范文一：基于锁相环的可变量程转速控制系统

在电机系统中，经常需要对电机的转速信号进行测量和处理，以达到精确控制转速的目的。通常采用旋转编码器、测速发电机等传感器测量转速，不但体积大、安装不便，而且价格高；而利用路可用很低的成本对电机转速实施非常精确的转速测量和控制。本文介绍的基于锁相环的可变量程转速控制系统，是为研制新一代具有卷绕特性的调速电机控制器而开发的[1]，其转速信号检测方法具有结构简单、安装方便、价廉可靠的特点。

1 PLL电机转速控制系统原理

用锁相环路构成的电机转速控制系统的框图如图1所示，其中，VCO已由电机和光转速表取代。激励电压调节电机的转速，在电机的轴上安装一个开槽的扇形平盘。扇形盘转动时不断地切断发光二极管发出的光线，使光耦合器中的光敏管产生频率与电机转速成整数倍的方波脉冲序列u2(ω2)。这样，方波脉冲的频率与激励电压有一定的函数关系，等效为锁相环中的压控振荡器。为了使光电耦合器能输出波形良好的方波，在光敏管之后通常还要接一个施密特触发器，用于对信号整形，如图2所示。

2 PLL电机转速控制系统模型设计

由于电机具有较大的惯性，等效于一个时间常数很大的相位滞后网络，可能会对环路稳定性有较大的影响。

环路中采用CMOS鉴频鉴相器。光电耦合器产生的方波信号的频率与电机转速成正比，它与输入参考信号u1(ω1)的频率进行鉴频与鉴相。当锁相环路锁定之后，电机的转速可稳定在设定值上，没有跟踪频率误差，只有相位误差。所选用的鉴频鉴相器应保证环路具有足够的捕获范围，在各种不同的起始条件下，环路都能锁定。

下面重点介绍对电机和光转速表组合的传递函数的推导。

以上分析表明，由于电机和光转速表本身就是一个二阶系统，在考虑了的作用之后，整个控制环路就是一个三阶系统。由此得到的系统模型如图3所示。图3中设伺服放大器为增益等于Ka的零阶系统。

为了保证全系统稳定，环路滤波器必须具有零点(即相位超前校正功能)。可采用有源比例积分滤波器，否则在较高的频率上，闭环传递函数的相位可能会超过180°，导致系统不稳定。

在设计电机转速控制系统时，事先给定某些参数，如电机参数Km、Tm、扇形盘齿数K2等。其余的参数如伺服放大器增益Kα、环路滤波器参数τ1、τ2等，则需根据系统最佳动态性能以及稳定性能来选定。

3 量程可变的转速信号检测

3．1 基于CD4046的倍率可变的窄带跟踪电路

PLLCD4046[4]是由存储式边沿触发鉴频鉴相电路、VCO压控振荡器、低通滤波器等组成的相位负反馈闭环电路。该电路的鉴相器克服了正弦鉴相器的非线性及无鉴频功能的缺陷[2～3]，且其同步带、捕捉带和快捕带相同，捕捉时间等于快捕时间，失锁时捕捉能力强、速度快。

基于CD4046的倍率可变的窄带跟踪电路总体组成如图4所示。其中，A1、A2及其阻容元件组成同相有源比例积分滤波器，÷N电路为N倍分频器。采用有源比例积分器作环路滤波时，锁相环具有很好的窄带跟踪特性。

范文二：锁相环的组成及其框图

锁相环组成

根据锁相环的结构不同可以大致分为以下几个类别:

1、模拟锁相环：即由纯模拟电路构成，其中鉴相器为模拟乘法器，该类型的锁相环也被称作线性锁相环；

1、混合锁相环：即由模拟和数字电路构成，鉴相器由数字电路构成，如异或门，Ⅸ触发器等，而其它模块由模拟电路构成。

3、数字锁相环：即由纯数字电路构成，该类型的锁相环的模块完全由数字电路构成而且不包括任何无源器件，如电阻和电容；

4、软件锁相环：即由计算机程序生成的锁相环。

通常情况下，混合锁相环的应用最为广泛，尤其是其中的电荷泵锁相环（CPPLL ，Charge Pump Phase Locked Loop），同传统的线性锁相环相比优势在于：1、该类型锁相环采用了鉴频鉴相器(PFD)，捕获范围没有限制：2、使用无源滤波器，比传统的有源滤波器结构更加简单，而且引入的噪声更加小。电荷泵锁相环基本结构如下图：

