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第一单元：双极结晶体管 今天，工业电子系统采用由术语晶体管描述的几个器件。 每种类型的晶体管具有 不同的特性和操作条件，用于将其与其它晶体管区分开。 在本讨论的第一部分中，我 们关注的是双极结型晶体管。 在结构上，该晶体管被描述为双极的，因为它具有两个 不同的 电流载波极性。 孔是正电流载流子，而 电子是负电流载流子。 两种不同种类的 半导体晶体通过公共元件连接在一起。 该器件的结构类似于背对背连接的两个二极管 的结构，其中一个晶体对于两个结都是公共的。 中心材料通常比两个外部件薄。 图 1 。 图 1 示出了两种不同类型的双极晶体管的晶体结构，元件名称和模式符号。 双极晶体管主要用作调节通过其的 电流量的放大器件。 来自能量源的电流进入发 射极，流过基极区域，并通过集 电极离开。 集 电极 电流的变化通常被识别为晶体管的 输出。 集 电极 电流由基极 电流的小变化控制。 他的关系被描述为电流增益或 beta 。 用数学表达式， 该公式的希腊字母 delta 表示变化值。 用于表示施加 ac 值时晶体管的响应。 种类型的条件被称为动态特性。 在公式中省略 delta 符号表示直流或静态工作条件。 在发射极处进入晶体管的所有电流被识别为发射极 电流或 IE。 集 电极 电流或 IC， 总是略小于 IE。 IE 和 IC 之间的差异是由于基极电流。 在数学上， 是基极电流= 发射极 电流 - 集电极 电流 bipolar 双极 图 1.2 显示了简单 NPN 硅晶体管的 电路连接。 该电路的操作基于正向偏置的发射 极 - 基极结和反向偏置的集 电极。 发射极 - 基极结的正向偏置通过将直流源的负极 侧连接到发射极和正极侧通过RB 连接到基极来实现。 当集电极通过电阻器RL 连接到 源极的正极时，发生集电极的反向偏置。 通过 RL 的集电极 电流由发射极 - 基极结的 正向偏置电压控制。 在单个 PN 二极管结的操作中，正向偏置导致导通，反向偏置导致非导通。在晶体 管中，该规则不直接应用，因为涉及两个结。例如，当发射极 - 基极结正向偏置时，其导 致大量的 IE 进入基极区。基极 - 集 电极结的反向偏置通常会限制该电流。但是由于薄 的基底结构，IE 将在其到达基极区域时立即进入集电极。最终，该电流通过集电极，并且 表现为集 电极 电流 IC 或输出电流。因此，在正常晶体管操作中，发射极 - 基极结的正 向偏置改变或减小基极 - 集电极结的反向偏置效应。 晶体管主要分类为电流操作器件。 意味着只有当发射极 - 基极结正向偏置并产 生基极电流时，输出或集电极 IC 才会发生。当基极电流停止时，集电极 电流停止，晶体 管变为不导通。 种情况称为切断，另一方面，如果出现过量的基极 电流，则晶体管被 驱动到饱和。当 种情况发生时，IB 的进一步增加不会引起IC 中的相应变化。当实现振 幅控制时，晶体管很少在饱和区域中操作。当晶体管用作开关时，其通常在饱和区域中 图 1.3 的晶体管放大器电路是先前 NPN 电路的 PNP 对应物。 该电路的 电池以相反 的方向连接，以便实现适当的偏置。 性能基本上与 NPN 电路的性能相同。 电流 IC，IB 和 IE 在该图中由箭头表示。 该电路的发射极 电流仍然提供最大的 电流值。 在该电路 中，IC 加 IB 的复合也等于 IE。 第二单元：运算放大器 运算放大器的内部结构相当复杂，通常包含大量分立元件。使用运算放大器的人通 常不需要关心其内部构造。然而，有助于对内部电路完成什么有一些一般的理解。 允 许用户看到设备如何执行和指示作为一个功能单位的一些限制。 运算放大器的内部电路可以分为三个功能单元。图 1.7 显示了内部功能或运算放大 器的简化图。注意每个功能都包含在三角形中。电子原理图使用三角形以表示放大功能。 该图显示了运算放大器具有三个基本放大功能。 些功能通常称为放大级。放大级包含 一个或多个有源器件和实现放大所需的所有相关组件。 运算放大器的第一级或输入通常是差分放大器。此放大器有两个输入，标记为 V1 和 V2 。 I t 提供提供给两个输入的信号差的高增益和用于同时施加到两个输入的公共 信号的低增益。任何施加的信号的输入阻抗都很高。放大器的输出通常是幅度相等且相 位相差 180°的两个信号。 可以被描述为推挽输入和输出。 放大的一个或多个中间级跟随差分放大器。图 1.7 显示了只有一个中间级的运算放 大器。功能上，该放大器设计为在输出处将工作点移至零 电平，并具有高电流和 电压增 益能力。需要增加增益来驱动输出级，而不会使输入负载下降。中间级通常具有两个输 入和单端输出。 运算放大器的输出级具有相当低的输出阻抗，并负责开发驱动外部负载所需的 电 流。它的输入阻抗必须足够大，以便不会降低中间放大器的输出。