机械厂变电所的电气设计毕业设计

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1、机械厂变电所的电气设计摘要本文介绍了机械厂变电所的电气设计。文中对变电所所址的选择、主接线的选择、高压设备的选择、负荷计算、短路电流计算、各种继电保护选择及防雷系统皆有说明。特别对主接线的选择,变压器的选择与短路电流的计算作了详细的说明和分析。其中还对变电所的主接线，高低压侧的一些保护装置等通过CAD制图直观的展现出来。通过查找大量相关资料并到工厂实习，本次设计的内容更加接近实际。设计中进行了防雷和接地的设计。这样可以使变电所有效的避免雷击，保证变电站的安全；可以有效的保护用电设备，防止过电流的危害；可以保证该变电站具有稳定的输出电压。本次设计采用两台主变压器。一次接线采用单母线，二次接线采用

2、单母线分段制。这种接线方案不仅保证了供电的可靠性，而且灵活方便，适应负荷的发展。同时经济性也较好，减少了投资和有色金属的消耗量。关键词：变电所，设计，选择，安全The Electrical Design of The Mechanical Plant Substation Author:Shi wei Tutor:Mu Guo HuaAbstractThis article describes the electrical design of the mechanical plant substation. The choice of the substation site, the choi

3、ce of the main wiring , high voltage equipment selection, load calculations, short circuit current calculations, various relays selection and lightning protection systems are instructed. In particular, this paper gave a detailed description and analysis to the choice of the main wiring , the choice

4、of the transformer and short circuit current calculations. The main connection of the substation, the protection device of high voltage and low voltage side are unfolded through the CAD drawing.Searching a lot of relevant information and visiting many factories, the design contents is closer to real

5、ity. This paper designs lightning protection and grounding. This allows the substation to avoid lightning and to ensure the safety of the substation. It can protects the power equipment and prevents the hazards of the overcurrent. And it ensures that the substation has a stable output voltage. The d

6、esign uses two main transformers. The prinary side using a single bus. The secondaly side using a segmented single busbar. This wiring scheme ensures the reliability of electricity supply, its flexible and convenient ,and it adapt to the development of load. At the same time,it makes the economy is

7、better, reduces the consumption of investment and non-ferrous metals.Key word: Transformer substation, design, choice, safety目录1 绪论11.1 课题背景11.2我国电力工业概述11.2.1我国目前电力工业的发展方针11.2.2变电所的分类22 负荷计算和无功功率补偿42.1 负荷计算的目的、意义及原则42.2 负荷计算方法42.3 全厂负荷计算52.4 无功功率补偿93 变电所位置和形式的选择113.1变电所所址的选择113.2 变电所形式的选择113.3 变电所位置

8、和形式的确定124 变压器的选择144.1 主变压器台数的确定144.2 主变压器容量的确定145 电气主接线的设计155.1 电气主接线的概述155.2 电气主接线的设计原则和要求155.2.1 电气主接线的设计原则155.2.2 电气主接线设计的基本要求165.3 电气主接线方案的比较176 短路电流计算196.1 确定基准值196.2 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值196.3 计算k-1点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量206.4 计算k-2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量207 导线的选择和校验227.1选择原则227.2选择架空线截面227.3 高

9、压侧电缆的选择237.4 低压侧各车间的进线的选择和校验237.5高压侧选断路器247.6高压侧隔离开关247.7 电流互感器258 高压侧继电保护选择及整定278.1变压器的继电保护278.2变压器的瓦斯保护289 防雷设计309.1 架空线路的防雷措施309.2 变电所的防雷措施3010 接地3210.1接地与接地装置3210.2 确定此配电所公共接地装置的垂直接地钢管和连接扁钢32结论34致谢35参考文献361 绪论1.1 课题背景目前，我国的城市电力网和农村电力网正进行大规模的改造，与此相应， 工厂变电所也必须进行更新换代，我国电力网的现实情况是常规变电所依然存在，小型变电所、微机监测