参考信号

CPPLL 的系统框图

电荷泵锁相环主要由鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector)，电荷泵(Charge Pump)，低通滤波器(LPF)，以及压控振荡器(VCO)组成。

范文三：闭环锁相环控制框图及分析

闭环锁相环闭环控制框图推导过程

对于并网发电系统的进网电流品质，相关国际标准做了严格规定和限制，进网电流的频率和相位必须与电网电压同步。对此，首先要保证的是进网电流参考信号能够精确、快速跟踪电网电压的相位和频率。若所获取的电网电压相位不准确，则会对并网发电系统的控制造成干扰。日前电力电子系统中广泛采用的电网相位跟踪方法是利用硬件电路检测电网电压过零点，然后根据基波信号频率来估测并获取电网电压相位。这种相位获取方式不存在相差自动调节系统，可以称为是“开环’，的，因而无法抑制电网电压的畸变和干扰。?

Dian/T锁相环采用闭环控制系统，其控制框图如图所示，通过该控制可以得到电网的相位角，作为电流相位的给定。?

v αv β?

根据系统控制框图可以得到以下关系：?

?v d =v grid ?cos θ????

???v q =-v grid ?sin θ

将电网电压v grid =V grid ?sin φ代入上式，φ为电网相位角，可以得到：?

?v d =Vgrid ?sin φ?cos θ???????v q =-V grid ?sin φ?sin θ

利用三角函数积化和差公式可以得到：?

?V grid ?????sin (φ?θ) +sin (φ+θ) ??v =?d

?2????V grid ?v =????cos (φ+θ) ?cos (φ?θ) ??q ?2??

对v q 进行求偏导，近似认为θ的角速度为工频角速度ωff ，可以得到：?

?dv q d φV grid ??????sin (φ?θ) ?sin (φ+θ) ???ωff =??d φdt 2????dv q d θV grid ???=????sin (φ?θ) ?sin (φ+θ) ???ωff ??2?d θdt

从而得到v q 对时间的微分方程如下：?

dv q

dv q d φdv q d θV grid =?+?=????sin (φ+θ) ???(2?ωff ) ?dt d φdt d θdt 2

式中ωff 为工频角速度，ωff =2πf =314.159。?从而能得到ωerr 的表达式如下：?

ωerr =

dv q

1

+v d =V grid ?sin (φ?θ) ?

dt 2?ωff

?

ωerr 作为工频角速度误差进行调节，后面的调节过程与三相以及常用的dq 锁相方法一

致，不做具体分析。即：当θ超前电网相位φ时，ωerr 为负值，经过PI 进行调节减小调节出来的工频角速度，相反，当θ超前电网相位φ时，ωerr 为正值，经过PI 进行调节增加调节出来的工频角速度，从而得到跟电网一致的工频角速度。?

程序中进行了离散，离散与时间常数Ts 相关，Ts=1/fs=1/20000。上面分析的传递关系中，与时间常数相关的部分为对v q 进行微分部分。?

用S 域表示可以写成s ?v q ，其中后项差分可以表示为?

s =

可以得到?

z ?1

?Tz

?11?1??z ?1???v q =f s ?v q ?f s ?v q ?Z ?1?s ?v q =?v q =??Z ?

??Tz ?T s T s ?

