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模拟电子测试板用于估算自动控制系统基本元件的时间特性
Pawel Olejnik, Damian Kociak, and Jan Awrejcewicz
罗兹工业大学机械工程系自动化，生物力学和机电一体化系
1/15 Stefanowski Str., 90-924罗兹，波兰
{pawel.olejnik,jan.awrejcewicz}@p.lodz.pl,dkociak@gmail.com
摘要
本文介绍了用于确定自动控制系统基本元件时间特性的模拟电子测试板（AETB）的设计和实现。测试信号的形成是为了研究开环和闭环基本控制系统的时间响应。在实际部分，设计和制造了一个实验室测试板。电子元件已安装在PCB原型上，并且整个系统已装入包含BNC接头的聚碳酸酯箱中，以将其与外部示波器连接。该设备按功能模块划分，可分为电源，信号发生器和包含自动化基本元件的系统。而且，发生器和基本元件的参数都是可调的。通过使用AETB测试板，可以分析PID控制器的属性以及一阶和二阶基本元素。在设计的初步阶段，数值模拟允许选择大多数电子元件的适当值。最后，在示波器上检查了几个波形，以便与仿真结果进行比较。
关键词：基本元件；模拟电子测试板；测试信号；实用PID控制器；LM7812稳压器；ICL8038发生器；LF353N运算放大器。
引言
在设计和实施控制系统之前，必须理解要控制的过程的特征和行为。实际上，控制系统的输入信号并不是事先知道的，而是本质上是随机的，瞬时输入不能用分析方法表示[1]。只有在某些情况下，信号输入是事先知道的，并且可以通过分析或曲线来表达，例如在自动控制的情况下。在分析和设计控制系统时，我们必须有各种控制系统性能比较的基础。可以通过指定特定的输入测试信号，然后通过与他们比较基本电子子系统的任何响应来解决。针对上述甚至许多设计标准，例如控制系统的稳定性，所提出的用于测试自动控制系统的基本元件的模拟电子测试板（AETB）已被设计为原型并构建。
模拟电子测试板的2个子系统
电源
在市电电子系统中，交流输入电压必须转换成具有正确的稳定值和稳定度的直流电压[7]。通过引入稳压器集成电路（如L7812和L7912），三端串联稳压器提供非常稳定的输出，并且还包括一些限流器和热保护功能，稳压电源的设计大大简化。图1显示了如何在AETB测试板上使用该电路。
图1 完整的plusmn;12V/1图表 1A隔离电源稳压器电路
整个设计定义了适当的隔离策略并严格应用。漏电和电气间隙将所有危险电压从用户可访问的地点分开。初级和次级电路之间有非常明确的通道。经过检查，在低PWM占空比，高峰值电压和PWM功率脉冲产生低电压输出的任何次级电路上都不存在危险电压电平。AETB测试板具有由导电接地外壳提供的保护性接地。
2.2 测试信号发生器
常用的测试输入信号有以下几种功能：步进，斜坡，加速，脉冲和正弦[2]。使用这些测试信号，可以进行控制系统的一些数学和实验分析，因为信号被精确地重复并且在时间上稳定。 在AETB的设计和实际实施之后，这两个基本要求得到了应用和满足。图2示是发生器的电子电路图。三个输出信号的频率，PWM％占空比和失真，即锯齿（PILA），正方形（PROST）和发生器的正弦（SIN）分别由电位计PR215，PR213和PR214进行调整。电位器PR216设置可由3路开关选择的测试信号的幅度Uin。在随后的图中，符号GEN标记由图2所示的系统产生的测试信号之一。由调节信号发生器（RSG）产生的测试信号的时间历程如图3所示。
图2 调节信号发生器（RSG）的电路图
图 2
图3 在RSG输出上测量的三种类型的测试信号：a）Uout = 12 V，
fout = 1kHz，PWM％= 50，b）Uout = 2V，fout = 500kHz，PWM％= 20
信号产生装置中使用的系统能够产生三种形状的波形：正方形，正弦波和锯齿波。在主面板上放置了一些开关和旋钮，用于调节RSG的参数。在主面板上放置了一些开关和旋钮，用于调节RSG的参数。借助于在输出端测量的信号波形的旋转开关S202，可以在测试信号之间进行选择。第二开关S201负责选择所产生的信号的频率fout。人们可以使用额外的电位器PR215平滑地调节频率。接下来的两个旋钮用于改变输出信号的幅度并改变PWM占空比。ICL8038波形发生器是用作AETB测试板信号源的基本IC。它是一个单片集成电路，能够产生高准确度的正弦波，方波，三角波，锯齿波和脉冲波形，并具有最少的外部元件。重复频率（频率）可以使用电阻或电容从0.001 Hz至300 kHz以外选择，频率调制和扫描可以通过外部电压完成。
2.3比例，积分和微分成分
比例分量是所有连续控制系统中最简单和最常遇到的。在这个动作中，控制器产生一个与调节误差成正比的输出信号。因此，错误的幅度越大，应用的纠正措施就越大。图4a显示了在AETB测试板上实现P-action的比例组件的实际实现。
(a) (b) (c)
图4 比例（a），积分（b）和微分（c）成分的电路图
积分分量总结了随时间变化的调节误差。结果是即使是一个小的误差项也会导致积分分量缓慢增加。除非误差为零，否则积分响应将不断增加，因此最终效果是将稳态误差趋近于零。稳态误差是过程变量和设定点之间的最终差异。当控制器没有将误差信号驱动到零时，I动作饱和控制器时，称为积分饱和现象。在AETB测试板上实现的整体组件的实际实现如图4b所示。
