第一篇：太陽能熱水器控制器的設(shè)計(jì)之文獻(xiàn)綜述

前言

當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)在飛速發(fā)展，微機(jī)應(yīng)用日益普及深入，微機(jī)在通信自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)控制、電子測(cè)量、信息管理和信息系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能，可靠性，成本，體積，功效等嚴(yán)格要求的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其最初應(yīng)用是基于單片機(jī)的。單片機(jī)小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化。它面向控制，能針對(duì)性的解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制任務(wù)。

目前，國內(nèi)的太陽能熱水器還處于研發(fā)階段，這種控制器只具有溫度和水位的顯示功能，不具有溫度控制功能。由于加熱時(shí)間不能控制而導(dǎo)致過燒，從而浪費(fèi)大量電能。本設(shè)計(jì)是以89c51單片機(jī)為檢測(cè)控制中心，采用ds12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)了溫度，水位，時(shí)間三種參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示功能。

電熱水器是以電作為能源對(duì)熱水器加熱，它是以高精品質(zhì)、卓越的安全性能、高效節(jié)能環(huán)保的較高性價(jià)比在高速發(fā)展的信息時(shí)代脫穎而出成為生活中必不可少的家電用器。但在實(shí)際生活中，家用熱水器在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)供水水壓不足，出現(xiàn)干燒事件，在帶水帶電潮濕的環(huán)境下使用，出現(xiàn)顯示器被霧氣遮住出現(xiàn)黑屏等現(xiàn)象。此時(shí)對(duì)電熱水器出水壓控制系統(tǒng)的軟件控制就成了必要，利用微處理器為控制器的核心，設(shè)計(jì)出一種電熱水器出水壓控制的軟件系統(tǒng)，具有良好的社會(huì)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

正

文

一、研究背景及意義

1.1背景：

隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因逐漸為人所認(rèn)識(shí)，“低碳經(jīng)濟(jì)”這一概念開始進(jìn)入人們的視野。人們?cè)诖罅Πl(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。

能源問題將更為突出：①從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能持續(xù)二三百年。②環(huán)境污染③溫室效應(yīng)引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。

太陽能具有：①儲(chǔ)量的“無限性”太陽能每秒鐘放射的能量大約是1.6*10^23 KW，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892*10^13千億噸。②太陽能對(duì)于地球上的絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。③開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理想的替代能源。

在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術(shù)已經(jīng)很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷的沖擊電熱水器市場(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。2000年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國家。

1.2 意義

能源問題與安全問題是現(xiàn)代社會(huì)各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前市場(chǎng)上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃?xì)鉄崴骱吞柲軣崴?。近年來，在一氧化碳中毒事故中，由燃?xì)鉄崴髟斐傻募s占1/3；電熱水器的大規(guī)模用電，并不能給人們的正常生活帶來便利，作為后來者的太陽能熱水器，因其安全性好、節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近幾年呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展趨勢(shì)。

選擇太陽能熱水器這個(gè)課題，可以讓我更好的認(rèn)知可持續(xù)發(fā)展問題，看清目前的能源現(xiàn)狀，以及各國在節(jié)能能源上的措施，在太陽能革新上運(yùn)用的新技術(shù)。此外，太陽能熱水器已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，控制系統(tǒng)是太陽能的核心，可以盡可能做到節(jié)能環(huán)保，作這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，不僅可以考察自己大學(xué)四年的專業(yè)課的理論與動(dòng)手實(shí)踐能力，產(chǎn)品也具有一定的市場(chǎng)前景。

二、太陽能熱水器利用技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1太陽能熱水器應(yīng)用的技術(shù)背景

太陽能熱水器是太陽能光熱應(yīng)用技術(shù)的一種。太陽能光熱技術(shù)是指將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行利用的技術(shù)。其利用形式通?？煞种苯永煤烷g接利用兩種。比較常見的直接利用方式有:(1)利用太陽能空氣集熱器進(jìn)行供暖或物料干燥;(2)利用太陽能熱水器提供生活熱水;(3)基于集熱一儲(chǔ)熱原理的間接加熱式被動(dòng)太陽房;(4)利用太陽能加熱空氣產(chǎn)生的熱壓增強(qiáng)建筑通風(fēng)。①目前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用比較廣泛的是蔬菜溫室大棚、中藥材和果脯干燥及太陽能熱水器等。本文所討論的太陽能熱水器的利用，是太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)中最為成熟的。

目前國內(nèi)市場(chǎng)上用的太陽能集熱器的類型主要有:真空管式、平板式、U型管式、熱管式等四種，四種類型沒有一種是完美的，各有優(yōu)缺點(diǎn)。用戶選擇太陽能集熱器類型應(yīng)根據(jù)安裝所在地的氣候特征以及所需熱水溫度、用途來選定。

