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专业英语教程,教学课件,I.课文内容简介：主要介绍关于反馈控制系统的基本知识。,Lesson1AnOverviewofFeedbackControl,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,III.Phrases,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,IV.重要词语1MATLABMATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、c+、JAVA的支持，可以直接调用。用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用，非常的方便。2SimulinkSimulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,V.参考译文第一课反馈控制概述动态系统的控制是一个极通用的概念，同时也有许多特点。由人对设备进行控制的系统就是所谓的手动控制，比如驾驶汽车。由机器控制的系统就是所谓的自动控制，如通过自动调温器对系统温度进行控制。如果所设计的系统是用于防止未知扰动而保持输出的稳定，则称为调节器，相应地，所设计的系统是用于跟踪参考信号，则被称为跟踪或伺服系统。也可根据用于计算控制动作的信息对控制系统进行分类。如果控制器在计算应采用的控制动作时，不使用被控系统的输出测量值，那么这个系统就称为开环控制。如果检测被控的输出信号并将其反馈用于计算，则该系统被称为闭环控制或反馈控制。除了这些最基本的特征外，控制系统还有许多其他重要的特性。例如，在本课程中，我们将主要关注的是采用线性、时间不变方程描述的控制过程，然而，如果信号足够大，则所有的物理过程都是非线性；如果观察足够长的时间，会发现它们的特性也是随时间而变化的。我们将只考虑当前输出的反馈，但可以用一个大家非常熟悉的例子来说明上述假设的局限性。当驾驶汽车行驶于浓雾中，驾驶者只能看见车前方紧接的道路而无法看见更远的位置，这就是简单反馈的应用！观察前方的道路是预测控制的一种形式。在这些信息可测的场合中，这些信息有明显的优势，而且一直用于控制；但在本课程所研究的大多数自动化控制的条件，是无法观测到未来的进程或扰动的。在任何情况下，控制设计师应该研究整个过程，看看是否有传感器既可以预测,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,被跟踪的进程又可以抗扰动。如果存在这种可能性，控制设计师可将其作为一个早期警告信号前馈至控制系统。发电厂的锅炉蒸汽压力控制就是其应用之一。通过对电厂输出的电力需求进行测量，将该测量值前馈至锅炉控制器，得到即将需求的蒸汽流量所应增加的预期值。数字计算机不仅价格低廉而且功能强大，其发展对完成控制的设计和实现产生了重大的影响。软件是控制强有力的助手，如MATLAB不但可以求解方程而且可实现控制设计方法的图形化。为了分析系统的响应，控制专业的学生可以使用诸如Simulink等工具，既可以很容易地计算线性响应又可以实现非线性模型的处理和控制。由于电子元件具有灵活和成本效益低的优点，因此用于计算实现有效控制所必须的信号的控制器主要由电子元件构成。由于模拟元件在执行求解简单方程时，比数字逻辑元件更快且更廉价，因此在控制器的执行元件中，采用模拟元件的情况越来越普遍，它们使得嵌入式数字处理拥有更大的编程灵活性和不断增加的成本效益。我们介绍的这些趋势对于刺激控制领域的这种影响是显而易见，贯穿于全书。反馈控制的应用前所未有地令人兴奋。目前利用全球定位系统（GPS）进行登陆和主动防碰撞的系统正在发展中，并且很有可能让我们凭借自身的能力在一个越来越拥挤的领空内飞行。众所周知，计算机中的硬盘是磁性数据存储设备，通常设计读/写头装置的控制可保证跟踪误差为微米数量级，且移动速度仅为一毫秒左右。从手机到大型喷气式客机，从洗衣机到如一个小城市般的炼油厂，控制是系统运作中必不可少的，且不胜枚举。事实上，,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,很多工程师都认为控制是一种隐藏性的技术，因为其对于如此多的装置和系统而言有根本的重要性，但往往我们是看不见的。毫无疑问，未来将看到的是工程师创造更富有想象力的反馈控制应用。在过去200多年，对控制问题的研究已经促成了一个广泛的知识体的形成，包括手动和自动的控制，这已融入控制系统设计这门学科，同时也是本课程的目标。反馈系统示例在反馈控制系统中，用传感器检测如温度或速度等被控变量，并把这个测量信号送回到控制器又对被控变量进行控制。这个原理可用一个常见的恒温控制器控制的家用取暖系统来简要说明。系统组成元件及元件间的相互关系如图2.1所示。从图中我们可以知道系统的主要部件以及从一个元件到另一个元件的信号流向。从图中，我们可以很容易地对这个系统的运行进行定性地分析。假设电源正常供电时，房间温度和室外温度都明显低于参考温度（也称为设定值）。温度控制器的状态将变为on，控制系统相应地会打开加热炉气阀并点燃火炉。