10、变电所、综合自动化变电所相继出现，并取得了迅猛的发展。随着改革的不断深化，经济的迅速发展。各电力部门对变电所设计水平的要求将越来越高。现在所设计的常规变电所最突出的问题是设备落后，结构不合理，占地多，投资大，损耗高，效率低，尤其是在一次开关和二次设备造型问题上，与国际先进水平还有一定差距，从发展的观点来看，将越来越不适应我国城市和农村发展的要求。因此,本设计根据本厂所能取得的电源及本厂用电的实际情况，并适当考虑到工厂生产的发展，按照安全可靠，技术先进，经济合理的要求进行设计。变电所担负着从电力系统受电，经过变压然后配电的任务。车间变电所主要用于负荷大而集中、设备布置比较稳定的大型生厂房内。车间

11、变电所一般位于车间的负荷中心，可以降低电能损耗和有色金属的消耗量，并能减少输电线路上的电压损耗可以保证供电的质量。因此，对这种车间变电所的设计技术经济指标要求比较高。车间变电所是工厂供电系统的枢纽，在工厂里占有特殊重要的地位，因而设计一个合理的变电所对于整个工厂供电的可靠、经济运行至关重要。本设计是从工程的角度出发，按照变电所设计的基本要求，综合地考虑各个方面的要素，对供电系统进行了合理的布局，在满足各项技术要求的前提下，兼顾运行方便、维护简单，尽可能地节省投资6。1.2我国电力工业概述1.2.1我国目前电力工业的发展方针1、在发展能源工业的基本方针指导下发展电力工业。2、电力工业发展速度必须

12、与国民经济发展速度相适应。3、发挥水电优势，加快水电建设。4、建设大型矿口电厂，搞好煤、电、运平衡。5、在煤，水能源缺乏地区，有重点有步骤地建设核电厂。6、政企分开，省为实体，联合电网，统一调度，集资办电。7、因地制宜，多能互补，综合利用，讲求利益。8、节约能源，降低消耗。9、重视环境保护，积极防止对环境的污染。变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。1.2.2变电所的分类1、枢纽变电所：位于电力系统的枢纽点，连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个电源，电压为330500kV的变电所，称为枢纽变电所。全所停电后，将引起系统解列，甚至出现瘫痪。2、中间变电所： 起系统交

13、换功率的作用，或使长距离输电线路分段，一般汇集23个电源，电压为220330kV，同时又降压供当地用电，这样的变电所起中间环节的作用，所以叫中间变电所。全所停电后，将引起区域电网解列。3、地区变电所：高压侧一般为110220kV，向地区用户供电为主的变电所，这是一个地区或城市的主要变电所。全所停电后，仅使该地区中供电。4、终端变电所：在输电线路的终端，接近负荷点，高压侧电压一般为6-35kV，经降压后直接向用户供电的变电所，即为终端变电所。全所停电后，只是用户受到损失2。在电力系统中，除应采取各项积极措施或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系

14、统安全运行的最有效方法之一。切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。这种保护装置直到目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备的组合构成的，故称为继电保护装置。在电子式静态保护装置和数字式保护装置出现以后，虽然继电器以被电子元件或计算机所代替，但仍沿用此名称。在电业部门常用继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护装置一词，则指各种具体的装置。我国电力工业自动化水平正在逐年提高，20 MW及以上大型机组以采用计算机监控系统，许多变电所以装设微机综合自动化系统，有些已实现无人值班，电

15、力系统已实现调度自动化。迄今，我国电力工业已进入了大机组，大电厂，大电力系统，高电压和高自动化的新阶段。国家方针、政策、技术规范和标准是根据国家实际情况、结合电力工业的技术特点而制定的准则，是把科学、技术总结成条理化，也是长期生产实践的结晶，在进行论证分析阶段，更应辩证的统一供电可靠性与经济性的关系，方能达到先进性与可行性。2 负荷计算和无功功率补偿2.1 负荷计算的目的、意义及原则供电系统要能安全可靠地正常运行，其中各个元件（包括电力变压器、开关设备及导线、电缆等）都必须选择得当，除了满足工作电压和频率的要求外，最重要的就是要满足负荷电流的要求。因次，有必要对供电系统中各个环节的电力负荷进行

