调制器控制器（精选十篇）
调制器控制器 篇1
1 偏压控制技术产生的背景
众所周知,目前的光电调制器在使用过程中往往由于调节电压信号幅度的不同使得调制后的光信号呈现出不同的正弦曲线。但是,设备在运行过程中产生的热造成的变化以及长期运行老化都易使电光调制器的特性发生改变,导致调制器的理想控制点从预设点处产生漂移。漂移的结果是调制后的光信号的正弦曲线振幅和中心位置发生改变,从而使光眼图劣化。当发生严重漂移时,从接收到的光信号中无法恢复出原有信息。为了解决上述控制点漂移问题,研究人员提出了调制器偏压控制技术,通过实验证实,偏压控制技术可以很好地解决上述控制点漂移问题。
2 偏压控制技术的理论依据
在调制器的使用过程中,由于调制器的热电性、光敏感性以及本身的光导特性等作用使设备在长期运行或者外在工作温度发生变化的情况下,其最佳工作点易发生变化或漂移。图1所示为最佳工作点发生变化或漂移时信号的变化情况。
当传递曲线由a漂移到b时,在偏置电压V0的作用下,右移的特征曲线将使得平均输出光功率由L1增加ΔL,达到L2的高度,但是,输出光波形幅度大幅减小。当传递曲线由c漂移到d时,在偏置电压V0的作用下,右移的特征曲线将使得平均输出光功率由L1减少ΔL,达到L2的高度。
左移特征同理可推出。
根据以上分析可知,当发生轻度漂移时,平均光功率改变不多,输出光波幅度变化不大,产生轻度误码;当发生严重漂移时,平均光功率改变,同时输出光波形幅度变化很大,产生的信号将由于误码严重而不可探测,如图2所示。
3 实现偏压控制的方法
偏压控制的目的是使调制器的理想控制点始终保持在某个最佳点附近(波峰、波谷、Quad- 、Quad+),使接收到的眼图清晰可辨。根据上述偏压控制技术的理论分析,得出两种可以对调制器进行偏压控制的主要方法。第一种是通过输出平均光功率的变化情况,来进行偏压控制。这种方法简单直观,实现起来比较方便,但是,它存在一个致命的问题——当输入光信号是一个大信号时容易失效。第二种是通过一个外加小信号对输入光信号进行标记,然后通过标记后的光信号进行偏压控制。因为小信号的标记,使得偏压控制时不再以输入光信号为参考标准而是以标记段的光信号作为参考标准,该方法的优点是不管输入光信号是大信号还是小信号都可以进行偏压控制。除此之外,偏压控制的方法还有恒定电压控制法、恒定光功率控制法、光功率平衡控制法和抖动控制法。抖动控制法又分为加抖动法和乘抖动法,下面主要以乘抖动法为例进行分析。图3为乘抖动法偏压控制原理图。
4 抖动偏压控制过程分析
通过1%的取样光纤将通过调制器输出的光信号投射到光电二极管(PD)上,将光信号转变成高速电信号。此时,在所得到的电信号中包含3种主要的信号:输出射频信号(RF)、抖动信号基波以及抖动信号和RF信号产生的二次谐波。这3种信号的关系如图4所示。
此时,可通过一个五阶带通滤波器滤除抖动信号的基波(Quad points模式),得到高频RF信号和抖动信号的二次谐波信号。由于抖动信号是一个低频信号,所以再用一个低频探测器就可以将高频数据信号滤除,从而完全得到抖动信号的二次谐波。通过一积分电路检测出二次谐波的Vπ,得到偏压控制Quad+ (Quad-)点应该补偿的电压,进而对调制器进行偏压控制;另一种调制方式是通过一个五阶带通滤波器滤除抖动信号的二次谐波(Peak/Null 模式),得到高频RF信号和抖动信号基波的混合,再通过低频探测器滤除高频信号后,得到抖动信号的基波。用积分电路检查出抖动信号基波的Vπ,从而得到偏压控制Peak/Null点应该补偿的电压,进而对调制器进行偏压控制。
对于不同的调制码型有时会碰到使用不同控制点进行偏压控制的问题。此时,可以使用一个MCU对滤波器进行选择,同时使用MCU对DC bias(偏压)进行控制,使得整个偏压控制器实现全自动调节,并且调节精度的稳定性比传统的调节方式更加可靠。改进后的乘抖动法控制原理如图5所示。
偏压控制器的输出端连接到一个直流偏置源上,偏置源的输出连接到调制器的偏压输入端。同时,调制器还连接数据信号的输入和光能量的输出源(激光器)。偏压控制器可以包含一个PD(当调制器自带PD的时候可以不要自带PD)。PD后面紧跟一个低频功率探测器和一个可选的低通滤波器(提供调制器输出平均光功率信息)。低频功率探测器可以是一个低频波峰探测器,它的输出是MCU的输入采样信号。低通滤波器连接到PD的输出,然后输出一个直流电压到MCU中,MCU则产生一个输出信号到可调偏压源处。
上述原理图中,调制器偏压控制系统的好处在于使用输入的数据信号本身作为测量偏压控制点的检测手段。例如,如果想要使用Quad点进行偏压控制(这个点就是通过一个电调制信号产生一个最大的光调制信号的偏压控制点),只要不断地使调制器产生最大调制光信号输出就可以了,此时的偏压就是调制器的最佳控制点。当使用M-Z调制器的Peak/Null点进行控制时,同样可以使用输入的数据信号来测量,进而得到控制点。
5 结束语
偏压控制技术是目前高速调制器稳定工作的必要手段。上述增加MCU控制的偏压控制不仅具有以前偏压控制的所有特点,还可以完全实现控制点电压的自动调节功能,并具有更高的精度和更稳定的性能,在实际应用过程中可以大大降低人力的投入,非常适合大量生产时的批量设定。
摘要：文章通过对偏压控制点产生偏移的原理和过程进行分析,提出了解决偏压控制点偏移的方法。通过增加微处理器控制单元(MCU)使得传统模式的偏压控制能够实现控制模式的自动切换,同时,数字化的偏压控制电压能使偏压控制更加精确和稳定。
关键词：微处理器控制单元,偏压,偏压控制
参考文献
[1]Edward Ackerman,Harold Roussell,Charles Cox.Bias Controllers for External Modulators in Fiber-Op-tic Systems[J].Lightwave,2001,(5):175.
[2]Sekine K,Hasegawa C,Kikuchi N,et al.A Novel Bi-as Control Technique for M-Z Modulator with Moni-toring Power of Backward Light for Advanced Modu-lation Formats[A].OFC/NFOEC 2007[C].Ana-heim,US:OSA,2007.OUuH5.
调制器控制器 篇2
一 课程设计题目（与实习目的）
（1）题目：多路彩灯控制器（2）实习目的：
1．进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。
2．熟悉几种常用集成数字芯片，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
3．了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。
4．培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
5．作为课程实验与毕业设计的过度，课程设计为两者提供了一个桥梁。二 任务和要求
实现彩灯控制的方法很多，如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等，都可以组成大型彩灯控制系统。因为本次实习要求设计的彩灯路数较少，且花型变换较为简单，故采用移位寄存器型彩灯控制电路。（1）彩灯控制器设计要求
设计一个8路移存型彩灯控制器，要求： 1.彩灯实现快慢两种节拍的变换；
2.8路彩灯能演示三种花型（花型自拟）； 3.彩灯用发光二极管LED模拟；
4.选做：用EPROM实现8路彩灯控制器，要求同上面的三点。（2）课程设计的总体要求
1．设计电路实现题目要求；
2．电路在功能相当的情况下设计越简单越好；
3.注意布线，要直角连接，选最短路径，不要相互交叉；
4.注意用电安全，所加电压不能太高，以免烧坏芯片和面包板。
三 总体方案的选择
（1）总体方案的设计
针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下二种方案：
方案一：总体电路共分三大块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制及节拍控制；第三块实现时钟信号的产生。主体框图如下：
方案二：在方案一的基础上将整体电路分为四块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现节拍控制；第四块实现时钟信号的产生。并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。主体框图如下：
（2）总体方案的选择
方案一与方案二最大的不同就在，前者将花型控制与节拍控制两种功能融合在一起，是考虑到只要计数器就可以实现其全部功能的原因，且原理相对简单。这样设计，其优点在于：设计思想比较简单。元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路。缺点则是：中间单元电路连线过于繁多，容易出错。且可能出现线与关系。要避免这些，则势必造成门电路使用过多。导致电路不稳定，抗干扰能力下降。而后者则将以上两种功能分开设计，各单元电路只实现一种功能。其优点在于：电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试带来方便。缺点则是：节拍控制电路采用可编辑逻辑电路，原理相对复杂，不易理解。花型控制电路简单，花型也比较简单。基于以上原因，加上为了确保短时间内完成课程设计，我选择了连线少，易于组装和调试的方案二。
四 单元电路的设计
1.设计所使用的元件及工具：
74LS161（四位二进制同步计数器）----------------------2个； 74LS194（移位寄存器）------------------------------2个； 74LS151（八选一数据选择器）---------------------------1个； 74LS74（双D 触发器）---1个； 74LS20（双四输入与非门）----------------------------3个； 74LS04（六非门）-----2个； 发光二极管--------------8个； 555----------------1个；