这使得热量Qin以明显大于热损耗Qout的速率加热房间。最终，房间的温度将上升直到略大于温度控制器所设定的参考值。这将使加热炉关闭，房间温度开始朝着室外温度值下降。当温度下降到略低于设定值，温度控制器将再次工作，并周期重复。随着加热炉周期性地on和off，典型房间温度图如图2.1所示。假设室外温度保持在50，温度控制器的初始值为55。在上午6点，温度控制器设定为65，加热炉使室内温度达到这个值并在此后的时间内,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,周期地使温度在这个值附近波动。注意，房间的绝缘应该良好，保证当加热炉off时温度的下降比加热炉工作时温度的上升慢得多。我们可以用基本反馈控制系统的通用元件来表示这个例子，如图2.2所示。这个反馈系统的主要元件是需要控制其输出的进程。在我们的例子中的进程是房间，需要控制的输出是房间温度，扰动是由于墙和屋顶的导热使房间与外部较低温度之间产生的热的对流。（与外部的热对流还取决于如风、开门等其它因素）很显然，进程的设计将对控制的效果产生重要的影响。毫无疑问，控制采用瑟莫潘多层隔热玻璃窗的绝缘良好的房间的温度比其它的房间容易。飞行器核心部分的设计与此相类似，只是最终的性能指标不同。在任何情况下，控制引入过程设计越早越好。执行器是可以影响进程控制变量的装置，在上面的例子中，执行器是燃气式加热炉。这些细节说明许多反馈系统包含他们自身所形成的其它反馈控制系统。执行器的核心问题是它能否在足够大的范围内以足够快的速度调节输出量。即使在恶劣天气时，加热炉所产生的热量也必须大于房间的热损耗，而且必须快速调节保证房间的温度在一个很小的范围内波动。通常，功率、速度和可靠性比精度更重要，进程和执行器是紧密联系的，控制设计的核心是确定一个当的输入或控制信号送到执行器进程和执行器组合在一起构成装置，由控制器完成控制信号的计算。尽管使用压缩空气的气动式控制器在过程控制中长期占有重要地位，但由于电信号处理的灵活性，通常控制器都是处理电信号。随着数字技术的,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,发展，成本效率和灵活性使得采用数字信号处理器作为控制器的实例不断增长。图2.1中的温度控制器检测房间温度，在图2.2中它被称为传感器，其输出中不可避免地包含传感器干扰。在控制设计中，传感器的选择和安放非常重要，因为在某些时候实际的被控变量和被检测变量不是同一个值。例如，尽管我们实际上是希望控制整个房屋的温度，但温度控制器只位于一个特定的房间里，这个房间的温度可能与其他房间相同，也可能不同。举例来说，如果温度控制器设定为68，但是它是安装在靠近壁炉的起居室，那么在书房中工作的人就会感觉到冷。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,I.课文内容简介：主要介绍建立动态模型的基本知识。,Lesson2DynamicModels,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,III.Phrases,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,IV.难句翻译1Theoverallgoaloffeedbackcontrolistousetheprincipleoffeedbacktocausetheoutputvariableofadynamicprocesstofollowadesiredreferencevariableaccuratelyregardlessofthereferencevariablespathandofanyexternaldisturbancesoranychangesinthedynamicsoftheprocess.反馈控制的总体目标是在忽略参考变量的路径、所有外部扰动以及过程中所有动态变化的情况下，利用反馈原理，使动态过程的输出变量能精确地跟踪一个期望的参考变量。第一个to引导宾语，第二个to是cause的固定搭配；regardlessof引导的是状语，修饰follow。2Newtonslaw牛顿定律准确地说，式（2-1）是指牛顿三大定律中的第二定律，英文全称为Newtonssecondlawofmotion。3TheprocedureissimplestwhenthecoordinateschosenexpressthepositionwithrespecttoaninertialframebecauseinthiscasetheaccelerationsneededforNewtonslawaresimplythesecondderivativesofthepositioncoordinates.根据惯性参照系来选择位置的坐标能使整个过程最简化，因为在这种情况下，牛顿定律所需的加速度仅为位置坐标的二阶导数。When引导时间状语从句；because引导原因状语从句，其中accelerations是主语，neededfor短语修饰accelerations。