工厂中,控制阀被用于操纵流量,从而使控制量维持在设定值。在本节中,应用于过程控制的控制阀的许多重要方面被介绍。

在管道过程系统中,控制阀作为可变阻尼,通过改变口的大小来改变流量阻尼和流量本身的大小。控制阀的作用就是调节流量。本部分介绍控制阀的作用(故障条件)、控制阀尺寸和它们的特点。

选择控制阀时工程师必须回答的问题是:当能量传递到控制阀时,怎样做能使其失效。此问题涉及到阀门的失效点。回答此问题主要考虑或应该考虑的是可靠性。如果认为出于安全考虑,阀门应该关闭,那么必须指定“无信号则关”(FC)的阀门,另一种可能是“无信号则开”(FO)的阀门,当能量提供失败时,

此类阀门将打开,不再节流。大多数的控制阀是气动操作,因此,提供能量的是空气压力。无信号则关的阀门需要能量来打开,因此被指定为“气开”(AO)阀门。需要能量来关闭的无信号则开的阀门被指定为“气关”(AC)阀门。现在举例说明控制阀作用的选择。此例是如图4-2B-1所示的过程。

在此过程中,通过操作到达热交换器的蒸汽流来控制过程流的出口温度。问题是:当空气供应失败时,我们想让蒸汽阀做什么?

如前所述,想让蒸汽阀到达最安全的情况。看上去最安全的情况可能是使蒸汽流停止的位置;也就是说,在不安全的操作中,不希望有蒸汽流过,这就意味着应该指定出故障时自动关闭的阀门。在决定中,我们并没有考虑关闭阀门后不能加热流体的后果。在某些情况下,可能不会有什么问题,然而,在另一些情况下,就不得不考虑。另一个例子,考虑一个气体是维持某种聚合物温度的例子。如果蒸汽阀门关闭,在交换器中温度将下降,聚合物可能固化。在此例中,可能希望无信号则开阀门提供最安全的情况。

注意,这一点很重要,在此例中仅仅考虑了热交换器周围的安全情况,这并不一定是最安全的全局操作,也就是说,工程师应从整个工厂着眼,而不是仅注意某一台设备。必须看到对蒸汽和过程流流过的热交换器和其他设备的影响。再说一遍,必须考虑整个工厂的安全。

反馈控制器

此部分介绍最重要的工业控制器。强调了其参数的物理意义,旨在理解其如何工作。此介绍对于气动电子控制器和大多数基于微处理器的控制器均适用。

简单的说,控制器是控制回路的“脑”。如第一单元所述,控制器是控制系统中起决定作用的设备。为了做到这一点,控制器:

比较来自热敏电阻和控制器变量的过程信号和参考点

为了维持控制变量在其参考点,给控制阀或其他任何控制元件发送适当的信号

考虑如图4-2B-1所示的热交换器的控制回路。如果热流的出口温度超过其参考点,控制器必须关闭蒸汽阀。由于阀门是气开(AO)阀,控制器必须降低其输出(气压或电流)信号(看图中箭头)。为了做到这一点,控制器必须设定为反作用。一些生产者把此作用指定为衰减,也就是说,控制器输入信号有一增量,那么控制器的输出信号会产生一减量。

考虑如图4-2B-2所示的平面控制回路。如果液面超过参考点,控制器必须打开阀门使液面返回到参考点(看表中箭头)。为做到这一点,控制器必须被设置为正作用,也就是说,在控制器的输入信号加一增量,那么控制器的输出信号会产生一增量。

总之,为确定控制器的作用,工程师必须了解:

控制的过程要求。

控制阀或其他终端控制元件的作用。

两个条件必须均考虑。读者会自问,平面控制器的正确作用是否是运用气关(AC)阀门或用入口流量代替出口流量来控制平面。在第一种情况下控制阀作用变化,而在第二种情况下,控制阀作用是控制变化的过程要求。

控制器作用通常被设置为气动或电子控制器方面的开关,或大多数基于微处理器的控制器方面的配置位。

UNIT3

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:(4-3A-1) 或 (4-3A-2)

式中

控制器的输出,psig或mA

参考点,psig或mA

被控量,psig或mA,这是热敏电阻的信号。

误差信号,psig或mA,参考点与被控量的差别。

控制器增益,或

偏差值,psig或mA,此值的意义在于它是误差为零时的输出,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。

为得到纯比例控制器的传递函数,等式(4-3A-1)写成

定义如下的两个偏差量:

(4-3A-3)

(4-3A-4)

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:

或 (4-3A-6)

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,即微分。描述等式如下:

(4-3B-1)

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。

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)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:

(4-3B-2)

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。

此类控制器用于纯比例控制器被应用但一定程度的“预料”被需要的过程中。描述公式如下:

“理想的”传递函数是:

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Kc / ,用 KD替代 Kc 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:

式中

当引入参考点变化的时候,“新”的微分不产生突然变化,即刻之后,动态性能同以前一样。采用的选择权由模拟的或基于微处理器的控制器提供,且被指定为微分-控制变量。

避免微分问题的另一个可能的方法可利用数字控制器轻易获得。即使操作者可能改变了如图5-3B-3d所示的节约函数的参考点,此种选择也能改变斜坡函数的参考点。斜坡函数的泄露由操作人员预先设定。

本单元提出了过程控制器的主题。我们已了解了控制器的用途:决定怎样用操纵量来维持被控量在参考点。不同类型的控制器也已讨论,强调了整定参数增益( )、比例带(PB)、复位时间( )、复位速率( )、额定时间( )的意义。

UNIT 4

A 指示性仪表

概述

通常指示器由为生产和控制而形成的集合组成,(1)有关静态刻度的指针运动,或(2)有关固定参考点或线的刻度运动,或(3)数字形式(数字的或字母数字混合的)的数据表示。在这基本工作框架范围内,也有许多变化。

另一种分类方式可把指示性仪表分为三类:(1)机械类仪表,例如,熟悉的刻度盘式压力计量计或水银柱升降温度计或气压计,(2)光学类仪表,运动指针可能是无重的一束射线,例如,光束电流计或阴极射线管及相关电子显示管结构的一种,(3)电力机械、电光学,甚至电化学原理的组合。

为方便起见,指示器也可分为(1)模拟指示器,刻度的全部或部分很明显,因此观察者可以连续读出指示数以防止指示器在全部或部分刻度范围内摆动,(2)数字指示器,在任意时刻仅可指示部分信息。除了精确数字式仪表外,报警器和指示器同样根据近似于数字式的原理工作,因为它们仅指示某些运行或停止状态,比如说实用彩色指示灯、喇叭和电铃来指示某些界限被超出的情况。

有几种除了特殊用途外不常用的指示形式,举例说明其灵活性,如仪表工程师已把其应用到数据显示问题中。(历史上)指示出是否已超过某一特定温度范围的高温测量的锥体、彩色粉笔和油画满足了高温测量情况下的实际需要,特别是涉及到运动的地方,如地道和窑。手工操作、色彩配置的光学高温测量器也显示出不一般的、有趣的指示形式。

指示性仪表也可以根据速度来分类,除了一些同快速记录有关的仪表以外,所有的仪表速度都必须在人的辨别力和分辨力以内。尽管人与人的特点有很大的不同,但由动画设备设计的每秒24帧的标准是人类在时间上感觉独立事件的指示极限。在选择最合适(包括经济方面)的仪表指示机械,设计者必须考虑测量仪器的整体响应及测量数据相对重要的时间和人机界面——这样做,显示的模式既不会过分复杂,也不会设计欠周。

动针式仪表

传统的固定刻度动针式仪表在外表、刻度形式和指示指针运动的平面均不同。刻度分度且固定以便使读数误差最小是在所有的情况下都必须要求的。为避免视差,通常在小范围内读取的精密指示性仪表经常使用一面安装在指针下并接近分度刻度的小镜子。另一种方式是刻度的分度部分提高到(接近)指针尖的地方,从而能够从观察的较大角度精确读取。指针可能是细条形、刻在透明物体每一边上的游丝形或锋利的箭头形。说明一下,内部的或外部的都是很重要。打算远距离读取的指示器完全有不同的设计标准,但是通常有较少的分度和尖端相对大一些的指针。

经常使用带有两种指示性指针的刻度。第一个指针用于指示第一个变量的值,第二个指针可能指示第二个变量的值,或充当手工设置指针或参考指针的作用。基本上所有的形式本身都是纯机械的,且大多数都得到广泛应用。典型的动针式仪表包括直线刻度、弧形刻度、扇形刻度、安装为垂直或水平的刻度。

动圈式仪表

动圈式固定仪表的两种最普通的结构形式是旋盘式刻度和旋鼓式刻度。旋盘式刻度仪表由平面圆盘刻度和静态指针组成。实际上,大约30英寸的最长标定刻度的指示器的旋转角度也很少超过。然而在精密指示器中,24英寸长的刻度分为300到600等份。静态指针一般为细尖或游丝形式。旋鼓式刻度仪表由鼓式刻度和静态指针组成,旋转角度、刻度长度和分度与旋盘式刻度类似。一般来讲,旋盘式和旋鼓式仪表均是伺服操作,为了相对精确的读数,它们允许近距离观察。另一种动圈式刻度仪表是用两个在垂直面上的彩色金属条,并且其常常用于与液面测量的连接上,以分割线来标明液面的顶端。

存在典型的仪表板,其可动刻度被设计为可视的,其操作通过在中心磁铁机构的可动线圈上安装图表薄膜代替通常的指针来完成。灯、透镜系统和镜子把可动刻度设计在有涂层的窗口上。在有涂层的窗口上,光学系统使刻度扩大为原始值的10倍,被读取的部分显示在游丝两边。这种设计自动避免了读取的视差问题。进一步的说,尽管长刻度在设计上可用,但是缩小的机械偏差角度和高灵敏度被允许。

应用的其它指示器有多点、多量程式仪表和数字仪表等。

B 控制盘

如果控制盘的设计和结构没有给予足够的重视,那么不论是作为局部安装简化设计的单快屏,还是作为大范围控制中心的一部分,控制盘实际上就是。

控制盘设计包括几个目的:

为简化操作人员与控制过程之间的界面,因此:

a、操作者可无意识的即刻使用紧急的、最重要的过程条件。

b、根据常规的操作方式,而不是关键变量监管的任何方式,一些不太重要信息应能被操作者访问。控制盘应被设计为能够有效挑选和分离信息成分,以便在紧急事件或特殊情况下,操作者的注意力不被更不重要的、或更坏的、或完全不相干的信息转移。

为适应周期性出现的特殊控制情况,例如过程启动、停止、过程或控制装备和仪器的大维修。

为了提供花费数目和管理价值的其它因素的信息,此信息可能不会立即反映到每日的调整上。

为了考虑时间控制过程的扩展和现代化,包括近期与电脑管理的联系或计算机直接管理,但也应仔细考虑一下对于如此改进的应用可能性的费用问题。

为了所有与控制盘有关设备的安装方便和维护问题。

为了提供一个在美学观点上令人满意的外形(特别是在中心板的情况下),因为控制室基本上是“过程的窗口”,并且通常是贵宾参观的中心。此外,具有吸引力、良好采光和空调的控制中心对于操作者的工作效率和设备保护均有帮助。

所有前面提到的目标和其它问题当然要经过比较,其中,投资花费和预期收益必须经过权衡,一旦决定,这些权衡的决策将导致如下的实际因素:

根据其显示、控制特点以及尺寸和维护,进行仪表选择。

仪表的功能排列,包括报警器和所有其它附件,例如,根据人类工程研究,使脑力和体力疲劳均达到最小而形成的拟人理论,必须安装飞行灯和选择器开关。

控制盘和控制室的光线及其它环境因素,包括空气流通。

引入和引出所有连接硬件——管子、电缆等——大部分有效方式涉及日常信息和出入控制板的能量。

为完成包括经济目标在内的许多目标而进行的控制盘设计涉及到许多权衡决策。在20世纪60年代,控制盘的设计主要由可用的标准仪表决定,一般,在很多情况下都包括这些仪表,且没有被特别设计为控制盘控制的远距离复杂过程控制。早期的仪表基本上不作为安装在盘上的重要元件。到在20世纪70年代后期,情形逆转,在控制盘的设计上进行了几个改进措施,包括全图解和半图解控制盘设计。

许多控制盘设计实验已完成,且目前使用相当普遍;其它实验却失败了,且使用下降。改进控制盘设计的一个重要措施是直接应用小型化电子、电力、机械仪表元件,特别是计算机技术,其反过来能够进行实际的、微型的仪表设计。

根据控制盘设计原理,在现代控制盘设计中存在一些规则:(1)控制器安装在与眼平行的位置,以便于人工调整;(2)仪表被分为几个在过程实体间留有空隙的逻辑操作部分;(3)半图解的可视斜率允许在高度上有一个增量,以便使报警窗口的位置接近于眼平面;(4)选择开关、控制按纽和飞行灯的安装位置使用起来并不一定很方便,因为它们只有在不正常的个别操作中才会用到;(5)存在于相关控制器下的记录器应处于过程变化可以被很好观察但又不占用有效操作空间的高度;(6)尽管图片的用途可以公开,但控制盘后部的可能被隐蔽以拒绝未授权人员的使用。

如前所述,为了获得有效的和最优的操作,人类工程的拟人原理应用于仪表盘的设计中。此外,过程实体的组合可帮助操作者进行满意的仪表定位。

PART 5 Process Control

UNIT 1

A 自动化网络的应用领域

网络已应用于自动化的所有领域。在工厂自动化、过程自动化及楼宇自动化的领域内,网络完成各种各样的任务。而且,由于不同的工业领域具有各自的特性和各种不同的要求,不同自动化网络所执行的任务也有明显的差异。此外,网络中设备的连接、组态及数据的交换也不同。

没有一种单一的总线能适用于所有工业控制;相反,每种总线总是针对其所运用领域的特点而优化的。举例而言,工厂自动化与过程自动化通常应用在苛刻的和危险的场合。而在这些场合,人员、环境及昂贵的机器设备处于危险之中,或者生产的中断会造成巨大损失。这些需求同追逐低成本的楼宇自动化相比,有明显的差异。

工厂自动化

在具有装配线的制造业类工厂中,如汽车、灌装与机械工业,离散逻辑控制处于主导地位,而传感器所感受到的将只是“是”或“否”,例如,是否有一个箱子处于流程机器的前方。对简单的离散I/O较为理想的网络类型注重低开销及小的数据包,但它们不适用于组态下载(Configuration download)等较大的报文。这些类型的网络有 Seriplex,Interbus-S及AS—I(AS—Interfa-ce),有时将它们称为传感器总线或比特(bit)级总线。其他更为先进的离散逻辑协议则包括DeviceNet? ,ControlNet? ,及PROFIBUS (DP及FMS应用行规)。这些总线有时被归类于设备总线或字节(byte)级总线。工厂自动化含有快速移动的机械,因此同较慢的过程相比要有更快的响应。这些任务在传统上是由PLC来处理的。

过程自动化

对炼油、造纸、电力以及化工等过程对象而言,连续的调节性控制占支配地位。测量是模拟的(此处意味着标量值是以数字信号传送的),而执行则是调节性的。当然,过程工业也采用一些离散控制,而以离散为主的制造业也采用一些调节性控制。现在,市场上已经存在现场总线开/关,它是用作通/断传感器的小型远程安装的I/O模块。以前,是由集散控制系统(DCS)或单回路调节器完成这种工作。

本文将重点讨论三种与过程相关的网络:基金会现场总线(FF),PROFIBUS (PA应用行规)与HART。这些总线目前一般都被笼统地称为现场总线,尽管有些人会有争议,说其中有的不属于现场总线。这三种协议在设计时已明确了现场仪表由总线供电,也规定了现场仪表应具备所定义的参数与指令用于设备管理,如识别、诊断、材质及用于校验及调试的功能。就规模而论,一般认为,工业自动化网络所组成的局域网(LAN)跨越不大于直径为1km或2km的区域,而且一般限制在一幢建筑物或一群建筑物内。显然,只能延伸几米的网络是不够用的,而跨越城市或甚至全球的网络则过大了。

即使在过程工业的控制系统中,其体系结构的每一层次也都具有不同的网络特性。在现场端的许多仪表如变送器与阀门定位器有其特定的需求,而在主站级的工作站、链接设备与

控制器则有其它的需求(见图5-1A-1)。

当现场总线开始发展时、

过程工业对现场级网络

提出了大量其他网络不

曾遇到的要求。因此.