进一步可以得到?

f s 11

?s ?v q =?(f s ?v q ?f s ?v q ?Z ?1) =?(v q ?v q ?Z ?1) ?2?ωff 2?ωff 2?ωff

式中的

f s f 20000

为程序中的系数，s ==31.83?2?ωff ωff 2×314.159

1

?s ?v q 离散写成了如下表达式：?2?ωff

程序中进行了加权平均，故对

0.4 * v q _k+ 0.6?*?31.83?* (v q _k?‐?vq_k‐1)

式中v q _k为当前值，vq_k‐1为上周期的值。

范文四：控制系统框图_导学案

学案 5 第四章 第三节 控制系统框图

滕州三中信息技术组 审核：程春启

【教学目标】：

知识与技能：

1、学会用框图来描述与表达控制系统。

2、能针对具体的控制系统绘制其控制控制系统框图

3、学会运用信息的思想分析控制系统，加深对控制垢技术思想与方法的理解。 过程与方法：掌握从实际的案例中抽象出一般形式的方法。 情感态度与价值观：培养认真、严谨的科学态度。

【教学重难点】：

1、控制系统框图表示。

2、控制过程中的信息和信息流。

【教学过程】

一、创设情境，引入新授：

1、双汇“瘦肉精”事件资料

央视在3-15消费者权益日播出了一期《" 健美猪" 真相》的特别节目，其中披露了河南济源双汇公司收购使用含“瘦肉精”猪肉的事实。据央视记者调查，在河南省孟州市、沁阳市、温县和获嘉县调查了十几家养猪场，发现几乎家家都在使用" 瘦肉精", 添加量大小不一，几乎成了公开的秘密。

为此，为加强质量控制，双汇集团进行的加强了质量管理并及时改进措施。 加强的质量管理部门有：

（1）、产品抽样检测

1

（2）、产品质量分析部

（3）、技术管理部 （4）、生产管理部 改进措施： （1）、生猪逐头检验，确保100%安全 （2）、引入第三方检测机构，公开透明接受监督 （3）、建立索赔机制 把好上游关

我们如果把双汇产品质量控制看作一个控制过程的话，结合上节课所学习的内容，对于质量控制过程，其控制系统的组成由哪些环节构成？其各个部门相当于控制系统的哪个环节？

2、复习回顾 （1）、 控制系统的组成：

(2)、案例分析

第一：水箱水位控制系统

第二：加热炉温度自动控制

二、自主学习、展示、讨论交流

1、控制系统框图的绘制方法：

第一：绘制步骤：

①按顺序确定系统各个环节： ② ③ ④

第二、绘制技巧：

先画 接着画 ，最后画 ，连线，标注各量 。

2、开环、闭环控制框图 控制量

给定量 （ （ ） （输出量）

三、互相点评 合作探究

四、课堂训练

1、 供水水箱的水位自动控制系统

2、加热炉的温自动控制系统

五、学习心得

六、课下思考：

王大伯盖了一个能自动调节温度的小型花房，花房的温度冬季一般控制在18℃左右，夏季一般控制在25℃左右。请分析它可能的工作过程，并画出花房温度控制系统的方框图。 提示：该花房温控设备包括控制器、加热元件和制冷元件、检测装置、比较器等。

2

范文五：控制系统的组成及框图

2 控制系统的组成及框图

以上所列举的控制系统都属于简单控制系统，与其他任何的控制系统相同，这些控制系统均由下列基本单元组成。

1被控对象（也称被控过程） 是指被控制的生产设备或装置。针对以上三例，分别是○

液罐、蒸汽加热器、气罐系统。

2测量变送器 用于测量被控变量，○并按一定的规律将其转换为标准信号输出。依据电器标准的不同，常用的标准信号包括：0—10mA DC信号（DDZ 二型仪表）、4—20mA DC信号（DDZ 三型仪表）、0.02—0.10MPa 气动信号等。

3执行器 常用的是控制阀。它接受来自控制器的命令信号u ，用于自动改变控制阀的○

开度。如例1中，控制器通过改变出水阀门的开度以调节水量Q 。，最终达到克服外部扰动对被控变量h 的影响。

4控制器 ○（也称调节器）它将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号e （t ），并按一定的规律给出控制信号u （t ），对于工业中常用的各类控制器，其输入输出信号大都为标准的电流信号，如DDZ 三型仪表的4—20mA DC信号。