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,V.参考译文第二课动态模型动态模型概述反馈控制的总体目标是在忽略参考变量的路径、所有外部扰动以及过程中所有动态变化的情况下，利用反馈原理，使动态过程的输出变量能精确地跟踪一个期望的参考变量。通过一系列简单严格的步骤可实现这个复杂的目标。第一步是推导被控过程的数学描述（称为动态模型）。正如控制工程师所使用和理解的，术语模型的含义是一系列描述对象动态行为的微分方程。在大多数情况下，尤其是需要建立模型和测试模型这些重要的步骤时，复杂对象的模型化是很困难的，代价也很高。但是，在本序言的描述中，我们的重点是常见物理系统模型化所遵循的最基本的原则。如果需要更详细的了解，可参考更全面的资料和更专业的书籍，这些书籍对这些知识有更详细的讲解。在后面的章节中，我们将研究一些用于处理运动方程的分析方法，包括状态变量法，在本章只作简单介绍。由于这种方法适用于计算机分析，因此，对于研究现代控制的学生来说，这种方法尤其重要。机械系统的动态模型对于任何机械系统而言，要得到数学模型或运动方程的基石是牛顿定律。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,F=ma(2.1)这里，F是系统中加在物体所有外力的矢量和，单位为牛顿（N）或磅（lb），a是每个物体相对于惯性参照系的矢量加速度（即，相对于中心点而言既不是加速也不是旋转）；一般称为惯量加速度，单位为米/秒2或英尺/秒2；m是物体的质量，单位为公斤或斯（勒格）。这里需要说明的是，在整本书中，我们习惯使用黑体来表示这个数值是一个矩阵或矢量，即等式（2.1）是一个矢量方程。在国际标准单位中，1牛顿的力可以使质量为1公斤物体产生1米/秒2的加速度。在英制单位中，1磅的力可使1斯（勒格）的物体产生1英尺/秒2的加速度。物体的“重量”用mg来表示，这里的g是重力加速度（=9.81米/秒2=32.2英尺/秒2）。在英制单位中，它常用来以磅来表明物体的重量，而这个数值通常是采用天平来称量的。为了得到牛顿定律中所需要的物体的质量，要用g来除这个重量。因此，重量为1lb的物体的质量为1/32.2斯。斯（勒格）的单位是磅秒2/英尺。在米制单位中，天平常用公斤分度，它直接测量物体的质量。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,此定律通常用于在确定适当的坐标后分析物体的运动（位置、速度和加速度），使用自由体图来求出物体所受的力，并由等式（2.1）写出运动方程。根据惯性参照系来选择位置的坐标能使整个过程最简化，因为在这种情况下，牛顿定律所需的加速度仅为位置坐标的二阶导数。一个简单系统;巡航控制模型写出图2.1所示汽车的速度和向前运动的运动方程，假设发动机产生的力u如图所示。分析。为了简化，我们假设车轮的旋转惯性可以忽略不计，并且阻碍汽车运动的摩擦力与汽车的速度成正比。然后，为了模型化，我们可以采用图2.2所示的自由体图来近似地表示汽车，图2.2所确定的坐标系表示出了所有作用于物体上的力（实线），并标出了加速度（虚线）。汽车的位置坐标x是汽车到所示参考线的距离，向右为正。注意在这种情况下惯性加速度是x二阶导数（即a=），因为汽车位置是根据惯性参考来测量的。通过方程(2.1)可建立运动方程。摩擦力的作用与运动方向相反，因此把它画在运动的反方向，且在方程（2.1）中表示为负的力。结果为：(2.2),P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,或者.(2.3)在这个自动巡航控制的例子中，我们感兴趣的变量是速度，运动方程变为.(2.4)此类方程的解法将在第3章中详细介绍，但是，对于形式为的求解，实质是必须假定给定的输入形式为。由于,微分方程可写为.(2.5)消去因子后，我们可以发现(2.6)由于在第3章中，这个过程将更清晰，方程可以写为.(2.7),P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,(2.4)所示的微分方程的表达式称为传递函数，而且在后面的章节中将大量使用。需要说明的是，实质上，方程(2.4)中的一般都用s来代替。V(t)的解是指数函数，因此，的值可通过在一定速度下为汽车提供一个阶跃速度变化并观察速度来确定，然后就能得到V(t)模型中b/m值的最优指数。称重汽车可得到m。参数的初步确定可参见图3.18(a)。这里，我们可通过计算初始速度衰减率来确定指数衰减的时间常数。当汽车以60米/小时匀速运行，然后松开油门，我们可以发现在5秒内速度减为55米/小时。由这个曲线可推断时间常数约为60秒。因此，sec-1，由于汽车的质量为1500kg，我们可以得到kg，.,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,I.课文内容简介：主要介绍关于PID控制的基本知识。,Lesson3TheClassicThree-TermController,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,III.Phrases,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,IV.