需要考虑许多新的设计

思路。在上层,所有来

自现场级网络的数据都

需要被集中到单一的主

站级网络中。

同时,主站级网络还需执行所有与工厂自动化相关的任务。

现场级

在现场级,对于过程仪表占主导地位的协议有HART、基金会现场总线(FF)的H1及PROFIBUS PA。HART协议与其他两个协议有很大的不同。HART是所谓的智能(smart)协议,它是

将数字通信叠加在常规的4—20mA的信号上而产生的组合。正因如此,HART协议是从模拟向数字过渡过程中的一种理想的中间解决方案。HART与现有的模拟记录仪、控制器与指示仪兼容,而

同时它又使用数字通信,使远程组态和诊断成为可能。尽管HA-RT协议允许数台设备多挂接在一根双绞线上,但由于数据更新速度低(一般为每台设备0.5s),所以不经常使用这种连接方式。

在绝大多数的系统中,HART设备采用点到点的连接方式,也就是每台设备各用一根双绞线。同时,为了组态及维护,可经常

地临时接上手持终端。基金会现场总线的H1与PROFIB-BUS PA都完全是数字化的协议,甚至都遵循IEC 61158-2标准而使用同样的布线。然而除此之外,这两种协议之间存在着很大的差

异,根据所需要的系统结构的不同,其中的一种协议可能比另一种更适合。

在现场级有着大量仪表,往往是成百上千。线路往往也很长,网络电缆必须从控制室一直连接到现场,或接到塔上,然后再分支到遍及现场的所有设备。由于每个网络能多挂接的

设备数量受限制,因此,即使是一个中等规模的工厂,也可能有多条网络电缆引向现场,尽管线缆数量比点到点的布线已减少了很多。现场级网络从设计上使线缆可以延伸得很远,并允许现

场设备从网络中获得供电。这样,同一根双绞线不但可向设备供电而且同时传送数字信号,从而避免了单独供电用的电缆,既简化了布线又降低了成本。

作为降低成本的另一种措施,设计者选择了适中的现场级网络通信速度,以便可以使用标准的、仪表等级的电缆而非特殊的数据电缆。由于也不需要特殊的连接器、耦合器和集

线器,所以可以完成简单而实用的连接。在多数场合下,常规仪表所使用的电缆的等级完全可以满足现场总线网洛的要求。这也使得当现有的工厂采用现场总线时,有可能可以使用原有的电

缆。在可能出现可燃流体的危险过程环境,本质安全常常是优先选用的保护措施。所以现场总线网络在设计上允许将安全栅安装在总线上。

另外,由于设计者选择了适中的现场网络通信速度,因此所连接的设备并不需要耗费大量的CPU处理能力来快速处理通信。结果是它们也只消耗很少的功率。由于设备的低功耗意

味着在线路上的压降也低,因此,即使在长距离甚至还使用了本质安全栅的情况下,仍可以将几台设备用分支线接在同一个网络上。现场级网络的另一个突出优点是由布线自由而带来的网络

拓扑结构上的自由度。最后,这些现场总线网络的设计还使它们可以在相当恶劣并有电气干扰的现场环境中运行。

主站级

在主站级,以太网标准已经成为占支配地位的布线技术(图5-1A-2 )。有许多协议是基于以太网布线的,它们包括基金会现场总线(HSE),PROFInet,

Modbus/TCP等协议。

使用现场总线及设备管

理软件的工厂会遇到带

宽需求的激增,因此在

主站级必须具有高速网

络。

现场级网络从现场

仪表采集了如此众多的

数据.结果使信息量剧

增。

这一巨大的信息量是一个老式的专有控制级网络无法应对的。以太网具备传送大量数据所需的吞吐量,这些数据用于传统工厂的操作和历史趋势,用于新增的远程诊断、维护及组

态功能,以及用于对工厂自动化任务的快速响应。这些应用之所以选择以太网,是因为其高速度使其有能力传送所有的这些信息。此外,以太网已经成为标准,并被广大技术人员深入了解,

也已获得广泛的应用。用于以太网的各种各样的设备与解决方案都是现成的。

在许多应用中,对主站级协议的关键要求之一是有效性。网络必须能容错,也就是说在有故障时能启动和运行。由于整个工厂是通过该网络来操作并进行监控的,所以主站级网络

的有效性尤为关键。停车具有极大的破坏性并会造成巨大损失;网络的彻底崩溃将导致极其严重的后果。虽然以太网源自办公环境,但在工厂控制系统中可以采用坚固的工业级(与商业级不同)

附件及布线方案。主站级网络的设计允许冗余,以便使网络能容错。

采用多层冗余及工业增强型部件的工业级网络,能处理多个同时发生的故障。

物理上的远距离对主站级网络来说并不重要。因为它一般只局限在控制室内,所以以太网所规定的距离一般来讲是足够的。作为公认的标准,以太网的一大优势是可以使用几种

可供选择的介质。采用铜芯介质的以太网不适合现场,因为它不能延伸很长的距离。因此它的应用局限于控制室内(即“主站总线”而不是“现场总线”)。然而,光纤及无线电以太网则可以

延伸到很长的距离,所以适用于远程应用。

主站级网络将过程自动化系统中所有的子系统连接在一起。除基本控制功能以外,工厂里还经常有带辅助功能的成套设备,如锅炉或压缩机。它们往往有随设备自带的控制单元需

要同系统的其余部分集成起来(图5-1A-3)。

例如,一个炼油厂可能有安全停车系统,造纸厂有扫描架,而化工厂可以有先进控制系统。基于以太网标准协议的子系统可以简单地接入到系统中。

主站级网络可以同工厂不同区域的现场级网络连接在一起而构成大系统。在各区域内部的控制及监测是可能的。主站级协议可以直接地或通过历史数据库及其他工厂信息软件同企

业商务系统连为一体。

特别值得注意的是,以太网并不是一个完整的协议。实质上,以太网标准只规定了针对电缆的不同选项以及在网络上的设备如何访问总线。以太网并不规定数据的格式或数据的语

义。即使结合其他技术如TCP/IP和UDP,协议仍然是不完整的。一些控制系统制造商已经使用以太网多年,但每家提供的数据格式及功能都各不相同。即使包含了TCP/IP,市场上控制系统 P5U1A Automation Networking Application Areas 第五部分第一单元课文A 自动化网络的应用领域

所采用的大多数以太网网络实际上都是专有的。这是因为尽管连接在同一根线上而且不存在什么矛盾,网络上的设备却无法相互访问及解释彼此的信息。因此,当购买以太网的产品及系

统时,要非常谨慎小心;它们往往不是所宣传的那样。TCP,UDP及IP在第4章“过程控制”中进行讨论。

更好的想法是寻找一个基于以太网的完全开放的协议,这样不同的设备和子系统甚至对等网络之间可以互相通信。

均一化的网络体系结构

由于它们的需求几乎相反,因此现场级和主站级的需求有各自不同的特点。因为现场级网络通信速度低,所以不适合主站级网络;而主站级网络在距离上受很大的限制,所以也不

太可能在现场级使用。现场级网络取代了智能仪表及子系统的传统协议,而主站级网络则取代了控制网络及商务网络。控制系统的主站级网络使用服商务网络相同的网络技术,因此它们可以

无缝地集成在一起。依靠一个简单的路由器便可使纯粹的商务通信与纯粹的

控制通信隔离开来,从而确保快速的响应。

为使系统的集成简化及紧密,重要的是选择一个均一化的网络体系结构,即它的上、下层协议基本上是一样的,而只是在不同的介质上进行传送。这样,就可确保其透明度,并使

其在通信映射及互操作性方面问题最少。幸运的是,已经有了像这样的协议“组合”。较为理想的组合是基金会现场总线H1及HSE或PROFIBUS PA和PROFInet。如果在主站级或在仪表与操

作员间的某个环节上使用专有协议,那么很可能会丧失重要的功能及互操作性,还将迫使工程师们在协议间去作艰巨耗时的参数映射。

在整个系统内应用同一技术,可大大简化系统的初步工程设计与配置以及后续的运行与管理。工程师技术人员也可以在系统的各个部分毫不费力地工作,而且不需要重新培训。

B 控制系统体系结构的演变

现场的信号传输与系统的体系结构在发展上是紧密相联的。信号传输的每一次改进都导致了系统在更大程度上的分散化以及对现场仪表更好的访问。在气动时代 ,控制器一般位

于现场并就地进行操作,因此毫无系统可言。随着模拟电流回路的出现,可以将现场仪表的信号传输到位于控制室的中央控制器 ,然后再

向现场的调节阀门发出控制信号。在完全集中的直接数字控制 (DDC) 体系机构中 , 全部的控制策略是在计算机中完成的。由于所有的功能集中在一台计算机中,即使是计算机的一个单

一的故障也会使整个系统及其所有的回路失效。由于这个原因,一种常见的做法是在现场采用后备的就地气动调节器。这样, 一旦 DDC 出现故障,它马上就可以投入运行。显然, 集中的体

系结构有着相当严重的有效性问题。到了20 世纪70年代初期,更为分散的可编程逻辑控制器(PLC)及集散控制系统体系结构(DCS)便应运而生了。

DCS 和 PLC 体系结构

DCS 与 PLC 是随着数字通信的到来而诞生的。但其体系结构还是基于4~20mA 的现场变送器与阀门定位器而进行设计的。然而,DCS 比 DDC 在控制方面有了很大的进步,因为

它将控制分散在几个较小型的控制器中,而每个控制器处理 30 个左右的控制回路。这样,一个故障只会影响工厂的一部分,而不像 DDC 中影响工厂全部。换言之, 较大程度的分散增加了系

统的有效性。这是第一个好处。

第二个好处是可以更好地组织组态。用户可分开管理针对各个独立的工厂单元的组态与控制器。 DCS和 PLC 的体系结构的特点在于有常规I/O(输入/输出) 子系统或“巢窝”,其中 I/0

模板组合通过一个 I/O 子系统网络分别连入其各自的中央控制器。现场仪表的主体是常规的模拟设备。通过控制层网络,控制器彼此间以及控制器同工作站间组成网络。在最顶层,还可以有

一个工厂层网络将工作站连接到商务环境。经过多年的演变,DCS 可以带有同使用专有协议的智能仪表相兼容的通信接口,因而也可提供某种程度的组态与检查。并非所有的智能仪表协议都

允许同时传输 4~20mA 与通信。这就使得许多用户无法使用通信功能。此外,大多数 DCS 不提供 HART 接口,因为所有的 DCS 系统制造商都有与其竞争的专有协议。因此,工厂倾向于从系统

供应商,而不是第三方,购买现场仪表。一个 DCS 系统通常有多达 4 层不同的网络,每层都有其不同的技术,即:设备,I/O 子系统,控制器以及商务与全厂的集成 ( 见图 5-1B-1)。

所有这些硬件及网络的层次使系统变得相当复杂而且昂贵。DCS 之所以一开始被冠名为“分散”(distributed)的,是因为它没有 DDC 体系结构那么集中。但是,如按今天的标准来衡量,

DCS 应该被认为是集中的。这种体系结构相对来讲是脆弱的,因为哪怕一个故障也会产生大范围的影响。正是由于这一脆弱性,控制器、 I/O 子系统网络、I/0模块等不得不采取冗余技术,

以避免整体失控。当然,每个层次的冗余意味着复杂的结构和昂贵的价格。

FCS 体系结构

基金会现场总线 (FF) 规范同其他网络技术的独特差异在于,它不仅是一个通信协议,而且还是一个建立控制策略的编程语言。标准的编程语言同强有力的通信功能相结合的结

果之一是将控制分散到现场设备中,而不集中在一个控制器上。例如,通常将作为回路一部分的阀门定位器当作调节器使用。它只在自身回路执行 PID功能块,而不参与其他回路。这种基于

现场设备能力的新型体系结构已不再以控制器为核心,所以被称为现场控制系统 (FCS), 它可以取代 DCS(见图5-1B-2)。

FCS 不再将每台现场设备看作外设。由于它的分散性,FCS 的体系结构具有很多优点,如较高的有效性、较大的规模弹性及较低的成本。FCS的体系结构从 DCS 的概念演变而来,并且在

DCS 概念的基础上更进一步,其结果就是系统更加分散,因而降低了在发生故障时的脆弱性。在 FCS 体系结构中处于现场级网络的仪表通过链路设备同位于主站级网络的工作站相连接。因此,

在 FCS 中只有两个网络层。通常,现场仪表执行在过程工业占自动化任务中大部分的调节性控制。链路设备或中央控制器可以完成离散逻辑和顺序控制。当控制在现场设备中完成时,所需中

央控制器的数量急剧减少,在某些情况下甚至完全不需要中央控制器。这就大大地降低了系统的成本。换言之,应用总线技术将不单是在电缆上获得节省。由于中央控制器被从以计算为主的