對(duì)于冬天不結(jié)冰的南方地區(qū)的用戶，可以選取平板式太陽能集熱器，因?yàn)椴恍枰紤]冬天抗凍的問題。而且平板型的優(yōu)點(diǎn)也是非常突出的:熱效率高，金屬管板式結(jié)構(gòu)、免維護(hù)、巧年壽命、性價(jià)比高;長(zhǎng)江、黃河流域地區(qū)的用戶，因?yàn)槎鞎?huì)結(jié)冰，而且冬天氣溫高于一20℃，所以選用真空管太陽能集熱器是比較合適的，但是真空管的主要缺點(diǎn)是:不承壓、易結(jié)水垢、易爆裂;在東北、內(nèi)蒙古、西藏等地區(qū)的用戶就必須選用熱管型太陽能集熱器，因?yàn)闊峁芸挂徊?℃低溫，但是熱管的造價(jià)很高，而且熱效率較低;對(duì)于工業(yè)用途的熱水，最好選擇平板型太陽能集熱器，因?yàn)楣I(yè)熱水用量大，需要很大面積的太陽能集熱器，要求集熱器不易損壞、易維護(hù)、可承壓，平板集熱器在此方面具有顯著的優(yōu)越性。②;綜上所述，、不同類型的太陽能集熱器沒有絕對(duì)好、壞之分，重要的是要根據(jù)使用地區(qū)的氣候特征和用途來選擇最優(yōu)性價(jià)比的類型。

中國的太陽能熱利用技術(shù)研究開發(fā)始于20世紀(jì)70年代末，主要是簡(jiǎn)單，低廉的低溫?zé)崂玫倪m用技術(shù)，如太陽能溫室、太陽灶、被動(dòng)式太陽房、太陽能熱水器和太陽能干燥器。這類技術(shù)在農(nóng)村得到廣泛推廣，有效緩解了農(nóng)村能源短缺，對(duì)改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)民生活起了積極的作用。20世紀(jì)80年代太陽能熱水器列入國家“六五”和“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。主要的研發(fā)項(xiàng)目是高效平板太陽集熱器和全玻璃真空集熱管。在90年代全玻璃真空集熱管的科技成果通過測(cè)試轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力—形成自行設(shè)計(jì)和配套的集熱管生產(chǎn)線是科技攻關(guān)的最杰出的成果。

目前，我國城鄉(xiāng)居民對(duì)洗浴熱水的需求增長(zhǎng)迅猛。2009年太陽能熱水器“下鄉(xiāng)”是太陽能熱水器行業(yè)的一件大事，標(biāo)志著太陽能熱水器得到國家認(rèn)可，我國太陽能熱水器行業(yè)已邁入新的時(shí)代。太陽能熱水器“下鄉(xiāng)”意味著太陽能熱水器行業(yè)得到了政策支持，‘使整個(gè)行業(yè)煥發(fā)強(qiáng)大的生命力。太陽能熱水器已經(jīng)成為提高人民生活質(zhì)量，全面建設(shè)小康社會(huì)的重要手段。隨著中高溫太陽能熱水器的開發(fā)以及太陽能熱水器與建筑一體化技術(shù)的日益完善，太陽能熱水器的應(yīng)用領(lǐng)域不再局限于提供熱水，正逐步向取暖、制冷、烘干和工業(yè)應(yīng)用方向拓展。中國太陽能熱水器在近3年時(shí)間內(nèi)還將保持30%以上的增長(zhǎng)速度，市場(chǎng)潛力巨大。

2.2太陽能熱水器應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

其一能源基礎(chǔ)豐富。太陽能熱水器是把太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能，其基礎(chǔ)能源是太陽能?？茖W(xué)研究表明，太陽輻射是通過太陽內(nèi)部進(jìn)行著劇烈的氫聚變成氦的核反應(yīng)，從而不斷向宇宙空間輻射出巨大的能量，太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)釋放的能量足以維持6060萬年。①這個(gè)數(shù)字相對(duì)于人類發(fā)展歷史的有限年代而言，可以說是“取之不盡、用之不竭”的了。其二環(huán)保無污染。太陽能熱水器的核心技術(shù)是真空管的利用，它的構(gòu)成如同一個(gè)拉長(zhǎng)的暖瓶膽，內(nèi)外層之間是真空。其內(nèi)玻璃管的表層利用特種工藝涂有一種特殊的涂層—光譜選擇性吸收涂層，這樣可以最大限度的吸收太陽輻射。

其工作原理是:在陽光的照射下，光子撞擊玻璃管的涂層產(chǎn)生熱量，從而使太陽能轉(zhuǎn)化成熱能。熱量經(jīng)過熱傳遞由涂層外的水吸收，致使水溫升高，能量成功轉(zhuǎn)換。其區(qū)別于傳統(tǒng)化石燃料(煤、石油等)在燃燒的過程中排出大量的有毒有害物質(zhì)，造成對(duì)水、土壤和大氣的嚴(yán)重污染，形成溫室效應(yīng)和酸雨，不僅破壞了生態(tài)環(huán)境，而且嚴(yán)重危害到人類的生存質(zhì)量和身體健康。而太陽能熱水器轉(zhuǎn)化光能為熱能，生產(chǎn)熱水的過程是環(huán)保無污染、并且健康清潔。