难句翻译1Combined,thesethreetermsformtheclassicalPIDcontrollerwhichiswidelyusedintheprocessandroboticsindustries.把这三种控制器组合起来就构成的PID控制器，PID控制器广泛应用于过程控制和机器人工业中。Combined，过去分词作状语，修饰form；which引导的定义从句修饰controller。2Thisfeedbackhastheprimaryvirtuethatinthesteadystateitscontroloutputcanbeanonzeroconstantvalueevenwhentheerrorsignalatitsinputiszero.这种反馈最重要的优点是，在稳态时，即使误差信号输入已经为零，其控制输出仍将保持为一个非零的恒值。that引导定语从句修饰virtue，evenwhen引导状语从句，加强语气。3Thepointhereisthatthisequation,whosethreerootsdeterminethenatureofthedynamicresponseofthesystem,hasthreefreeparametersinkp，kIandkDandbyselectionoftheseparameters,therootscanbeuniquelyand,intheory,arbitrarilydetermined.需要说明的是，这个方程有三个根，这三个根可确定系统的动态响应特性，同时，这个方程有三个自由参数，分别是kp，kI和kD，理论上，通过选择这些参数，方程将产生唯一且可以任意确定的根。Whose引导的独立定语从句修饰thisequation；by引导状语从句，修饰determined。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,V.参考译文第三课经典三项控制器我们已经发现比例反馈控制(P)能减少扰动所产生的误差响应，但对于恒值输入，比例反馈控制存在有一个非零的稳态误差。在本节，我们将发现，当控制器在误差的积分(I)信号上加入比例项时，可以完全消除稳态误差，但通常是以降低动态响应性能为代价。此外，如果在误差的微分信号上加上比例项通常可以提高动态响应性能。把三种控制器组合起来就构成的PID控制器，PID控制器广泛应用于过程控制和机器人工业中。比例反馈控制(P)正如前面我们所看到的，当反馈控制信号与系统误差成线性比例关系，我们称之为比例反馈。这种反馈被用于速度控制器。在速度控制中，控制器的输入为，输出为电机电压vm。通常，比例控制的控制器的输入跟踪误差e(t)，输出用于控制变量u(t)。其控制规律如下：(2-11)控制器的传递函数Dc(s)为(2-12),P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,典型的比例控制器就象是一个可调节控制的放大器，可调节其增益增大或减小。正如我们在速度控制的例子中看到的，当参考输入或扰动输入为恒值时，比例控制系统通常有一个稳定的偏差（或降落），这个偏差随增益的增加而减小。对于高阶系统，较高的比例反馈增益往往导致系统不稳定，而且，要想获得一个较好的振荡稳态响应，比例控制增益必须小于上限值，而这个上限值仍然可能产生一个大得不能接受的稳态误差。既不需要大幅增加比例增益又能提高控制稳态精度的常用方法是引入积分控制。2.2比例积分控制(PI)在控制器中增加积分项可得到比例积分控制，其控制方程为：(2-13)DC(s)变为(2-14)这种反馈最重要的优点是，在稳态时，即使误差信号输入已经为零，其控制输出仍将保持为一个非零的恒值。产生这种现象的原因是控制信号中的积分项是过去的所有e(t)之和。实际上，积分项将不会停止变化，直到其输入为零，因此如果系统已经达到稳态，积分器的输入信号就必须为零。这个特点意味着，即使当系统误差为0，也可以通过控制器中的积分器的输出来消除恒值扰动。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,2.3比例积分微分反馈控制（PID）经典控制器的最后一项是微分控制，完整的三项控制器通常用传递等式描述，即(2-15)或者，在加工业中也常用下列等效方程：(2-16)这里，“复位速率”TI和“微分速率”TD均是以秒为单位。对于操作者而言，它们都是有确切的物理含义的，操作者必须确定它们的值用于“调节”控制器。对我们来说，方程(2-15)更简单更适于使用。微分控制的效果取决于误差的变化率。因此，带微分控制的控制器体现出的是预期响应，通过图2.5我们可以看到，当输入均为斜坡误差信号时，PID控制器的输出将超前于比例控制器输出秒。由于微分控制对突然变化的信号有敏锐的反应，因此，D项常用于图2.6(a)所示的反馈通道中，例如电机轴上的测速仪就可看作D项。D项位于前向通道时方程(2-15)所得到的闭环特性方程，与当微分增益为时由图2.6(b)所得到的闭环特征方程是完全一致的，但在这两种情况下，如果从参考指令到输出的路径不同，那么零点的位置也不相同。