调节性控制中解脱出来,它可以从事于执行其他较高性能的控制任务,从而改善控制。由于在 FCS 中不再由一个控制器处理多个回路,这样便避免了一个单一故障影响大部分工厂的状况。但

在 FCS系统

中依然存在处理离散 I/0 及控制的中央控制器,因为这些功能一般很少网络化。当工厂使用中央控制器时,如果要获得高的有效性,就应当采取冗余技术。乍听起来 , 很难想象小型现

场设备控制器能取代一台“单元控制器”来控制一个大型的工厂。其秘密在于每台设备只处理一个回路。通过将成千上万台设备用网络连接在一起,它们所集结的众多微处理器的能力将超过

能实现的。最终结果是系统具有非常好的性能,而且加入的设备越多,系统的能力越强。能力的增强使得有可能不必将模拟数值转变为整数。而对于集中控制系统,浮点运算并不总是可能的,因为它会太多地增加处理器负荷。目前,浮点运算的格式已贯穿现场总线设备的整个控制策略。

主站与系统

由于 4~20mA 的信号只单向地携带单个信息,所以操作员无法确定模拟设备内到底发生了什么,也不可能在系统的操作台上完成组态、诊断及其他检查任务。在应用了智能仪表的场合下,则可用手持终端来获得一些额外的信息。常规的甚至是智能的设备不能被认为是集成在控制系统中的,因为它们无法被操作员完全访问。操作员的视野只能延伸到控制器,还可能到达 I/O 子系统,但不可能更远。因为现场仪表是多个孤立的实体,它们被看作独立于控制系统之外,而不是系统的一个组成部分。

而在 FCS 中,现场仪表是整个系统的一个有机部分。过去所谓的“系统”部分只剩下工作站及链路设备。直接与主站级网络相连的工作站则被简称为主站 (host) ( 见图5-1B-3) UNIT 2

A 网络控制系统中的基本问题

控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统叫作网络控制系统。网络控制系统定义的特点是信息(参考输入、系统输出、控制输入等)是使用网络在控制系统组件(传感器、控制器、执行器等等)中进行交换。图5-2A-1给出了网络控制系统的典型结构和信息流。网络控制系统的主要优点是减少系统接线,易于系统诊断和维护,并增加系统敏捷性。

在反馈回路中加入通讯网络使网络控制系统的分析和设计变得复杂。传统控制理论有许多理想的假设,比如同步控制、无信号检测延迟、无激励延迟等,在将它用于网络控制系统之前必须对其进行重新评估。特别要讨论下面几个问题。第一个问题是网络产生的延迟(传感器到控制器延迟和控制器到传感器延迟),当连接到公共介质上的装置交换数据时,这种延迟发生。这种延迟,或恒定(令人担忧)或不定,会降低设计时没考虑这种延迟的控制系统的性能指标,甚至使系统不稳定。其次,网络可被看成由不可靠传输通道组成的一张网。一些数据包不仅有传输延迟,甚至会在传输过程中丢失。因此,必须考虑丢失的信息量对网络控制系统性能指标的影响程度。另一个问题是由于网络带宽和信息容量的限制,系统输出可采用多个网络数据包(所谓多重数据包传输)。由于网络平台对网络上其它节点的仲裁,可能性是全部/部分/没有信息包在控制运算时间内到达。

分布式控制可追溯到20世纪70年代初期,当时诞生了霍尼韦尔分布式控制系统(DCS )。分布式控制系统中的控制模块被松散地连接到一起,因为大部分实时控制任务(信号检测、计算、激励)在单独的模块中执行。仅仅开/关信号、监控信息、报警信息等通过串行网络进行传输。今天,借助于特定用途集成电路芯片设计和硅材料的大幅降价,传感器和执行机构都可安装网络接口,因此成为实时控制网络的独立节点。因此,在网络控制系统中,实时检测和控制数据通过网络进行传输,网络节点需要密切协作以完成控制任务。

现用于网络控制系统的候选网络有DeviceNet 、Ethernet 和FireWire 等有限几个网络。每个网络有自己为特定应用场合而设计的通讯协议。此外,网络控制系统的特性主要取决于网络本身的性能参数,这些参数包括传输速率,介质访问协议,数据包长度等。

主要有两种方法来解决网络控制系统设计中碰到的这些问题。一种方法是在设计控制系统时不考虑数据包延迟和丢失的问题,而是设计一个使这些事件发生的可能性最小化的通讯协议。例如,当网络交通超过网络管理的极限时,已提出各种堵塞控制和避路算法以获得更好的性能。另一种方法是将网络协议和交通作为已知条件,设计详细考虑上述问题的控制策略。为了管理延迟,可以形成基于延迟微分方程研究的控制策略。这里我们讨论针对网络导致的延迟和数据包丢失的分析和设计策略。

现在,我们将分析网络控制系统中的一些基本问题,包括网络导致的延迟,系统输入和输出的单个数据包或多重数据包,网络数据包的丢失。

网络导致的延迟在网络控制系统中当传感器、执行器和

控制器通过网络交换数据时会发生网络导致的延迟。这种延迟

会降低在设计时没有考虑这个问题的控制系统的性能降低,甚

至会使系统不稳定。

取决于控制网络介质访问控制协议,网络导致的延迟可以是常数,时变。甚至随机的。介质访问控制协议通常分为两种:随机访问和按时序访问。载波侦听多路访问在随机访问网络中用的最多,而令牌和分时多路访问通常在按时序访问网络中。

使用载波侦听多路访问协议的控制网络包括DeviceNet 和Ethernet 。图5-2A-2给出了这种网络各种可能出现的情况。图形描述了连续传递信息(具有固定时间顺序)的两个节点。在载波侦听多路访问网络上的节点在每次传递信息前监视网络情况。当网络时空闲的,它马上开始传递信息,如图5-2A-2中的情况1所示。否则节点在网络空闲前一直等待。当两个以上节点要同时传递信息时,会发生网络冲突。

解决冲突的方法依赖于网络协议。DeviceNet 是一种控制器局域网,它使用带有位智能仲裁的载波侦听多路访问协议。由于控制器局域网的信息是划分优先次序的,当传递冲突发生时,具有最高优先级别的信息继续传递,而优先级别较低的信息的传递被中断,当网络空闲时再传递,如图5-2A-2中的情况2所示。使用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议。以太网采用CSMA/CD 协议,当产生冲突时,所有冲突节点都将避让等待一段时间(所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的),然后重新发送,如图5-2A-2中所示的第三种情况。这些类型网络上的数据包收到随机延时的影响,在最坏情况下数据包的传递时间是无法限定在某一时间范围内,因此,CSMA 网络通常是一种不确定性网络。但是,如果网络信息被划分优先次序,最高优先级别的信息有更好的机会及时传递信息。

令牌传递协议出现在令牌总线(IEEE 标准802.4)、令牌环(IEEE 标准802.5)和光纤分布式数据接口MAC 结构中,时分多址协议用于FireWire 网络。这类网络的时序图如图5-2A-3所示。这些协议通过让网络的每一个节点按照预先确定好的时间表传递信息从而消除了对共享网络介质的争夺。在令牌总线中,令牌是绕着逻辑环传递,但是在令牌环中,令牌实际上绕着物理环传递。在时序网络中,可以安排信息的周期性传递。例如,FireWire 网络有一个可分成小时间空档的传递周期,在传递周期中保证每一个同步传递有一个时间空档进行传递。在时序网络中当等待令牌或时间空档时产生延时。当周期性地传递数据包时,等待令牌或时间空档的时间都是有限的

单数据包与多重数据包传输单数据包传输指的是传感器或执行器数据被集中在一个网络数据包中同时传输,而多重数据包传输中传感器或执行器数据由互相独立的多个数据包传输,这些数据包不可能同时到达控制器和系统。多重数据包传输的一个原因是由于数据包容量限制,分组交换网络在一个数据包中只能携带有限的信息。因此,大量数据必须分成多个数据包再进行传递。另一个原因是网络控制系统中的传感器和执行器分布在巨大的物理空间内,不可能将数据放在一个网络数据包内。传统采样系统认为系统输出和控制输入是同时传递的,但对带有多重数据包传输的网络控制系统而言是不可能的。由于网络访问延时,控制器不可能在作控制运算的时间内收到所有更新的系统输出数据。不同的网络适合不同类型的数据传输。

以太网,最初是为传递数据文件而设计的,最多一个数据包可容纳 1,500个字节。因此,将传感器数据集中在一个数据包内进行传输对这种网络来说是更高效的。与以太网不同,以小容量控制数据频繁传输为特点的DeviceNet每个数据包最大容量为8个字节,因此传感器数据经常被装在DeviceNet上的不同数据包中。

丢失网络数据包当出现节点失败或信息冲突时,网络控制系统偶尔会丢失网络数据包。虽然大部分网络协议都有重新传递机制,这些机制仅在有限的时间内有效。这段时间一过,数据包丢失。而且,对诸如传感器测量值、运算后的控制信号这些实时反馈控制数据而言,放弃那些旧的、未被传递的信息,传递新获得的数据包(如果可能)是更有益的。用这样的方法,控制器总是得到用于控制计算的最新数据。通常反馈控制系统能容忍丢失一些数据,但确定仅以某一速率传递数据包时系统的稳定性和数据包传递速率的下限是非常有意义的。

B 带网络延时的网络控制系统的稳定性

带网络延时的网络控制系统的建模

考虑网络延时的网络控制系统的模型如图5-2B-1所示。

模型由连续系统和离散控制器组成这些公式中,并且具有兼容的维数。

有两种网络延时:传感器到控制器延时和控制器到执行器延时。不失问题的一般性可将控制器的各种运算延时归纳为或。对固定控制律(时不变控制器)而言,传感器到控制器延时和控制器到执行器延时可集中看

作以便于分析。

我们讨论具有如下配置的系统:a)时钟驱动的传感器,它周期性地在采样时刻对系统输出采样;b)事件驱动的控制器,它由外部中断机制完成控制并且传感器数据一到即开始控制信号运算;

c)事件驱动的执行器,它指的是一旦获得数据,系统输入即发生改变。

小于一个采样周期的延时首先考虑每一次采样延时时间

小于采样周期的情况。这种情况意味着用得最多的两个控制信号和需要在采样周期内使用。系统方程可以写作公式中是分段连续的且仅在时刻数值发生改

变。以周期对系统采样我们得到

公式中定义作为增广状态矢量,增广闭环系统为如果延时是常数,即系统仍是时不变的,这就简化了系统分析。因此我们能想象静态时序安排网络协议,诸如令牌环或令牌总线,它能提供恒定的延时。即使在这种简化的系统分析中,下一个问题是,“系统能承受多大的延时?”

另一个问题是如果传感器发出的信息与时间有关则传感器到控制器的延时可以由预估器补偿。传统的一步预测估计能补偿小于一个采样周期的延时,因为的估计仅取决于的值。我们将在关于网络延时补偿的章节里再讨论这个问题。

长时间延时当延时时间大于一个采样周期时(即,),系统在一个采样周期内可能接受零个、一个、大于一个(直到)控制信号。在对任意k值满足的特殊情况,当时,每一个采样周期可收到一个控制信号。在这种情况中,通过分析可得

公式中并且增广状态矢量为对更一般的情况而言,必须完成枯燥、单调的理论推

导,甚至矩阵的结构都是时变的,因为它取决于所接受

控制信号的时间序列。

从传统观念上说,快速采样速率对采样系统是理想的以便于离散控制设计和性能指标与连续系统近似。但在网络控制系统中,快速采样速率会增加网络负载,反过来网络负载加大会导致信号更长时间的延时。因此在网络控制系统设计中找到既能承受网络延时又能取得预期系统性能指标的采样速率是非常重要的。

绘制网络控制系统关于关于采样速率h、网络延时τ的稳定区域有助于了解这两个参数之间的关系。注意我们在这儿考虑的是常数延时,这点可通过采用合适的网络协议来实现积分器情况对简单的标量系统和之间的关系可用解析

方法推导。

例1:讨论积分器像以前那样定义对这种2×2的情况,我们可以采用稳定三角形精确地计算出τ和 h之间的关系。对一个稳定的网络控制系统而言,延时时间τ一定满足在0≤?<h 时解析确定的稳定区域如图5-2B-3所示。从稳定区域的分布我们了解到当采样周期h比较小时,系统能承受最大一个采样周期的延时。当变得比较大时,上边界?/h变得比较小。注意当K>2/h时,即使没有延时的系统也是不稳定的。

一般标量系统对于一般的系统不太可能推导出精确的稳定区域,然而却可以通过仿真的方法来确定。稳定区域可用图解法求出:通过连续不断地增加延时时间?,对和以前一样方法建立起来的闭环系统矩阵进行测试,如果闭环系统矩阵是稳定的,则此时在坐标上标出的点是在稳定区域内。

例2:对一般标量系统稳定区域可用仿真的方法确定。当和时的特例如图5-2B-4所示。在这个仿真中,我们考虑延时时间在0 和4h的区间范围内。我们可以看到当0≤?<h 时,稳定区形状与积分器的情况类似。稳定区域的形状也受反馈控制器的影响(在这个例子中,指的是标量反馈增益)

UNIT 3

A 数据库基础

掌握数据库概念

数据库是一个相互关联且组织良好的信息的集合。当安装数据库软件时,数据库由安装在计算机的物理文件组成。从另一个角度来讲,数据库模型的概念比实际的物理对象更重要,我们用它来创建数据库中的表格。本章节讨论数据库,不讨论数据库模型。

根据定义,数据库是一个结构型对象。它可以是一摞纸,但在现代社会里,它最可能呆的地方是在计算机系统里。结构型对象由数据和元数据组成,元数据是结构零件。数据库中的数据是实际存储的描述性信息,诸如所有你的客户的名字和地址。元数据描述由数据库应用到客户数据的结构。换句话说,元数据是客户表定义。客户表定义包括用于名字和地址的字段,这些字段的长度,数据类型。(数据类型限定域中的数值,比如仅允许日期,或数字)。元数据对原始数据进行组织和结构化。

图5-3A-1给出了数据库的概况。数据库经常用一个圆筒来表示,如图中左边的图形所示。数据库包含元数据和原始数据。数据库本身在服务器计算机上存储和执行。

在图5-3A-1中,数据库服务器计算机通过网络与终端用户运行报告相连,在线浏览器用户可浏览你的站点(还有许多其它应用类型)。

理解数据库模型

严格的说数据库模型或数据模型是什么?有众多的、精确的解释。笼统地说数据库模型可被用来描述存储在计算机内有组织、有规则的信息集合。这个有规则的数据集合是按照更高效的读取和改变数据的方法用数据建模方案来构建的。取决于所用数据库的应用类型,可以修改数据库结构以有效地改变数据。在过去的50年中,各种数据库建模技术(尤其是在数据检索和数据交换方面)的发展大相径庭,但为了满足提高效率的要求,这些做法都是恰如其分的。在讨论数据库建模和它的演变过程之前,先了解一下应用很有必要。

应用是什么?