其三長(zhǎng)期收益，經(jīng)濟(jì)效益高。一次性投資而長(zhǎng)期受益是太陽能熱水器的顯著特點(diǎn)。太陽能熱水器的投資回收期各不相同，普通情況下，可在2一4年內(nèi)全部收回投資。這與之‘目比較的常規(guī)能源的價(jià)格想秒用頻率及卿買價(jià)格有關(guān)。基本來’說，屬于短期內(nèi)可以收回成本的投資。并且太陽能熱水器使用壽命比較長(zhǎng)，正規(guī)廠家的符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，其主要零部件使用壽命可達(dá)十五年以上，比較電熱水器的使用壽命來說屬于高壽命產(chǎn)品。其經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)一個(gè)家庭來講，采用太陽能熱水器供熱，可節(jié)省日常用于加熱水的電費(fèi)、氣費(fèi)90%，可減少家庭開支而且方便及時(shí);對(duì)全社會(huì)來講，可減少有限的化石資源的消耗，使這些能源及配套設(shè)施能用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

其四安全系數(shù)高。使用太陽能熱水器非常安全，完全不必?fù)?dān)心中毒和觸電事故的發(fā)生，即使是帶電加熱功能的太陽能熱水器，由于其加熱體遠(yuǎn)離使用者，而且其使用時(shí)間僅為電熱水器的十分之一，所以危害的可能性也己經(jīng)達(dá)到微乎其微、忽略不計(jì)的程度。而現(xiàn)在社會(huì)上廣泛使用的燃?xì)鉄崴?、電熱水器幾乎均存在安全隱患。漏氣、漏電的原因而致傷、致殘，甚至致死的案例時(shí)有發(fā)生，例如僅山東省每年死于使用燃?xì)夂碗姛崴鞯氖鹿识荚?起以上，并且隨著用戶數(shù)量的增加，這個(gè)數(shù)字還有上升趨勢(shì)。很明顯，從安全方面考慮，使用太陽能熱水器更安全可靠。

2.3我國太陽能熱水器應(yīng)用的現(xiàn)狀

我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源，這是太陽能熱水器有效應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。我國地處北半球，位于歐亞大陸的東部，處于溫帶和亞熱帶的地域較廣，具有比較豐富的太陽能資源。根據(jù)全國700多個(gè)氣象臺(tái)站長(zhǎng)期觀測(cè)積累的資料表明，中國各地的太陽輻射年總量大致在 3.35x103一 8.40x103MJ/m2之間，其平均值約為 5.86X103MJ/mZ。年太陽輻照時(shí)數(shù)超過2200小時(shí)的太陽能利用條件較好的地區(qū)占國土的2/3，故開發(fā)太陽能利用是實(shí)現(xiàn)中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有效措施之一。經(jīng)初步預(yù)測(cè)，到2010年太陽能利用可達(dá) 4.67Mtce。

我國不僅擁有優(yōu)越的地理優(yōu)勢(shì)來充分利用太陽能熱水器，而且太陽能熱水器的技術(shù)和產(chǎn)量也是不可忽視的優(yōu)勢(shì)。我國的太陽能熱水器技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。我國70年代后期開始開發(fā)家用熱水器。目前全國有500多個(gè)熱水器生產(chǎn)廠家，1998年的產(chǎn)量約400萬平方米，總安裝量約1400萬平方米，產(chǎn)量占世界第一位。我國太陽能熱水器平均每平方米每年可節(jié)約100一150公斤標(biāo)準(zhǔn)煤。80年代后期，我國開始研制高性能的真空管集熱器。80年代后期至90年代初，北京市太陽能研究所相繼在我國政府、UNDP支持下，并與德國合作研制成功熱管式真空管集熱器。

根據(jù)行業(yè)估算，我國約有上千家太陽熱水器生產(chǎn)和組裝企業(yè)。我國太陽能熱水器生產(chǎn)量和累計(jì)擁有量均居世界第一。其年產(chǎn)量為歐洲的2倍，北美的4倍。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，目前中國城市家庭中，57.4%擁有燃?xì)鉄崴鳎?1.3%擁有電熱水器，擁有太陽能熱水器的只有7.6%，但在城市家庭的購買預(yù)期調(diào)查中，三者的比例將演變?yōu)?5.8%、30.2%、23.2%，太陽能熱水器的比例將大幅度增長(zhǎng)，開始成為燃?xì)狻㈦姛岙a(chǎn)品的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

隨著人們經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，太陽能熱水器越來越受到城區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)的青睞，太陽能熱水器將迎來高速發(fā)展的黃金時(shí)期。根據(jù)我國國家發(fā)改委能源所在最近的一份研究報(bào)告中指出:到2008年底，我國太陽能熱水器總集熱面積運(yùn)行保有量約 1.35億平方米，年生產(chǎn)能力超過2500萬平方米，目前太陽能熱水器使用量和年產(chǎn)量均占到了世界總量的一半以上。很明顯，我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展己經(jīng)走在了世界的前列。發(fā)改委所公布的《可再生能源十一五規(guī)劃》明確提出了太陽能熱利用的目標(biāo)是:到2010年，全國太陽能熱水器總集熱面積達(dá)到1.5億平方米，折標(biāo)煤2700萬噸/年。