因为当微分项位于反馈通道时，没有对参考指令求导，如果参考指令突然变化，这可能正是所期望的结果。如果微分项位于前向通道，参考输入中的阶跃变化将会在控制信号产生一个不期望的强烈的瞬时脉冲。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,由于微分控制对突然变化的信号有敏锐的反应，因此，D项常用于图2.6(a)所示的反馈通道中，例如电机轴上的测速仪就可看作D项。D项位于前向通道时方程(2-15)所得到的闭环特性方程，与当微分增益为时由图2.6(b)所得到的闭环特征方程是完全一致的，但在这两种情况下，如果从参考指令到输出的路径不同，那么零点的位置也不相同。因为当微分项位于反馈通道时，没有对参考指令求导，如果参考指令突然变化，这可能正是所期望的结果。如果微分项位于前向通道，参考输入中的阶跃变化将会在控制信号产生一个不期望的强烈的瞬时脉冲。为了说明PID控制中微分项的效果，可以重新推导速度控制方程，但不能忽略电枢电感。所得到的电机方程简化后将得到一个二阶特性方程，其形式如下：(2-17)(2-18)根据方程(2-15)，在本例中加入PID后，使得(2-19),P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,将Va代入方程(2-18)，可得(2-20)得到系统的特征方程，通过乘s，合并同类项，可得(2-21)需要说明的是，这个方程有三个根，这三个根可确定系统的动态响应特性，同时，这个方程有三个自由参数，分别是kp，kI和kD，理论上，通过选择这些参数，方程将产生唯一且可以任意确定的根。如果没有微分项，方程将只有两个自由参数和三个根，那么特征方程根的选择将会受限。可以用数字举例来详细说明这个问题。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,I.课文内容简介：主要介绍关于频率响应法的基本知识。,Lesson4FrequencyResponse,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,III.Phrases,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,IV.重点词语及难句翻译1frequency-responsemethods频率响应法频率响应法是经典控制理论中的三种分析方法之一，又称为频域分析法。由于其既是一种图解法，有具有确切的物理意义，因此在工程实际中广泛使用。2Forexample,forsystemswithpoorlyknownorchanginghigh-frequencyresonances,wecantempertheirfeedbackcompensationtoalleviatetheeffectsofthoseuncertainties.例如，对于我们知之甚微的系统或者需要改变高频共振的系统，我们可以通过调节其反馈补偿来减轻这些不确定性的影响。known为过去分词修饰systems,表示系统被认知；poorly修饰known，表示认知程度。3Alinearsystemsresponsetosinusoidalinputscalledthesystemsfrequencyresponsecanbeobtainedfromknowingitspoleandzerolocations.当输入为正弦时，线性系统的输出响应称为该系统的频率响应，可通过系统的零点和极点位置得到。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,V.参考翻译第四课频率响应工程实际中常用频率响应法对反馈控制系统进行设计。频率响应法如此重要是因为即使对象模型不确定时也可取得良好的设计效果。例如，对于我们知之甚微的系统或者需要改变高频共振的系统，我们可以通过调节其反馈补偿来减轻这些不确定性的影响。现在，使用频率响应法比其它方法更易实现。使用频率响应法的另一个优点是可以更好地利用设计经验。在正弦激励输入作用下测量输出幅值和相角的原始数据就足以设计一个合适的反馈控制系统。不需要对数据（如找出零点、极点或确定系统矩阵）进行中间处理就可得到系统模型。与数年前相比，计算机的广泛应用使得这个优点不是特别重要，但是，对于相对简单的系统而言，频率响应法仍然是最有效的设计方法。对于开环稳定系统，这种方法也是最有效的。其另一个优点是如果需要设计补偿，那么这是最容易实现的方法。其简单的规则可保证在最少试验的基础上提供合理的设计。尽管在某种程度上，这种方法所包含理论具有挑战性且需要相当广泛的复杂的复变量知识，但频率响应设计法的方法论很简单，而且通过学习这套理论所获得的洞察力是值得我们为之努力的。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,当输入为正弦时，线性系统的输出响应称为该系统的频率响应，可通过系统的零点和极点位置得到。