用计算机行话来说,应用是在计算机上运行并完成一定任务的一个软件。这个任务可以是交互式的并使用图形用户界面,可通过键盘和打印机完成报告。或对终端用户它可以是完全透明的。用计算机行话来说,透明指的是终端用户在他们的屏幕上看到漂亮的报表而不是数据库的内部工作过程。根据透视数据库建模,不同应用类型可稍微确定数据库模型设计的要求。

联机事务处理数据库是特殊规定、高并发(共享的)结构,这种结构要求快速访问少量数据。联机事务处理应用经常由严格构建的联机事务处理事务数据库模型完成。事务数据库模型被设计用来同时为许多人处理众多的小流量信息。

从问题的另一方面来说,数据仓库应用要求频繁地数据更新而范围广泛的报表一定以大量相关的数据、低共享和较低的响应时间为基础。数据仓库的数据库建模方案通过实施一个OLTP源数据库的非规范化的副本来实现。

图5-3A-2给出了和图5-3A-1一样的系统图,但在图5-3A-2中,报表和联机浏览器应用做得更加完善。要牢记的最重要的问题是数据库建模要求完全由应用需求来决定。应用程序决定一

B 虚拟制造——自动化领域中增长的趋势

尽管工业自动化飞速地发展,但产品的生命周期变得越来越短。虚拟制造可以减轻这种对于制造者的压力。

商机

从某种意义上说,我们消费或购买的每一件物品都与某种自动化过程相关联。不论是在工厂还是在运输过程中,我们的手机、酸乳酪、服装和报纸总是被强有力的、智能的而且经常是网络化的传送系统从一个地方搬运到另一个地方。

工业自动化源自当装配线被开发出来用于制造产品时的工业革命。从那时起,工业自动化越来越多地取代由人从事的枯燥的工作并使这些工作机械化。随着越来越多地在控制和监控产品中采用计算机、传感器、网络和以太网技术,工业自动化已经成为一个复杂的领域。

但是,在位于斯德哥尔摩一家研究机构——试管婴儿工业化研究与开发公司,Bj?rn Langbeck说道:“工业自动化不应该这样复杂。在发动机盖下的汽车是复杂的,但驾驶汽车很容易。工厂的信息技术系统是复杂的,但对用户来说应该是容易掌握的。”

根据西门子网站,在不久的将来坐在网站浏览器前来控制工厂的生产是可能的。“工业自动化的驱动力是微电子和软件。”西门子全球网站执行委员会委员,在IEE2003年7月发表的计算与控制工程杂志上说道。

模块式自动化

自动化领域另一个明显的趋势是发展更多的模块式自动化技术,这种技术易于改装系统以满足特殊的客户需求。大约70%的产品成本来自它的生产过程,自动化技术的灵活性能充分地降低成本。

根据Fredrik J?nsson,FlexLink的首席执行官,FlexLink是工业自动化方案的供应商,的讲话,对制造商而言,模块式自动化和虚拟生产(数字化工厂)是最有效的降低成本的方案。

与IBM 和其它公司一起,FlexLink 在2002年末开始实施它自己的数字化工厂的概念。将制造业的所有环节集成为一个系统,这些环节包括计算机辅助设计、生产数据管理、制造执行系统、供应链管理和企业资源规划,FlexLink 和它的合作者开发了世界上第一个最灵活的自动化系统。FlexLink称它为PLM工厂,它是“产品和生产过程生命周期管理”的简称。

“如何优化你未来产品的生产过程,迅速投入到实际生产并在淘汰老产品的同时在原有生产线上使利润最大化?……你需要有效地管理产品,生产过程和订单,并且(你需要)使用模块式的、灵活和可重新使用的设备和软件。关键是你实施项目前在模拟生产环境下评估你所有的选项。” J?nsson说道。

“不是按照预期设计的最大容量来建设生产规模,PLM工厂的想法是根据市场需求逐渐扩大生产规模,”他说。“如果这些(需求)发生变化,这些模块很容易用于其它产品。换句话说,我们正在把灵活性注入到自动化过程中,这样做会大大降低工厂的基建费用。”

物极必反?

工业自动化的发展紧随IT 业的发展,并且这样做也是必然的。但是在商界有一种潜在的忧虑,工厂的运作正变得过于工程化。事实上,最近的历史上已有些案例,那些已经转向使用自动机械装配的制造工厂未曾料到人力劳动是更高效的。

Chalmers’ Kinnander讲述了一个大型卡车制造厂真实的故事,在80年代末由于缺少工人,该厂决定对其属下车轴分厂实施自动化生产。遗憾的是,车轴装配对机器人来说是一件困难的工作。产品并未用自动装配线来生产,七年后,工厂恢复手工装配。

UNIT 4

A 计算机集成制造的概念

计算机集成制造的定义

制造业工程师学会下属的计算机与自动化系统协会对计算机集成制造定义如下:计算机集成制造就是通过利用集成的计算机与数据通信系统并融合管理哲学,将整个生产制造企业集成为一体,从而提高组织运作效率及员工的工作效率。

制造企业环形图解释了定义中所说的集成并给出了企业各组成部分之间的相互关系。花几分钟时间研究一下环形图中给出的各个部分,然后再看一下计算机集成制造的定义。

制造企业环形图解释了定义中所说的集成并给出了企业各组成部分之间的相互关系。花几分钟时间研究一下环形图中给出的各个部分,然后再看一下计算机集成制造的定义。

计算机集成制造描述了制造、管理和企业运作的新方法。虽然计算机集成制造包含了许多先进的制造技术,诸如机器人、计算机数字控制、计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程,即时生产等,它的内涵要比这些技术宽泛得多。计算机集成制造是从事商业活动的一种新方法,这些商业活动包括对企业所有资质的承诺、一系列的改进措施、客户的满意度、使用单独的计算机统计所有的产品信息,这是每个部门制造和生产决策的基础,消除各个部门之间信息交流的障碍、集成企业资源等。图5-4A-1所示的企业环形图是原制造工程师学会/计算机集成制造环形图的修正版,有下述6个给出定义的区域:

1)环形图的中心命名为客户,企业的所有营销工作、设计、制造和其它各方面的工作都是围绕它来进行的。只有对市场和客户有清醒的认识,企业才有可能成功。

2)环形图上的第二环集中在组织方法上,包括人员聘用、培训、激励、检测与通讯以保证联合作业和企业内的协作。为达此目的要用的技术包括自我指导工作小组、基层团队建设、组织方法学习、领导、标准、报酬、质量监控体系和企业文化。

3)这部分集中在用以支撑人和生产过程的企业公共知识、系统和公共数据上。所用资源包括企业用于研究、分析、革新、建立文档、决策和各个过程控制的手册和计算机工具。

4)这部分环形图由生产过程中的产品/生产过程定义、制造和客户支持三大部分组成。这部分包括形成产品生命周期的15个关键过程。

5)企业要有资金、人力、材料、管理、信息、技术和供应上等资源。同时对雇员、投资者和社会要承担责任,并对法律、道德和环境负有义务。

6)环形图的最后部分是制造基础结构。基础结构包括客户和他们的需求、供应商、所需工人、批发商、自然资源、金融市场、社会、政府、教育和研究机构。

本文中讨论的计算机集成制造原理涵盖了计算机与自动化系统协会/制造业工程师学会定义的新的制造业环形图的大部分内容。

学习计算机集成制造的概念

和企业环形图将计算机集成制造的运作区域分成各个主要环节一样,按照类似的路线来研究计算机集成制造。前面介绍和定义了计算机集成制造。现面讨论三个生产过程环节。

图5-4A-2给出了企业环形图的另一种解释,图中包括三个过程和需要共享数据和资源的重叠区。例如,规划生产程序时在制造规划和控制环节需要产品设计数据。由于某些环节需共享更多的信息,重叠区的大小会发生变化。新产品的开发通常开始与设计环并按图5-4A-2箭头所示方向移动。本书中与其它环节相关的计算机集成制造概念同样使用这样一种顺序。结果,当要生产新产品时,MPC总是从设计和文档工作做起。在企业环形图中,这被称为“产品/过程”,其中包括商品定义、系统设计、环节设计、改进措施、文档和(新产品)发布。在有关著作中关于这部分工作的讨论通常都加上CAD ,自动化软件经常被用来改进设计和绘图能力。但是,实现产品/过程中的计算机集成制造环节需要的不仅是CAD软件。

产品开发所需的第二个过程环节在图5-4A-2被指为制造计划与控制,它包括所有实现有效制造所需的过程计划、产品调度、库存管理和能力计划。在企业环形图(图5-4A-1)中,标为制造的环节包含来自MPC 和图5-4A-2中生产环的元素。企业环形图中的元素包括材料管理、装配与测试、元件组装、运行计划和资源规划。制造资源规划(MRP Ⅱ)概念和软件被经常用于管理这部分生产过程。但是,用于MPC的软件包的实现并不保证作这个环节遵守CIM的定义。

在图5-4A-2中标为生产的最后一个过程环节包括所有与生产和销售相关的活动。这包含企业环形图中制造环节的某些元素。将CIM 原理用于销售,否则生产环节适用于生产过程/支撑设备和系统。经常制造商认为安装灵活制造单元(FMCs)、计算机数控设备、智能传输系统、自动跟踪或工业机器人既是实现计算机集成制造。但是,仔细思考计算机集成制造的定义和企业环形图表明计算机集成制造不仅是

1)自动化的硬件和软件;

2)从市场购买的制造系统,安装在企业;

3)从市场购买的制造系统,安装在企业;

信奉CIM理念的企业具有如下管理思想:

1)客户满意度是决策的基础;

2)支持全面质量管理原则;

3)重视每一个雇员的建议;

4)不满足现状,不断创新。

另外,成功地CIM实现

1)在所有的部门之间共享数据;

2)使用自动化的硬件和软件有效地集成企业运作以便产

品数据汇总后可多次重复使用。

但是,仅仅当企业资源实行完善的管理后,生产过程环

节才能生产出世界级的产品。

B 企业资源规划及其外延

随着信息技术方法的成长和发展,从90年代后期制造系统改变的步伐以指数的方式开始增加。与所有的改进保持同步不是一件容易的工作,但是大势所趋,不得不这么做。本文的目的是介绍目前市场上提供的技术。

本文的目的是传达给读者一个基本观点,即以材料需求计划(MRP)和制造资源规划(MRPⅡ)为基础、扩展的泛企业系统工具。新企业资源规划所考虑的问题面向针对制造公司会遇到的相关系统主题和运作中的问题。如果曾经在制造业中存在一个需要终生学习的领域,那么它就是对于企业控制的演化系统的研究。这是需要深入研究的领域。ERP 和 ERP系统分别定义如下:企业资源规划企业资源计划一种用于实现对所有资源进行高效计划与控制的方法,这些资源是制造、销售或服务公司需要获取、加工、运输及解决客户订单所需要的。

(摘自:?美国生产与库存管理学会字典,第十版,2002)

企业资源规划系统 1) 以财务为导向、以确定和规划企业范围内需要获取、加工、运输及解决客户订单所需要的资源为目的的信息系统。ERP系统在图形用户界面、关系数据库、使用第四代语言、开发过程中使用的计算机辅助工程工具、客户/服务器体系结构和可随身携带的开放式系统。2)更具普适性的一种用于实现对所有资源进行高效计划与控制的方法,这些资源是制造、销售或服务公司需要获取、加工、运输及解决客户订单所需要的。

(摘自:?美国生产与库存管理学会字典,第十版,2002)

ERP是一种更新的系统概念,其核心是商务系统集成。这些集成的系统支撑企业内的所有职能部门:销售与采购、工程、制造、金融和财务、批发、定购计划与执行、供应链流程。它是传统MRP Ⅱ的逻辑扩展,具有增强的计算机能力核心的客户服务器结构等优点,这种客户服务器结构将功能强大的数据分析工具用于用户桌面。

图5-4B-1介绍了制造软件的发展过程,开始于早期基于计算机的库存控制系统并向经济繁荣初期非常流行的现代系统发展。在这个演变过程中,软件公司开始将分离的企业系统集成,这些企业系统具有更成熟的制造和金融系统。主要的演变过程位于图的中央,开始于左边的库存控制一直发展到右边的企业资源规划/企业资源优化。随着计算机和软件越来越强的功能和成本的进一步降低,系统性能得到进一步开发和扩展。系统用户开始欣赏和开发各个职能区域之间的关系,这些职能区域给用户提供高效运作制造业所需的关键数据和信息。例如,如果将更准确、更高水平的计划及时地输入到MRP 中,它将是一个更有效的系统。改善MRP 的输入需要更多的信息参与和来自传统制造企业外部职能区域的输入。详细的材料资源计划的开发成为针对物理资源详细的生产量计划和MRP II 闭环系统发展合理的驱动器。制造业工程师协会的企业环形图上客户明显的中心地位为发展考虑到企业资源和所有企业环形图所包含的职能区域的先进系统提供了额外的驱动力。

过去20年的经历已经证明制造业不能由它自己进行有效的运作。ERP 体系促使每一个职能区域,包括制造业,加入到程序当中。获得完整的相互合作不是一件轻松的任务。除了ERP 之外,已开发另外几个系统来解决特殊的计划问题。

公司正在更多的关注能帮助它们更好地为客户服务的信息。更深入的了解客户会带来巨大的利益。这是客户关系管理系统得以投入使用的根本原因。客户关系管理定义如下:客户关系管理一种基于客户至上的市场理念。销售和市场决策支持信息(和企业资源计划信息形成对照)的收集和分析是为理解和支持现有及潜在客户的需求。客户关系管理包括账目管理、目录和订单输入、支付处理、信用及调整和其他功能。

(摘自:?美国生产与库存管理学会字典,第十版,2002)

正在开发客户关系管理系统来帮助公司管理它们掌握的客户信息,客户购买的产品,客户喜欢的交易方式。这些信息有效的使用将提高服务质量并增加销售额。

管理数据和信息以更好的服务客户并使企业运作更有竞争力也导致公司考虑它们的供应商和用来与供应商联络和合作的系统。对基于计算机的供应链管理系统的关注正在增加。供应链管理定义如下:

供应链管理以产生净价值、构建有竞争力的基础、调控全球化的物流、按需同步供应及从全局角度测量性能为目标,对供应链活动进行设计、计划、执行、控制和监视。

(摘自:?美国生产与库存管理学会字典,第十版,2002)

有效的管理贯穿供应链的数据和信息的需求变得越来越至关重要。这是一个正在成长的系统开发和系统集成领域。

PART 6

Synthetic Application of Automatic Technology

UNIT 1

A Recent Advances and Future Tends in Electrical Machine Drivers

A电机传动系统的最新进展和未来趋势

多拥有大量此类论文的国内和国际会议。原始电机很笨重,且性能很差。近几年来,强大的数字计算机、改进的电机模型、 CAD程序和新材料的出现对较高的功率系数、功率、可靠性、低费用和改进的机械、热能设计作出了极大的贡献。电机建模、预测、识别、测量、仿真和与逆变器相互作用的相关研究是当今传动系统工程师感兴趣的研究与发展课题。可以有趣的看到,传统电机工程师现在正参与到电力电子的共同体中。

直流电机在传统上应用于变速传动中,并在数量上仍属多数,但是他们完全没有前途。鼠笼式感应电机在当今大多数的变频和恒频工业应用中是主要设备,并在将来也是如此。使用绕线转子感应电机的转差功率再生传动(Kramer and Scherbius drives)一度很受欢迎,但由于昂贵的电机和低劣的传动性能已趋于淘汰。同步电机传动通常是感应电机传动的密切竞争者。非常大的几兆瓦特的无刷激励绕线励磁电机在泵、压缩机、滚压机和船舶发动机的应用中很受欢迎,此电机比较昂贵,有比较高的效率,能够在单位功率因数附近运转,并要求低于逆变器的额定功率。近来,正企图用双面PWM 馈电变频器(doublesided converter-fed)感应电机传动替代馈电交-交变频器同步电机。可以有趣的注意到,日本在东京与大阪间建造了一超导铁路,火车将利用由50 MV·A GTO PWM逆变器馈电的线性同步电机传动。永磁(PM) 同步电机传动,特别是梯形机构的无刷直流电机(BLDM)已有了更为广泛的普及应用。

PW电机比较昂贵,但较高的效率使寿命周期(life cycle)的费用较低。高能量的NdFeB 磁铁已用于替代传统的铁酸盐材料,特别是对于高密度、低惯性的伺服机构的应用。开关磁阻电机 (SRM) 最近在文献中得到了广泛的注意,要求“电机(electrical machine)”简单、结实、容错、低费用并能高速运转,但存在脉动转矩和听觉噪音问题。除了特别应用, SRM 是否能与一般用途的感应电机传动系统竞争是值得怀疑的。同步磁阻电机最近也被改进,以产生可与感应电机传动相比较的性能。将来,当费用下降时,希望每一个电机(变速或恒速)在其前部末端均有一个逆变器。当谐波调节更为严峻时,变频起动器将会不断的被认可。

近些年来,变频传动的控制和预测技术已成为令人着迷且具有挑战性的研究领域。尽管在文献中,已提出许多不同的标量和矢量控制方法,但在工业应用中,仍立足于在成本低、性能要求不高时,采用简单的开环变压-变频控制,而在对性能要求较高时采用矢量控制。在间接和直接的矢量方法中,尽管需要速度传感器,并有转差增益整定的困难,但对于感应电机传动而言,前者更受欢迎。与矢量控制相关的许多问题,例如,速度预测、磁通矢量预测、转差增益整定和基于在线( on-line )参数抽取的全自动试运行的传动系统( and complete auto-commissioning of drive based on on-line parameter extraction ),在文献中正得到广泛关注,并显示出成功的趋势。希望无传感器的速度直接矢量控制(speed sensorless direct vector control)成为交流传动、甚至零速伺服应用的普通控制器。在文献中,已提出无传感器的混合定子磁通,其面向车辆应用感应电机传动的直接矢量控制。定子磁通定位的优势在于只有定子阻抗参数影响控制,但其劣势在于其产生耦合问题,从而需要解耦补偿。定子阻抗变化已通过定子温度的电热调节器测量(目前,正在发展模糊预测)补偿。传动系统以间接矢量控制模式从零速起动后,转为直接矢量控制。零速附近磁通预测的积分问题已通过使用可编程串联低通滤波器解决。如果需要,速度信号很容易预测,并可用于速度反馈回路。在传动系统中已提出不同的自适应控制方法,例如模型参考自适应控制(MRAC) 和调节或变结构系统控制方法,以产生稳固的性能来克服参数变化和负载扰动影响。近来,基于专家系统、模糊逻辑和神经网络的智能自适应控制显示出光明的前景。实际上,神经-模糊控制被认为是最好的传动自适应(稳固)控制。而先进的在线(on-line)诊断和容错控制属于其它的研究领域,其对于提高传动系统的可靠性还未引起足够的重视。

当今的高性能传动和一般而言的电力电子系统的复杂控制如果没有现在强大的微处理器,是不可能实现的。正如你们所知道的,微处理器的第一代起始于Intel 8080家族的引入,当然,在此领域还有许多的竞争者。当实时控制的要求更为强烈时,更为面向控制的微控制器在第二代中采用。第三代起始于哈佛大学管道结构的引入,并采用了不同DSP 。RISC 和传输装置(transputers)及功能强大的ASIC芯片也随之而来。现在,TI公司32位浮点DSP型TMS320C30在高性能传动系统中得到了广泛应用。RISC处理器基本上可使数字处理最优化,但其不适合一般的电力电子应用。传输装置(transputers)特别适合并联模函数控制。带有微处理器内核的ASIC芯片可能会成为未来的控制器,传动所需的外围控制硬件和固定的控制功能均由其硬件实现,而适应现场参数变化的可编程控制和预测功能则由处理器的核心完成。

B System Evolution in Intelligent Buildings

B智能建筑系统的演变过程

伴随着信息处理与通信技术的发展,能完成诸多服务功能的楼宇自动化系统也应运而生。当我们正在走向下一个世纪的时候,一个主要的趋势是开发多样化的通讯技术,包括音频与视频信号的传送,多媒体系统的开发包含了这些特点。我们主要的工作集中在:提供高清晰度和立体图像传输的可视化服务;具有意识、辨识、理解和推理的智能化服务;携带方便的个人移动通讯服务。我们的目标是进一步将信息处理和通讯技术融合在一起。这将导致具有更高集成水平的智能建筑,如图62B-1所示。 Telecommunication

Office automation system system Telecommunication system Building Office Building automation automation automation system system system Evolution

Building engineering & environmental planning

Building engineering & environmental planning

图 6-2B-1 智能建筑的演变过程

表 6-2B-1 智能建筑技术进步采用的各种技术

Intelligent B uliding System Technologies O ffice docum ent architecture(O D A ) L A N netw ork m anagem ent softw are R ISC architecture M ultitasking O A /M ultim edia O S Intelligent expert system s M ultim edia L A N s N atural language program m ing IC card system s M ultim edia relational databases Fifth generation com puters B -ISD N M ultim edia m ultiplexer Speech synthesis/speech recognition M ultim edia PB X Private netw orks M ultim edia com m unication protocol Intelligent com m unications services Integrated Facility m anagem ent system s E m ergency m easures control system s Fault w arning /diagnosis system s Standardization of transm ission M ethods M ulti-vendor system s O pen protocol/object oriented Technology PM V control L ong-range radio alarm /surveillance System s Facial recognition system s Intelligent sensors M ulti-function raised flooring Predictive integrated w iring system H ighly reliable radio w ave supply System s C o-generation system s C om fortable ceiling system s Personal under-the-floor air C onditioning system s A trium /toplighting Isolation/Vibration control from E arthquake E lectrom agnetic shielding system s Fuel cell system s G arbage conveyance system s Flexible office partitioning system s

O ffice autom ation system s

C om m unications system s

B uilding autom ation system s

B uilding engineering & environm ental planning

P6U1B System Evolution in Intelligent Buildings

第六部分第一单元课文B 第六部分第一单元课文智能建筑系统的演变过程

智能建筑技术的进步在这一节,我们介绍当前世界上与智能建筑相关技术的主要发展趋势。与智能建筑各种系统相关的技术如表6-2B-1所示。 1. 办公自动化系统智能建筑中的办公自动化系统正从仅仅是商务信息处理的有效工具扩展为提供基本商务服务功能的系统,因此已成为重要的战略项目。构建基于计算机和网络的高水平信息处理系统——战略信息系统,商家可以磨快他们竞争的刀锋,因为商务活动越来越国际化,企业越来越柔性化并越来越注重服务。智能建筑是一个基础,在此基础上提供一个技术平台来开发这样的战罗信息系统。智能建筑的中枢系统可由局域网提供。

P6U1B System Evolution in Intelligent Buildings

第六部分第一单元课文B 第六部分第一单元课文智能建筑系统的演变过程

2. 楼宇自动化系统智能建筑的发展与楼宇自动化系统不断增加的功能集成是并驾齐驱的,楼宇自动化系统现在能提供完善的保安功能,比如防火、意外事故处理、防盗、建筑设备监控等。将办公自动化系统和通讯设备与楼宇自动化系统连接起来,可以满足房客和居民对建筑管理个发表过面的需求,楼宇自动化系统现在能给业主提供建筑管理相关的高水平的信息。

3. 建筑工程与环境规划现代办公工作正在趋于多样化,办公室的平面布置和空间利用率的频繁变化使得办公室要经常重新装修。商务活动的国际化和实现弹性工作制也改变了办公室的利用时间。具有这种调整能力至关重要,否则,大厦将失去它的竞争优势。为了保持建筑空间的灵活性和可扩展性,在设计建筑的平面和立面时就要达到这样的目的,建筑设备的设计也要考虑到这个问题。因此,建筑材料、设备的使用要充分考虑到将来智能建筑的需求。

UNIT 2

A 工业机器人

机器人有各种各样的定义。根据使用过的定义,全世界拥有的机器人的数量变化非常大。制造业众多的单用途机器看起来都是机器人。这些机器通过硬件连线实现执行单一的功能,而不能通过重新编程完成其他的工作。单用途机器并不满足人们现在使用的机器人的定义。这个定义是由美国机器人研究院作出的。

机器人是一种可重新编程、用来搬运材料、零件、工具的多功能机器或通过可变的编程运动完成各种任务的特殊装置。

注意这个定义包含了可重新编程和多功能两个词。正是这两个词给出了工业机器人和现代制造业中使用的各种单用途机器的区别。术语“重新编程”包含两层意思:机器人根据写好的程序工作;为了完成各种制造任务这个程序可以重新编写。

术语“多功能的”指的是机器人通过重新编程和使用不同的末端执行器可以完成许多不同的制造任务。根据这两个关键特点给出的定义正成为制造业内人士接受的定义。

第一个关节臂诞生于1951年,由美国原子能委员会使用。第一台可编程机器人由乔治·戴维尔于1954年设计。这台机器人采用了两项重要的技术:(1)数字控制技术;(2)远程遥控技术。

数控技术提供了适合机器人的理想的机器控制方法。这种方法考虑到用编好的程序完成运动控制。这些程序包括机器人顺序运动轨迹的数据,启动和停止的定时信号,可以做出决策的逻辑语言。

远程遥控技术可以使机器成为另外一种数控设备。远程遥控技术使那些在人难以到达和危险的环境中完成各种制造任务的机器成为机器人。通过融合这两种技术,戴维尔研制出第一台工业机器人,一台并不复杂的可编程的材料处理机。

第一台商用机器人诞生于1959年。1962年,通用电机公司安装了第一台用于生产线的工业机器人。这台机器人由Unimation 制造。在1973年,辛辛那提·米兰克朗公司研制的T-3型工业机器人,在机器人控制方面取得了较大的进展。T-3型机器人是第一台由为计算机控制的商用工业机器人。

数控和远程遥控技术促进了工业机器人大规模开发与应用。但主要的技术进步并未发生,仅仅是由于这种新的能力。必须由某种推动力来采用这些新能力。就工业机器人而言,这种推动力就是经济。

截至目前,有三代机器人。

第一代机器人的计算机能力是有限的。其主要的智能是由操作员通过示教箱给出操作步骤来完成程序编写。没有任何传感器,这些机器人需要一个预先安排好和相对固定的工厂环境,因此只具有有限的用途。

第二代机器人通过添加计算机处理器使功能得以加强。在工业机器人发展历史上一个重要的阶段是将计算机和工业机器人结构结合在一起。这种做法提供了轨迹的实时计算能力,使中断执行机构的运动更为平稳,并提供了一些力和接近传感器来获得外部信号。第二代机器人的应用主要包括点焊和弧焊、制动喷涂和一些装配生产线。

第三代机器人包含多个计算机处理器、多个机器臂,能异步工作完成不同的功能。分布式、分级的计算机结构被看好,因为它能协调运动和与外部传感器、其他机器和其他机器人的关系,并能与其他计算机通讯。这些机器人具有智能行为,包括智能控制和学习能力。

机器人的组成可从物理的观点和系统的观点进行讨论。从物理的观点来说,我们把系统分成机器人、动力系统和控制器(计算机)。同样,机器人可以像人一样分成底座、肩膀、肘、腕、钳子和工具。这些术语中的大部分不需要作解释。

因此,我们将以信息传递的观点来描述机器人系统的各个组成部分。也就是说,什麽样的信息或信号进入机器人的各个组成部分;什麽样的逻辑或数学运算由机器人的各个组成部分来完成;机器人的各个组成部分产生什麽样的信息或信号?一定要注意到相同的机器人构成组件可能完成许多不同的信息处理工作(例如,中央计算机处理许多不同的运算和各种数据)。同样,两个不同的机器人构成组件可能完成相同的信息处理工作(例如,肩膀和肘关节执行器以非常类似的方式完成将信号转换为运动的工作)。

执行器与机器人上每个关节相连的是执行器,执行器的功能是使关节运动。典型的执行器是电机和液压缸。由于对位置和方向进行完全控制需要六个变量,通常一个机器人系统需要六个执行器。许多机器人应用场合并不需要这个全自由度,因此机器人一般有五个以下执行器。

传感器为了控制执行器,计算机必须由关于执行器位置和速度的信息。在这篇文章中,术语位置指的是执行器相对于任一零参考点的位移。举例说明,就旋转的执行器来说,“位置”指的是角位移,测量单位是弧度。

有许多传感器可以检测位置和速度。不同类型的传感器需要不同的机械结构来与计算机连接,此外,工业上使用的微处理器要求接口必须屏蔽掉工厂恶劣的电器环境。诸如弧焊机、大电机这些电器噪声很容易使数字系统失效,除非在接口设计和制造时考虑到这些问题。