16、统计计算。计算负荷是供电设计计算的基本依据。计算负荷确定的是否正确合理，直接影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理。如果计算负荷确定的过大，将使电器和导线电缆选的过大，造成投资和有色金属的浪费。如果计算负荷确定的过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至燃烧引起火灾，同样会造成更大损失。由此可见，正确确定计算负荷意义重大。平均负荷为一段时间内用电设备所消耗的电能与该段时间之比。常选用最大负荷班（即有代表性的一昼夜内电能消耗量最多的一个班）的平均负荷，有时也计算年平均负荷。平均负荷用来计算最大负荷和电能消耗量。计算负荷又称需要负荷或最大负荷。计算负荷

17、是一个假想的持续性的负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择电器或导体的依据。尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流。一般取启动电流上午周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择电器和保护元件等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。2.2 负荷计算方法目前负荷计算常用需要系数法、二项式法、和利用系数法,前二种方法在国内设计单位的使用最为普遍。此外还有一些尚未推广的方法如单位产品耗电法、单位面积功率法、变值系数法和ABC法等. 常采用需用系数法计算用电设备组的负荷时，应

18、将性质相同的用电设备划作一组，并根据该组用电设备的类别，查出相应的需用系数，然后按照上述公式求出该组用电设备的计算负荷。2.3 全厂负荷计算本设计采用需要系数法确定。机械厂负荷原始资料如表2.1所示。主要计算公式有： 有功功率： P30 = Pe·Kd 无功功率： Q30 = P30·tan 视在功率： S30 = P30/cos 计算电流： I30 = S30/（）2表2.1 机械厂负荷资料厂房产编号厂房名称容量Pe /kW需要系数Kd功率因数cos1焊接车间2000.350.602沙库1200.700.603锻造车间3200.350.554电镀车间2200.500.80

19、5金工车间9500.200.656机修车间1800.200.207污水处理140.600.608热处理车间1900.600.609食堂,锅炉房300.600.6010仓库150.300.3011料场400.300.3012办公区200.800.801、焊接车间Pe=200 kW，Kd=0.35，cos=0.60，tan=4/3有功计算负荷： P30(1)= Pe×Kd=70 kW无功计算负荷：Q30(1) = P30（1）tan=70 kW×（4/3）=93.33 kvar视在计算负荷：S30(1)= P30/cos= 116.664 kVA计算电流：I30(1)= S30

20、/（）=117.26 A2、沙库Pe=120 kW，Kd=0.70，cos=0.60，tan=4/3有功计算负荷： P30(2)= Pe×Kd=84 kW无功计算负荷：Q30(2) = P30（1）tan=84 kW×（4/3）=112 kvar视在计算负荷：S30(2)= P30/cos= 140 kVA计算电流：I30(2)= S30/（）=212.17 A3、锻造车间Pe=320 kW，Kd=0.35，cos=0.55，tan=1.52有功计算负荷： P30(3)= Pe×Kd=112 kW无功计算负荷：Q30(3) = P30（1）tan=112 kW&#

21、215;1.52=170.2 kvar视在计算负荷：S30(3)= P30/cos= 203.78 kVA计算电流：I30(3)= S30/（）=309.62 A4、电镀车间Pe=220 kW，Kd=0.50，cos=0.80，tan=3/4有功计算负荷： P30(4)= Pe×Kd=110 kW无功计算负荷：Q30(4) = P30（1）tan=110 kW×（3/4）=82.5 kvar视在计算负荷：S30(4)= P30/cos= 137.5 kVA计算电流：I30(4)= S30/（）=208.92 A5、金工车间Pe=950 kW，Kd=0.20，cos=0.65