为了证明，我们假设系统可表示为其中输入信号u(t)是幅值为A的正弦信号:拉普拉斯变换为在零初始条件下，输出的拉普拉斯变换为(2-21)用部分分式法展开式(2-21)假设的极点都不相同的可得到如下形式的等式(2-22)其中为G(S)的极点，可由部分分式展开得到，是的共轭系数。由Y(s)可得时间响应为,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,(2-23)其中如果系统所有极点表示系统是稳定的（当的实部小于零），则系统的自然无外力响应最终将衰减，因此由正弦激励所产生的系统的稳态响应将唯一地表示为式(2-23)所示的正弦形式。G(s)中的自然响应部分在几个时间常数后将消失，纯正弦响应部分基本上被全部保留。式(2-23)中剩余的正弦项可表示为(2-24)其中,(2-25)(2-26)极坐标形式为(2-27)式(2-24)所示为传递函数为G(s)的稳定系统，在单位幅值、频率为的激励作用下，当其响应达到稳态，其输出是幅值为，相角为，频率为的正弦函数。事实上，当G(s)为线性定常系统时，输出y是与输入u同频率的正弦函数，输出的幅值比M和相角取决于输入的幅值。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,通常，幅值M由给出，相角由给出，也就是说，复变量G(s)的幅值和相角是虚轴()来替代s计算。系统的频率响应由频率函数所组成，我们通过这些函数可以知道对于任意频率的正弦输入，系统将如何响应。我们分析频率响应，不仅仅是因为它有助于我们理解系统对正弦输入的响应，而且是因为G(s)中用轴替代s后进行分析，我们就可以确定闭环系统稳定性。轴是稳定与不稳定的边界，通过对的分析，我们可以通过开环G(s)确定闭环稳定性。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,I.课文内容简介：主要介绍几种主要的电力电子器件的基本特性。,Lesson5OverviewofPowerSemiconductorSwitches,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,III.Phrases,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,IV.重点词语1bipolarjunctiontransistors(BJTs)双极结型晶体管又名电力晶体管（GiantTransistorGTR，按英文直译为巨型晶体管），是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(BJTs)，所以，英文有时也称为PowerBJT。在电力电子技术范围内，GTR和BJT这两个名称是等效的。2gateturnoff(GTO)thyristors门极可关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件，但与晶闸管的半控特性不同的是，GTO可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。3insulatedgatebipolartransistor(IGBTs)绝缘栅双极晶体管，综合了BJTs和MOSFETs的优点，是将这两类期间相互取长补短适当结合而成的复合型器件。目前IGBTs已经成为中小功率电力电子设备的主导器件。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,V.参考翻译第五课电力半导体开关概述与数年前相比，电力容量的增加、控制的便利以及现代电力半导体器件成本的降低，使得变换器能更加胜任大部分应用场合，并且为电力电子应用开辟了许多新的变换器拓扑结构。要清楚地了解这些新的拓扑结构和应用的可行性，就必须要掌握新的拓扑结构和应用的特点，也必须掌握其所使用的电力器件的特征。因此，在本章将对终端的性质以及电压、电流以及当前电力器件所允许的电流潮流容量等方面作一个简要的总结。如果把电力半导体器件视为理想的开关，可简化变换器拓扑结构的分析。这种做法的好处是器件运行的细节不会影响电路的基本运行。这样可以更清楚地理解变换器的重要特性。对器件特性进行总结可以帮助我们确定器件特性能够被清晰地理解的程度，也可以帮助我们确定器件特性可以被理想化的程度。目前，根据电力半导体器件的可控程度，可将其分为三类：1、二极管。由电源电路控制其开和关状态。2、晶闸管。由控制信号控制其导通，但必须由电源电路控制其关断。3、可控开关器件。由控制信号开通或关断。可控开关器件包括几种类型的器件，包括双极结型晶体管（BJTs），金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs），门极可关断晶闸管（GTO）以及绝缘栅双极晶体管（IGBTs）。近年来，此类的器件在已经取得了重要的进步。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,二极管图2-8a和图2-8b所示分别为二极管的电路符号和静态伏-安特性。当二极管正向偏置时，它开始导通，但只有一个很小的正向压降且该电压仅为1V左右。当二极管反向偏置时，只有可以忽略不计的很小的漏电流流过器件，直到反向电压达到反向击穿电压。