在机器人上也安装其他一些传感器来感知环境,比如说触觉感受器、接近感受器、声敏元件、视觉感受器、超声波感受器等等。

计算我们可以轻而易举地给计算模型贴上计算机的标签。但是,许多功能是由特定的计算机网络和硬件来完成的。因此,我们讨论运算部件似乎它就是一台简单的计算机,要认识到实时控制需要特殊的设备,而且其中一些是模拟的,虽然现在的发展趋势是全数字化系统。

运算部件完成下列工作:

伺服给出现在执行器的位置和速度,确定合适的驱动信号使执行器向给定位置运动。每个执行器都需要完成这种运算。

运动学给出执行器的当前状态(位置和速度),确定夹钳的当前状态。相反地,给出机械手的设定状态,确定每个执行器的设定值。

动力学给出机械臂负载的相关信息(惯量、摩擦力、重力、加速度),根据这些信息调整伺服系统运行状态以得到优化的性能指标。

工作场地传感器分析给出要完成任务的相关信息,确定合适的机器人运动命令。这可能包括分析现场的电视画面或监测和补偿机械手施加的力。

除了这些容易识别的组件,还有诸如路径规划、操作人员干预等监控工作。

除工业机器人以外,还有其他种类的机器人,比如带车轮的移动机器人,自我管理的水下寻检车,仿人机器人,微观/毫微机器人。在这个领域的研究内容叫机器人学。机器人学的前沿课题包括微操作,可视化伺服,机器人感知和数据融合,实时定位和绘图,机器人可视化操作等等。

B 模式识别概论

模式识别是完成对象分类的一门学科。根据不同的应用,模式识别的对象可以是图像、信号波形等任何类型需要进行分类处理的检测量。我们更喜欢使用专业术语模式来表示这些对象。模式识别已存在很长时间了,但在1960年以前主要发表了一些统计学方面的成果。与其它学科一样,计算机的出现促进了模式识别应用的需求,而这又反过来刺激了进一步作理论研究的需求。

构成用于决策的机器智能系统的有机组成部分。

机器视觉是模式识别一个重要的研究领域。机器视觉系统用照相机抓拍图像并对图像进行分析,给出图像的具体描述。机器视觉系统的一个典型应用是在制造业,用于自动视觉检查或装配线自动化。举例说明,整个检查过程是在传送带上的成品要通过检测站,检测站上有一台照相机,必须测定成品是否合格。因此,必须在线分析图像,模式识别系统必须将成品分成“合格”或“不合格”两个等级。之后,监测站执行机构动作,将不合格的成品拿掉。在装配线上,必须对各种物品定位和识别,即,将每一类产品分类,比如“螺丝刀类”,“德式钥匙类”,依此类推,并将结果存于工具制造单元。

字符(字母或数字)辨识是模式识别的另一个重要领域。光学字符识别系统在市场上就可以买到,我们多少知道一点。

光学字符识别系统有一个由光源、扫描镜、文件传输和检测器组成的“前端”装置。在光感检测器的输出端,光强度变化被转换成具体的“数”并形成一个图列。结果,使用图像处理技术完成直线和字符分割。模式识别软件负责识别字符,即将每个字符分成字母、数字、标点符号。相对于存储扫描图像而言,存储辨识后的文件有两个优点。第一,如果需要,易于用字处理器作进一步的电子处理,第二,存储ASCII 字符比存储图像文件效率要高得多。除了印刷字符辨识系统,已有大量投资用于开发笔迹辨识系统。一个典型的商业应用是银行支票阅读机上使用的辨识系统。机器必须识别出数字和金额并付款。并且机器能检查收款人是否赊帐。即使有一半的支票由这样的机器正确处理,就可以省掉大量单调乏味的工作。另一个应用是邮局自动邮件分拣机的邮政编码识别系统。在线笔迹识别系统是有巨大商机的一个应用领域。这样的系统会用在笔输入计算机上,使用它不使用键盘而是用笔来输入数据。这样做符合开发具有适合人习惯接口的机器和计算机。

计算机辅助诊断是模式识别的另一个重要应用,其目的是帮助医生做出正确的诊断。当然最后的诊断还是由医生作出。计算机辅助诊断已经应用,主要处理X 光、断层X 光影像、超声波影像、心电图、脑电图等医疗数据。对计算机辅助诊断系统的需求基于医疗数据不易做出判断,仅仅是依靠医生的经验。让我们以检测乳腺癌的X光透视为例。虽然胸部透视是目前检查乳腺癌的最好办法,但是仍然有10%~30%做过胸部透视的女患者得到的是阴性的胸透照片。大约三分之二病例的诊断结果是错误的,放射科医生得出了错误的诊断结果,以往的情况确实如此。这可能由于较差的图像质量,放射科医生眼睛的疲劳程度或发现物判断的难度造成的。由另一个放射科医生做第二次阅读降低了误诊率。因此,人们开发模式识别系统来给放射科医生提供“第二次”建议。基于乳房X光照片诊断技术的提高也降低了疑似乳腺癌患者的数量,这些患者必须做外科乳房切片,并可能产生并发症。

语音识别是另一个做了大量研究和开发工作的领域。语音是最常见的通讯和交换信息的工具。因此,制造能听懂语言的智能机器一直是科学家、工程师和科幻作家的梦想。这样的机器有广阔的应用前景。例如,它们可用来改善制造业的工作效率,站在远处控制危险环境中工作的机器,帮助残疾人用语言控制机器。现在已取得相当成功的工作是通过麦克风给计算机输入数据。根据模式识别系统设计的软件识别语音文本并将其转换成ASCII 字符,ASCII 字符可在屏幕上显示,也可存到存储器里。通过语音向计算机输入信息,其速度是一个熟练打字员的两倍。而且,这也能提高我们与聋哑人的交流能力。

上面讨论的仅仅是众多应用中的四个例子。我们谈到的指纹识别、签名鉴定、文本提取和人脸与姿态识别是有代表意义的。最后一个应用最近受到广泛的关注和众多的投资,以达到提高人机互动、提高计算机在办公自动化中的作用、提高办公环境的个性化等等。为了引发我们的想象,MPEG-7标准提供从相关的数字图书馆中进行基于内容的视频信息的提取:在数字图书馆寻找和发现表示某人“X”大笑的视频信息。当然,为了取得所有这些应用,模式识别要紧密与其他学科合作,诸如语言学、计算机绘图法、视觉等。

UNIT 3

A 可再生能源

可再生能源简介

为产生能源的矿物燃料的燃烧是气候发生变化的主要原因。煤、油和气体燃烧产生的二氧化碳——引起全球变暖的主要导致温室效应的气体之一。

为了解决气候改变、找到一种将来使用的绿色能源,我们迫切需要采取更有效的技术降低能源使用,从可再生物质中产生能量,释放更少或不释放二氧化碳进入大气层。

可再生能源技术,(诸如风、海浪、潮汐、水力发电和生物能——栽培和燃烧农作物而发能)可提供“清洁的”无碳能源,作为矿物燃料(气/油/煤)的替代物,它通常用于加热和发电。(生物能除外,尽管它的确释放二氧化碳,但它只是把植物一生中通过光合作用吸收的二氧化碳释放到空气中)。

与此相反,燃烧矿物燃料将二氧化碳排放到大气层中,位于地球表面的大气层已存在数亿年。矿物燃料的来源是有限的,因此它们的持续使用是不可能的。可再生技术是一种可持续的产生能源的方法,因为风、海浪、太阳能等等是不可能耗尽的。

可再生能源

可再生能源如下:

太阳能太阳给所有的生物提供一种基本的能量。太阳能是免费和用之不竭的。将阳光转换为人类消费的形式会产生成本。数千年来阳光被人类用来晒干农作物、加热水和建筑。二十世纪采用的是光电技术,即将阳光直接转换为电。

风能空气的运动可被用来作为能源,从远古时代即是如此。今天,先进的空气动力学研究已研究出风力涡轮机,它可以非常经济地发电。风力涡轮机通常成组地置于农场,位于沿海或山顶的乡村开阔地带,那里全年都有盛行风。

地热能在地球硬壳下面的岩石含有像铀、钾等一直在衰减的放射性材料,这些材料持续不断地提供热能。在地球表面10,000米深范围内的热量比世界上所有的油和气源所包含的能量的50,000倍还要多。

地热能传导地壳下面的热量来加热水。热虽被用来驱动电涡轮机和加热建筑。具有最高温度的区域位于活跃的或新形成的火山地区周围。

这些“热点”出现在建筑群的边缘,这些地方地壳较薄,足以让热量穿透。许多“热点”出现在太平洋周围。

水力发电在地球表面,水既不能被创造,也不能被消灭。大海中的水蒸发,形成了云,以雨水和雪的形式降落到地面,流进小溪和江河,最后回归大海。整个运动过程为创造有用的能源提供了巨大的机会。

水力发电是利用运动中水的力量来发电。水力发电是世界上电的主要来源之一,主要的可再生能源,但它经常是以巨大的拦河坝的形式出现,它破坏了人类的栖息地,产生大量移民。一个较好的办法是建设小规模的水电工厂。

生物能生物是我们用来描述产生能量的植物材料和动物废弃物的术语。植物形成了地球上所有生命赖以生存的食物链的基础。但以生产能量的观点,“生物”指的是利用树、农作物、森林、农业和城市的废弃物。它是人类最早知道的可再生能源。

生物是一种可再生能源,因为它含有来自太阳的能量。通过光合作用,植物上的叶绿素通过将空气中的二氧化碳和土壤中的水转换成碳水化合物捕捉到了太阳能。当这些碳水化合物燃烧时,它们还原成二氧化碳和水,释放出它们带有的太阳能。这样,生物活动就是一种太阳能的自然存储。

关于可再生能源的问题

可再生能源的利用仍受到限制的主要原因之一是相对于矿物燃料发电成本较高。(热心于使用和安装可再生能源系统的人可得到政府基金。)

然而近些年来改善的技术以使风能和生物能从生产成本上更具有竞争性。尽管太阳能能源的成本比较合理,像英国这样缺少阳光的国家不可能在短期内投入巨额资金来开发这种能源。

此外,可再生能源系统经常造成局部干扰,许多人反对大量的风力涡轮机占用农村土地等等。

尽管存在这些障碍,自始至终可再生能源有一个美好的未来,并且继续增加其在世界能源需求中的比例,同时继续关注矿物燃料能源对气候的影响。

你能做什么

现在有许多家用可再生能源供选择。如下详述,可将各种方案综合在一起组成常见的家用系统,并且可以和传统的加热和电气系统同时使用。各种方案如下:地源热力泵地源热力泵系统通过特殊设计的埋在地下的管路来循环液体。液体吸收地热,地热位于地下1.5米深,一年四季保持11o—13oC 的恒温。热力泵吸收热能并将其输送到建筑采暖系统和热水供应系统。

这些装置最好与建筑内地面加热系统连接,但也可与其他装置连接。同时并不都是可再生能量,驱动热力泵若需一个单位的能量,可从地下吸收四分之三个单位的能量。

太阳光电器这包括利用太阳能发电。太阳光电器在阳光照射下工作最好,但在阴天照样工作。面板或光电转换器上继承的芯片最好面向正南40°范围内,仰角在15°—60°之间。光电转换器系统可用在老建筑、流行建筑和新建筑上。

太阳能热水器太阳能热水器利用日光中所有的来自太阳的辐射,加热安装在屋顶上阳光采集器中流过的水和防冻液。加热后的水被传送到带有普通加热管的热水箱内,来自太阳的热能被传送到来自水龙头的箱内热水上。

系统每年至少能满足60%的热水需求,并总是和传统的技热系统连接以互相补充。在英国有50,000多个这样的系统,价格取决于所选的容量和类型。

小型风力涡轮机小型风力涡轮机是指塔杆高度在25m及以下的风力涡轮机。涡轮机须安装在塔尖上以减小建筑物、住宅用品和树木对其的阻碍作用。它们没有噪音,但需要提交规划申请。风速至关重要,建议离地高度10米的风速大于等于每秒5米。

生物加热来自可持续提供木源的木屑是一种可再生能源,可用作新式、计算机控制的锅炉设备的燃料给建筑空间和居民用水加热。当整个加热系统热需求恒定且与储藏间有便捷通道时,设备工作状态最佳。锅炉设备比用矿物燃料的设备要贵,但木屑比气、油和煤便宜。

可再生能量的未来

为了降低全球变暖和气候改变的影响,减少我们对诸如煤、油和气这样的矿物燃料的依赖至关重要。为达到这个目的,毫无疑问,要提供清洁、可循环使用且对环境无副作用的能源,可再生能源技术至关重要。

B 电动车辆

众多城市中不断增加的空气污染促进了寻找替代燃料的研究。电动车是减少大多数城市中占空气污染三分之二的尾气排放的一种方法。电驱动技术包括电池电动车、混合动力电动车和燃料电池电动车。

电驱动技术

电池电动车电动车是一种机动车辆,诸如汽车、卡车、或公交车,电动车用可充电电车作燃料,取代了汽油、柴油或其他燃料。被取代的是内燃机及其传动系统。电动车用一台电机,某些场合下用多台电机来驱动车辆。

储存在电动车可充电电池中的能量给电机控制器供电。电机控制器根据脚踏板的位置决定提供给驱动电机能量的大小。

给电动车提供燃料就是将车和一个插座或充电装置连接起来,这个充电装置是专门为电动车供电而设计的。充电时间取决于电池类型、容量和充电器的电压/电流。大多数电动车6小时左右都能充完。

此外,电动车比内燃机车的效率要高得多。不仅驱动系统的效率高,而且传动系统的损耗小,怠速根本不存在。

混合电动车混合电动车指的是使用两种不同的能源。混合电动车基本上是一种电动车,它使用随车携带的内燃机与电机/发电机连接来驱动车辆并/或给电池充电。现在有许多种不同的混合电动系统,它们使用汽油和柴油发动机、人造燃料发动机、气轮机或与电池连接的燃料电池。这些选项可分成三类:串联(容量扩展混合电动车),并联(功率辅助混合电动车),复合型混合电动车。

现今在最常见的混合电动车上使用的主要能源是汽油和电池。电池都是静止部件。唯一的损耗是在放电过程中产生的很小的热量。如前所述,混合电动车使用两种不同的能源。对于当前市场上的这些汽车而言,电池是次要的能源供应方式,而使用汽油、柴油或可替代燃料,如甲醇、乙醇或压缩天然气的发动机居于首位。最清洁、以燃料为主的的混合电动车设计包括大于等于20英里的全电动有效行程和每天可以给电池充电的地点。混合电动车的最终目标是提供和传统汽车同样的功率、同样的里程、同样的价格和同样的安全性,并降低燃料费和有害的尾气。现在,混合电动车的效率差不多是传统内燃机汽车的两倍。