电容： 4.7μf---------------1个；
0．01μf--------------1个；
电阻： 150kΩ
-----------------------------1个；
100Ω---------------1个； 4.7kΩ----------1个；
实验板一个； 万用表一个； 钳子一个； 导线若干。2.各个单元电路（1）花型演示电路
由二片移位寄存器194级联实现。其八个输出信号端连接八个发光二极管，用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。三种花型变换样式
花型1：8路灯分两半。从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。循环两次；
花型2：从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。循环两次；
花型3：从左至右顺次渐亮。全亮后逆序渐灭。循环两次。
移存器输出状态编码表
我的设计是每种花型完整显示两遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即1~16显示第一个花型，17~32显示第二个花型，33~64显示第三个花型。
要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变。现将两片194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到高位记为L1~L8。列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表如下：(用^Li表示Li的取非)
经过分析可以得到控制194高低位片的左移右移变化的控制量。用QA~QH表示161从低位到高位的个输出端。控制结果表达式如下：
电路图如下：
（2）花型控制信号电路
由二片161级联的模128（三种花型节拍每种显示两遍，再总体重复一遍的总节拍数）计数器。
161的级联用的是同步，并用^QH清零。
当三种花型全新显示一遍后（总共64拍）161的输出变为00000100所以将161高位片的Q2（即QG）信号输给节拍控制电路的151的A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。161的CP脉冲来自节拍控制电路中74的输出端Y。
电路图如下：
（3）节拍控制电路
由一片151和一片74级联实现。整体上实现脉冲频率的变换，即交替产生快慢节拍。
令74的Vcc，CLR，PR都接高电平，将^Q的输出接到D端，Q端的输出接到151的D1端。令151的D0,D2,D3,D4,D5,D6,D7,B,C,G’,GND接低电平，Vcc接高电平，D0接时钟信号的CP脉冲，A端接由花型控制电路的QG输出。
所以Y端的输出就为：Y=CP·^A+Q·A
(Q是74D触发器的输出端)由D触发器具有记忆功能，记录上一个状态，所以在每一个CP脉冲的上升沿，Q输出为上一次的记录（即一个脉冲）。也就比时钟信号电路的CP脉冲慢了一拍。
所以通过A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率。A端接的是161的高位片的QG即当到达第64拍时QG为1接下来的65~128拍为变慢后的脉冲输出。电路图如下:
（4）时钟信号电路
由一片555加上适当电容及电阻实现。电容取：4.7μf
0.01μf 电阻取：150 kΩ
4.7 kΩ
电路图如下：
五 总体电路图（见附页）六 电路组装完成后，实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形
1．基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
2.测试波形:(列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D)花型一：
花型二：
花型三：
七 电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法。
我的数字电路课程设计总共用了4天完成的，这4天每一天都有所收获，都有所进步。起初想预习但不知道都该看些什么也不知道从何看起，因为对自己要设计的东西一点思路都没有。所以第一天去了只知道要用到CP脉冲产生电路，因为书上有完好的电路图直接照着连就OK。可是问题并不是想的那么简单，因为我一开始操作就不知道怎样布线才合理，常出现看着电路图不知道这条线该走哪儿连过去，看过老师的示范后，对老师的布线法真是无限敬佩，聪明呀。所以当然要学习了，于是自己也那样连了。连完时钟电路后，满以为会很成功，因为我的电路连得很简洁。结果是加电后LED二极管居然常亮，检查电路没什么问题，我开始不知所措，于是去咨询其他同学，发现好多同学都有和我一样的问题，有同学说那可能是线的而问题，也可能是板子的问题，也可能是电容的正负极插反了„不管是什么问题，一个个排除吧。最终其实也没很确切的知道问题的所在，因为不同的方法都在试具体是哪个也不确定了。我觉得最可能是电容的正负极和LED的插稳与否的问题。
第二天去我拿了个数码管来测试，结果连好了的电路加电测试结果却完全是错误的显示，我检测了电路测试了电位，都正确。老师过来看时让我加电他看看，结果居然是我给的电压太高了，我在加电是不小心把电压调的很高，自己还没在意，幸好没把芯片很板子烧坏。
在接下来的几天中我看了一些参考书籍，大概有了自己的思路，于是开始一一试验，我用了<<数字系统设计——数字电路课程设计指南>>（北京邮电学院出版社 高书莉编）所提供的三种花型，所以刚开始的几天就一直在想怎样将三种花型衔接起来，前两天是一直都没相处具体的解决方法。后来我就不停地分析花型的变化与161加法器数值的增加两者之间的规律。我发现自己好像有点太急于求成首先就把问题带到了最不容易解决的地方，于是我改变了思路开始不复杂的先简单化，三个花型的演示先不管，一个花型弄好再说。说行动立马行动，先连好了时钟信号电路再连了161的级联电路，先用清零端制1同步CP脉冲，还连了194的级联电路直接给低位片和高位片都加右移信号。先测试了161的工作状态是否正常，正常后又测试了194 的移位寄存功能，都正常。说明芯片和板子都很正常。将下来的一天我又通过分析找到了前两种花型通过节拍控制其变化的方式，于是按照自己的设计连了电路图，测试过电压后，加电测试。结果完全正确，那一刻真挺欣慰，觉得这也是一件挺开心的事情。接下来的问题就是如何把第三种花型也加进去。因为我选的第三种花型稍有点复杂，因为两个194是同步级联的但在花型显示中看到是似乎是第一个先工作等到前4个灯都亮后高位片的194才开始工作，所以考虑将它怎样加入费了我好长时间。问题的关键还是在如何用最少的门电路将其加入。最后的设计我用了12个芯片，应该是很多了，可是依据我设计的花型，也只能得到这样的设计，到目前为止我也只找到这样的最简连接方案。
其实在电路组装过程中，遇到的最大问题是，芯片分布不够合理，无法很好的布线。于是在分析了我的设计后计算了要用芯片的个数和个芯片之间的关系，按照各个控制电路的走向较合理的插好了芯片。其次就是布线，因为要求不准交叉，且横平竖直，所以在保证连通的情况下，在布线上也下了不少工夫，虽然布线的成绩不高只得到B+，但我想我是用心考虑过的，而且尽力做到我认为很合理的布线，也就是用线的颜色有点混乱，因为用了很多从之前面包板上拆下来的旧线，所以整个板子看起来有点杂乱。也因为我的设计中要用3个74L00和2个74L04，12个与非门电路的连接却是非了我好大的功夫。于是连线也就不十分合理了。
调试过程中，第一轮用万用表欧姆档测试，就遇了实验板上有插孔不通的情况，导致芯片不能正常工作。相对于别的办法，我选择了导线显示连通，因为其更明晰，更易实现。对于高阻导线则只能换掉。第二轮接电后，用万用表的电压档测试单元电路的状态。如：时钟信号电路的信号是否正常产生，控制信号电路中的计数器能否正常计数，D触发器能否每2拍翻转一次„„最后在整体上测试一遍。
在整个调试完成后，却遇到的新问题：彩灯演示时有时正常有时混乱。在排除其它可能的情况下，我仔细检查各端子的连接情况，发现清“0”端在清“0”后悬空了。将其插到电源正极后，发现问题解决了。八 分析和总结。
本次课程实习我虽然用了一个星期的时间就全部做完，但整个过程我都认真的完成了，而且从中收获很多。可以总结为以下的几点：
1，对数字电路知识的巩固与提高
这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。
2，学会了理论联系实际
课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。比如在动笔做题时我们是不用考虑导线的电阻的，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。
3，学会了如何运用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路；
虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分。这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。实习中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。
4，和同学的互相协作共同进步
在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间也会从别人上上学到更多。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的idea，其他人的设计一定有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法。
5，其他