三、太陽能熱水器的發(fā)展趨勢(shì)及存在的問題

3.1發(fā)展趨勢(shì)：

現(xiàn)在太陽能熱水器技術(shù)成熟，對(duì)于太陽能的利用率較高，節(jié)省能源損耗，并且以其綠色環(huán)保，安全等優(yōu)異性能，受到了人們的歡迎，尤其是帶輔助電加熱功能的太陽能熱水器，它以太陽能為主，電能為輔的能源利用方式，使太陽能熱水器能全年全天候使用，更是被越來越多的人所接受。

3.2存在的問題：

目前市場(chǎng)上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單

一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題，很多控制器具有溫度和水位顯示功能，卻不具有溫度控制功能，致使熱水器陰天的時(shí)候不能方便使用。即使熱水器具有輔助加熱功能，也可能由于加熱時(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費(fèi)電能。

結(jié)

論

從上面材料的分析中我們知道，目前資源正在逐漸的漸少，而太陽能資源卻是取之不竭的，有效的利用太陽能是我們當(dāng)代人迫切需要的。我國太陽能熱水器生產(chǎn)量和累計(jì)擁有量雖然均居世界第一，但是其中熱水器的安全性.太陽能利用率.熱水器壽命都不是世界先進(jìn)水平的，合理的.先進(jìn)的設(shè)計(jì)太陽能熱水器控制系統(tǒng)，它不僅能夠最大程度地提高熱水器整個(gè)系統(tǒng)效率、延長(zhǎng)電熱水器系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源，而且解決的在使用電熱水器時(shí)會(huì)出現(xiàn)供水水壓不足，出現(xiàn)干燒事件，在帶水帶電潮濕的環(huán)境下使用，出現(xiàn)顯示器被霧氣遮住出現(xiàn)黑屏等等的安全問題。從而帶動(dòng)消費(fèi)者進(jìn)入洗浴安全時(shí)代，因此具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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Code,Hungry Minds[J].2002.4

指導(dǎo)教師審核意見：

指導(dǎo)老師（簽字）

年 月 日

第二篇：《設(shè)計(jì)太陽能熱水器》教學(xué)設(shè)計(jì)

《設(shè)計(jì)太陽能熱水器》教學(xué)設(shè)計(jì)

教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第二單元第8課 廣州市天河區(qū)體育東路小學(xué) 涂先欽

教學(xué)目標(biāo)：

1.經(jīng)歷對(duì)太陽能熱水器的設(shè)計(jì)、方案交流和修改完善的過程； 2.能根據(jù)研究的需要進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)； 3.能夠?qū)懗霰容^完整的設(shè)計(jì)方案； 4.能認(rèn)真負(fù)責(zé)地承擔(dān)自己的設(shè)計(jì)任務(wù)； 5.能與同學(xué)友好交流，分享智慧； 6.了解太陽能熱水器的基本構(gòu)造； 7.了解制造太陽能熱水器的基本要求； 8.能綜合運(yùn)用已掌握的知識(shí)。教學(xué)重點(diǎn)：會(huì)設(shè)計(jì)太陽能熱水器。教學(xué)難點(diǎn)：掌握太陽能熱水器的基本原理。教學(xué)準(zhǔn)備：

太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖，學(xué)生活動(dòng)記錄本。教師自制的太陽能熱水器模型。教學(xué)過程：

一、引入：

師：“人們一直都在研究如何能夠吸收更多的太陽光從中獲得熱能。太陽能熱水器就是利用太陽能的具體方案。那么，太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)及工作原理是怎樣的呢？”

二、探究?jī)?nèi)容：

1.設(shè)計(jì)我們的太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)及工作原理。（1）設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備。

?了解太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)及工作原理。?熟悉設(shè)計(jì)方案的寫作格式。

（向?qū)W生提供一個(gè)初步成型的設(shè)計(jì)方案供同學(xué)學(xué)習(xí)，主要是學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方案的寫作格式。）

（2）明確設(shè)計(jì)要求。① 能夠裝200毫升水； ② 要利用容易得到的材料；

③ 能夠盡可能地在短時(shí)間內(nèi)使熱水器中水的溫度升上來。（3）討論并撰寫設(shè)計(jì)方案。① 需要考慮哪些問題？ ② 采用哪些有效的措施？ ③ 按要求的格式撰寫設(shè)計(jì)方案。2.交流與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。?交流設(shè)計(jì)方案。?優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

三、全課總結(jié)。

四、課后拓展。

準(zhǔn)備制作太陽能熱水器的工具和材料。

第三篇：雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器英文文獻(xiàn)

Modeling, Simulation, and Reduction of Conducted Electromagnetic Interference Due to a PWM Buck Type Switching Power Supply

A.Farhadi

Abstract: Undesired generation of radiated or conducted energy in electrical systems is called Electromagnetic Interference(EMI).High speed switching frequency in power electronics converters especially in switching power supplies improves efficiency but leads to EMI.Different kind of conducted interference, EMI regulations and conducted EMI measurement are introduced in this paper.Compliancy with national or international regulation is called Electromagnetic Compatibility(EMC).Power electronic systems producers must regard EMC.Modeling and simulation is the first step of EMC evaluation.EMI simulation results due to a PWM Buck type switching power supply are presented in this paper.To improve EMC, some techniques are introduced and their effectiveness proved by simulation.Index Terms: Conducted, EMC, EMI, LISN, Switching Supply I.INTRODUCTION