输出级可以是射极跟 随器放大器或以互补对称配置连接的两个晶体管。在 个阶段 电压增益相当低，具有相 当大的电流增益。 差分放大器是大多数运算放大器的关键或操作基础。 该放大器最好被描述为具有 共享单个发射极 电阻器的两个相同或平衡的晶体管。 每个晶体管具有输入和输出。 简 化差分放大器的原理图如图 1.8 所示。 请注意， 电路由双极性或分离 电源供 电。 源极 引线标记为+ VCC 和-VC C，并相对于公共接地引线测量。 差分放大器的操作基于其对施加到基极的输入信号的响应。 将一个基极接地并将 输入信号施加到另一个基极产生两个输出信号。 些信号具有相同的幅度，但是被反 相 180°。 种类型的输入使放大器在其差分工作模式下响应。 当具有相等幅度和极性的两个信号同时施加到每个基极时，所得到的输出为零。 种类型的输入引起在公共连接的发射极 电阻两端出现差值或抵消 电压。在某种意义上， 差分放大器作为对相同输入信号的平衡桥。当电路平衡时没有输出，当电路不平衡时输 出。 被称为共模操作条件。差分放大器设计用于抑制两个输入共用的信号。术语共模 抑制比用于描述放大器的 种动作。 CMRR 是差分放大器的独特特性。不希 望的噪声，干扰或嗡嗡声可以被 种操作条件拒绝。 图 1.9 显示了连接差分模式工作的差分放大器的简化原理图。在该电路中，将输入 信号施加到 Q1 的基极，并且Q2 的基极保持开路或处于浮置状态。 种情况导致信号在 两个输出端和发射极 电阻上产生。如图所示，发射器信号与输入同相。 两个输出信号 彼此异相并且具有相当大的放大度。输出 Vo1 与输入不同相，Vo2 同相。 当仅施加一个输入信号时，差分放大器将产生两个输出信号。输入信号从 Q1 到 Q2 的耦合通过发射极 电阻实现。例如，输入信号的正交替导致 Q1 的正向偏置增加。这导 致 Q1 的导通的增加。随着更多的 IE，在发射极 电阻器两端产生更大的电压。 又使得 两个发射器的负值更小。 Q1 的导通不受该电压的明显影响，因为它具有施加到其输入 的外部信号。然而，Q2 直接受到其发射极的降低的负电压的影响。 使得 Q2 的导通减 少。通过 Q2 的电流减少导致 RL2 两端的电压降较小，集 电极 电压沿正方向摆动。实际 上，施加到 Q1 的基极的输入信号减小了 Q2 的 VE ， 又增加了输出电压Vo2 的值。因 此，输入信号通过公共连接的发射极 电阻耦合到 Q2。 输入信号的负交替导致刚刚描述的动作的反转。例如，Q1 将导电性较差，Q2 将 有增加的导电性。此操作会导致 IC 的减少。通过 Q1 和 Vo1 的值的增加摆动。 Q2 的增加的导电引起Vo2 的相应减小。两个输出信号相位相差 180°。实际上，输入 的两个变化国出现在输出中。在差分模式下连接的差分放大器将产生反映整个输入信 号的两个输出信号。 当输入反转时，差分放大器基本上以相同的方式流动。在 种情况下，输入信号施 加到 Q2 的基极，Q1 的基极打开或悬空。 Vo2 与输入异相，Vo1 同相。放大器的幅度或 输出信号电平仍然基于两个输入之间的信号差。由于每次仅有一个信号施加到输入，放 大器会看到非常大的差分输入，并产生相当大的输出电压。 图1.9 的差分放大器很少在当今的运算放大器中使用。通常，RE 的电阻需要相当大， 以便具有良好的耦合和共模抑制能力。大的电阻值在 IC 构造中相当难以制造。然而， RE 可以用晶体管代替。该晶体管及其相关组件被称为恒流源。 第三单元：二进制编号系统 实际上，目前操作中的所有电子数字系统都是二进制类型。 种类型的系统具有 2 作为其基数或基数。此系统可在特定位置表示的最大数字值为数字 1。基本上， 意味 着在二进制系统中只使用数字 0 或 1。在电子方面，零值可以表示为非常低的电压值或 无 电压。然后，数字 1 可以由大于或大于零的某个电压值分配指示。使用该电压值分配 的二进制系统被描述为具有正逻辑。负逻辑通过比较具有分配给零的 电压和没有分配 给数字 1 的电压。在下面的讨论中，将仅使用正逻辑。 二进制系统的两个操作状态，一个和零，可以被认为是自然的 电路条件。当 电路被 关闭或没有施加 电压时，它被认为处于关闭或 0 状态。因此，具有施加的电压或可操作 的电路被认为处于 1 状态或处于 1 状态。因此，二进制数字可以是 1 或 0.术语位通常用 于描述此条件。位是二进制数字的缩写版本。 由十进制或基数 10 数字使用的编号的基本原则通常适用于二进制数。例如，二进 制系统的基数为 2。 意味着只有数字 0 和 1 可以用于表示特定的地方值。在星形点左 边的第一个位置，或者在 种情况下，二进制点，表示单元或 1 的位置。位于二进制点 左侧的位置指的是 2 的幂。二进制点左边的数字 s 的一些数字值是 2 8，24 = 16,25 = 32,26 = 64,27 = 128，等等。