课程实习设计是开端，连接是关键，测试是必须。所以实现过程中不仅要求对知识的掌握要足够准确与精通，更要有绝对的耐心与细心。连接电路时一定按照自己的设计图仔细连接这会对后面的测试起到很好的铺垫作用。在后面查错时就不用花费精力在查线上，可以给减少很多后续工作。我在这次的实习中其实也有连错线的时候，但我很快检查出来调整了那根线的连接，结果测试电路后花型显示完全正确。没有费太多的功夫在检查电路上。
九 参考文献。
<<数字电路逻辑设计>>
高等教育出版社 王毓银编 <<数字系统设计——数字电路课程设计指南>>
北京邮电学院出版社
高书莉编
十 过程考核表和成绩鉴定表
(这个具体内容老师会给你的，每个学校都有点不同在这我就不发了。)
游戏控制器 篇3
飞行控制器又被称为摇杆，是模拟飞行游戏必备之物。如果你想充分体验鹰击长空的豪迈，那么摇杆给你带来的快感要远远超越键盘上的方向键。为了让玩家更好地体验游戏的乐趣，现在很多摇杆都提供了力回馈功能，可以根据游戏中的操作来让玩家从摇杆上感受到各种反馈。不过对于一些高端摇杆，力回馈并不是它们所关注的，这些摇杆多以真实的战斗机操作为目标，无论是外形还是功能，都是以拟真为第一目的。如果你想成为一个严肃的模拟飞行玩家，那么市场上可以找到仿F16、F15以及A10的飞行摇杆，这些摇杆无一例外的都是配备节流阀以及可编程功能，甚至有的还配备了踏板。不过这些摇杆的价格都非常昂贵，如果你只想简单玩玩模拟飞行游戏，那么市场上常见的赛钛客系列产品就可以满足需求。
SaitekX52PRO猎鹰飞行控制器
赛钛客的飞行游戏摇杆凭借专业、高仿真度得到了众多发烧级、专业级玩家的喜爱。SaitekX52PRO飞行摇杆是很经典的飞行摇杆SaitekX52的升级版，X52PRO延续了X52的高度拟真设计，完全采用了仿战机控制台界面进行设计。
而在性能方面，X52PRO继承了X52摇杆的所有性能，并结合优异的工程学设计，高级的多功能显示，提供真实的飞行互动体验。X52PRO采用双弹簧的结构设计，其配置的MFD（多功能显示器）可直接显示游戏数据，包括微软模拟飞行9/10的RadioStack信息。X52PRO随机附带软件开发工具，用来创建游戏配置程序，并可和MFD进行互动。X52PRO提供了三种颜色的按钮背景光选择：红色，琥珀色，绿色，伴随左手油门的不同，油门处发光强度也有所变化。
拥有众多的功能配置以及精确的拟真控制，X52PRO的性能和操作体验自然无懈可击，同时，这款摇杆的价格当然也不会便宜，1680元的媒体报价够得上发烧级别。不过，对于真正的飞行游戏爱好者，如果想体验高仿真度的飞机操控感觉，一件像X52PRO这样的高档装备绝对必不可少。
除了模拟飞行类游戏，驾驶类游戏也是可以借助游戏控制器来增添乐趣的。其实对于很多高端玩家，方向盘并不是驾驶类游戏所必备的物资，因为他们追求的是精准的操作，而目前的游戏方向盘虽然在功能、手感
上有很大的改进，但是还是无法做到非常精准的放心控制。不过对于喜欢在赛道上奔驰的玩家，一款方向盘会让车开的更有感觉，既然玩那为何不让自己玩的更爽一点呢？尽管拥有一部超级跑车对于大多数玩家只是一个遥不可及的梦想，但借助性能强大的游戏PC，我们也可以通过诸如《极品飞车》、《尘埃》、《无限试驾》等优秀的赛车游戏在某种程度上“体验”一把驾驶的乐趣。不过，若只是使用键盘来操作M3、C63AMG、Gallardo、911Turbo这些超级跑车恐怕还难以领略到操控的真谛，不同底盘类型，不同悬挂系统、不同驱动方式之间的细微差别在普通的单行程键盘上根本无法再现，要想体会到那种身临其境的驾驶体验，一套具备精确模拟并提供力回馈的赛车方向盘必不可少。
LogitechG27双引擎力反馈天驹
LogitechG27的外观相当漂亮，手工缝制、真皮包裹的11英寸方向盘加上金属质感的轮辐，握感非常接近真实汽车，同时，方向盘还可向左右各旋转两圈半，这样的设定也与真车毫无二致，进一步增加了操作的真实感。同时，方向盘的回馈力度也十分细致，仿真度非常高，当车子压过柏油路、碎石、草皮，或是进行转向、与车辆刮蹭、和护栏碰撞等，不同路面和行驶情况都能通过方向盘的震动或反馈传达到你的双手，可获得很真实的驾驶感受，尤其是《尘埃》这类拉力赛车游戏，行驶路面多以砂石路为主，车子驶过时，能感受到强烈的震动，就连轮胎压过无数个小石头都能清楚感受。
踏板的设计也十分精细，Logitech G27采用全部金属配件，厚重感十足，且油门和刹车都有轻重之分与真实汽车相仿，不过踏下离合器的感觉稍差，个人感觉阻尼偏大。当然，游戏对离合器的支持并不算全面，比如，《尘埃》这款游戏就不支持离合器踏板，H型的排档也不需要踩离合器就可以换档。《极品飞车：变速》则对离合器的支持度比较高，游戏设置里可以把自动离合器关闭，不过一档之后似乎不踩离合也可以换档，但在半踩油门及半踩离合器时可以拉高转速，可以实现刹车制动的同时维持发动机转速的效果，这样精细的设定令赞叹不已。Logitech G27的排挡采用手自一体式设计，两种换档方式可通过一个旋钮来回转换，共设有6个档位。入档比较利索，行程也很短，便于快速换档。
即便是对于高端游戏玩家，Logitech G27也绝对是目前无可挑剔的拟真方向盘，无论是控制的精准度、反馈的力度，还是方向盘的做工，材质的质感，每个细节处理都令人赞叹不已，可以算得上一旦拥有别无所求了。唯一有点麻烦的是，设备之间互联的线缆较多，且相应的附件（电源、方向盘、排档杆、踏垫）又多。对于房间较大的用户这当然不会是什么问题，甚至你还可以为Logitech G27配一个专门的车架和赛车座椅。但如果只是偶尔摆出来把玩一下，方向盘的拆装可能略显繁琐，要玩的时候也得花点时间安装，不过，和逼真的操控体验相比，这点小“功课”就不足挂齿了。
北通瞬风169
瞬风169方向盘是“瞬风”系列方向盘的第二代产品，有黑色和红色两种颜色可供选择，瞬风169采用了高精度VR（反应式步进电动机）模拟技术，对虚位进行实时补偿，配合驱动程序中的调节功能,方向盘的虚位完全被消除，实现“零死角”。而且瞬风169方向盘还具有自动巡航功能，按下方向盘上CRUISE键，能够实现油门自动化，进一步丰富了驾驶体验。
别看瞬风169的售价不高，但方向盘的盘面做工也还不错，它采用镀银工艺处理，银色配以黑红两种色彩，给人的感觉比较上档次，外观也很时尚，方向盘内部采用了高端设备上才出现的钽电容，工作起来自然更稳定。方向盘的中央配有LED灯，并会随着游戏动作的变化而改变颜色的深浅，四周分布了CRUISE键、12个动作按键、四个方向键，能满足玩家赛车的各种操作。
瞬风169的踏板比较简单，虽然能够实现刹车和油门功能，但两个踏板的阻尼力度相当，并不能很好地再现真实踏板的触感。值得赞赏的是，踏板组件的表面和底部均进行了防滑处理并可以折叠或展开，摆放起来十分牢靠，能够经受得起较为剧烈的踩踏动作。另外，瞬风169方向盘还对网络游戏《跑跑卡丁车》进行了特别的优化，使用时只需在驱动中简单点选，即可直接对应各个键位，而且，对于不支持游戏控制器的网络赛车游戏也能轻松映射键盘模式，同时还具有力回馈功能，能满足不同玩家的需求。如果你非常喜欢赛车游戏，但预算不是特别充裕，那么这款物美价廉的瞬风169值得关注。
手柄是格斗类游戏的必备之物，当然你也可以用它来玩一些FPS游戏。无论是PC原生还是模拟器，只要是格斗类游戏都会提供对手柄的支持。当然如果你更想追求一下街机的感觉，那么格斗摇杆就是更为高端的选择了。对于本身拥有游戏机的玩家，在选择PC手柄时候也基本会以自己的游戏手柄为准。在市场上我们可以看到很多仿Xbox或PS3的手柄，如果你非要让自己PC的操作感觉跟游戏机一样，那么这些手柄就是个不错的选择，或者你尝试一些更为新颖的产品。
Logitech F710无线游戏手柄
在游戏外设越来越无线化的趋势下，作为著名的外设厂商，罗技自然也不会例外，除了F310和F510这两款有线游戏手柄外。罗技还推出了一款具备震动力反馈和无线连接的F710。
相比之前上市的F 3 1 0和F 5 1 0，Logitech F710无线手柄定位更加高端，它的造型设计更加精益求精，不仅外观更漂亮，而且还可以带来更舒适的握感。F710采用了标准的按键布局，它主要包括8方向悬浮式D-pad，4色功能按键以及两个模拟摇杆，普通玩家完全无需重新适应，非常容易上手。而悬浮式的方向控制键响应速度也很快，可以在游戏中迅速灵巧地改变方向。F710的驱动也秉承了罗技产品的一贯特点，它提供了十分翔实的功能设定，玩家可以轻松对按键的功能进行自定义，为每一部游戏都提供最直接的操作体验。
值得一提的是，Logitech F710无线游戏手柄还内置双反馈电机，能对游戏中的爆炸、撞击等动作尽可能真实地再现出来，使游戏操作更具临场感。F710采用了2.4GHz无线技术，配有Nano迷你无线接收器，连接稳定，在游戏中不会发生丝毫延迟现象。当然，无线连接带给F710最大的价值莫过于摆脱了线缆的束缚，玩起游戏自然也变得更加自由自在。
特点：
高强度的不锈钢伸缩轴，高精度的轴承
独立的油门组合，可以设定油门，副翼及燃料混合比或桨距等
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调制器控制器 篇4
电力系统的互联能改善运行经济性和系统安全性。然而随着电能需求的增加, 区域间联络线上的负荷较重, 弱阻尼的互联电力系统会产生振荡。互联电力系统的振荡已经成为主要的稳定问题。
电力系统稳定器 (PSS) 已经广泛用于改善电力系统阻尼。但是没有协调设计的PSS可能引起互联电力系统振荡。文献[1]提出了多机电力系统中PSS协调整定的方法。广域测量系统 (WAMS) 能提供广域信号, 文献[2]用广域信号作为励磁控制系统输入, 用线性矩阵不等式设计控制器。但没有分析广域信号时滞的不利影响。文献[3]和文献[4]研究了时滞对发电机励磁控制的影响。文献[5]在励磁控制中引入广域信号, 讨论了用开关控制算法降低通信时滞的不利影响。文献[6]提出用超前或滞后补偿网络补偿通信时滞, 即使时滞较大, 也能达到较好的补偿效果。静止同步补偿器 (STATCOM) 能改善电力系统阻尼。文献[7]用改进的模拟退火法协调设计PSS和STATCOM参数, 得到了较好的结果。文献[8]提出了双通道反馈结构的广域电力系统稳定器, 并采用扩展相位补偿法, 以两机互联电力系统为例进行测试。文献[9]研究了多机系统中用STATCOM阻尼多模态振荡, 用人工鱼群算法进行多个阻尼控制器间的协调优化。文献[10]在细菌觅食优化 (BFO) 算法中加入粒子群优化 (PSO) 方法, 对BFO方法进行改进。