FAST semiconductors make it possible to have high speed and high frequency switching in power electronics ?1?.High speed switching causes weight and volume reduction of equipment，?2?but some unwanted effects such as radio frequency interference appeared.Compliance with electromagnetic compatibility(EMC)regulations is necessary for producers to present their products to the markets.It is important to take EMC aspects already in design phase

?3?.Modeling and simulation is the most effective tool to analyze EMC consideration before developing the products.A lot of the previous studies concerned the low frequency analysis of power electronics components

?4??5?.Different types of power electronics converters are capable to be considered as source of EMI.They could propagate the EMI in both radiated and conducted forms.Line Impedance Stabilization Network(LISN)is required for measurement and calculation of conducted interference level the EMC evaluation criterion

?6?.Interference spectrum at the output of LISN is introduced as.National or international regulations are the references for

?7??8??7??8?the evaluation of equipment in point of view of EMC II.SOURCE, PATH AND VICTIM OF EMI

.Undesired voltage or current is called interference and their cause is called interference source.In this paper a high-speed switching power supply is the source of interference.Interference propagated by radiation in area around of an interference source or by conduction through common cabling or wiring connections.In this study conducted emission is considered only.Equipment such as computers, receivers, amplifiers, industrial controllers, etc that are exposed to interference corruption are called victims.The common connections of elements, source lines and cabling provide paths for conducted noise or interference.Electromagnetic conducted interference has two components as differential mode and common mode ?9?.A.Differential mode conducted interference

This mode is related to the noise that is imposed between different lines of a test circuit by a noise source.Related current path is shown in Fig.1

?9?.The interference source, path impedances, differential mode current and load impedance are also shown in Fig.1.B.Common mode conducted interference

Common mode noise or interference could appear and impose between the lines, cables or connections and common ground.Any leakage current between load and common ground could be modeled by interference voltage source.Fig.2 demonstrates the common mode interference source, common mode currents IIand the related current paths

?9?cm1

and cm2

.The power electronics converters perform as noise source between lines of the supply network.In this study differential mode of conducted interference is particularly important and discussion will be continued considering this mode only.III.ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY REGULATIONS

Application of electrical equipment especially static power electronic converters in different equipment is increasing more and more.As mentioned before, power electronics converters are considered as an important source of electromagnetic interference and have corrupting effects on the electric networks ?2?.High level of pollution resulting from various disturbances reduces the quality of power in electric networks.On the other side some residential, commercial and especially medical consumers are so sensitive to power system disturbances including voltage and frequency variations.The best solution to reduce corruption and improve power quality is complying national or international EMC regulations.CISPR, IEC, FCC and VDE are among the most famous organizations from Europe, USA and Germany who are responsible for determining and publishing the most important EMC regulations.IEC and VDE requirement and limitations on conducted emission are shown in Fig.3 and Fig.4

?7??9?.For different groups of consumers different classes of regulations could be complied.Class A for common consumers and class B with more hard limitations for special consumers are separated in Fig.3 and Fig.4.Frequency range of limitation is different for IEC and VDE that are 150 kHz up to 30 MHz and 10 kHz up to 30 MHz respectively.Compliance of regulations is evaluated by comparison of measured or calculated conducted interference level in the mentioned frequency range with the stated requirements in regulations.In united European community compliance of regulation is mandatory and products must have certified label to show covering of requirements ?8?.IV.ELECTROMAGNETIC CONDUCTED INTERFERENCE MEASUREMENT A.Line Impedance Stabilization Network(LISN)

1-Providing a low impedance path to transfer power from source to power electronics converter and load.2-Providing a low impedance path from interference source, here power electronics converter, to measurement port.Variation of LISN impedance versus frequency with the mentioned topology is presented in Fig.7.LISN has stabilized impedance in the range of conducted EMI measurement

?7?.Variation of level of signal at the output of LISN versus frequency is the spectrum of interference.The electromagnetic compatibility of a system can be evaluated by comparison of its interference spectrum with the standard limitations.The level of signal at the output of LISN in frequency range 10 kHz up to 30 MHz or 150 kHz up to 30 MHz is criterion of compatibility and should be under the standard limitations.In practical situations, the LISN output is connected to a spectrum analyzer and interference measurement is carried out.But for modeling and simulation purposes, the LISN output spectrum is calculated using appropriate software.V.SIMULATION OF EMI DUE TO A PWM BUCK TYPE SWITCHINGPOWER SUPPLY

For a simple fixed frequency PWM controller that is applied to a Buck DC/DC converter, it is possible to assume the error voltage(v)changes slow with respect to the switching frequency，ethe pulse width and hence the duty cycle can be approximated by(1).Vp is the saw tooth waveform amplitude.A.PWM waveform spectral analysis