22、，tan=1.17有功计算负荷： P30(5)= Pe×Kd=190 kW无功计算负荷：Q30(5) = P30（1）tan=190 kW×1.17=222.3 kvar视在计算负荷：S30(5)= P30/cos= 292.43 kVA计算电流：I30(5)= S30/（）=444.31 A6、机修车间Pe=180 kW，Kd=0.20，cos=0.65，tan=1.17有功计算负荷： P30(6)= Pe×Kd=36 kW无功计算负荷： Q30(6) = P30（1）tan=36 kW×1.17=42.12 kvar视在计算负荷： S30(6)= P

23、30/cos= 55.4 kVA计算电流：I30(6)= S30/（）=84.17 A7、污水处理Pe=14 kW，Kd=0.60，cos=0.80，tan=3/4有功计算负荷： P30(7)= Pe×Kd=8.4 kW无功计算负荷：Q30(7)= P30（1）tan=8.4 kW×（3/4）=6.3 kvar视在计算负荷：S30(7)= P30/cos= 10.5 kVA计算电流：I30(7)= S30/（）=15.95 A8、热处理车间Pe=190 kW，Kd=0.60，cos=0.60，tan=4/3有功计算负荷： P30(8)= Pe×Kd=114 kW无

24、功计算负荷：Q30(8) = P30（1）tan=114 kW×（4/3）=152 kvar视在计算负荷：S30(8)= P30/cos= 190 kVA计算电流：I30(8)= S30/（）=288.68 A9、食堂,锅炉房Pe=30 kW，Kd=0.60，cos=0.60，tan=4/3有功计算负荷： P30(9)= Pe×Kd=18 kW无功计算负荷：Q30(9) = P30（1）tan=18 kW×（4/3）=24 kvar视在计算负荷：S30(9)= P30/cos= 30 kVA计算电流：I30(9)= S30/（）=45.58 A10、仓库Pe=15

25、 kW，Kd=0.30，cos=0.85，tan=0.62有功计算负荷： P30(10)= Pe×Kd=4.5 kW无功计算负荷： Q30(10) = P30（1）tan=4.5 kW×0.62=2.79 kvar视在计算负荷： S30(10)= P30/cos=5.2947 kVA计算电流：I30(10)= S30/（）=8.04 A11、料场Pe=40 kW，Kd=0.30，cos=0.60，tan=4/3有功计算负荷： P30(11)= Pe×Kd=70 kW无功计算负荷：Q30(11) = P30（1）tan=40 kW×（4/3）=16 kva

26、r视在计算负荷：S30(11)= P30/cos= 20 kVA计算电流：I30(11)= S30/（）=30.39 A12、办公区Pe=20 kW，Kd=0.80，cos=0.80，tan=3/4有功计算负荷： P30(12)= Pe×Kd=16 kW无功计算负荷：Q30(12) = P30（1）tan=16 kW×（3/4）=12 kvar视在计算负荷：S30(12)= P30/cos= 20 kVA计算电流：I30(12)= S30/（）=30.39 A因此总的计算负荷为（取Kp=0.95，Kq=0.97）P30=0.95× (P30(1) +P30(12)

27、=736.16 kWQ30=0.97×（Q30(1) +Q30(12)）=935.58 kvarS30= P30/cos=1190.48 kVAI30= S30/（）=1808.8 A负荷计算基本完成，详细数据见表2.2。表2.2 机械厂的电力负荷计算表厂房编号厂房名称容量Pe /kW需要系数Kdcostan计 算 负 荷P30 /kWQ30 /kvarS30 /kV·AI30 /A1焊接车间2000.350.604/37093.33116.664177.262沙库1200.700.604/384112140212.713锻造车间3200.350.551.52112170.