= 1,2 = 2,2 = 2 = 作为一般规则，当在讨论中使用不同的编号系统时，它们必须并入下标编号以标 识正在使用的编号系统的基础。数字 110.2 是 种类型的典型表达式。 将被描述为一 个一零，而不是一百一十的十进制等效。 数字 110.2等于六到十进制数，即 6.10。从二进制点的第一个数字开始，该数字将 有 0×20 + 1×21 + 1×22 或 0 + 2.010 + 4.10 = 6.10 的位置值。将二进制数转换为等效十进 制数的过程如 图 1.14 所示。 二进制到十进制转换过程的简化版本如图 1 所示。在 种转换方法中，先记下二进 制数。从二进制点开始，指示指示 1 的每个二进制位置位置的十进制等效功率 s-of-2 数。 对于二进制数中的每个零，留空格或指示零。添加地点值分配并记录十进制等值。对多 个二进制数执行此方法，直到您熟练掌握此转换过程。 将十进制数转换为二进制等效值是通过用 n 2 除的重复步骤来实现的。当商是偶数 而没有余数时，记录 0。当商具有余数时，记录 1。将十进制数转换为二进制数所需的步 骤如图 1.15 所示。 在 种情况下，转换过程是通过写下十进制数来实现的。 将此数字除以系统 的基数，或 2。 记录所示的商和余数。 将步骤 1 的商移动到步骤 2，并重复该过程。 除 法过程继续，直到商变为零。 二进制等价物是其最后到第一个放置顺序中的余数值。 你可能想要对几个数字练习 个过程，以获得一定程度的熟练。 当大数字由二进制数字表示时，它们变得有点笨拙，难以使用。为此，设计了二进 制编码十进制计数法。在 种类型的系统中，使用四个二进制数字来表示每个十进制数 字。为了说明 个过程，我们选择要转换为二进制编码十进制或 BCD 数的数字 392.10。 在直二进制数 s 中，392.10 = 101,001,001.2 为了应用 BCD 转换过程，首先将基数 10 根据位置值划分为离散数字。 因此，数字 392.10 等于数字 3-2-9。将每个数字转换为二进制将允许我们显示此数字为 0011 -0010 -1001 .BCD。通过 个过程，只有 12个二进制数可以显示最多999.10 的小数， 并且可以快速解释。当显示 BCD 数时，每组数之间的间距极为重要。 由任何一组BCD 数字显示的最大数字是 9. 意味着在该系统中根本不使用数字编 码组的六位数字。由于 个原因，设计了八进制或基本 8 和十六进制或基本 16 系统。数 字系统仍然以二进制形式处理数字，但通常以 BCD，八进制或十六进制值显示它们。 第四单元：触发器 触发器通常用于产生信号，波形，并实现除法。除了 些操作之外，触发器也可以 用作存储器件。在该容量中，即使当输入被完全去除时，也可以保持输出状态。当发生 适当的输入信号时，也可以改变其输出。 图 1.22 的复位组或 RS 触发器是典型的数字系统控制装置。触发器的逻辑图，A NS 符号和真值表如图所示。注意，该装置的真值表比简单逻辑门的真值表稍微复杂一 些。例如，它必须在输入脉冲发生之前显示器件的不同状态，然后显示输入到达后它如 何变化。注意，两个操作条件产生不可预测的输出。在 种操作状态下，第一个到达脉 冲只通过重合产生输出。 在许多数字系统应用中，触发器必须相对于其它工作 电路在特定时间被置位和清 零。 种类型的操作可以通过与时钟脉冲一起操作触发器来实现。 在 种情况下，必 须存在适当的 RS 输入和时钟脉冲，以便引起状态变化。 种类型的装置称为 RS 触发 式触发器或简称为 RST 触发器。 RST 触发器的真值表基本上与图 1 的 RS 触发器的真值表相同。它只会在时钟脉冲 到达 T 输入时启动状态变化。将双输入 AND 门简单地添加到设置和复位输入以完成此 操作。图 1.23 显示了 个修改，相应的 ANS 逻辑符号和 RST 触发器的真值表。 在数字系统中通常使用的另一个重要的触发器是 JK 触发器。此设备有点不寻常， 因为它没有不可预测的输出状态。可以通过向 J 输入施加 1 来设置 I t，并且可以通过向 K 输入提供 1 来清除 I t。同时施加到 J 和 K 输入的 1 信号使输出改变状态或切换。在同 一时间应用于两个输入 a 0 的 A 0 不启动状态改变。 JK 触发器的输入由时钟脉冲应用 直接控制。 图 1.24 显示了 JK 触发器的逻辑图，ANS 符号和真值表。请注意，此设备没有不可 预测的输出状态。基本 JK 触发器的几个版本或修改可用。 些包括具有预设和预清零 输入的设备，其可以用于在精确的时刻建立顺序操作。触发器通常用作用于计数操作， 临时存储器和顺序切换操作的基本逻辑元件。 数字系统中最通用和最重要的逻辑器件之一是计数器。作为一般规则，该设备可以 用于对多个不同数字系统应用中的各种各样的对象进行计数。虽然 个装置可能被要 求计数无限数量的物体，但它本质上只计数一件事， 电子脉冲。 些脉冲可以通过时钟 机构，机 电地，光 电地，声学地或通过多个其他过程 电子地产生。