The normalized pulse train m(t)of Fig.8 represents PWM switch current waveform.The nth pulse of PWM waveform consists of a fixed component D/fs , in which D is the steady state duty cycle, and a variable component dn/f sthat represents the variation of duty cycle due to variation of source, reference and load.As the PWM switch current waveform contains information concerning EMI due to power supply, it is required to do the spectrum analysis of this waveform in the frequency range of EMI studies.It is assumed that error voltage varies around Vwith amplitude of Vas is shown in(2).e

e1

fm represents the frequency of error voltage variation due to the variations of source, reference and load.The interception of the error voltage variation curve and the saw tooth waveform with switching frequency, leads to(3)for the computation of duty cycle coefficients?10?.Maximum variation of pulse width around its steady state value of D is limited to D1.In each period of Tm=1/fm , there will be r=fs/fm pulses with duty cycles of dn.Equation(4)presents the Fourier series coefficients Cn of the PWM waveform m(t).Which have the frequency spectrum of Fig.9.B-Equivalent noise circuit and EMI spectral analysis

To attain the equivalent circuit of Fig.6 the voltage source Vs is replaced by short circuit and converter is replaced by PWM waveform switch current(I)as it has shown in Fig.10.ex

The transfer function is defined as the ratio of the LISN output voltage to the EMI current source as in(5).The coefficients di, ni(i = 1, 2, … , 4)correspond to the parameters of the equivalent circuit.Rc and Lc are respectively the effective series resistance(ESR)and inductance(ESL)of the filter capacitor Cf that model the non-ideality of this element.The LISN and filter parameters are as follows: CN = 100 nF, r = 5 Ω, l = 50 uH, RN =50 Ω, LN=250 uH, Lf = 0, Cf =0, Rc= 0, Lc= 0, fs =25 kHz

The EMI spectrum is derived by multiplication of the transfer function and the source noise spectrum.Simulation results are shown in Fig.11.VI.PARAMETERS AFFECTION ON EMI A.Duty Cycle

The pulse width in PWM waveform varies around a steady state D=0.5.The output noise spectrum was simulated with values of D=0.25 and 0.75 that are shown in Fig.12 and Fig.13.Even harmonics are increased and odd ones are decreased that is desired in point of view of EMC.On the other hand the noise energy is distributed over a wider range of frequency and the level of EMI decreased ?11?.B.Amplitude of duty cycle variation

The maximum pulse width variation is determined by D.The EMI spectrum was simulated

1with D=0.05.Simulations are repeated with D=0.01 and 0.25 and the results are shown in Fig.14 1

1and Fig.15.Increasing of D1 leads to frequency modulation of the EMI signal and reduction in level of conducted EMI.Zooming of Fig.15 around 7component of switching frequency in Fig.16 shows the frequency modulation clearly.th

C.Error voltage frequency

The main factor in the variation of duty cycle is the variation of source voltage.The fm=100 Hz ripple in source voltage is the inevitable consequence of the usage of rectifiers.The simulation is repeated in the frequency of fm=5000 Hz.It is shown in Fig.17 that at a higher frequency for fm the noise spectrum expands in frequency domain and causes smaller level of conducted EMI.On the other hand it is desired to inject a high frequency signal to the reference voltage intentionally.D.Simultaneous effect of parameters

Simulation results of simultaneous application of D=0.75, D=0.25 and f=5000 Hz that lead

mto expansion of EMI spectrum over a wider frequencies and considerable reduction in EMI level is shown in Fig.18.VII.CONCLUSION

Appearance of Electromagnetic Interference due to the fast switching semiconductor devices performance in power electronics converters is introduced in this paper.Radiated and conducted interference are two types of Electromagnetic Interference where conducted type is studied in this paper.Compatibility regulations and conducted interference measurement were explained.LISN as an important part of measuring process besides its topology, parameters and impedance were described.EMI spectrum due to a PWM Buck type DC/DC converter was considered and simulated.It is necessary to present mechanisms to reduce the level of Electromagnetic interference.It shown that EMI due to a PWM Buck type switching power supply could be reduced by controlling parameters such as duty cycle, duty cycle variation and reference voltage frequency.VIII.REFRENCES

[1] Mohan, Undeland, and Robbins, “Power Electronics Converters, Applications and Design” 3rd edition, John Wiley & Sons, 2003.[2] P.Moy, “EMC Related Issues for Power Electronics”, IEEE, Automotive Power Electronics, 1989, 28-29 Aug.1989 pp.46 – 53.[3] M.J.Nave, “Prediction of Conducted Interference in Switched Mode Power Supplies”, Session 3B, IEEE International Symp.on EMC, 1986.[4] Henderson, R.D.and Rose, P.J., “Harmonics and their Effects on Power Quality and Transformers”, IEEE Trans.On Ind.App., 1994, pp.528-532.[5] I.Kasikci, “A New Method for Power Factor Correction and Harmonic Elimination in Power System”, Proceedings of IEEE Ninth International Conference on Harmonics and Quality of Power, Volume 3, pp.810 – 815, Oct.2000.[6] M.J.Nave, “Line Impedance Stabilization Networks: Theory and Applications”, RFI/EMI Corner, April 1985, pp.54-56.[7] T.Williams, “EMC for Product Designers” 3edition 2001 Newnes.[8] B.Keisier, “Principles of Electromagnetic Compatibility”, 3edition ARTECH HOUSE 1987.[9] J.C.Fluke, “Controlling Conducted Emission by Design”, Vanhostrand Reinhold 1991.[10] M.Daniel,”DC/DC Switching Regulator Analysis”, McGrawhill 1988

