PART 1 Electrical and Electronic Engineering Basics
UNIT 1 A Electrical Networks — — — — — — — —
— — — — 3
B Three-phase Circuits
UNIT 2 A The Operational Amplifier — — — — — — —
— — — — 5
B Transistors
UNIT 3 A Logical Variables and Flip-flop — — — — —
— — — — — 8
B Binary Number System
UNIT 4 A Power Semiconductor Devices — — — — — —
— — — — 11
B Power Electronic Converters
UNIT 5 A Types of DC Motors — — — — — — — — — —
— — —15
B Closed-loop Control of DC Drivers
UNIT 6 A AC Machines — — — — — — — — — — — —
— — —19
B Induction Motor Drive
UNIT 7 A Electric Power System — — — — — — — —
— — — —22
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B Power System Automation
PART 2 Control Theory
UNIT 1 A The World of Control — — — — — — — — —
— — —27
B The Transfer Function and the Laplace Transformation
— — — — —29
UNIT 2 A Stability and the Time Response — — — — —
— — — — 30
B Steady State— — — — — — — — — — — — —
— —— — 31
UNIT 3 A The Root Locus — — — — — — — — — —
—— — 32
B The Frequency Response Methods: Nyquist Diagrams —
— — — — 33
UNIT 4 A The Frequency Response Methods: Bode Piots — —
— — — 34
B Nonlinear Control System 37
UNIT 5 A Introduction to Modern Control Theory
38
B State Equations
40
UNIT 6 A Controllability, Observability, and Stability
B Optimum Control Systems
2
UNIT 7 A Conventional and Intelligent Control
B Artificial Neural Network
PART 3
Computer Control Technology
UNIT 1 A Computer Structure and Function
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B Fundamentals of Computer and Networks 43
UNIT 2 A Interfaces to External Signals and Devices 44
B The Applications of Computers
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UNIT 3 A PLC Overview
B PACs for Industrial Control, the Future of
Control
UNIT 4 A Fundamentals of Single-chip Microcomputer
49
B Understanding DSP and Its Uses
UNIT 5 A A First Look at Embedded Systems
B Embedded Systems Design
PART 4
Process Control
UNIT 1 A A Process Control System 50
B Fundamentals of Process Control
52
UNIT 2 A Sensors and Transmitters 53
B Final Control Elements and Controllers
UNIT 3 A P Controllers and PI Controllers
B PID Controllers and Other Controllers
UNIT 4 A Indicating Instruments
3
B Control Panels
PART 5
Control Based on Network and Information
UNIT 1 A Automation Networking Application Areas
B Evolution of Control System Architecture
UNIT 2 A Fundamental Issues in Networked Control Systems
B Stability of NCSs with Network-induced Delay
UNIT 3 A Fundamentals of the Database System
B Virtual Manufacturing—A Growing Trend in
Automation
UNIT 4 A Concepts of Computer Integrated Manufacturing
B Enterprise Resources Planning and Beyond
PART 6
Synthetic Applications of Automatic
Technology
UNIT 1 A Recent Advances and Future Trends in Electrical
Machine Drivers
B System Evolution in Intelligent Buildings
UNIT 2 A Industrial Robot
B A General Introduction to Pattern Recognition
UNIT 3 A Renewable Energy
4
B Electric Vehicles
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
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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
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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
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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 ,
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