燃料电池车燃料电池车与电动车基本相同,仅仅是用燃料电池而不是普通电池供电来驱动车辆。燃料电池车携带氢源,燃料电池将氢转换为电。

燃料电池是一种电化学装置,在电池中化学反应的能量被直接转换成电。通过将氢与空气中的氧结合形成了电,根本没有燃烧。当用氢作燃料时,水和热是仅有的副产品。

虽然氢是燃料电池的主要燃料,燃料重整的过程要考虑到从甲醇、天然气、石油或可再生原料中提取氢。与普通电池不同,燃料电池不会用光,也不需要充电,只要有燃料,它就能工作。

对环境的益处

虽然传统汽车的尾气排放量越来越少,其他燃料的车辆能减轻空气污染,电动车在现有技术中对空气质量的影响是最小的。电动车是唯一没有尾气排放的车辆;唯一与电动车相关的气体排放来自发电厂和生产氢的工厂,因为电动车要用电给电池充电,用氢给燃料电池作燃料。

即使与今天的汽车相比,电动车或电池电动车对保证空气质量有诸多好处。使用电动车会减少活性氧和氮氧化物的排放——造成烟雾、严重损害身体健康的主要气体将不复存在。二氧化碳,造成全球变暖的主要气体。

使用电池电动车和混合电动车也会减少由石油产品、汽油和电动机润滑油溢出对海洋、江河、陆地水域的污染。减轻城市噪声污染是另一个优点,因为电动车既安静又干净。

市场上的电动车

车队是电池电动车和电动车一个重要的早期市场。公共部门、政府办事处和其他公司开始把电动汽车作为车队的一部分,并用于各种场合。在一些城市你可以看到电动的公交车、货车和服务车、邮车和在机场往来穿梭的行李搬运车。

电动车并不是处处可见,但电动车时代已经到来。许多重要的汽车制造厂,诸如本田、福特、通用、丰田和克莱斯勒等,正在引进或正计划引进某种电动车来投放市场。

充电学

给电池电动车加燃料就像在家庭车库里接个电源那样简单。和加油站不同,不用排队、没有汽油味儿、不需交现金也不需要刷卡。

电池电动车可以很方便地在家里、车队维修站、公共充电站以每公里比加油站低得多的价格充电。

今天的电池电动车通常在标准的110伏、20安培电源接口上要花费8个多小时完成再充电过程。但是,现在有几种充电系统使用208伏、40安培或240伏、40安培电源可在几个小时或更短的时间里完成对电池电动车的充电过程。将来,随着电池和充电器技术的发展,充电时间会和加油时间一样长。由于480伏以上的高电压安装昂贵,这样的快速充电可能仅会在给许多电池电动车服务的地方见到,比如车队车库,充电站。

袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈

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汽车专业英语翻译综合

第一章汽车总论 1)Today’s average car contains more than 15,000 separate, individual parts that must work together. These parts can be grouped into four major categories: body, engine, chassis and electrical equipment 。P1 现在的车辆一般都由15000多个分散、独立且相互配合的零部件组成。这些零部件主要分为四类:车身、发动机、底盘和电气设备。 2)The engine acts as the power unit. The internal combustion engine is most common: this obtains its power by burning a liquid fuel inside the engine cylinder. There are two types of engine: gasoline (also called a spark-ignition engine) and diesel (also called a compression-ignition engine). Both engines are called heat engines; the burning fuel generates heat which causes the gas inside the cylinder to increase its pressure and supply power to rotate a shaft connected to the power train. P3 发动机作为动力设备,常见的类型是内燃机,其原理是通过发动机缸内的液体燃料燃烧而产生能量。发动机可分为两类:汽油机(点燃式)和柴油机(压燃式),都属于热力发动机。燃料燃烧产生热量使缸内气压上升,产生的能量驱动轴旋转,并传递给动力传动系。 第二章内燃机 1)Power train system: conveys the drive to the wheels 2)Steering system: controls the direction of movement 3)Suspension system: absorbs the road shocks 4)Braking system: slows down the vehicle P4 传动系把发动机输出的扭矩传递给驱动轮。传动系包括离合器(对应机械变速器)或液力变矩器(对应液力自动变速器)、变速器、驱动轴、主减速器、差速器和驱动桥。 5)Drum brakes have a drum attached to the wheel hub, and braking occurs by means of brake shoes expanding against the inside of the drum. With disc brakes, a disc attached to the wheel hub is clenched between two brake pads. P6 鼓式制动器的制动鼓和轮毂连接,制动蹄张开压紧制动鼓内侧从而产生制动。在盘式制动器上,连着轮毂的制动盘被紧紧夹在两个制动块之间。 1)Linking the piston by a connecting rod to a crankshaft causes the gas to rotate the shaft through half a turn.The power stroke"uses up"the gas,so means must be provided to expel the burnt gas and recharge the cylinder with a fresh petrol-air mixture:this control of gas movement is the duty of the valves;An inlet valve allows the mixture to enter at the right time and an exhaust valve lets out the burnt gas after the gas has done its job . P10 活塞通过连杆和曲轴连接,使得气体带动曲轴旋转半圈。作功冲程耗尽了所有的气体,这样就必须采取相应的措施排出废气并且向气缸内充入新的可燃混合气:气体的运动由气门来控制。进气门使可燃混合气在恰当的时刻进入气缸,排气门使燃烧后的废气排出气缸。 2)The spark-ignition engine is an internal-combustion engine with externally supplied in ignition,which converts the energy cntained in the fuel to kinetic energy.The cycle of operations is spread over four piston strokes. To complete the full cycle it takes two revolutions of the crankshaft. P11 火花点火式发动机是由外部提供点火的内燃机,从而将含在燃料内的能量转化成动能。发动机的一个工作循环分布在活塞的四个行程中,一个完整的工作循环曲轴需要转动两圈。 3)The oil pump in the lubricating system draws oil from the oil pan and sends it to all working parts in the engine. The oil drains off and runs down into the pan. Thus,there is constant circulation of oil between the pan and the working parts of the engine. P15

专业英语翻译

Veterinary Immunology and Immunopathology 141 (2011) 133–138 Contents lists available at ScienceDirect Veterinary Immunology and Immunopathology j o u r n a l h o m e p a g e :w w w.e l s e v i e r.c o m /l o c a t e /v e t i m m Short communication Saccharomyces cerevisiae decreases in?ammatory responses induced by F4+enterotoxigenic Escherichia coli in porcine intestinal epithelial cells Galliano Zanello a ,b ,1,Franc ?ois Meurens a ,1,Mustapha Berri a ,Claire Chevaleyre a ,Sandrine Melo a ,Eric Auclair b ,Henri Salmon a ,? a Institut National de la Recherche Agronomique (INRA),UR1282,Infectiologie Animale et SantéPublique,F-37380Nouzilly (Tours),Indre et Loire,France b SociétéIndustrielle Lesaffre,Lesaffre Feed Additives,Marcq-en-Baroeul,France a r t i c l e i n f o Article history: Received 19October 2010Received in revised form 13December 2010 Accepted 31January 2011Keywords: Saccharomyces cerevisiae Enterotoxigenic Escherichia coli Pig Intestinal epithelial cells Cytokines Chemokines a b s t r a c t Probiotic yeasts may provide protection against intestinal in?ammation induced by enteric pathogens.In piglets,infection with F4+enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC)leads to in?ammation,diarrhea and intestinal damage.In this study,we investigated whether the yeast strains Saccharomyces cerevisiae (Sc ,strain CNCM I-3856)and S.cerevisiae variety boulardii (Sb ,strain CNCM I-3799)decreased the expression of pro-in?ammatory cytokines and chemokines in intestinal epithelial IPI-2I cells cultured with F4+ETEC.Results showed that viable Sc inhibited the ETEC-induced TNF-?gene expression whereas Sb did not.In contrast,killed Sc failed to inhibit the expression of pro-in?ammatory genes.This inhibition was dependent on secreted soluble factors.Sc culture supernatant decreased the TNF-?,IL-1?,IL-6,IL-8,CXCL2and CCL20ETEC-induced mRNA.Furthermore,Sc culture supernatant ?ltrated fraction <10kDa displayed the same effects excepted for TNF-?.Thus,our results extended to Sc (strain CNCM I-3856)the inhibitory effects of some probiotic yeast strains onto in?ammation. ? 2011 Elsevier B.V. All rights reserved. 1.Introduction Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC)are pathogenic gram negative bacteria which infect humans and sev-eral species of farm animals such as calves and pigs.ETEC interacts with intestinal epithelial cells,colonizes the small intestine and secretes enterotoxins such as the heat-labile enterotoxins (LT),the heat-stable enterotox-ins (STa and/or STb),and the enteroaggregative E .coli heat-stable enterotoxin 1(EAST1)(Nagy and Fekete,2005).In pigs,ETEC infection and enterotoxin secretions can induce intestinal in?ammation and diarrhea resulting in reduced growth rate,increased mortality and economic ?Corresponding author.Tel.:+33247427331;fax:+33247427779.E-mail addresses:salmon@tours.inra.fr ,henri.salmon@tours.inra.fr (H.Salmon).1 These authors contributed equally to this work.loss (Fairbrother et al.,2005).Moreover,F4+ETEC strain induce pro-in?ammatory response in intestinal epithe-lial cells (Devriendt et al.,2010).Administration of the yeast Saccharomyces cerevisiae variety boulardii (Sb )has been shown to protect pigs in reducing ETEC transloca-tion (Lessard et al.,2009).In vitro studies showed that Sb secretes soluble factors that decrease the expression of pro-in?ammatory cytokines induced by enteric pathogens (Zanello et al.,2009).However,to our knowledge,there is no in vitro data regarding the anti-in?ammatory effects of S.cerevisiae (Sc )secreted soluble factors.Sc and Sb are members of the same species but they differ geneti-cally,metabolically and physiologically (Edwards-Ingram et al.,2007;Hennequin et al.,2001).Thus,in this study,we assessed if the non-commensal and non-pathogenic yeasts Sc (strain CNCM I-3856)and Sb (strain CNCM I-3799)secreted factors allowing the down-regulation of pro-in?ammatory gene expression in intestinal epithe-lial cells cultured with F4+ETEC.Sc (strain CNCM I-3856) 0165-2427/$–see front matter ? 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.doi:10.1016/j.vetimm.2011.01.018

《机械工程专业英语教程》课文翻译

Lesson 1 力学的基本概念 1、词汇: statics [st?tiks] 静力学;dynamics动力学;constraint约束;magnetic [m?ɡ'netik]有磁性的;external [eks't?:nl] 外面的, 外部的;meshing啮合;follower从动件;magnitude ['m?ɡnitju:d] 大小;intensity强度,应力;non-coincident [k?u'insid?nt]不重合;parallel ['p?r?lel]平行;intuitive 直观的;substance物质;proportional [pr?'p?:??n?l]比例的;resist抵抗,对抗;celestial [si'lestj?l]天空的;product乘积;particle质点;elastic [i'l?stik]弹性;deformed变形的;strain拉力;uniform全都相同的;velocity[vi'l?siti]速度;scalar['skeil?]标量;vector['vekt?]矢量;displacement代替;momentum [m?u'ment?m]动量; 2、词组 make up of由……组成;if not要不,不然;even through即使,纵然; Lesson 2 力和力的作用效果 1、词汇: machine 机器;mechanism机构;movable活动的;given 规定的,给定的,已知的;perform执行;application 施用;produce引起,导致;stress压力;applied施加的;individual单独的;muscular ['m?skjul?]]力臂;gravity[ɡr?vti]重力;stretch伸展,拉紧,延伸;tensile[tensail]拉力;tension张力,拉力;squeeze挤;compressive 有压力的,压缩的;torsional扭转的;torque转矩;twist扭,转动;molecule [m likju:l]分子的;slide滑动; 滑行;slip滑,溜;one another 互相;shear剪切;independently独立地,自立地;beam梁;compress压;revolve (使)旋转;exert [iɡ'z?:t]用力,尽力,运用,发挥,施加;principle原则, 原理,准则,规范;spin使…旋转;screw螺丝钉;thread螺纹; 2、词组 a number of 许多;deal with 涉及,处理;result from由什么引起;prevent from阻止,防止;tends to 朝某个方向;in combination结合;fly apart飞散; 3、译文: 任何机器或机构的研究表明每一种机构都是由许多可动的零件组成。这些零件从规定的运动转变到期望的运动。另一方面,这些机器完成工作。当由施力引起的运动时,机器就开始工作了。所以,力和机器的研究涉及在一个物体上的力和力的作用效果。 力是推力或者拉力。力的作用效果要么是改变物体的形状或者运动,要么阻止其他的力发生改变。每一种

汽车专业英语翻译

Unit1 发动机是汽车的心脏。汽车引擎的目的是将燃料转化为能量使汽车移动。最简单的方法是在发动机内部燃烧燃料。,因此,汽车发动机是一种内燃机,缸内燃烧燃料和燃烧的扩张力量转换成旋转力用来驱动汽车。 这里有多种类型的内燃机分为往复式和旋转式引擎;火花式点火或压缩式点火发动机;代用燃料发动机。 往复式发动机 最熟悉的组合是往复式,火花点火,四冲程汽油发动机,如图1-1a所示。现代汽车通常是由水冷活塞式内燃机,安装在汽车的前面,它的力量可以被传送到前轮,传到后轮,或所有车轮轮。一些汽车使用风冷式发动机,但这些通常效率不及液冷式。往复式发动机的另一个主要类型是柴油发动机(如图果1-1b所示),这是使用重型车辆,如卡车,公共汽车和少数家庭轿车。柴油和汽油发动机一般采用四冲程循环。 转子式发动机 转子式内发动机,也叫汪克尔发动机,由德国的Felix~Wankel在1954年开发的,可以提供一种低废气排放和大规模生产的可行性的发动机来替代往复式发动机机。在这种发动机中,三面转子在燃烧室的自由空间内旋转使其随着转子转动压缩和膨胀,见图1 - 2。燃料被吸入、压缩和被点火系统的点燃。膨胀的气体带动转子然后废气排出,如图1 - 3所示。旋转式引擎没有气门,活塞,连杆,往复部件,或曲轴。它提高了马力,基本上不会有震动,但它的油耗是高于传统活塞式发动机。 代用燃料汽车 内燃机消耗大量的石油,并造成严重的空气污染,因此,其他类型的燃料和非常规引擎被研究和发展。 可替代燃料汽车(AFV)是一种用常见的油箱的柔性燃料车辆,设计一种在不同混合的无铅汽油与乙醇或双燃料汽车运行,一种可使用替代燃料和传统燃料。一种高科技车辆(A TV)结合了新引擎,动力传动机构,传动系系统显著提高燃油经济性。最理想的替代燃料发动机燃烧燃料比传统汽油内燃机更为简洁,但仍然能够使用现有的加油站。 混合动力电动车 混合动力汽车或者混合电动汽车(HEV)(如图1 - 4所示),是由两个或两个以上的能源,其中之一是电力可以高英里每加仑,低排放。有两种类型的混合动力汽车,串联和并联式。在串联式电动汽车中,车辆动力所有动力来自同一个源头。例如,一个电动马达驱动的汽车电池和内燃机驱动发电机给电池充电。在并联混合动力,电力是通过这两个路径,电动机和内燃机驱动车辆。这一点,可能有助于电力汽车的电动发动机空转和加速度。内燃机巡航时,驱动传动系和给电池充电。 在当前生产混合动力车发动机和电动马达连接,同样的传播协助下电动引擎可以更小。