然而，计数器的基本操 作完全独立于脉冲发生器。 数字计数器的常见应用用于以二进制形式计数数字信息。 种类型的设备简单地 采用连接的多个触发器，使得第一设备的 Q 输出驱动下一设备的触发器或时钟输入。因 此，每个触发器具有除以 2 的功能。 图 1.25 显示了 JK 触发器连接以实现二进制计数。图 1.25中的计数器通常称为 二进制纹波计数器。该电路中的每个触发器具有保持在逻辑 1 电平的 J 和 K 输入。施加 到 FF1 输入端的每个时钟脉冲将引起状态变化。触发器仅仅在时钟脉冲的负向部分上 被调整。因此，FF1 的输出将在每个脉冲的 1 和 0 之间交替。对于每两个输入脉冲，在 FF1 的 Q 处将出现 1 个输出。 意味着每个触发器具有除以 2 的功能。以 种方式连接 的五个触发器将产生 2 或 32 个计数。在 种情况下最大的计数是 1111.2;即当每个 Q 输 出为 1 时发生 31.1 0。下一个施加的脉冲清除计数器，使得 0 出现在所有 Q 输出。 通过将三个触发器组合在一起[图 1.25]，可以开发二进制编码八进制或 BCO 计 数器的单位部分。因此，111.2将用于表示八进制计数器的七个计数或七个单位。以 种 方式连接的两组三个触发器将产生 111-111.2 的最大计数，其表示 77.8 或 63.10。 通过将四个触发器放在一组中[图1.25]，可以开发二进制编码的十六进制或 BC H 计数器的单元部分。 Thu 1111.2 将用于表示 F.16 或 15.10。两组四个触发器可以用于 产生 1111-1111.2 的最大计数，其将表示 FF.16 或 225.10。每个后续组的四个触发器将用 于将计数可能性提高到下一个 16。 包含四个互连的触发器的二进制计数器通常构建在一个 IC 芯片上。 图 1.26 显示 了 4 位二进制计数器的逻辑连接。 当用作 4 位计数器时，FFA 现在将产生 1111.2 或 15.10 的最大计数。 通过从 FFB 断开 F FA，并将时钟应用到 F FB 输入，我们有一个 3 位或 BCO 计数器。 触发器 FFA 至 FFD 的输出分别标记为 A ，B，C 和 D. 第五单元：滤波电路 对于许多应用，需要消除交流波纹的平滑直流输出电压。 用于去除整流直流的交 流变化的 电路是滤波 电路。 整流器的输出具有直流值和交流纹波值，如图 1.30 所示。 为了获得交流变化量的相对指数，整流器的输出波形的纹波因子可以由下式确定 其中 r =纹波系数 Vr =交流分量的有效值 Vdc =整流直流 电压 的平均值 用于表示整流器输出中的交流变化量的另一个指数是波动的百分比。 纹波百分比 可以通过确定 全波整流 电压具有比半波整流 电压更小的纹波年龄。 当直流电源必须具有低量的 纹波时，应使用全波整流器 电路。 电容滤波器 简单的电容滤波器可用于平滑整流器输出的交流波纹。图 1.31 显示了在 60 Hz，单 相全波桥式整流器的输出端添加电容器的结果。添加电容器后的输出波形如图 1.31 理想的滤波直流 电压将不具有交流纹波和等于来自整流器输出的峰值电压 的值。注意，在图1.31中，Vdc 的值接近 Vmax 的值。将此值与图1.31的全波整流 电压进行比较。还要注意，两个时间间隔如图 1.31所示。时间段 t1 表示二极管导通， 其将滤波电容器充电至峰值整流电压。时间段 t2 是电容器通过负载放 电所需的时间。 滤波电容器的不同值将导致放电速率的变化。如果 C 放出非常小的量，则Vdc 的值 将更接近 Vmax 的值。对于轻负载，电容滤波器将提供具有小纹波的高直流电 压。然而，在连接重负载的情况下，由于更大的纹波，直流电压水平将下降。增 加的纹波是由滤波 电容器的较低 电阻放电路径引起的。较重负载对滤波 电容的影响如 图 1.31所示。 通过利用在图 1.31 的波形上指示的值，可以将 Vdc 和 Vr 表示为 【最下面公 我们还可以表示具有轻负载的 60 Hz，全波滤波电容电路的纹波量【图 1.31】 Idc =以毫安为单位的负载电流 C =滤波电容值，单位为微法 RL =负载电 阻，单位为千欧 随着连接到滤波器电路的更重的负载，获得更多的 电流。 作为 Id c。 增加，Vdc 减小。 然而，如果使滤波 电容器 C 的值较大，则 Vdc 的值变得更接近 Vmax 的值。 对于 60H z 的全波整流器，C 的值可以通过使用等式来确定【C=2.4I/V】 然而，应当指出，随着 C 的值增加，通过二极管的电流的峰值也将增加。 因此，对 于在前述等式中反映的 C 的值存在实际限制。 滤波 电容产生高直流 电压，轻负载具有低交流纹波。 然而，其主要缺点是在较重 负载处的较高纹波和较低 Vdc ，较差的电压调节以及通过二极管的高峰值电流。 RC 滤波 通过使用 RC 滤波器可以改进前面的滤波器 电路。 