在正常工作时，反向偏置电压不应达到击穿电压额定值。由于阻断（反向偏置）状态时的漏电流非常小，而导通（正向偏置）状态时的电压非常小，这些电压和电流与二极管所工作的电路的电压和电流相比，二极管的伏安特性可以被理想化，如图2-8c所示。这个理想化的特性可用于分析变换器拓扑，但不能用于实际变换器的设计，例如，对器件进行散热需求评估时。开通时，二极管可以被看作一个理想开关，因为在电力电路中，它开通很快速可以用瞬间来描述。但是，关断时，二极管电流在下降为零前会出现反向电流，存在一个反向恢复时间trr，如图2-9所示。这个反向恢复（负）电流是用来清除二极管中的额外的载流子，使其能阻断负极性电压。在感性电路中，这个反向恢复电流会产出过电压。在大部分电路中，这个反向电流不会影响变换器的输入/输出特性，因此在关断瞬间，二极管也可以被视为理想的开关。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,晶闸管晶闸管的电路符号和伏安特性如图2-10a和2-10b所示。主回路电流从阳极（A）流向阴极（K）。当器件处于关断状态时，晶闸管可以阻断正向极性电压且不导通，如图2-10b所示截止区的伏安特性。当晶闸管处于正向阻断状态时，通过施加一个短时的正向门极电流脉冲可以触发晶闸管导通。相应的伏安关系如图2-10b的导通区域的伏安特性所示。导通状态下的正向压降只有几伏（依器件的额定断态电压而定，通常为13V）。一旦开始导通，器件将被擎住，并且可撤掉门极电流。但不能通过门极关断晶闸管，并且晶闸管的导通特性与二极管相同。只有当阳极电流在晶闸管所工作的电路的影响下即将变为负极性时，晶闸管才能转为关断，同时电流变为零。晶闸管关断后，当其再次处于前向阻断状态时，且在可对其进行控制的时间里，门极将重新获得开通器件的控制权。当反向偏置电压低于反向击穿电压时，晶闸管中只有一个极小的漏电流通过，如图2-10b所示。通常，晶闸管的正向断态额定电压和反向断态额定电压是相同的。晶闸管的额定电流是以所允许流过的最大电流有效值和电流平均值两种形式给出。与二极管相同，在进行变换器拓扑分析时，晶闸管可以表示为图2-10c所示的理想化特性。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,绝缘栅双极晶体管IGBT的电路符号如图2-11a所示，其伏安特性如图2-11b所示。IGBT综合了MOSFET和BJT、GTO的优点。与MOSFET类似，IGBT的栅极输入阻抗高，所需的驱动功率小。和BJT相同，IGBT的通态压降小、额定断态电压高（例如，一个额定电压为1000V器件，其Von只有2-3V）。与GTO类似，所设计的IGBT可以阻断反向电压，它们的理想化开关特性如图2-11c所示。绝缘栅双极晶体管的开通和关断时间都是微秒数量级的，用IGBT所制作的模块的定额达到了1700V/1200A。预计其额定电压将高达2-3kV。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,I.课文内容简介：主要介绍相控整流电路的基本工作原理。,Lesson6Line-frequencyPhase-controlledRectifiers,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,II.NewWords,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,III.Phrases,IV.难句翻译1Now,theline-frequencydioderectifiersareincreasinglybeingusedatthefrontendoftheswitch-modepowerelectronicsystemstoconvertlinefrequencyacinputtoanuncontrolleddcoutputvoltage.目前，在开关式电力电力系统的输入端，越来越多地采用工频二极管整流器将工频交流输入电压转换为不可控的直流电压输出。2Forgivenacinputvoltages,themagnitudeoftheaverageoutputvoltageinthyristorconverterscanbecontrolledbydelayingtheinstantsatwhichthethyristorsareallowedtostartconduction.对于给定的交流输入电压，可以通过延后导通晶闸管的时刻来控制晶闸管变流器的输出电压平均值。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,V.参考翻译第六课工频相控变流器序言在第5章，我们讨论了工频二极管整流电路，这类整流电路越来越多地应用于开关模式的电力电子系统中，它们可将工频交流输入电压转换为不可控的直流输出电压。但是，在某些应用中，如电池充电器和直流、交流电机传动中，要求直流电压必须是可控的。采用晶闸管的工频相控变流器可将交流转换为可控直流。过去，这些变流器大量应用于控制电能的潮流。