[11] M.J.Nave,” The Effect of Duty Cycle on SMPS Common Mode Emission: theory and experiment”, IEEE National Symposium on Electromagnetic Compatibility, Page(s): 211-216, 23-25 May 1989.rd

rd

第四篇：《做個(gè)太陽能熱水器》教學(xué)設(shè)計(jì)

《做個(gè)太陽能熱水器》教學(xué)設(shè)計(jì)

【教學(xué)目標(biāo)】

科學(xué)概念：

1.太陽能熱水器是一種光熱轉(zhuǎn)換器，具有節(jié)能、環(huán)保、安全的優(yōu)點(diǎn)。2．太陽能熱水器的效能和所采用的材料、結(jié)構(gòu)、運(yùn)用的原理有關(guān)。

3．產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，不僅要考慮構(gòu)造，還要考慮材料的選擇、依據(jù)的科學(xué)原理以及如何方便、實(shí)用。

過程與方法：

1．能根據(jù)研究任務(wù)和要求進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)。2．按一定的格式寫出本小組的設(shè)計(jì)方案。3．在全班交流介紹方案的設(shè)計(jì)思路、原理。情感、態(tài)度、價(jià)值觀：

1．樂于合作、交流、反思和改進(jìn)。2．體會(huì)到運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決問題的樂趣。

3．體會(huì)到任何一種科技產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)，融合了多種知識(shí)和技術(shù)。4．認(rèn)識(shí)到科技的發(fā)展能促使人們更好地利用自然資源和自然規(guī)律。

【教學(xué)重、難點(diǎn) 】

教學(xué)重點(diǎn)：經(jīng)歷對(duì)太陽能熱水器的設(shè)計(jì)，方案交流和修改完善的過程。

教學(xué)難點(diǎn)：了解太陽能熱水器的基本構(gòu)造，了解制造太陽能熱水器的基本要求?！菊n時(shí)安排】1課時(shí) 【教學(xué)準(zhǔn)備】

教師演示：有關(guān)太陽能熱水器和太陽灶的構(gòu)造及工作原理的課件及圖片

分組實(shí)驗(yàn)：制作簡(jiǎn)易太陽能熱水器的材料（紙盒、泡沫塑料或棉花、能裝水的塑料袋或飲料瓶、玻璃片或塑料薄膜、盒蓋、黑色紙、鏡子或錫箔紙等）【教學(xué)過程】

一、課前預(yù)習(xí)

預(yù)習(xí)要求：到太陽能熱水器經(jīng)銷店觀察太陽能熱水器的構(gòu)造、采訪營業(yè)員，或者查找資料了解熱水器材料、工作原理。

二、引出問題

太陽能熱水器是利用多種科學(xué)原理設(shè)計(jì)出來的一種裝置。它的構(gòu)造怎樣？

它是如何工作的？

三、深入了解

1.教師利用課件展示太陽能熱水器的構(gòu)造圖和工作圖,提問：誰能說出它的構(gòu)造和工作原理？

2.簡(jiǎn)介太陽能集熱器的材料和工作原理。

四、設(shè)計(jì)方案

1.學(xué)生閱讀書上的提示與要求

思考：（1）為了使熱水器盡快地升溫，需要考慮哪些問題？采取哪些措施？

（2）主要應(yīng)該包括哪兩部分？ 選用什么材料做？ 2.閱讀書上的設(shè)計(jì)方案后，學(xué)生分組自行設(shè)計(jì) 3.小組之間交流各自的設(shè)計(jì)金點(diǎn)子

五、總結(jié)與評(píng)價(jià)

這堂課我們學(xué)了那些知識(shí)？今天誰課堂表現(xiàn)最佳？

六、課后制作

布置課后制作任務(wù)

板書設(shè)計(jì)

做個(gè)太陽能熱水器

太陽能熱水器 ：集熱箱、保溫箱、控制系統(tǒng)、支架

我們的設(shè)計(jì)方案：使用材料、升溫和保溫措施、設(shè)計(jì)圖

第五篇：基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計(jì)

【實(shí)驗(yàn)名稱】

基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計(jì)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1．熟練掌握用MATLAB語句繪制頻域曲線。2．掌握控制系統(tǒng)頻域范圍內(nèi)的分析校正方法。

3．掌握用頻率特性法進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)的思路和步驟?！緦?shí)驗(yàn)原理】

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路之一就是在原系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)原特性加以校正，使之達(dá)到要求的性能指標(biāo)。最常用的經(jīng)典校正方法有根軌跡法和頻域法。而常用的串聯(lián)校正裝置有超前校正、滯后校正和超前滯后校正裝置。本實(shí)驗(yàn)主要討論在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)。