WAMS和STATCOM都已在电力系统中使用, 但还没发现广域阻尼控制器和STATCOM控制器协调设计的研究成果。本文首先介绍了STATCOM及其控制系统, 接着描述了BFO算法, 然后用10机39母线新英格兰系统测试了STATCOM在改善系统阻尼方面的作用, 最后以10机39母线系统为例说明了用BFO同时优化广域阻尼控制器和STATCOM控制器参数的方法, 这些控制器的协调设计能改善互联电力系统稳定性。
1 控制器协调设计
1.1 广域阻尼控制器
WAMS提供的广域信号作为辅助稳定信号加到发电机励磁系统, PSS和广域阻尼控制器如图1所示。
图1中Δωi (t) =ωi (t) -1是发电机i的本地转速, KL是PSS增益, PSS的超前-滞后补偿网络为:
图1中ωij (t-Td) =ωi (t-Td) -ωj (t-Td) 是广域阻尼控制器的输入, ωj (t-Td) 是远方发电机j的转速, Td表示通信时滞。广域阻尼控制器的超前-滞后网络的传递函数为:
q=1, 2或3其中:KW是增益;αW是常数;TW是时间常数。
1.2 STATCOM
STATCOM主要由降压变压器SDT, 三相电压型逆变器和电容CDC组成。图2是STATCOM示意图[7]。
STATCOM的动态模型为:
STATCOM和电力系统之间交换的功率由V0-调节, 而V0-和直流电压VDC由调制比m和相位φ控制。相位φ由直流电压控制器控制, 调制比m由交流电压控制器控制。
直流电压控制器的输入是VDCref-VDC, 输出是φ, 其传递函数是交流电压控制器的输入是Vbref-Vb+VACS, 输出是m, 其传递函数是交流阻尼稳定器用于阻尼联络线上的功率振荡, 其输入是联络线功率偏差, 输出是VACS, 其传递函数是
1.3 细菌觅食优化BFO
BFO是受细菌趋药性启发而提出的, 它是一种新的全局优化算法, 可用于广域阻尼控制器和STATCOM控制器的参数优化。BFO有下列参数:
p:搜索空间维数, 即待优化参数的个数
S:细菌数
Ns:swimming步数
Nc:趋药性步数
Nre:繁殖次数
Ned:迁徙次数
Ped:迁徙概率
C (i) :步长
θi (j, k, l) :细菌位置向量
θg:全局最优位置, 即待优化参数的最优值
J (i, j, k, l) :适应度值
Jg:全局最优位置的适应度值
vi (j, k, l) :细菌运动速度
ω:惯性加权
c1:加速常数
r1:位于0和1之间的随机数
改进的BFO算法如下[10]:
1) 初始化
2) 迁徙循环:l=l+1
3) 繁殖循环:k=k+1
4) 趋药性循环:j=j+1
(a) 计算适应度J (i, j, k, l)
(b) 令Jlast=J (i, j, k, l) , 更新θg和Jg
(c) Tumble:产生一个向量Δ (i) , 它的p个元素都是[-1, 1]区间内的随机数
(d) 按下式计算θi (j+1, k, l) :
(e) Swim:
计算J (i, j+1, k, l)
按下式计算θi (j+1, k, l) :
(f) For d=1, 2, 3, …, p改变细菌速度和位置
删除Jihealth较大的S/2个细菌, 复制其他S/2个细菌。
产生一个随机数, 如果它小于Ped, 那么这个细菌散布到一个新的随机位置, 否则留在原来的位置。
9) If l
1.4 适应度函数计算
电力系统中发电机之间的功角差和转速差可以表征系统的稳定性, 因此具有n台发电机的电力系统的适应度函数如下:
式中:δi1 (t) 是发电机i和发电机1的功角差, Δδi1 (t) 和ωi1 (t) 通过解电力系统微分-代数方程获得。方程中广域阻尼控制器和STATCOM控制器的p个待优化参数的值由BFO给定。BFO搜索p维空间, 确定适应度最小的控制器参数。
2 仿真实例
10机39母线系统是一个复杂的电力系统, 它被用于测试控制器协调设计方法, 其单线图如图3所示。
发电机安装的自动电压调节器 (AVR) 如图4所示, wisc.edu提供的AVR参数为:TR=0.01,
10台发电机都安装了PSS。wisc.edu提供的PSS参数见表1。
为了检验PSS的效果, 在母线26施加三相短路故障, 0.12 s之后切除故障。通过解电力系统微分-代数方程计算发电机之间的功角差。发电机用两轴模型表示, 负荷用恒定阻抗表示。相对于发电机1的9条功角差曲线如图5所示。图5显示, 功角差曲线是衰减的, 电力系统是稳定的。
为了改善电力系统阻尼, 母线15连接一台STATCOM, 其控制器参数为:KDCP=2, KDCI=2, TDC=0.015 s, KACP=0.5, KACI=10, TAC=0.05 s, TS2=TS4=2 s和TS1=TS3[7]。KS0和TS1是待优化参数。计算适应度函数时考虑三种故障:
1) 在母线3发生三相短路, 0.12 s后通过切除母线3和母线4之间的线路切除故障。
2) 在母线26发生三相短路, 0.12 s后通过切除母线25和母线26之间的线路切除故障。
3) 70%有功负荷, 母线12发生三相短路, 0.12 s后切除故障。
用Matlab按BFO算法编程, BFO参数优化的结果是KS0=0.5394, TS1=0.6453。有STATCOM时母线26发生三相短路故障情况下的9条功角差曲线如图6所示。与图5比较可见, STATCOM能明显改善电力系统阻尼。
发电机2~10都安装了图1所示的广域阻尼控制器, 接受发电机1的转速信号ω1 (t-Td) 作为输入信号。首先假设时滞Td=0, 用BFO同时优化9个广域阻尼控制器和STATCOM控制器的参数。9个广域阻尼控制器的TW采用相同的值, q=3, 因此它们的待优化参数是19个。BFO参数选择为:p=21, S=30, Ns=4, Nc=5, Nre=3, Ned=10, Ped=0.25, c1=1.7, ω和C (i) 逐步减小。优化结果是TW=0.2145, 9个广域阻尼控制器的增益分别是0.1846, 0.4093, 0.1303, 4.9287, 2.6685, 27.1373, 58.3631, 0.1357, 0.1050。常数αW分别是0.7124, 1.2361, 0.7137, 0.5475, 0.6674, 0.5801, 0.6943, 0.8136, 1.920。STATCOM交流阻尼稳定器参数为KS0=0.2914, TS1=0.9733。广域阻尼控制器和STATCOM控制器参数同时优化后, 母线26故障情况下, 功角差曲线如图7所示。由图7可见, 广域阻尼控制能进一步增强电力系统动态稳定性。
如果9个广域阻尼控制器的参数分别单独优化, 它们同时投入运行将使系统阻尼变差。用δ10.1 (t) 表示发电机10与发电机1之间的功角差。图8给出了几种不同情况下的功角曲线δ10.1 (t) 。曲线a表示只有STATCOM的情况, 曲线b表示广域阻尼控制器和STATCOM控制器协调设计后的情况, 曲线c表示广域阻尼控制器的参数分别优化的情况。
通信时滞会使控制性能变差。如果采用光纤通信, 时滞Td通常小于0.1 s, 但在通信繁忙时, 时滞可能大于0.1 s。考虑时滞比较严重的情况Td=0.3 s, 广域阻尼控制器和STATCOM控制器协调设计后, 功角曲线δ10.1 (t) 如图8的曲线d所示。曲线d显示系统有较好的阻尼, 因此控制器协调设计能减小通信时滞的不利影响。
3 结论
10机39母线新英格兰系统仿真测试结果表明, STATCOM能明显改善电力系统阻尼, WAMS提供的信号可用作辅助稳定信号, BFO能用于广域阻尼控制器和STATCOM控制器的协调设计, 控制器协调设计后能增强电力系统稳定性, 通过控制器协调设计可以减小通信时滞的不利影响。
摘要：为了改善互联电力系统阻尼, 研究了广域阻尼控制器和静止同步补偿器 (STATCOM) 的控制器参数全局优化方法。首先介绍了广域阻尼控制器和STATCOM及其控制器数学模型, 然后描述了改进的细菌觅食优化 (BFO) 算法。用Matlab编程, 按BFO方法优化控制器参数以使ITSE型适应度值最小。适应度值是通过解电力系统微分-代数方程求得。10机39母线新英格兰系统被用于测试协调设计方法。仿真测试表明, 广域阻尼控制器和STATCOM控制器的协调设计能增强电力系统动态稳定性。
关键词：广域测量系统,静止同步补偿器,电力系统稳定,细菌觅食优化,时滞
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可编程序控制器 篇5
可编程序控制器（Programmable Controller）原本应简称PC，为了与个人计算机专称PC相区别，所以可编程序控制器简称定为PLC（Programmable Logic Controller），但并非说PLC只能控制逻辑信号。PLC是专门针对工业环境应用设计的，自带直观、简单并易于掌握编程语言环境的工业现场控制装置。
一、PLC基本组成
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图4-1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
图4-1 PLC的基本组成
1.中央处理器
中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。2.存储器
PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。
1）系统程序存储器
PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。
2）用户程序存储器
用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。
3）数据存储器
PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。
RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。3.接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
1）输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
以图4-2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路
这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。
图4-2 直流输入接口电路
滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。
2）输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
3）其它接口
若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。4.编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。5.电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
PLC工作原理 1.PLC内外部电路
1）外部电路接线
图4-3是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2、热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1及接触器常开辅助触头KM通过导线连接实现。
合上QS后按下起动按钮SB1，则线圈KM通电并自锁，接通指示灯HL1所在支路的辅助触头KM及主电路中的主触头，HL1亮、电动机M起动；按下停止按钮SB2，则线圈KM断电，指示灯HL1灭，M停转。
图4-4是采用SIEMENS的一款S7系列PLC实现电动机全压起动控制的外部接线图。主电路保持不变，热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1等作为PLC的输入设备接在PLC的输入接口上，而交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2等作为PLC的输出设备接在PLC的输出接口上。按制逻辑通过执行按照电动机全压控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。
图4-3 电动机全压起动电气控制线路
a)主电路 b)控制线路
图4-4 电动机全压起动PLC控制接线图
a)主电路 b)I/O实际接线图
2）建立内部I/O映像区
在PLC存储器内开辟了I/O映像存储区，用于存放I/O信号的状态，分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，此外PLC其它编程
I/O映像区的大小由PLC的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与I/O映像区的映像寄存器地址号也对应。
PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算结果存放到输出映像区对应的位上，PLC在执行用户程序时所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。
I/O映像区的建立使PLC工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。这样不仅加快了程序执行速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。
3）内部等效电路
图4-5是PLC的内部等效电路，以其中的起动按钮SB1为例，其接入接口I0.0与输入映像区的一个触发器I0.0相连接，当SB1接通时，触发器I0.0就被触发为“1”状态，而这个“1”状态可被用户程序直接引用为I0.0触头的状态，此时I0.0触头与SB1的通断状态相同，则SB1接通，I0.0触头状态为“1”，反之SB1断开，I0.0触头状态为“0”，由于I0.0触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以I0.0触发器等效为PLC内部的一个I0.0软继电器线圈，I0.0线圈状态的I0.0触头就等效为一个受I0.0线圈控制的常开触头（或称为动合触头）。
图4-5 PLC内部等效电路
同理，停止按钮SB2与PLC内部的一个软继电器线圈I0.1相连接，SB2闭合，I0.1线圈的状态为“1”，反之为“0”，而继电器线圈I0.1的状态被用户程序取反后引用为I0.1触头的状态，所以I0.1等效为一个受I0.1线圈控制的常闭触头（或称动断触头）。而输出触头Q0.0、Q0.1则是PLC内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应的KM线圈、指示灯HL1就会接通。PLC输出端有输出电源用的公共接口COM。2.PLC控制系统
用PLC实现电动机全压起动电气控制系统，其主电路基本保持不变，而用PLC替代电气控制线路。
1）PLC控制系统构成
图4-6是电动机全压起动的PLC控制系统基本构成图，可将之分
输入电路
图4-6 PLC控制系统基本构成框图 输入电路的作用是将输入控制信号送入PLC，输入设备为按钮SB1、SB2及FR常闭触头。外部输入的控制信号经PLC输入到对应的一个输入继电器，输入继电器可提供任意多个常开触头和常闭触头，供PLC内容控制电路编程使用。
输出电路
输出电路的作用是将PLC的输出控制信号转换为能够驱动KM线圈和HL1指示灯的信号。PLC内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了PLC内部控制电路提供编程用的常开触头和常闭触头外，还为输出电路提供一个常开触头与输出端口相连，该触头称为内部硬触头，是一个内部物理常开触头。通过该触头驱动外部的KM线圈和HL1指示灯等负载，而KM线圈再通过主电路中KM主触头去控制电动机M的起动与停止。驱动负载的电源由外电部电源提供，PLC的输出端口中还有输出电源用的COM公共端。
内部控制电路
内部控制电路由按照被控电动机实际控制要求编写的用户程序形成，其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的制信号驱动输出设备：电动机M、指示灯HL1等。
用户程序通过个人计算机通信或编程器输入等方式，把程序语句全部写到PLC的用户程序存储器中。用户程序的修改只需通过编程器等设备改变存储器中的某些语句，不会改变控制器内部接线，实现了控制的灵活性。
2）PLC控制梯形图
梯形图是一种将PLC内部等效成由许多内部继电器的线圈、常开触头、常闭触头或功能程序块等组成的等效控制线路。图4-7是PLC梯形图常用的等效控制元件符号。
图4-7 梯形图常用等效控制元件符号 a)线圈 b)常开触头 c)常闭触头
图4-8是电动机全压起动的PLC控制梯形图，由FR常闭触头、SB2常闭按钮、KM常开辅助触头与SB1常开按钮的并联单元、KM线圈等零件对应的等效控制元件符号串联而成。电动机全压起动控制梯形在形式上类似于接触器电气控制线路图，但也与电气控制线路图存在许多差异。
图4-8 电动机全压起动控制梯形图
梯形图中继电器元件物理结构不同于电气元件
PLC梯形图中的线圈、触头只是功能上与电气元件的线圈、触头等效。梯形图中的线圈、触头在物理意义上只是输入、输出存储器中的一个存储位，与电气元件的物理结构不同。
梯形图中继电器元件的通断状态不同于电气元件
梯形图中继电器元件的通断状态与相应存储位上的保存的数据相关，如果该存储位的数据为“1”，则该元件处于“通”状态，如果该位数据为“0”，则表示处于“断”状态。与电气元件实际的通断状态不同。
梯形图中继电器元件状态切换过程不同于电气元件
梯形图中继电器元件的状态切换只是PLC对存储位的状态数据的操作，如果PLC对常开触头等效的存储位数据赋值为“1”，就完成动合操作过程，同样如对常闭触头等效的存储位数据赋值为“0”，就可完成动断操作过程，切换操作过程没有时间延时。而电气元件线圈、触头进行动合或动断切换时，必定有时间延时，且一般要经过先断开后闭合的操作过程。
梯形图中继电器所属触头数量与电气元件不同
如果PLC从输入继电器I0.0相应的存储位中取出了位数据“0”，将之存入另一个存储器中的一个存储位，被存入的存储位就成了受I0.0继电器控制的一个常开触头，被存入的数据为“0”；如在取出位数据“0”之后先进行取反操作，再存入一个存储器的一个存储位，则该位存入的数据为“1”，该存储位就成了受继电器I0.0控制的一
只要PLC内部存储器足够多，这种位数据转移操作就可无限次进行，而每进行一次操作，就可产生一个梯形图中的继电器触头，由此可见，梯形图中继电器触头原则上可以无限次反复使用。
但是PLC内部的线圈通常只能引用一次，如需重复使用同一地址编号的线圈应慎之又慎。与PLC不同的是电气元件中触头数量是有限的。
梯形图每一行画法规则为从左母线开始，经过触头和线圈（或功能方框），终止于右母线。一般并联单元画在每行的左侧、输出线圈则画在右侧，其余串联元件画在中间。3.PLC工作过程
PLC上电后，在系统程序的监控下周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行等，见图4-9所示。
图4-9 PLC顺序循环过程
1）上电初始化
PLC上电后，首先对系统进行初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查、停电保持范围设定及清除内部继电器、复位定时器等。
2）CPU自诊断
在每个扫描周期须进行自诊断，通过自诊断对电源、PLC内部电路、用户程序的语法等进行检查，一旦发现异常，CPU使异常继电器接通，PLC面板上的异常指示灯LED亮，内部特殊寄存器中存入出错代码并给出故障显示标志。如果不是致命错误则进入PLC的停止（STOP）状态；如果是现致命错误时，则CPU被强制停止，等待错误排除后才转入STOP状态。