通常，用文字叙述的方法来描述控制系统的组成和工作原理较为复杂，而在过程控制实践中常常采用直观的方框图来表示。如图1.1.5为液体储罐液位控制对应的方框图，一般的单回路控制系统的方框图可用如图1.1.6所示的方框图来表示方框图中每一条线代表系统中的一个信号，线上的箭头表示信号传递的方向；每个方块代表系统中的一个环节，它表示了其输入对其输出的影响。方框图可以把一个控制系统变量间的关系完整的表达出来。 3 过程控制的术语

1被控变量○（Controlled Variable，CV ） 也称受控变量或过程变量（Process Variable，PV ）。他是指被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，如上述各例中的夜罐液位、换热器工艺介质出口温度、罐内压力。在过程控制中常用的被控变量包括：温度、压力/差压、液位/料位、流量、成分含量等实际物理量。有时，也可以用过程变量的检测电信号来表示被控变量，该测量信号称为过程变量的测量值（Measurement ）。

2设定值（Setpoint ，SP ）○，也称给定值（Setpoint Value ，SV ）。它是指被控变量要求大大的期望值。作为控制器的参考输入信号，设定值在实际应用中通常用起对应的电量或相对百分比来表示，以便于与被控变量的测量值进行比较。

3操作变量 也称操纵变量（Manipulated Variable ，MV ）○。通常是由执行器控制的某一工艺介质流量。操纵变量对被控变量的影响要求直接、灵敏、快速。以图1.1.3所示的蒸汽加热器温度控制系统为例，其操作变量为蒸汽流量，它对被控变量（流体出口温度）的影响方向为“正作用”，即：蒸汽量的增加，在其他条件不变的情况下均使流体出口温度增加；此外，由于蒸汽冷凝所放出的大量潜热，使操作变量对被控变量的作用非常灵敏。值得一提的是，很多文献对“操作变量”与“工作变量”不加区分。在过程控制领域，“控制变量”通常指控制器色输出电信号，即执行器的输入信号；而“操作变量”往往指某一执行器可控制、对被控变量有直接影响的物理量，最常见的是一些工艺介质流量。

4扰动变量（Disturbance Variable，DVs ）也称干扰变量或简称扰动，是指任何导致被控○

变量偏离其设定值的输入变量，对于图1.1.3所示的蒸汽加热器温度控制系统，其扰动变量包括：蒸汽的阀前压力、工艺介质的进料流量、进料温度与组成等；同样，对于图1.1.4所示的储罐压力控制系统，其扰动变量包括：控制阀前压力、出口压力、出口阀开度等。对于控制系统而言，扰动主要来源于扰动变量的动态变化。

1.1.3自动控制系统的分类

自动控制系统有多种分类方法，可以按被控变量来分类，如温度、压力、流量、液位等控制系统。也可以按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积

分微分等控制系统。在分析自动控制系统特征时，最经常遇到的是将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1、定制控制系统

所谓的“定值”就是恒定给恒定值的简称。工艺生产中，如果要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，那么就需要采用定值控制系统。图1.1.2所讨论的液位控制系统就是定值控制系统的一个例子，这个控制系统的目的是使罐内的液位保持在给定值不变。同样，图1.1.3所示的温度控制系统也属于定值控制系统，它的目的是为了使出口物料的温度保持恒定，化工生产要求的大都是这种类型的控制系统，因此后面所讨论的，如果未加特别说明，都是指定值控制系统。

2、随动控制系统（自动跟踪控制系统）

这类系统的特点是给定值不断地变化，而且这种变化不是预先规定好了的，也就是说给定值是随机变化的，随动系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。例如航空上的导航雷达系统、电视台的天线接收系统，都是随动系统的一些例子。 在化工生产中，有些比值控制系统就属于随动控制系统。例如要求甲流体的流量与乙流体的流量保持一定的比值，当乙流体的流量变化时，要求甲流体的流量能快速而准确地随之变化。由于乙流体的流量变化在生产中可能是随机的，所以相当于甲流体的流量给定值也是随机的，故属于随动控制系统。

3、程序控制系统（顺序控制系统）

这类系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。例如合成纤维锦纶生产中的熟化罐温度控制和机械工业中金属热处理的温度控制都是这类系统的例子。

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