1．基于頻率法的串聯(lián)超前校正

超前校正裝置的主要作用是通過其相位超前效應(yīng)來改變頻率響應(yīng)曲線的形狀，產(chǎn)生足夠大的相位超前角，以補(bǔ)償原來系統(tǒng)中元件造成的過大的相位滯后。因此校正時(shí)應(yīng)使校正裝置的最大超前相位角出現(xiàn)在校正后系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率?c處。

例9-1：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，試確定串聯(lián)校正

s(s?1)裝置的特性，使系統(tǒng)滿足在斜坡函數(shù)作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1，相角裕度r?450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1s2k1?s(s?1)ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.1?K?10

取K?12，求原系統(tǒng)的相角裕度。>>num0=12;

den0=[2,1,0];

w=0.1:1000;[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);

[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

%計(jì)算系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度，并繪制出Bode圖

grid;ans =

Inf

11.6548

Inf

2.4240 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?11.6，?c?2.4rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系

0統(tǒng)的Bode圖如圖9-1所示?？紤]采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取50,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=5;r=45;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?圖9-1 原系統(tǒng)的Bode圖

1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時(shí)的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T? [il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

1?c?。[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-2 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖 2．基于頻率法的串聯(lián)滯后校正

滯后校正裝置將給系統(tǒng)帶來滯后相角。引入滯后裝置的真正目的不是為了提供一個(gè)滯后相角，而是要使系統(tǒng)增益適當(dāng)衰減，以便提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

滯后校正的設(shè)計(jì)主要是利用它的高頻衰減作用，降低系統(tǒng)的截止頻率，以便能使得系統(tǒng)獲得充分的相位裕量。

例5-2：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，G(s)?K

s(0.1s?1)(0.2s?1)試確定串聯(lián)校正裝置的特性，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)等于30/s，相角裕度r?400，幅值裕量不小于10dB，截止頻率不小于2.3rad/s。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?Lims?s?0s?0K?30?K?30

s(0.1s?1)(0.2s?1)利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度。

>>num0=30;

den0=conv([1,0],conv([0.1,1],[0.2,1]));

w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans =

0.5000-17.2390 7.0711

9.7714 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定，且截止頻率遠(yuǎn)大于要求值。系統(tǒng)的Bode圖如圖5-3所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對(duì)相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時(shí)所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為

圖9-3 原系統(tǒng)的Bode圖

1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=40;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));

wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;

numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];

[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);

printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-4 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

3．基于頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正

滯后-超前校正裝置綜合了超前校正和滯后校正的優(yōu)點(diǎn)，從而改善了系統(tǒng)的性能。

例9-3：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，若要求

s(s?1)(0.4s?1)相角裕度r?450，幅值裕量大于10dB，Kv?10(1/s)，試確定串聯(lián)校正裝置的特性。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?K?10

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖5-5所示。>>num0=10;

den0=conv([1,0],conv([1,1],[0.4,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans = 0.3500-24.1918 1.5811 2.5520

圖9-5 原系統(tǒng)的Bode圖

由結(jié)果可以看出，單級(jí)超前裝置難以滿足要求，故設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)滯后-超前裝置。

選擇原系統(tǒng)?1800的頻率為新的截止頻率?c，則可以確定滯后部分的T2和?。其中

111，??10。由原系統(tǒng)，?c?1.58rad/s，此時(shí)的幅值為??c?T2?T2100.1?c9.12dB。

根據(jù)校正后系統(tǒng)在新的幅值交接頻率處的幅值必須為0dB，確定超前校正部分的T1。在原系統(tǒng)(?c,?20lgG0(j?c))，即（1.58,-9.12）處畫一條斜率為20dB/dec的直線，此直線與0dB線及-20dB線的交點(diǎn)分別為超前校正部分的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率。

wc=1.58;beit=10;T2=10/wc;lw=20*log10(w/1.58)-9.12;[il,ii]=min(abs(lw+20));

w1=w(ii);numc1=[1/w1,1];denc1=[1/(beit*w1),1];numc2=[ T2,1];denc2=[ beit*T2,1];[numc,denc]=series(numc1,denc1,numc2,denc2);[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);printsys(numc,denc)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);[mag,phase]=bode(num,den,w);

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);

grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-6 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．某單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?4，試設(shè)計(jì)一超前

s(s?1)校正裝置，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv?20s?1，相位裕量??500，增益裕量20lgKg?10dB。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?4K?20?K?5

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如下圖所示。>>num0=[20];

den0=[1 1 0];w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

ans =

Inf

12.7580

Inf

4.4165

0由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?12.758，?c?4.4165rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系統(tǒng)的Bode圖如下圖所示。考慮采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取100,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=10;r=50;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時(shí)的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T?1?c?。

[il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp('校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:');printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

num/den =

0.32589 s + 1

----------------

0.06387 s + 1 校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

num/den =

6.5178 s + 20

-----

0.06387 s^3 + 1.0639 s^2 + s

2．某單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?k，試設(shè)計(jì)一個(gè)合3(s?1)適的滯后校正網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差約為0.04，相角裕量約為450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1sk1?(s?1)3ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.04?K?24

利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖下所示。>>num0=24;

den0=conv([1,1],conv([1,1],[1,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)的Bode圖如圖所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對(duì)相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時(shí)所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=45;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度 printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù) disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);