3）与外部设备通信
与外部设备通信阶段，PLC与其他智能装置、编程器、终端设备、彩色图形显示器、其他PLC等进行信息交换，然后进行PLC工作状态的判断。
PLC有STOP和RUN两种工作状态，如果PLC处于STOP状态，则不执行用户程序，将通过与编程器等设备交换信息，完成用户程序的编辑、修改及调试任务；如果PLC处于RUN状态，则将进入扫描过程，执行用户程序。
4）扫描过程
以扫描方式把外部输入信号的状态存入输入映像区，再执行用户程序，并将执行结果输出存入输出映像区，直到传送到外部设备。
PLC上电后周而复始地执行上述工作过程，直至断电停机。
用户程序循环扫描
PLC对用户程序进行循环扫描分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，见图4-10。
图4-10 PLC用户程序扫描过程
1）输入采样阶段
CPU将全部现场输入信号，如按钮、限位开关、速度继电器的通断状态经PLC的输入接口读入映像寄存器，这一过程称为输入采样。输入采样结束后进入程序执行阶段后，期间即使输入信号发生变化，输入映像寄存器内数据不再随之变化，直至一个扫描循环结束，下一次输入采样时才会更新。这种输入工作方式称为集中输入方式。
2）程序执行阶段
PLC在程序执行阶段，若不出现中断或跳转指令，就根据梯形图程序从首地址开始按自上而下、从左往右的顺序进行逐条扫描执行，扫描过程中分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中将有关编程元件的状态数据“0”或“1”读出，并根据梯形图规定的逻辑关系执行相应的运算，运算结果写入对应的元件映像寄存器中
而需向外输出的信号则存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。
3）输出处理阶段
CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出接口传送到外部去驱动接触器和指示灯等负载。这时输出锁存器保存的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被再次刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。
4）PLC扫描过程示例
梯形图将以指令语句表的形式存储在PLC的用户程序存储器中。指令语句表是PLC的另一种编程语言，由一系列操作指令组成的表描述PLC的控制流程，不同的PLC指令语句表使用的助记符并不相同。采用SIEMENS S7-300系列PLC指令语句表编写的电动机全压起动梯形图的功能程序如下：
A（O
I0.0
//取I0.0，存入运算堆栈；
O
Q0.0
//Q0.0和堆栈内数据进行或运算，结果存入堆栈；
AN
I0.1
//I0.1取非后
AN
I0.2
//I0.2取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；
=
Q0.0
//将堆栈内数据送到输出映像寄存器Q0.0；
A
Q0.0
//取出Q0.0数据存入堆栈；
=
Q0.1
//将堆栈内数据送到输出映像寄存器Q0.1；
MEND
//主程序结束。
指令语句表是由若干条语句组成的程序，语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条或几条语句执行。PLC语句由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表示（如A表示“取”、O表示“或”等），用于说明要执行的功能，即告之CPU应执行何种操作。操作码主要的功能有逻辑运算中的与、或、非，算术运算中的加、减、乘、除，时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。
操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等；而参数表示操作数的地址或一个预先设定值。
以电动机全压起动PLC控制系统为例，在输入采样阶段，CPU将SB1、SB2和FR的触头状态读入相应的输入映像寄存器，外部触头闭合时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。输入采样结束进入程序执行阶段，见图4-11。
执行第1、2条指令时，从I0.0对应的输入映像寄存器中取出信息“1”或“0”，并存入称为“堆栈”的操作器中。
执行第3条指令时，取出Q0.0对应的输出映像寄存器中的信息“1”或“0”，并与堆栈中的内容相“或”，结果再存入堆栈中（电路的并联对应“或”运算）。
执行第4条、第5条指令时，先取出I0.1的状态数据进行非运算，再和堆栈中的数据相“与”后存入堆栈，然后取出I0.2的状态数据进行取非运算，再和堆栈中的数据相“与”后再次存入堆栈（电路中的串联对应“与”运算）。
执行第6条时，将堆栈中的二进制数据送入Q0.0对应的输出映像寄存器中。
执行第7条指令时，取出Q0.0输出映像寄存器中的二进制数据存入堆栈。
执行第8条指令时，取出堆栈中的二进制数据送入Q2.0对应的映像寄存器中。
执行第9条指令，结束用户程序的一次循环扫描过程，开始下一次扫描过程。
在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出锁存器。如果Q0.0、Q0.1对应的输出映像寄存器存放的二进制数为“1”，则外接的KM线圈、指示灯HL1通电，反之，将断电。
图4-11 电动机全压起动PLC控制扫描过程
5）继电器控制与PLC控制的差异
PLC程序的工作原理可简述为由上至下、由左至右、循环往复、顺序执行。与继电器控制线路的并行控制方式存在差别，见图4-12。
图4-12a)控制图中，如果为继电器控制线路，由于是并行控制方式，首先是线圈Q0.0与线圈 Q0.1均通电，然后因为常闭触头Q0.1的断开，导致线圈Q0.0断电。
如果为梯形图控制线路，当I0.0接通后，线圈Q0.0通电，然后是Q0.1通电，完成第1次扫描；进入第2次扫描后，线圈Q0.0因常闭触头Q0.1断开而断电，而Q0.1通电。
图4-12b)控制图中，如果为继电器控制线路，线圈Q0.0与线圈Q0.1首先均通电，然后Q0.1断电。
如果为梯形图控制线路，则触头I0.0接通，所以线圈Q0.1通电，然后进行第2行扫描，结果因为常闭触头Q0.1断开，所以线圈Q0.0始终不能通电。
图4-12 梯形图与继电器图控制触头通断状态分析
a)触头通断无差异 b)触头通断有差异
三、工作任务
叙述PLC各组成部分作用；识读PLC外围接线图；掌握PLC梯形图基本绘制规则。
资讯：整理归纳听课笔记
决策：确定电气控制基本环节线路作为改换为PLC控制后外围接线的练习图
计划：以电动机全压起动为例，制定外围接线、绘制相应PLC梯形图的计划
实施：课余完成PLC外围接线图及PLC控制梯形图的绘制
水塔水位控制器 篇6
关键词:降压整流电路 控制电路 继电器 保护电路 控制
1 设计思路
根据设计要求,电路由降压整流电路、555触发电路(NE555)、继电器控制电路等组成。其中降压整流电路为整个控制电路提供直流电压,触发电路NE555根据其触发特性对水塔水位进行控制。
2.1.1 控制电路
由NE555,继电器构成主要控制电路。NE555为8脚时基集成电路,各脚主要功能:
1地GND?摇2触发?摇3輸出?摇4复位?摇5控制电压?摇6门限(阈值)7放电?摇8电源电压Vcc
2.2.2 继电器
继电器是一种线圈的小电流控制触电的大电流的装置。
2.3 保护电路选用
该部分电路选用热继电器,接触器。
2.3.1 热继电器
热继电器是由流入热元件的电流产生热量,使有不同膨胀系数的双金属片发生形变,当形变达到一定距离时,就推动连杆动作,使控制电路断开,从而使接触器失电,主电路断开,实现电路的过载保护。
2.3.2 交流接触器
当接触器电磁线圈不通电时,弹簧的反作用力和衔铁芯的自重使主触点保持断开位置。当电磁线圈通过控制回路接通控制电压(一般为额定电压)时,电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁心,带动主触点闭合,接通电路,辅助接点随之动作。
3.1 设计原理图
说明:D1-D6:IN4002?摇 R1-R3:470Ω?摇
U1:1000uF?摇U2:0.01uF?摇RW1-RW3:100KΩ
J是热继电器 ?摇J1是JRX-13F-1小功率小型继电器
3.2 工作原理
3.2.1 电源部分
电源电路为水位控制器电路的基础部分。接通电源后,经变压整流,在负载R上得到直流电压V。
3.2.2 控制部分
控制电路为水塔水位控制器电路的主体部分,降压整流电路为此部分电路提供稳定直流电压后,NE555开始工作。当水塔内的水位探极A、B、C低于水位线时,为高电位。调节RW1-RW3,使A点和B点的电位最大接近于2/3Vcc与1/3Vcc。当B、C高于塔内的水位线时,即已低于反向阈值电压V-,NE555②脚为“地”电位,使NE555发生置位,③脚输出的高电平使发光二极管工作并且使继电器J1吸合,触点J1闭合,接触器C吸合,触点C1闭合,抽水电机从而因得电而运转,进行抽水;当水位上升至探极B点,而又未到A点时,它们的分压值在1/3Vcc与2/3Vcc之间,状态不变。当水位继续上升至A点时,A点电位接近电源电压Vcc,超过了正向阈值电压V+,相应NE555复位,输出的低电平使J1释放,触点J1断开,接触器C释放,触点C1断开,抽水机断电停转,从而对水位实现自动控制。
3.2.3 保护部分
保护电路为水塔水位控制器电路不可缺少的一部分,当继电器J1吸合后,热继电器J通电,电流使线圈发热,金属片发生形变吸合。交流接触器亦随之通电,产生电磁力,电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁心,带动主触点闭合,此时电路接通,驱动抽水机转动,一旦功率大于额定功率,继电器J线圈发热,使金属片形变到一定的程度时,金属片自动弹开,电路断开。随之接触器C电磁力消失,触电断开。起保护抽水机作用。