28、24203.78309.624电镀车间2200.500.803/411082.5137.5208.925金工车间9500.200.651.17190222.3292.43444.316机修车间1800.200.651.173642.1255.484.177污水处理140.600.803/48.46.310.515.958热处理车间1900.600.604/3114152190288.689食堂，锅炉房300.600.604/318243045.5810仓库150.300.850.624.52.795.29478.0411料场400.300.604/312162030.3912办公区200.80

29、0.803/416122030.39总计取Kp=0.95，Kq=0.97736.16935.581190.481808.82.4 无功功率补偿工厂中由于有大量的感应电动机，电焊机，电弧炉及气体放电灯等感性的负载，从而使功率因数降低。在充分发挥了设备潜力，改善设备运行性能，提高其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的工厂功率因数时，则需增设无功功率补偿装置。无功功率补偿计算如下：补偿前：变压器侧的视在计算负荷为： S30= P30/cos=1190.48 kVA根据主变压器容量的选择条件：SNTS30 ，因此没有进行功率补偿时，主变压器的容量应该选择1250 kVA。这时变电所低压侧的功率因数为：

30、cos=736.155/1190.48=0.62补偿后：由于电力系统的发展，变电所高压侧的功率因数已经不满足于仅仅大于0.9，在此要求其高压侧的功率因数大于0.95，则取cos=0.98要使低压侧功率因数由0.62提高到0.98，低压侧需要装设的并联电容器容量为： QC=736.16×（tanarccos0.62 tanarccos0.98） =782.112 kvar S30=751.98 kVA因此，主变压器容量可改选为800 kVA，比补偿前容量减少450 kVA。变压器的功率损耗为：PT0.015×751.98 kVA=11.28 kWQT0.06×751

31、.98 kVA=45.12 kvar变电所高压侧的计算负荷为： P30=736.16+11.28=747.44 kW Q30=（935.58782.112）+45.118=198.5886 kvarS30= P30/cos=773.37 kVAI30= S30/（）=1175.05 A补偿后，功率因数为：cos=747.44/773.37=0.9660.95因此这一功率因数满足（0.95）要求，并且由此可知，采用无功功率补偿来提高功率因数，能使工厂取得可观的经济效果。3 变电所位置和形式的选择3.1变电所所址的选择变电所位置的选择，应根据下列要求经技术、经济比较确定： 1、接近负荷中心； 2、

32、进出线方便； 3、接近电源侧； 4、设备运输方便； 5、不应设在有剧烈振动或高温的场所； 6、不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源盛行风向的下风侧； 7、不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻； 8、不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方，当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合现行国家标准爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范的规定； 9、不应设在地势低洼和可能积水的场所2。3.2 变电所形式的选择变电所的型式应根据用电负荷的状况和周围环境情况确定，并应符合下列规定： 1、负荷较大的车间和站房

33、，宜设附设变电所或半露天变电所； 2、负荷较大的多跨厂房，负荷中心在厂房的中部且环境许可时，宜设车间内变电所或组台式成套变电站； 3、高层或大型民用建筑内，宜设室内变电所或组合式成套变电站； 4、负荷小而分散的工业企业和大中城市的居民区，宜设独立变电所，有条件时也可设附设变电所或户外箱式变电站； 5、环境允许的中小城镇居民区和工厂的生活区，当变压器容量在315KVA及以下时，宜设杆上式或高台式变电所。变电所的形式有：1、车间附设变电所；2、车间内变电所；3、露天（或半露天）变电所；4、独立变电所；5、杆上变电台；6、地下变电所；7、楼上变电所；8、成套变电所；9、移动式变电所2。3.3 变电所

34、位置和形式的确定我们的工厂是10kv以下，变电所的位置应尽量接近工厂的负荷中心，工厂的负荷中心按负荷功率矩法来确定。在工厂的平面图（图3.1）下侧和左侧，分别作一条直角坐标的x轴和y轴，然后测出各车间和宿舍区负荷点的坐标位置，图3.1 机械厂平面图p1、p2、p3p10分别代表厂房1、2、310号的功率，设定p1、p2p10并设定p11为生活区的中心负荷，如图（3.2）所示。而工厂的负荷中心的力矩方程，可得负荷中心的坐标：把各车间的坐标带入（3-1） （3-2），得到x=5.38，y=5.38.由计算结果可知，工厂的负荷中心在6号厂房的西北角（如图3.2）。考虑到周围环境和进出线方便，决定在6