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About car engine Of all automobile components,an automobile engie is the most complicated assembly with dominant effects on the function of an autombile.So, the engine is generally called the"heat"of an automobile. 在汽车的所有部件中,汽车发动机是最复杂的组件,其对整车性能有着决定性的作用。因而发动机往往被称作发动机的“心脏”。 There are actually various types of engines such as electric motors,stream engines,andinternal combustion engines.The internal combustion engines seem to have almost complete dominance of the automotive field.The internal combustion engine,as its name indicates,burns fuel within the cylinders and converts the expanding force of the combustion into rotary force used to propel the vehicle. 事实上,按动力来源分发动机有很多种,如电动机、蒸汽机、外燃机等。然而内燃机似乎在发动机领域有着绝对的统治地位。就像其字面意思一样,内燃机的染料在气缸内燃烧,通过将燃烧产生气体的膨胀力转换成转动力来驱动发动机前进。 Engine is the power source of the automobile.Power is produced by the linear motion of a piston in a cylinder.However,this linear motion must be changed into rotary motion to turn the wheels of cars or trucks.The puston attached to the top of a connecting rod by a pin,called a piston pin or wrist pin.The bottom of the connecting rod is attached to the crankshaft.The connecting rod transmits the up-and-down motion of the piston to the crankshaft,which changes it into rotary motion.The connecting rod is mounted on the crankshaft with large bearings called rod bearing.Similar bearings, called main bearings,are used to mount the crankshaft in the block. 发动机是整部车的动力来源。能量来自于活塞在气缸内的(往复)直线运动。然而这种(往复)直线运动必须要转换成旋转运动才能驱动车轮。活塞与连杆通过一个销来连接,这个销称为活塞销。连杆的下部连接于曲拐。连杆把活塞的上下往复运动传递给曲拐,从而将往复直线运动转变成旋转运动。连杆和曲拐的连接使用大的轴承,称之为连杆轴承,类似的轴承也用于将曲轴连接到机体,称之为主轴承。 They are generally two different types of cooling system:water-cooling system and air-cooling system.Water-cooling system is more common.The cooling medium, or coolant, in them is either water or some low-freezing liquid, called antifreeze.A water-cooling system consists of the engine water jacket, thermostat, water pump, radiator, radiator cap, fan, fan drive belt and neccessary hoses. 主要有两种类型的冷却系统:水冷和风冷。水冷系统更为普遍。系统所用冷却介质或是冷却液常委水或其他低凝固点液体,称为抗凝剂。一个完整的水冷系统包括机体水套,节温器,水泵,散热器,散热器罩,风扇,风扇驱动皮带和必需的水管。 A water-cooling system means that water is used as a cooling agent to circulate through the engine to absorb the heat and carry it to the radiator for disposal.The ebgine is cooled mainly through heat transfer and heat dissipation.The heat generated by the mixture burned in the engine must be transferred from the iron or aluminum cylinder to the waterin the water jacket.The outside of the water jacket dissipates some of the heat to the air surrounding it, but most of the heat is carried by the cooling water to the radiator for dissipation.When the coolant temperature in the system reaches 90°,the termostat valve open fully, its slanted edge shutting off

各专业的英文翻译剖析

哲学Philosophy 马克思主义哲学Philosophy of Marxism 中国哲学Chinese Philosophy 外国哲学Foreign Philosophies 逻辑学Logic 伦理学Ethics 美学Aesthetics 宗教学Science of Religion 科学技术哲学Philosophy of Science and Technology 经济学Economics 理论经济学Theoretical Economics 政治经济学Political Economy 经济思想史History of Economic Thought 经济史History of Economic 西方经济学Western Economics 世界经济World Economics 人口、资源与环境经济学Population, Resources and Environmental Economics 应用经济学Applied Economics 国民经济学National Economics 区域经济学Regional Economics 财政学(含税收学)Public Finance (including Taxation) 金融学(含保险学)Finance (including Insurance) 产业经济学Industrial Economics 国际贸易学International Trade 劳动经济学Labor Economics 统计学Statistics 数量经济学Quantitative Economics 中文学科、专业名称英文学科、专业名称 国防经济学National Defense Economics 法学Law 法学Science of Law 法学理论Jurisprudence 法律史Legal History 宪法学与行政法学Constitutional Law and Administrative Law 刑法学Criminal Jurisprudence 民商法学(含劳动法学、社会保障法学) Civil Law and Commercial Law (including Science of Labour Law and Science of Social Security Law ) 诉讼法学Science of Procedure Laws

汽车专业英语_单词表

unit1 body 车身chassis 底盘enclosure外壳、套hood车棚、车顶sway 摇摆frame车架steering转向、操作brake 制动weld焊接rivet铆钉bolt螺钉washer垫圈vibration 振动stabilizer稳定器ride乘坐舒适性handling操作稳定性linkages转向传动机构plier钳子distributor分电器alternator交流发电机regulator调节器carburetor化油器radiator散热器、水箱defroster除冰装置sludge金属碎屑transmission变速器differential 差速器power train 传动系unitized body 承载式车身suspension system 悬架系统steering system 转向系braking system 制动系shock absorbers减震器control arms控制臂steering wheel 转向盘steering column转向管柱steering gears 转向器tie rod 横拉杆idler arm随动臂brake shoe制动蹄disc brake 盘式制动器drum brakes 鼓式制动器ignition system 点火系统exhaust system 排气系统lubrication system 润滑系oil filters 机油滤清器drive(or propeller)shaft传动轴universal joints 万向节dynamo发电机horn喇叭swived 旋转steering box转向器timing gear 正时齿轮bevel gear 锥齿轮mesh with与啮合leaf spring 钢板弹簧stub axle 转向节 unit2 longitudinal纵向的transverse横向的reciprocate往复spin旋转piston活塞ignite点火rub摩擦quart夸脱reservoir油箱mechanical机械的enclosed被附上的gallon加仑stroke冲程camshaft凸轮轴combustion燃烧disengaged脱离啮合的flywheel飞轮internal-combustion engine内燃机diesel-fuel柴油LPG=Liquefied Petroleum Gas液化石油气体CNG=Compressed natural gas压缩天然气spark ignition火花点火compression ignition压缩点火spark plug火花塞gas-turbine engine蒸汽机Stirling engine斯特灵发动机lubricating system润滑系统oil pan油底壳oil pump机油泵exhaust system排气系统emission-control system排放控制系统energy conversion能量转换air/fuel ratio空燃比connecting rod连杆TDC=Top Dead Center上止点BDC=Bottom Dead Center 下止点intake stroke进气冲程compression stroke压缩冲程power stroke作功冲程exhaust stroke排气冲程compression ratio压缩比lifter挺柱rocker摇臂retainer弹簧座seal密封件tappet 推杆lobe凸起gasket垫圈valve train配气机构cam follower气门挺柱rocker arm摇臂combustion chamber燃烧室intake valve进气阀exhaust valve排气阀valve stem气门杆valve cover气门室盖valve port阀口valve guide气门导管 unit3

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计算机专业英语课文翻译部分(第四版)

1.2 总线互连 总线是连接两个或多个设备的通信通路。总线的关键特征是,它是一条共享传输介质。多个设备连接到总线上,任一个设备发出的信号可以为其他所有连接到总线上的设备所接收。如果两个设备同时传送,它们的信号将会重叠,引起混淆。因此,一次只能有一个设备成功地(利用总线)发送数据。 典型的情况是,总线由多条通信通路或线路组成,每条线(路)能够传送代表二进制1和0的信号。一段时间里,一条线能传送一串二进制数字。总线的几条线放在一起能同时并行传送二进制数字。例如, 一个8位的数据能在8条总线线上传送。 计算机系统包含有多种不同的总线,它们在计算机系统层次结构的各个层次提供部件之间的通路。连接主要计算机部件(处理机, 存储器, I/O)的总线称为系统总线。系统总线通常由50~100条分立的(导)线组成。每条线被赋予一个特定的含义或功能。虽然有许多不同的总线设计,但任何总线上的线都可以分成三个功能组:数据线、地址线和控制线。此外可能还有为连接的模块提供电源的电源线。 数据线提供系统模块间传送数据的路径,这些线组合在一起称为数据总线。典型的数据总线包含8、16或32根线,线的数量称为数据总线的宽度。因为每条线每次传送1位,所以线的数目决定了每次能同时传送多少位。数据总线的宽度是决定系统总体性能的关键因素。 地址线用于指定数据总线上数据的来源和去向。例如,如果处理机希望从存储器中读一个字的数据,它将所需要字的地址放在地址线上。显然,地址总线的宽度决定了系统最大可能的存储器容量。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用。由于数据线和地址线被所有部件共享,因此必须用一种方法来控制它们的使用。控制信号在系统模块之间传送命令和定时信息。定时信息指定了数据和地址信息的有效性,命令信号指定了要执行的操作。 大多数计算机系统使用多总线,这些总线通常设计成层次结构。图1.3显示了一个典型的高性能体系结构。一条局部总线把处理机连接到高速缓存控制器,而高速缓存控制器又连接到支持主存储器的系统总线上。高速缓存控制器集成到连接高速总线的桥中。这一总线支持连接到:高速LAN、视频和图形工作站控制器,以及包括SCSI 和FireWire的局部外设总线的接口控制器。低速设备仍然由分开的扩充总线支持,用一个接口来缓冲该扩充总线和高速总线之间的通信流量。 PCI 外部设备互连是流行的高带宽的、独立于处理机的总线,它能够作为中间层或外围设备总线。当前的标准允许在66MHz频率下使用多达64根数据线,其原始传输速率为528MB/s, 或4.224Gbps。PCI被设计成支持各种各样基于微处理机的配置,包括单处理机和多处理机的系统。因此,它提供了一组通用的功能。PCI使用同步时序以及集中式仲裁方案。 在多处理机系统中,一个或多个PCI配置可通过桥接器连接到处理机的系统总线上。系统总线只支持处理机/高速缓存单元、主存储器以及PCI桥接器。使用桥接器使得PCI独立于处理机速度,又提供快速接收和传送数据的能力。 2.1 光存储介质:高密度存储器 2.1.1 光盘 光盘技术最终可能使磁盘和磁带存储淘汰。用这种技术,磁存储器所用的读/写头被两束激光代替。一束激光通过在光盘上刻制微小的凹点,对记录表面进行写;而另一束激光用来从光敏感的记录表面读取数据。由于光束容易被偏转到光盘上所需要的位置,所以不需要存取臂。 对用户而言,光盘正成为最有吸引力的选择。它们(光盘)对环境变化不太敏感,并且它们以每兆字节比磁盘低得多的存储器价格提供更多的直接存取存储器。光盘技术仍在出现,并且还需要稳定;然而,目前有三种主要类型的光盘。它们是CD-ROM、WORM盘和磁光盘。 CD-ROM 1980年引入的,非常成功的CD,或紧密盘是设计来提高音乐的录音重放质量的光盘。为了制作一张CD,把音乐的模拟声音转换成等价的数字声音,并且存储在一张4.72英寸的光盘上。在每张光盘上可以用数字格式(用20亿数字位)记录74分钟的音乐。因为它的巨大存储容量,计算机工业的企业家们立刻认

汽车专业英语翻译

INTERNAL COMBUSTION ENGINE 引擎燃烧室 1. principle of operation 原理 Engine and power : Engine is used to produce power. The chemical energy in fuel is converted to heat by the burning of the fuel at a controlled rate. This process is called combustion. If engine combustion occurs with the power chamber. ,the engine is called internal combustion engine. If combustion takes place outside the cylinder, the engine is called an external combustion engine. Engine used in automobiles are internal combustion heat engines. Heat energy released in the combustion chamber raises the temperature of the combustion gases with the chamber. The increase in gas temperature causes the pressure of the gases to increase. The pressure developed within the combustion chamber is applied to the head of a piston to produce a usable mechanical force, which is then converted into useful mechanical power. 译: 引擎和能量: 引擎为汽车提供能量,燃料的化学能通过燃烧,转化为热能,这个过程叫燃烧。假如燃烧在燃烧室,这样的发动机叫内燃机。假如燃烧在气缸外,这样的发动机叫外燃机。 用在汽车上的一般是内燃机,热能在燃烧室释放,燃烧室气体温度升高。气体温度的升高使气体的压力曾加,燃烧室内的高压气体作用在活塞头部产生可以利用的化学能,化学能转化为机械能。 Engine T erms : Linking the piston by a connecting rod to a crankshaft causes the gas to rotate the shaft through half a turn. The power stroke “uses up” the gas , so means must be provided to expel the burnt gas and recharge the cylinder with a fresh petrol-air mixture :this control of gas movement is the duty of the valves ;an inlet valve allows the new mixture to enter at the right time and an exhaust valve lets out the burnt gas after the gas has done its job. Engine terms are : TDC(Top Dead Center):the position of the crank and piston when the piston is farther away from the crankshaft. BDC(Bottom Dead Center):the position of the crank and piston when the piston is nearest to the crankshaft. Stroke : the distance between BDC and TDC; stroke is controlled by the crankshaft. Bore : the internal diameter of the cylinder. Swept volume : the volume between TDC and BDC Engine capacity : this is the swept volume of all the cylinder e.g. a four-stroke having a capacity of two liters(2000cm) has a cylinder swept volume of 50cm. Clearance volume: the volume of the space above the piston when it is at TDC. Compression ratio = (swept vol + clearance vol)\(clearance vol) Two-stroke : a power stroke every revolution of the crank.

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