3.3 电路特点
调制器控制器 篇7
蓄电池是飞行器电源系统中重要的组成部分, 蓄电池的性能直接影响飞行器的安全。因此, 正确维护、保养蓄电池就成为一项十分重要的工作。539CH-1型Ni-Cd蓄电池是法国SAFT公司生产的碱性蓄电池, 该电池包含20个单体电池, 额定电压24V, 额定容量53Ah。波音737客机即采用该型蓄电池。
充电和放电是该电池维护、保养中的主要工作。由于该电池为Ni-Cd蓄电池, 为了避免记忆效应影响电池容量, 充电前需要对电池进行放电。该电池的放电规范要求测量单体电池电压, 并记录单体电池电压下降到1V时的放电时间, 然后在单体电池两极间接入放电电阻。该电池的充电规范要求使用分阶段定电流充电法。充电过程中要检测电池的端电压和充电电流, 充电后期要测量单体电池的电压, 并对电压较低的电池做相应处理。
本设计采用AVR单片机Mega16L作为核心, 可同时控制两块539CH-1型蓄电池的充、放电过程。Mega16L通过串行总线接收上位机的命令, 然后通过SPI总线将数据发送给T L V 5 6 3 8。单片机通过多路模拟开关CD4053将TLV5638的两路D/A输出送入信号调整电路, 从而完成对充放电电流的控制。放电过程中, Mega16L通过控制8D锁存器74LS573和复合管阵列ULN2081控制放电电阻接入。系统框图如图1所示。
硬件设计
硬件系统包括串行通信电路、充电和放电控制电路、继电器驱动电路等模块。
通信电路
单片机通过串口与上位机通信。Mega16L端口为TTL电平, 而上位机串口为RS232C标准接口。因此, 在上位机与单片机通信时需要进行电平转换。本设计采用MAX232完成TTL电平与RS232接口电平之间的转换。
充电和放电控制电路
单片机收到上位机的充、放电控制命令后, 通过SPI口将控制信号发送给TLV5638。TLV5638将收到的数字信号转换成模拟信号, 并送入信号调整电路。模拟控制信号经调整后送入充电或放电电源的PI控制器, 对充电和放电电流进行控制。单片机通过CD4053选择控制信号的输出通道, 使该控制器可同时对2块蓄电池进行充电和放电。该部分电路原理图如图2所示。
D/A变换
本设计使用双通道l2位电压输出型高速DA转换器TLV5638完成数模转换。设计中, 将Mega16作为主机, 通过SPI口直接与TLV5638的串行接口相连。因为Mega16的SPI口为4线串口, 所以连接时单片机SPI口的PB6 (MISO) 悬空。
串行通信时, CS引脚出现下降沿时通信开始, 数据在S C L K的下降沿逐位移入TLV5638的内部寄存器。最先移入的是数据的最高位。当16位数据全部移入或CS引脚变高时, TLV5638移位寄存器中的数据被存入相应的锁存器, 锁存器的选择由数据中的控制字确定。因此, 当Mega16需要向TLV5638发送数据时, PB7先从高电平跳到低电平, 然后通过S P I口连续进行两次写操作, 向TLV5638发送个字节数据。两次写操作完成后, 在SCLK的第16个上升沿, 相应锁存器的内容自动更新。
应用中, TLV5638工作于慢速正常模式, 采用2.048V内部参考电压。更新TLV5638某一路DAC数据时, 必须保证另外一路数据不变。
Mega16的SPI口可采用4种不同的数据传输格式工作, 传输格式由SPI控制寄存器中的CPOL位和CPHA位控制。应用中, 考虑到T L V 5 6 3 8的使用要求, 令C P H A=0, CPOL=1 (传输开始时采样SCK下降沿, 结束时采样SCK上升沿) 。
信号通道选择
Mega16通过PD4和PD5以及外围逻辑电路控制信号的输出通道。逻辑电路包括1片7404和2片CD4053。以TLV5638的OUTA输出信号为例。模拟控制信号从TLV5638输出, 经滤波后送入CD4053的X通道和Y通道。单片机PD4一方面直接与CD4053控制端A相连, 另外还通过反相器7404与CD4053控制端B相连。这样就保证A端和B端的控制信号反相, 使任意时刻X、Y通道中只有一个可以输出有效控制信号, 从而保证该路充电和放电不发生冲突。应用中没有使用CD4053的Z通道, 应将其与控制端C及使能端一起接地。
继电器驱动电路
放电后期, 需要将电池中的剩余容量完全放出, 最终使单体电池电压下降到0V。设计中, 利用继电器将放电电阻并联于单体电池两极, 从而达到释放电池剩余容量的目的。继电器由8D锁存器74LS573和达林顿管阵列ULN2801驱动。单片机PA0～PA7输出控制信号, PD2、3、7和PC6、7输出5片74LS573所需的锁存使能信号。控制信号由74LS573锁存, 然后通过ULN2801驱动继电器工作, 将放电电阻并联在单格电池两端, 从而完成单格电池剩余容量放电。继电器驱动电路原理图如图3所示。图中只包含1片74LS573, 其它4片控制方法类似。
软件设计
软件采用主从结构。单片机收到上位机指令后, 根据通信协议提取出命令字和数据, 然后根据命令字完成相应的控制。软件基于模块化设计思想, 主要包括:主程序模块, 通信程序模块, D/A转换与通道选择模块, 继电器组控制模块等。
主程序模块
主程序模块完成单片机初始化, 等待并处理中断等工作, 流程图如图4 (a) 所示。
通信程序模块
单片机与上位机间采用RS232串口通信。单片机采用中断方式接收上位机发出的命令, 并根据接收到的数据内容向上位机发送应答信息。当命令的起始标志和结束标志都正确时, 单片机向上位机发送ASCII字符‘Y’表示接收成功, 然后处理收到的命令;否则, 向上位机发送ASCII字符‘N’, 表示发送不成功, 要求上位机重新发送命令。
上位机向单片机发送的命令符合以下格式:命令以帧为单位, 每帧包含7个字节。每帧包含的命令字规定了单片机的控制方式。每帧中的数据字则以ASCII码的形式确定了充、放电电流的大小和继电器的代号。通信模块流程图如图4 (b) 所示。
当上位机需要控制充、放电电流时, 单片机采用查询方式, 通过SPI口向TLV5638发送命令和数据, 然后通过控制CD4053确定模拟控制信号输出通道。因为Mega16L的SPI口字宽为8位, 因此必须连续进行两次写操作才能完成对TLV5638的编程。
单片机收到上位机命令后, 先将数据写到PA口, 然后向相应锁存使能位写‘0’, 将数据锁存入74LS573中, 完成对继电器的控制。
结语
本文提出了一种基于Mega16L的蓄电池充放电控制器。该控制器利用串口RS232接受上位机发送的控制指令, 然后根据控制指令完成对蓄电池充电电流、放电电流以及放电电阻接入的控制。该控制器部分实现了电池充、放电电源的数字化控制。该系统已应用于539CH-1型Ni-Cd电池的充放电设备中, 性能良好。
参考文献
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调制器控制器 篇8
长期以来, DC/DC开关变换器都是在状态空间平均方法的基础上, 得到系统的小信号模型[1,2], 采用PI调节器误差控制技术, 不依赖于变换器模型, 只需根据被控变量的误差, 通过动态调节开关的占空比, 以达到对输出电压及其它参量进行控制的目的。其优点是控制系统设计简单、适用性较好;缺点是输出反馈控制的设计是基于目标误差控制而不是基于模型控制, 动态响应特性较慢、控制效果较差, 无法实现优化控制, 无法满足开关电源日益提高动态响应和控制精度的要求, 如低压大电流开关电源的需求。
DC/DC开关变换器是一种时变、强非线性开关电路, 在整个工作过程中受开关量的控制。因此, 应用线性的PI控制不是最佳选择, 必须应用非线性控制理论对其进行分析和设计[3]。近年来, 作为非线性控制的重要分支, 滑模控制理论得到了不断发展, 大量研究表明, 在DC/DC开关变换器中采用滑模控制, 不仅使系统具有快速良好的瞬态响应, 对参数摄动及外界干扰具有强鲁棒性, 而且总的谐波失真小, 电路实现简单[4,5,6,7]。但是, 常规滑模控制器也存在着一些难以克服的缺点, 如切换频率不固定, 电感启动电流过大等问题[8]。在Buck变换器中, 控制律u的取值仅限于{0, 1}, 属于控制受限的情况, 这使得设计滑模控制器的裕度较窄, 因而绝大多数DC/DC变换器滑模控制的设计均集中在切换面S (x) 上。
本研究在Σ-Δ调制的基础上, 提出对CCM Buck变换器引入指数趋近律的滑模控制策略。
1电流连续型Buck变换器仿射非线性系统模型
CCM Buck变换器工作原理如图1所示, 其中, 电路原理图如图1 (a) 所示, 开关闭合电感充电模式如图1 (b) 所示, 开关断开电感放电模式如图1 (c) 所示。无论充电还是放电模式, 输出滤波电容维持输出电压稳定。在该系统中, 状态变量可根据变换器中储能元件的个数确定, 通常取电感电流和电容电压为状态变量。
当开关S闭合时, 此时系统处于工作模式1, 设此时的控制量u为1, 则系统方程为:
当开关S断开时, 此时系统处于工作模式2下, 设此时的控制量u为0, 系统方程为:
令iL=x1, uc=x2, 则CCM Buck变换器的状态方程为:
式 (3) 所示的Buck变换器是一个单输入、单输出系统, 该系统是一个典型的鲁里叶模型, 系统的唯一非线性项出现在控制器的数学描述上, 控制器输出非0即1。
2 Σ-Δ调制
基于PWM的Σ-Δ调制器如图2所示, 假设在任何时间内μ (t) 满足编码条件0<μ (t) <1, 积分器的误差信号e (t) 在有限时间th内收敛到0[9]。μ (t) 与u (t) 的差值进行积分后, 和三角波进行比较, 得到非0即1的信号用来控制开关管的开通或关断。显然, 这种方法可以实现固定的开关频率。
3滑模控制器设计
由式 (3) 描述的Buck变换器, 假设控制的目的是使输出电压稳定, 可选取滑模面为
通常保证
在选定上述滑模面后, 常规的滑模控制器可以设计为:
u=0.5× (1-sgn (S) ) (5)
u的输出量非0即1, 从而决定了开关管的开通或关断。