35、号厂房的西侧仅靠厂房建造工厂变电所，器型为附设式。图3.2变电所位置此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系在线 扣扣：二五一一三三四零八 另提供全套机械毕业设计下载！结论毕业设计结束了，也就意味着四年的大学学习即将结束，回想这段日子，我的感受颇深。为了能够圆满地完成在大学中这最后一次的学习，我查阅工厂常用电气设备手册、供配电工程设计指导、工厂供电等书籍的有关内容，借阅了各种资料，根据毕业设计的要求，针对机械厂变电所电气设计做出阐述和说明。通过这次设计，把我们所学的专业课以及计算机知识都综合到了一起。整个设计过程中，全面细致的考虑工程设计的

36、经济性、系统运行的可靠性、灵活性等诸多因素，设计的同时觉得电气部分和系统分析有了很大的提高。通过上机，我对word、auto cad等软件的操作也更加熟练了。这次设计使我把所学的知识系统化了，使自己的工作能力和对电力系统的了解有了一个质的飞跃。不仅使我理论水平有所提高，同时也更加系统的了解了专业知识，并能够很好的运用它们，为以后的学习和工作打下了良好的基础。设计中充分采纳了老师和同学们的意见，几经修改，但由于是初次设计，加之自身水平有限，设计及论述过程中难免有错误，请各位老师批评指正。这次毕业设计让我受益匪浅，学习到了很多东西。但仍要继续努力，继续学习，不断充实自己。今后回报社会，回

37、报父母。致谢本次毕业设计的完成，首先要感谢我的母校及其各位老师对我的培养，没有他们的教导我是不可能完成毕业设计的。经过近几个月的努力，机械厂变电所电气设计终于设计完成了，在此对老师们的帮助和耐心指导表示衷心的感谢，同时也对那些在设计中，给予我帮助的同学表示感谢，再次特别感谢给予我帮助的穆国华老师。在毕业设计过程中，穆国华老师在繁忙之中对我的设计给予了细致的指导和建议，对我的辅导耐心认真，并给我们提供了大量有关资料和文献，使我的这次设计能顺利完成。通过这次毕业设计使我对以前学习的知识得到了更深的了解,并使知识得到了进一步的巩固。设计中虽然充分采纳了老师和同学们的意见，几经修改，但由于是初次设计，

38、加之自身水平有限，设计及论述过程中难免有错误，请各位老师批评指正。参考文献1 秦曾煌. 电工学 M. 北京：高等教育出版社，2003.2 刘介才. 工厂供电 M.5版 北京：机械工业出版社，2009.3 翁双安. 供配电工程设计指导 M. 北京：机械工业出版社，2008.4 施月华. 工厂常用电气设备手册 M. 北京：中国电力出版社，1995.5 曾令琴. 供配电技术 M. 北京：高等教育出版社， 2008.6 李宗纲. 工厂供电设计 M. 长春：吉林科学技术出版社，2001.7 工厂常用电气设备手册编写组. 工厂常用电气设备手册 M. 北京：中国电力出版社，1997.8 马誌溪. 电气工程设

39、计 M. 北京：机械工业出版社，2002.9 GB4728. 电气图用图形符号 M. 北京：中国计划出版社，2003.10 GB5006292. 3110KV高压配电设计规范 M. 北京：中国计划出版社，2001.11 中国国家标准汇编 北京：中国标准出版社，19832001.12 何仰赞.  电力系统分析     华中科技大 2001.13 卓乐友. 电气工程电气设计200例 M. 北京：中国电力出版社，2002.14 王子午. 10KV及以下供配电设计于安装手册 M. 煤炭工业出版社，1999.15 赵月飞 、路纯红、胡仁喜等. AutoCAD2010电气设计完全实例教程 M. 北京：化学工业出版社，2010.16 西北电力设计院.  电力工程电气设备手册  M. 中国电力出版社， 2001.17 Tan Wenshu. An introduction to substantion communication network and system-IEC61850. J.2001.2518 Kar.Astrom,BjornWittenmark.ComputercontrolledSystemsM.Prenti-ce Hall.Inc.1984