图 1.32 显示了 RC 滤波器级。 该滤波器的纹波比电容滤波器的纹波更小，但由于 R1 上的电压下降，它具有较低的平 均直流电压。 R1 和 C2 的目的是添加另一个滤波器网络，这进一步减少了纹波。 该电 路在连接轻负载时也能最好地工作。 可以具有多级 RC 滤波器以进一步减小 ac 纹波。 Pi 型过滤器 在 RC 滤波器中使用电阻器在许多情况下是不期望的，因为它减小了电路的平 均直流输出。 为了补偿直流 电压降低，可以使用 pi 类型的滤波器。 图 1.33 显示了 种类型的滤波器。 扼流线圈优于 RC 滤波器的电阻器的优点在于其仅提供 小的直流系列电阻，但其交流阻抗要大得多。 因此，它通过 dc 并阻塞整流电压的 ac 分 量。 种类型的滤波器的几个部分也可以用于进一步减少 ac 波纹。 第六章：数控系统 今天在工业中发现的另一个非常重要的数字系统应用被称为数字控制或 NC 。在本 申请中，使用一系列数字编码指令来自动控制机器的操作。可以通过该过程产生重复的 部件，或者可以自动执行特定的组装操作。制造一致性是由该过程控制的机械的主要优 术语数值控制实际上指的是相互关联的两个不同的函数。术语数字具体指的是应 用于机器的指导信息。 通常表示穿入系统的输入部分读取的纸带或卡中的数字信息。 纸带中的两个状态如孔或无孔用于指示机器。数字控制台主要负责此操作。 NC 系统的控制功能是指机器在被命令做某事之后发生的物理变化。定时，顺序，定 位，引导，引导，改变速度和夹紧是典型的机器控制操作。机电，液压和气动操作用于独 立地或通过一起工作的所有三个操作的组合来实现该功能。 操作员的控制台位于机器的右侧。本机采用纸带驱动单元和控制不同机器操作所 需的数字逻辑组件。 电气断路开关，控制变压器，主轴转速功率控制和辅助操作功能由 本系统的控制台控制。 在 NC 机床的操作中发生的物理变化通过电，液压或气动致动器实现。直流步进电 机和交流伺服电机通常用于电驱动工作台的不同轴。然后可以通过同步发电机监测台位 置，以将精确的位置信息传递回控制基准以用于精确的基准校正。工作台，刀 选择器， 冷却液循环，主轴进给和转塔旋转的垂直位置是典型的液压和气动控制操作。 种类型 的控制可以电动地或机械地通电并且液压地或气动地致动。 NC 机床的操作可以通过将其放置在基本系统结构的框架中而稍微简化。图 1.38 显 示了两种不同类型的 NC 机床控制系统。开环系统[图。 1 。 38 ]在其最简单的形式 中仅需要逻辑处理器和放大器来驱动步进电机以实现特定的控制操作。该系统的操作 背后的理论是，步进电机通常足够可靠，以便毫无失败地作用于命令。 种类型的系统 比闭环系统更便宜并且通常更易于维护和操作。 种类型的系统的关键是可靠的步进 电机。基本铣床和机床车床的数量由 种类型的系统控制。 传统上，NC 机器几乎都是闭环型[图 1.38 ]。应用于输入的命令被处理并应用于 致动器。由致动器产生的反馈信号然后返回到处理器用于比较。然后比较输入和反馈信 号，并且如果需要，使用校正信号来修改控制过程。与开环类型的系统相比， 种类型 的系统是相当复杂的。系统的预期工作功能主要用于决定开环或闭环控制的需要。 要使 NC 机床运行，它必须从其输入接收数字信息。编码数字指令通常是预先准备 的，并且可以放置在穿孔纸带，穿孔卡或磁带上。今天，穿孔纸带已经被建立为NC 系统 的标准输入介质。放在 条胶带上的说明书打在八个水平通道中， 些通道沿着胶带的 长度。在不同通道位置冲孔的孔根据已建立的代码进行。图 1.39 显示了 EIA 244 A 和 ASCII 的代表性代码。 EIA 代码由电子工业协会开发。 ASCII 指代由美国信息交换标 准协会开发的代码。 EIA 码通常被描述为奇奇偶校验码。他指的是每个字符穿入绦虫产生奇数个孔的 事实。通道 3 和 4 之间的小链轮驱动孔不进入该计数。 EIA 244 A 码是由 EIA 建立的原 始码。今天 个代码正在被新的 RS 358 取代。作为一般规则，大多数NC 输入接受两个 EIA 代码而不进行任何修改。 图1.39 的ASCII 被认为是偶校验码。每个字符打入磁带产生偶数个孔。由于奇偶校 验码的差异，EIA 和 ASCII 码在 NC 输入中不能互换使用。 胶带穿孔主要由特殊的电子打字机制备。 台打字机非常类似于一台标准的 电动 打字机。 除了标准的托架和键盘控制之外， 台打字机还配有一个打孔机和磁带阅读 器。 特定的 NC 被打印在纸上并同时在带上打孔。 磁带读取器功能允许由打字机读取 和再现准备的媒体作为容易阅读的打印输出。 由该打字机准备的穿孔绦子准备用于 NC 输入的磁带读取器。 P2 第一章：控制系统简介 人们成功地控制自然力量的设计一直是历史进步的催化剂。我们的目标是控制 些力量，以帮助执行超出我们自身能力的身体任务。