根据图2中描述的Σ-Δ调制器, 显然设计控制器时可以考虑u为0～1之间的一个连续变量, 之后通过Σ-Δ调制器得到控制开关管的开关信号。
选定如式 (4) 所示的滑模面后, 有
因此有:
其中, K>0, W≥0, 从而保证了系统能在有限时间内实现滑模运动。显然, 这是一种指数趋近律的方法, 控制器设计时可根据设计目标的需要, 选择合适的K, W[10,11]。
4系统仿真及分析
为了验证所建模型和控制策略的有效性, 本研究采用PSIM对所提出的控制方法进行仿真, 仿真时, Σ-Δ调制器以图2的形式进行仿真。
在仿真时, CCM Buck变换器参数为:输入电压Vin=48 V, 输出电压期望值Vref=24 V, 负载R=20 Ω, 开关频率f=50 kHz, 电感L=1 mH, 电容C=200 μF。
取
由图3可知, 在启动时, 电感存在很大的启动电流, 但相对于图4和图5, 系统输出电压到达期望值的时间最短。由图4和图5可知, 通过改变W和K的取值, 能改变系统的启动特性, 当取较大的W和K值时, 系统在较短的时间内到达滑模面, 系统输出电压也在较短时间内到达期望值附近, 但电感的启动电流存在较大的超调量;当取较小的W和K值时, 系统响应变慢, 但电感启动电流的超调量可减小或无超调。对比图3～图5知, 在常规滑模控制器中, 电路中参数一旦选定, 系统的启动时间及超调量将不受控制;在本研究提出的滑模控制器中, 根据不同的应用场合, 可选取不同的W和K值, 在启动时间和启动电流之间进行平衡。
5结束语
常规的PI控制策略已经很难满足DC-DC变换器高精度、高稳定性及响应快速性的要求。本研究在得到CCM Buck变换器的仿真非线性系统模型后, 在利用Σ-Δ调制器的基础上, 通过选定反映控制目的的合适滑换面, 引入指数趋近律的控制器设计方法, 根据实际需要设计CCM Buck变换器的控制特性。最后, 仿真结果表明了该方法的有效性。
摘要：针对常规滑模控制方案应用于电流连续型 (CCM) Buck变换器中, 存在开关频率不固定及电感启动电流过大等问题, 对电流连续型Buck变换器建立了仿射非线性模型, 在Σ-Δ (sigma-delta) 调制器的基础上, 选定反映控制目的的合适滑模面后, 设计了指数趋近律的滑模控制器。仿真结果表明, 采用该滑模控制的电流连续型变换器具有固定的开关频率, 并且启动时间和电感启动电流可通过调节滑模控制器中的控制参数进行调整。
关键词：Σ-Δ调制器,滑模控制,电力电子,Buck变换器,电流连续型
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液位控制器 篇9
该液位控制器主要部件作用:
(1) LED:控制液位低、中、高;
(2) 控制器:继电器自动控制水泵开关, 使液位保持在低和高之间;
(3) 过液位报警:当传感器检测到液位过高或过低时 (可选) , 继电器驱动电铃或其他报警器报警。
制作完成之后的液位控制器外观如图1所示, 规格参数如表1所示。
一、电路原理图
该液位控制器的电路原理如图2所示。其中AC IN为供电输入端, 通过UA7812产生+V1的电压给电路供电。SENSOR1和SENSOR2连接到传感器PCB的S1和S2。
二、元器件及安装
液位控制器的电路比较简单, 元件清单如表2所示, 在安装元器件时, 要先装电阻, 阻值可利用万用表测量或通过“综红橙黄绿蓝紫灰白黑”电阻色码读出, 其次安装电容, 注意电解电容是有正负极的, 电解电容上黑道端是电容的负极, 电解电容长引脚是电容的正极, 不能装错。要安装可在单面板上设计PCB和焊接。LED发光二极管是一个有正、负极之分的器件, 安装前应先分清它的正、负极, 长引脚的一端是正极。控制器PCB如图3、图4所示。
传感器PCB的正反面图如图5、图6所示。
可以根据PCB正面丝印层的提示, 结合元件清单表完成PCB的焊接。
三、调试
当采用直流电压 (16～18V/100mA) , 正负电源接法如图7所示。
如果连接变压器 (12～14V/min 300mA) , 连接顺序没有特别规定, 如图8所示。
当电源打开, LED3 (低电平) 应点亮, 表明一切正常工作。将低水位传感器S2连接, 则LED2应该点亮, 如图9所示。
再将高水位传感器S1连接, 这时LED1和LED4同时点亮如图10所示。
若断开S1, 这时LED2和LED4同时点亮, 如图11所示。
再断开S2, 那么只剩LED3点亮, 如图12所示。
传感器必须相互连接, 一个传感器包括2个分离电导体, 如果在应用过程中, S1和S2之间的高度差过大, 可以切下一块PCB, 如图13所示。相反的, 如果距离过短, 可以焊接两截铜线, 如图14所示。
四、工作过程
连接所有的传感器如图15所示, 注意:放置传感器1比传感器2位置高。
如图16所示, 当水位低于SI和S2时, LED3点亮;当水位高于S2, 低于S1时, LED2点亮;当水位上升, 直到S1接触到水位, LED1和LED4同时点亮;如果水位下降到只有S2在水里的话, 则LED2和LED4同时点亮;水位继续下降到S2以下, 则只有LED3点亮, 继电器断开。当水位到达S1 (高水位) , 继电器接通, 当水位低于S2 (低水位) , 继电器断开。
高速电光调制器的电极设计研究 篇10
高速宽带电光调制器是光纤通信、CATV光纤传输、光孤子通信、光纤传感等领域的重要器件,在未来光纤通信系统和空间光通信系统中占有非常重要的地位。随着光通信技术的迅猛发展,对电光调制器的性能提出更高要求。
LiNbO3电光调制器凭借其衬底材料低损耗;高的电光、声光系数;稳定性好;寿命长;易成波导等优点,成为目前广泛应用的电光波导调制器,可以进行高速长距离光通信传输。
2 高速铌酸锂电光调制器结构及性能参数
在各类高速调制器中,大多数是以MZI为基础的行波器件。图1为铌酸锂共面波导电光调制器的结构示意图,其中电极宽度为W,电极间距为G,电极厚度为Tc,缓冲层的厚度为Tb。
目前研制的外调制器带宽受诸多因素的影响,行波铌酸锂调制器微波速率与光波速率失配、微波源阻抗与传输线特性阻抗不匹配是其中两个关键问题,而这两个问题又取决于行波电极的设计。因此,行波电极电光调制器的设计关键就是行波电极的设计。为实现宽的带宽和低的驱动电压,必须优化电极设计。
假定调制器中微波的传输速度V=c/Nm(Nm为器件中微波信号传播的等效折射率),而光波在波导中的传输速度V=c/ne(ne为器件中光信号传输的等效折射率,光波长1.55μm时,ne=2.14)。
行波调制器微波和光速度失配时的3dB带宽长度乘积:
其中,△f为带宽;L为电极长度;c为光速。
根据TEM波传输线的分布参数理论得知:
式中,C为电极每单位长度的电容;C0为用空气代替所有波导材料的电极每单位长度电容。
特性阻抗和分布电容的关系:
可见,调制器的带宽直接取决于微波与光波的速度失配问题。因为微波与光波的折射率不会相等,如果在设计中能尽量减小Nm-ne,就可以提高调制器带宽。
3 电光调制器的电极优化设计
1.准静态方法分析
通过调制器性能参数的分析,调制器的速度匹配和阻抗匹配的问题归结为求出调制器的单位长度分布电容以及空气填充时的单位长度分布电容。可以利用准静态方法计算,采用一系列的保角变换,对电极厚度和缓冲层厚度分别进行考虑,再根据上述公式对各特性参量进行计算和仿真得到调制器结构参数对其性能的影响。限于篇幅问题,将仿真编程过程省略,直接给出仿真结果进行分析。
(1)中间电极宽度对性能参数的影响
当电极厚度Te分别为4μm,6μm和8μm时,同时取电极间距G=15μm,缓冲层厚度为1.6μm分析中间电极宽度对有效折射率和特征阻抗的影响如图2所示。有效折射率Nm随中间电极宽度W的增大而逐渐变大;而特征阻抗z随中间电极宽度W的增大逐渐变小。
(2)电极间距、缓冲层厚度、电极厚度对性能参数的影响
相同方法分析得出,有效折射率Nm和特征阻抗z均随着电极间距G的增加而逐渐变大;相反,随着电极厚度Te的增加而逐渐变小;而Nm随缓冲层厚度的增加逐渐变小;z随厚度的增加逐渐变大。
(3)从上面的分析综合考虑,可取W=10μm,G=15μm,Tb=1.6μm,Te=6μm,可以得到微波等效折射率Nm=2.28;特征阻抗z=38.6Ω;当工作波长姿=1.55μm,电极长度L=2.4cm时,3dB带宽约为43GHz,可以实现宽带调制。
2.扩展点匹配法分析
点匹配法可以方便地计算由层状介质与其上的电极构成的传输线结构中的电势与电场分布,但只能处理无限薄电极的情况。扩展的点匹配法则能够用于分析具有多层介质、较厚电极的结构。这种方法采用离散的正弦或余弦级数的形式表示各个区域的电位函数,通过电位函数得到调制器的电场分布,进而得到调制器的结构参数,优化调制器的性能。限于篇幅问题,省略扩展点匹配方法的物理原理介绍。
通过对扩展点匹配方法的分析,得到只需求解出调制器的电场分布,就可以知道电极每单位长度的电容C和C0,进而得到调制器的有效折射率和特征阻抗。如图3所示为调制器的电场分布,图中(a),(b)分别为图1结构中y取不同值时调制器衬底的电场分布Ex,Ey。
当W=10μm,G=15μm,Tb=1.6μm,Te=6μm,可以得到微波等效折射率Nm=2.31;特征阻抗z=42Ω,基本满足速度匹配和阻抗匹配。当工作波长姿=1.55μm,电极长度取L=2.4cm时,根据3dB带宽的表达式计算驻f≌34.8GHz,可以实现宽带调制。
4 结论
根据上述两种方法对调制器进行优化设计,可以发现结果偏差不大,而所产生的偏差和扩展点匹配方法中取级数有限项有关。通过对电光调制器结构的合理分析以及电极的优化设计,可以实现铌酸锂调制器的宽带调制。
摘要：对共面波导LiNbO3电光调制器的结构和性能参数进行分析的基础上,利用保角变换方法和扩展点匹配方法通过仿真选择合适的调制器结构参数,优化了调制器性能,实现了宽带调制。
关键词：共面波导,保角变换,扩展点匹配,宽带调制
参考文献
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[2]钱辰等.脊形结构LiNbO3光波导调制器的扩展点匹配法分析.中国激光,2004,31(3):318~322
[3]龙祖利.用于空间光通信的宽带LiNbO3行波调制器.兵工自动化,2006,25(2):71~72