随着可控器件在额定高压大电流中可靠性的增加，现在这些晶闸管变流器主要应用于三相大功率场合。大部分的应用都是大功率等级，人们需要也希望控制电能潮流能在交流和直流侧双向流动。如在高压直流输电和可再生制动的交、直流电机传动。正如这些变流器的名字所暗示的，交流侧为工频电压。在这些变流器中，晶闸管开始导通或截止的瞬间取决于工频交流电压的波形和控制信号的输入。此外，从一个器件到下一个器件的自然换流取决于这些交流电压的状态。应该注意的是，不可控工频二极管整流电路是本章所讨论的可控整流电路的一个子系统。单独讨论二极管整流电路的原因是由于其不断增加的重要性，并以此说明电流流动的路径。需要说明的是，在工频二极管整流电路的大部分应用中，由于平滑直流侧电压的滤波器的容量不够，流过的电流id不是连续的。因此，研究的重点是电流不连续的导电模式。但是，在可控,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,变流器的大部分应用中，直流侧电流id是连续的，因此尽管我们也会简要讨论电流不连续的导电模式，但研究的重点是电流连续的导电模式。全控变流器如图2.16(a)的方块图所示。对于给定的交流工频电压，直流侧的平均电压从一个正的最大值到负的最小值连续可控。变流器的直流电流Id（或者瞬态电流id）的方向不可变，这在后面会说明。因此，这种类型的变流器只能在二象限（Vd-Id平面）内运行，如图2.16(b)所示。其中，Vd和Id均为正值意味着整流状态，也就是功率由交流侧送至直流侧。在逆变模式下，Vd变为负（但Id仍然为正），功率由直流侧向交流侧传送。只有当直流侧存在有电源如电池时，才能工作于逆变模式。在某些应用中，例如在可再生制动的可逆直流电机传动中，变流器必须能够四象限运行。这可以通过将两个二象限变流器（如上所述）并联或者背对背地连接来实现。本章对变流器进行分析时，除了考虑晶闸管的关断时间tq外，假定晶闸管是理想器件这在器件章中已经进行了讲述。晶闸管电路及其控制对于给定的交流输入电压，可以通过延后导通晶闸管的时刻来控制晶闸管变流器的输出电压平均值。下面通过图2.17的简单电路来说明。1.基本晶闸管电路,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,在图2.17(a)中，晶闸管将工频电源vs连接到一个电阻负载。在vs的正半周，电流为0，直到时刻，给晶闸管门极加一个短时正触发脉冲。当晶闸管导通时vd=vs。随后，电流波形随着交流电压波形变化，直到时变为0。在vs的负半周，晶闸管处于阻断状态，电流保持为0直到时下一次的门极触发脉冲到来，波形开始进入下一个循环。通过控制，就可控制负载的平均电压值vd。在图2.17(b)，负载为R和L，初始状态时，电流为0。晶闸管的导通被延迟到时。在vs的正半周晶闸管两端的电压为正，一旦时晶闸管被触发，电路中开始有电流，而且vd=vs。电感两端的电压为(2-29)其中。在图2.17(b)中，VR（正比于电流）如虚线所示，VL可表示为VS和VR之间的偏差。从时刻到，VL为正而且电流增大，因为(2-30)其中是积分变量。当,VL变为负值，电流（VR和电流一样）开始下降。由式(2-30)可知，此时由于晶闸管阻断，电流将变为0并保持。如图2.17(b)所示，时，A1与A2的面积相等，电流变为0。这些面积表示VL的积分时间，而且当电路处于稳态时，这些面积在一个循环周期内必定为0。必须说明的是，当VS变为负值后电流将续流一段时。因为电感会储存能量，这部分能量变为负，一部分是供给R，另一部分被VS吸收。,在图2.17(c)中，负载由电感和一个直流电压Ed组成。其中，电流的初始值为0，晶闸管为反向偏置，直到时刻，如图2.17(c)所示。因此，晶闸管不能导通，直到时刻。晶闸管的导通时刻将延迟到时晶闸管门极承受一个正触发脉冲。电流为(2-31)对于,(2-32)其中为积分变量。在时VS=Ed，电流达到峰值。当时，A1与A2的面积相等，电流变为0，此时，电感电压的积分在重复一个周期后再次变为0。2.晶闸管的门极触发通过控制晶闸管的触发时刻，可从0到某个最大值，对图2.17的平均电流进行控制。即使电源为交流也适用。通用积分电路如TCA780可以给晶闸管提供延迟门极触发信号。图2.18所示为门极触发控制电路的简化方块图。其中，锯齿波（与交流输入同步）与控制信号vcontrol相比较，延迟角是相对于交流电压过正0时刻，以vcontrol的形式给出，为锯齿波的峰值。(2-33)一交流线电压过负0时刻为基准，可以很容易得到另一个触发信号。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,2.实际的晶闸管变流器单相和三相的全桥变流器如图2.19所示。直流侧阻抗，例如在直流电机传动系统中，可能是负载的一部分。先对一些简化或者假定电路进行分析将有助于更好地分析图2.19的全桥变流器。这种简化可以假定交流侧感抗为0，而直流侧的电流为无脉动的直流。接下来，分析Ls对变流器波形的影响。最后，是id的脉动（包括id不连续）对变流器波形的影响。对这些变流器的分析也包括其工作于逆变模式。,P2FundamentalofControlTheoryandPowerElectronics,