微分分量产生高频信号的放大。高频信号通常来自系统内的测量噪声。此外，D动作对稳定（恒定）信号没有影响。在低频范围内，人们发现D动作具有非常小的增益值。衰减低频信号的是近零增益。系统中存在测量噪声的可能性的后果是，在实际应用中，我们不将微分分量直接应用于过程的测量输出。相反，我们引入低通滤波器。LPF具有衰减高频信号的作用。在AETB测试板上实现的微组件的实际实现如图4c所示。
图4所示的三个基本元件构建在LF353双运算放大器上，该运算放大器是一个具有内部补偿输入失调电压的模拟/线性JFET输入运算放大器。JFET输入器件提供宽带宽，低输入偏置电流和失调电流。电子器件的特性如下：内部修正的失调电压：10mV，低输入偏置电流：50pA，宽增益带宽：4MHz，高转换速率：13V/mu;s，高输入阻抗：1012Omega;。
2.4一阶和二阶基本要素
图5示出了RC充电电路由电阻器R串联电容器C.一个与电容串联的电阻形成一个RC电路，电容逐渐通过电阻充电，直到电容两端的电压达到电源电压的电压（输入IN和地GND之间的电位差）[6]。被称为瞬态响应的时间，发生这种情况相当于大约5个时间常数或5T。一阶基本元素的电路图如图5a所示。连接两个RC充电电路，我们得到如图5b所示的二阶基本元件。一个简单的无源RC和一个二阶LPF已经分别完成。由一个R=160Omega;的电阻与一个C=10nF的电容串联构成的LPF电路通过方波输入幅度Uin=12V（电源电压）连接。
频率f = 5kHz的输出电压Uout和电抗Xc在系统中被设定为接近输入电压Uin，如下
（2.1）
二阶滤波器非常重要，并且广泛用于滤波器设计，因为当与一阶滤波器结合使用时，可以使用它们设计更高阶的滤波器。如所示，三阶LPF通过串联或级联一阶和二阶LPF而形成。但是RC滤波器的级数过低也会造成负面影响。尽管可以形成的滤波器的顺序没有限制，但随着顺序的增加，高阶滤波器的增益和精度会下降。
电感的主要用途是滤波电路，谐振或限流电路，见图5c。它可以用来调整各种类型的振荡器[1，6]。
图5 一阶（a），二阶（b）和振荡（c）分量的电路图
串联RLC电路行为可以用振荡系统理论很好地描述，该理论将电容上的电荷描述为二阶微分方程[4]。通过本工作中设计的测试板进行的实验范围也是观察和测量瞬态响应。特别是，图5c中可见的振荡分量对某些频率的外部电压的瞬态响应已经观察到并在第3节中显示。
当施加外部电压时，可测量RLC环路中电容器两端的时变电压。
2.5加法放大器，负反馈环路和信号通路
求和放大器是基于标准反相运算放大器配置的电子电路[5]。在反相放大器中，如果我们添加另一个与原输入电阻R150，R141和R142相等的输入电阻，我们最终会得到另一个运算放大器电路，称为加法放大器（Summing-Inverter，有时是电压加法器）如图6和7所示。
图6 基于第一个求和运算放大器的P，I和D元件求和电路
输出电压Uout作为R04电阻负载上的压降与输入电压UIN1，UIN2和UIN3之和成比例。如果各个输入电阻不相等，则可以进行缩放求和放大器。总结P，I和D动作的输入信号后，PID控制器的输出最终可在输出节点OUT_SUM1处检测到，如图6所示。
控制器在控制系统中起着至关重要的作用[2][8]。在测量，比较，计算和校正等控制系统的四个基本功能中，第二个和第三个功能仅由控制器完成。修正由最终控制元素实现，但是这是根据控制器的计算完成的。
图7 对二次加法放大器的负反馈
图7给出了一个负反馈回路，S5开关允许将其打开或关闭，并将PID控制器的输出OUT_SUM1重定向到开关S3。此时，我们可以将由一阶（OUT_INER1），二阶（OT_INER2）或甚至一个振荡元件（OUT_OSC）产生的控制信号输入到设备。来自开关S6-S8的输出可用于配置图4中可见的P，PI，PD或PID动作，并补充图6的求和放大器。
控制机制是控制器，被认为是由比较器和控制器本身组成。第一个目的是比较控制变量的测量值和期望值，然后计算它们之间的差值作为调节误差。如果没有这样的错误，即受控变量处于设定点，则不采取任何行动[3]。
如果检测到错误，则控制器的第二部分运行以改变最终控制元件的设置，从而以尽可能少的时间使系统的干扰最小化，从而最小化错误。为了实现这个目标，控制器可以采取不同的行动，因此不同的信号被发送到最终控制元件。
RLC组件的数值估计
对所研究的自动化基本要素进行数值模拟，以检查电子电路的正确性，以及可选择几乎每个实际元件的电阻R，电容C和电感L的合适值应用在AETB测试板上。本节介绍了代表自动化基本元素的电子电路数值模拟结果。结果以电压变化的时间特性的形式给出，作为比例（图8），积分（图9）和二阶振荡分量（图10）对平方输入测试的响应频率f=5kHz和幅度U=5V的信号。
图8 数值模拟中的比例作用：a）比例成分，b）成分（蓝线）对测试平方输入（红线）的时间响应
在图8中，输入和输出信号分别用红色和蓝色标记。正如我们从这个过程中可以看到的那样，输出信号的幅度增加两倍到10V。如同反相放大器配置中所使用的那样，输出接收相位反相的信号。
仿真在AltiumDesigner中执行。这是一个软件包，允许电子电路设计者设计，绘制和模拟电子电路板。
图
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