在 20 世纪的动态和积极性，控制系 统工程已经将我们的许多希望和梦想变成现实。控制系统工程师对我们的进步做出了 非常重要的贡献。我们回顾，控制系统工程师对机器人做出了贡献;空间飞行器系统，包 括成功完成月球软着陆;飞机自动驾驶仪和控制;船舶和潜艇的控制系统，水翼，表面效 应船舶，高速铁路系统的自动控制系统;以及最近的磁悬浮轨道系统的控制系统。 然而，所有 些类型的控制，如果它们要成功，具有某些共同的特征。控制系统是 以这样的方式连接的组件的集合，以实现对系统操作的域的某些方面的控制。此外，存 在不需要人类交互的控制系统，例如飞行器自动标绘和汽车巡航控制系统。在处理控制 系统，特别是工程控制系统时，我们将处理各种组件，表明该主题是一个跨学科的。控 制工程师需要具有力学， 电子， 电机，流体力学，热力学，结构，材料性能等方面的工作 知识。计算机被广泛地用于实现控制方案，并且因此对控制工程师正需要对信息技术和 软件工程的日益增长的了解。显然不是每个控制系统都包含来自上述每个域的元素，但 是最有用的控制系统包含来自多个学科的元素。 通常，控制系统可以被分类为开环或闭环。 两种类型的控制系统的区别特征是 使用 闭环操作的反馈比较。 开环控制系统： 开环控制系统代表控制设备的最简单形式。图2.1 示出了简单的罐液位控制系统。 我们希望即使通过值 V1 的出口流量变化，也将容器液位 h 保持在合理可接受的限度内。 可以通过由阀V2 不规则地手动调节入口流速来实现。该系统不是精密系统，因为其 不具有精确测量通过阀 V1 的输出流速，通过阀 V2 的输入流速或罐液位的能力。图.2 .2 显示了在该系统中输入和输出之间存在的简单关系。物理系 统的 种信号流表示被称为框 图。箭头用于显示输入输入和离开控制的输出图.2 .2 油 罐级控制系统黑色图系统。该控制系统没有任何反馈比较，术语开环用于描述 种缺失。 图2.3 示出了以恒定速度转动切割轮的场控直流 电动机。 当一块木材被施加到切 割轮的表面时，假设控制信号保持恒定，其作为对电动机的驱动扭矩的干扰扭矩，并且 导致切割轮的速度的降低。 种情况可以重新呈现，如图2 所示。 出现在 电机和负载 之间的符号表示减法器。 干扰转矩或其它次级输入的影响对开环控制系统的精确功能是有害的，因为没有 反馈比较，所以它没有自动校正其输出的方式。 闭环控制系统 闭环控制系统从反馈比较中得到其有价值的精确再现输入。 误差检测器导出与输 入和输出之间的差异成比例的信号。 闭环控制系统驱动输出，直到它等于输入，并且 误差为零。 实际和期望输出之间的任何差异将在闭环控制系统中自动校正。 通过适当 的设计，系统可以相对独立于次级输入和部件特性的变化。 图2.5 示出了图2-1 所示的系统的自动罐液位控制版本。即使通过值 V1 的输出流 速变化，它也可以在相当准确的公差内维持所需的罐液位 h 。如果罐液位不正确，则产 生误差 电压。 被放大并应用于调节值 V2 的电动机驱动器，以通过调节入口流量大小 恢复期望的箱水平。类似于该系统的框图在 图2.6 中示出。由于存在反馈比较，术语闭 环用于描述系统的操作。【P62 最下了】 在 图2.7 中示出了场控直流 电动机的自动速度控制形式，如图2.7 所示。该反馈系统 具有即使可能发生干扰扭矩也保持输出速度相对恒定的能力。转速计作为将速度转换 为电压的换能器，是该控制系统的反馈元件。如果输出速度与期望速度不同，差分放大 器产生一个误差信号，该误差信号调节电动机的励磁电流，以便恢复所需的输出速度。 用于控制位置，速度和加速度的反馈控制系统在工业和军事应用中非常普遍。 他 们被赋予了伺服机构的特殊名称。 由于闭环系统可能无意中充当振荡器，因此具有所 有许多优点，反馈系统具有非常严重的缺点。 然而，通过适当的设计，可以利用反馈的 所有优点而不具有不稳定的系统。 P2 第二章：控制系统性能规格 任何工程系统或组件的设计都需要规定要完成的工作或系统必须 备的某些基本 属性。 个规范应该相当精确;它是有用的，知道什么时候一个给定的设计只是足够好 的手头的工作，因为更好的质量几乎总是导致更复杂，困难和昂贵的设计。自动控制系 统也不例外。 标量反馈系统的控制行为包括稳态和瞬态响应。传统上，相同的两个类别用于反馈 系统的性能规格。 反馈系统的稳态性能通常在稳定性和精度方面进行描述。稳定性程度是描述控制 系统性能标准的极其重要的部分。反馈控制系统必须稳定，即使系统受到命令信号，环 路内任何地方的外部输入，电源变化和反馈环路参数的变化。 静态精度是反馈控制系统的下一个最重要的特性。设计师总是努力设计系统以最 小化某一预期输入类别的误差。 理论上，期望控制系统具有响应于位置，速度，加速度的变化以及具有零误差的高 阶导数的变化的能力。这样的规范是非常不切实际和不切实际的。幸运的是，实际系统 的要求不那么严格。 用于确定任何控制系统的稳态性能的方法是应用如等式给出的拉普拉斯变换 的最终定理。 让我们考虑单位反馈系统。如图2 所示。给定输入 R 的稳态误差 E 由下式给 出【2.18】【2.19 略】 输入 R 将被认为是依次采用几种标准形式之一，并且闭环系统的稳态误差将被 评估为开环传递函数系统类型的函数。 控制工程师通常对位置，速度和加速度的输入感兴趣。 步骤，斜坡和抛物面是分 别表示 些物理量的简单数学表达式。 当我们确定稳态误差时，假定环路传递函数 G 具有一般形式：【2.20】 SN =在复平面的原点处的多极，K =表达式的增益因子。 在瞬态响应的情况下，稍微更难以陈述有意义的量化规范，因为瞬变中的模式的相 对加权取决于输入， 很少是提前的谓词。一个常用的规范集合对 阶跃响应的系统。 通过指定三个参数延迟时间，超调和稳定时间，响应被限制在 图211 的阴影边界内。然 后假定其阶跃响应满足 些约束的系统将具有任何类型的可接受的瞬态响应 的输入。 些瞬态规范定义如下【2 图.11】 1.延迟时间 ：我们将延迟时间定义为响应从值的 0％上升到最终值的 50％所需的时 间，如图2-11 所示。 2.过冲：阶跃响应的峰值由 Mpt 表示，达到该峰值的时间为 Tp，百分比过冲由公式 其中 Css 是 c 的稳态或最终值， 3.稳定时间：定义为输出变为的经过时间，由稳态输出两侧的两个等间距限制。 通 常 些限值可以规定为±5％，±2％或±1％，相应地增加稳定时间。 或者，可以对系统的频率响应施加约束。大致来说，大带宽意味着系统可以跟随快 速变化的输入，而在频率响应中存在 大的谐振峰值通常是在瞬态响应中指示至少一个衰减不足的正弦波。因此，闭环频率响 应的带宽B 和谐振峰值高度 Mp 分别是大致对应于延迟时间和过零点的品质因数。 些 参数的规定限制了对图 2 中所示的区域的闭环频率响应的幅度。闭环带宽不是一个非 常方便的品质因数，并且响应频率ωr 在其位置使用十。通过频域标准约束瞬时响应的替 代方法是规定最小可接受增益和相位裕度; 些可以仅仅确定开环频率响应。 因此， 些是常用的三种替代的瞬态响应规范： 1.闭环步进响应：延迟时间，过冲，建立时间。 2. 闭环频率响应：谐振峰高，带宽或谐振频率。 3.开环频率响应：增益裕度，相位裕度。 P2 第三章：鲁斯 - 赫尔维茨稳定性准则 鲁斯 - 赫尔维茨稳定性准则是用于仅使用特征方程的系数来确定位于复平面的右 半部分中的根的数量的代数过程，而不实际求解用于根本身的特征方程。 它涉及检查 特征方程的系数的符号和幅度，而实际上不必确定其根。 该方法不表示相对的稳定性 或不稳定性。 可以通过以下 些步骤使用该方法： 步骤 1 ：以多项式形式写入特性方程 a0 sn + a1 sn-1 + a2 sn-2 + + an-1 s + an = 0 如果当其他系数中的至少一个系数为正时系数为负或零， 在右半位或是虚构的。 虽然可以说负系数将导致不稳定的系统，但是不可能说如果所有系数都是正的，则 系统是稳定的。 所有系数为正的要求是必要的，但不够，需要进一步分析。 步骤 2 ：如果没有负系数，则 Routh 阵列必须以以下方式形成：【2.33】 此模式将继续，直到一行中的所有术语都为零。 行向下索引，第一行编号为 n ，原 始多项式的次数; 最后一行编号为 0。 一旦完成，系统的稳定性可以从 Routh 的标准确 定，其表示右手半复平面中的闭环极点的数量等于 Routh 的第一列的元素的符号变化的 数量 数组。 让我们用一个简单的例子来说明 种方法。 考虑特性方程【2.34】 使用所描述的过程，生成的数组是 第一列上有两个符号改变 ：4 到 - 25 和 - 25 到 500; 因此，在右半平面中存在两个 根，并且系统不稳定。 如果任何行中的第一项为零，并且该行的其它项不为零，则可以通过将第一列零替 换任意小的正ε来继续等式的阵列。 然后以常规方式继续该方法。 让我们用一个 简单的例子来说明 种特殊情况的程序。 考虑以下特性方程：【2.35】 使用所描述的过程，生成的数组是【2.36】 当ε为零时，在左侧列中的项的极限值为负。左侧列，第五行上的项的极限 值为正。因此，符号有两个变化，两个根必须位于右半平面，并且系统不稳定。 当到达第行之前，行中的所有项都是零时，上面提到的例外情况发生。 意 味着存在位于实轴上的彼此为负的真实根对，位于虚轴上的共轭根对，或者相对于原点 对称定位的四倍的根。对于 种特殊情况，等式的数组可以通过从前一行获得辅 多项式来完成。通过构造多项式形成辅多项式方程，其多项式的系数是最后非零行的系 数。为了确定辅多项式的程度，将行向下索引，第一行编号为 m ，原始多项式的次数。那 么最后一个非零行的索引是辅多项式的次数。然后对总是为偶数的该多项式进行微分， 并使用所得到的系数来完成阵列。辅多项式的零是特征方程的实根。 个过程用一个简 单的例子来说明。考虑以下特性方程：【2.37】 使用所描述的过程，生成的数组是【2.38】 第三行中存在零表示特殊情况。 使用第二行的系数作为子方程，我们得到 F = 10s + 160 = 0 为了完成阵列，方程被区分，然后将所得到的系数插入到阵列中，如下： 【2.40】 没有根位于右半平面，因为左手柱中没有符号变化。 彼此为负的根可以从等式 获得为±j4 ，指示一对假想根。 虽然 Routh-Hurwitz 标准没有考虑这样的系统不稳 定，但是从实际控制考虑是不稳定的。 P2 第四单元：频率响应方法：奈奎斯特图 根轨迹方法的弱点是它依赖于开环传递函数的存在，从其绘制轨迹本身。如果开环 传递函数 G 太复杂以至于无法确定或仅仅是未知的，则根轨迹方法不能用于确定闭 环系统是否将是稳定的。问题是，在没有传递函数的情况下可以确定稳定性吗？答案是 肯定的，只要可以找到开环频率响应。 在强制频率ω下受到正弦输入的任何渐近稳定的线性系统将振荡该强制频率。输出 的稳态响应也是正弦的，具有与输入相同的频率，但是移位通过相位角并且具有可以不 同的幅度 M. 种稳态正弦响应称为系统的频率响应。 对于给定的系统，函数 G 的频率响应函数 G 可以通过用 j ω替换拉普拉斯变 量 s 来获得，其可以写为：【2.51】 其中幅度 M 由给定 相位角由下式给出 在上述等式中涉及三个参数：独立可变频率ω，函数的幅度 M，以及输入 和输出之间的相位角。 有几种用于研究系统的稳定性和性能的分析技术，其可以被分 类为频率响应方法。 此表示称为 Bode 图。 另一种表示被称为极坐标图。 对于给定的系统，如果对于每单位时间从 0 到+∞弧度的输入频率的范围已知振幅 比和相位角，则完全指定频率响应。 考虑具有传递函数 G = 1 / 的图2.20 的稳定一阶系统，频率传递函数为 G = 1 / ，其中可以是任意频率。 幅度比 为【2.54】P84 随着输入频率ω从 0 增加到+∞，我们可以画出 M 的频率响应图。 波德图如图 1 所 示。 2.20 ，其中分别绘制 M-ω和-ω曲线。 极坐标图如图2.20 所示。 奈奎斯特稳定性标准 奈奎斯特稳定性标准是确定反馈控制系统的稳定性或稳定性的非常有价值 的工具。此外，它是用于改善反馈控制系统的稳态和瞬态响应的其他方法的基础。奈奎 斯特稳定性准则的应用需要开环传递函数 G 的极坐标图，其通常被称为奈奎斯特图。 奈奎斯特准则从复平面中的开环传递函数 G 的极坐标图确定具有正实部的特 性方程的根的数目。让我们考虑特性方程 F = 1 + G = 0 系统稳定性可以通过将其根定位在复平面中从等式 奈奎斯特图是在 G 的复平面中的极坐标图，如图2.20 所示。使用在原点移动 到点的一组轴上绘制的奈奎斯特图，奈奎斯特稳定性准则可以表示如下： 对于在 s 平面的右半部分具有 P 个开路极点的系统是稳定的，开环频率响应必须围 绕点 G 的逆时针方向的点P 次面。 应当理解，如果开环传递函数在奈奎斯特轮廓上放置奇点，则必须使用绕过奇点的 修改的奈奎斯特轮廓。或者，标准可以写为：如果Z≤0，系统是稳定的，其中 Z = N + P Z =右半平面中的 1 + G的根数 N = 临界点的顺时针环绕数 P =右半平面中 G 的开极极数 示例：绘制由开环传递函数描述的系统的奈奎斯特图【2.58】 评论系统稳定性。 解决方法 有必要使用以下模块中列出的方法确定开环频率响应图： 幅度和相位可以直接写为 M= 。。and =-180+tan。。 检查渐近值 从平面角方程可以看出，对于零和无穷之间的ω的任何正值。 Tan-1 w tan-1 因此？ 总是在第三象限。 轮廓的该部分在图2 中在 G 平面中示为 D E 。 接下 来，从 B 到 A 的 s 平面中的轮廓是负频率响应函数 G ，并且在 G 平面中绘制为 G 的镜像，产生轮廓段 A B 。 最后，在连接 B 与 D 的 G 平面中产生 s 平面的遍历。 由于临界点没有被环绕，因此可以得出结论，在奈奎斯特轮廓 内没有特征方程的零点，并且系统是无条件的 稳定。 增益和相位裕量 虽然系统稳定的语句有明显的用途，但知道它是如何接近不稳定也是有用的。例如， 如果我们预测系统对于增益K = 10 的值是稳定的，当我们看到增益时，可能不能够精确 地获得值 10。值K = 11 会使系统不稳定吗？为了帮助回答 些 问题，有时引用增益裕 度和相位裕度以便指定系统接近不稳定性。边缘都表示轨迹到临界点的“接近度”，尽管 它们各自表示不同的接近度。增益和相位裕量最好用图2 来解释。【图2.22】 点 A 由 G 轨迹和单位圆的交点定义。显然，在图2 中，点 A 处的 G 的幅度是 1，并且由 G = 1 表示。 。相对于正实轴的 G 的角度被指定为θ。相位裕度γ被定 义为 G 相对于负实轴所成的角度。它通过方程与θ 相关【

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