标签: 控制系统

一文了解控制系统及DC-DC转换器控制环路设计推荐 环路补偿是设计DC-DC转换器的关键步骤。如果应用中的负载具有较高的动态范围，设计人员可能会发现转换器不再能稳定的工作，输出电压也不再平稳，这是由于控制环路稳定性或带宽带来的影响。了解环路补偿理论有助于设计人员处理典型的板级电源应用问题。 本文分为三个部分。前两部分讨论控制系统理论、通用降压 DC -DC 转换器 拓扑以及如何设计DC-DC控制环路。在第三部分，将以ADI MAX25206为例说明如何应用控制理论来评估和设计DC-DC控制环路。 控制系统理论简介 在自然界中，控制系统无处不在。空调控制室内温度，驾驶员控制汽车行驶的方向，控制煮饺子时的水温，诸如此类。控制是指对生产过程中的一台设备或一个物理量进行操作，使一个变量保持恒定或沿预设轨迹运动的动态过程。通常，自然界中的系统是非线性的，但微观过程可以被视为线性系统。在半导体领域，微电子学会被视为一个线性系统。 可实现自动控制的系统是闭环系统，反之则是开环系统。开环系统的特点是系统的输出信号不影响输入信号。就像在图1中，G(s)是系统在复频域的传递函数。 图1.开环系统 VI是输入信号，VO是复频域的输出信号。图2中的闭环系统具有从输出到输入的反馈路径。系统的输入节点将是输入信号和反馈信号之差。 图2.闭环系统 当控制器迭代直到输入信号等于反馈信号时，控制器达到稳态。使用数学方法可以得到以下闭环系统方程： 然后简化方程如下： 其分母相位（式4）既是开环转换函数（也称为环路增益）。其增益幅度表明反馈的强度，其带宽是闭环系统的可控带宽。当然，其相移也会叠加。应该知道，如果环路增益大于0dB，同时相移为180°，则控制环路将以正反馈工作并形成一个 振荡器 。这是稳定性设计的一个关键。 设计人员应确保相位裕量和增益裕量在安全范围内，否则整个系统环路将开始自振荡。 通用降压 DC-DC转换器 拓扑 接下来介绍降压DC-DC转换器的拓扑结构和控制环路。 图3.降压DC-DC模块 图3显示了典型降压转换器原理图，其简化为一个交流小信号电路。它包括三级：斩波调制器、输出LC 滤波器 和补偿网络。每一级都有自己的转换函数。这三级构成整个控制环路。比较器和半桥构成斩波调制器。比较器输入信号来自振荡器和补偿网络。补偿网络在 闭环反馈路径中实现。调制器的交流小信号增益为 其中VPP为振荡器三角波的峰峰值电压。 VCC 为半桥的输入功率。在控制理论中，小信号增益既是转换函数。可以看到，调制器没有相移，只有幅度增益。LC滤波器转换函数为 其中L和C分别为电感和电容。这是一种理想状态。通常，电路中存在寄生参数，如图4所示。 图4.具有寄生参数的LC滤波器 DCR是电感L的直流等效 电阻 。ESR是输出电容的等效串联电阻。因此，LC滤波器的转换函数为 显然，ESR会为控制环路产生一个零点。当ESR太大而无法忽略时，设计人员应考虑ESR可能引起的稳定性问题。补偿网络用于消除寄生效应并改善环路响应。 图5.II型补偿拓扑 降压DC-DC模块展示了II型补偿网络。这种补偿电路会提供一个零点和两个极点。 还有I型和III型补偿电路。 图6.I型补偿拓扑 I型只是一个积分节点。它是一个最小相位系统。 图7.III型补偿拓扑 III型转换函数类似于II型。 可以看到，III型转换函数更复杂。它有两个零点和三个极点。在图7中， 运算放大器 (OPA)用于误差放大。运算跨导放大器(OTA)也可用于环路中的误差放大。买电子元器件现货上唯样商城 图8.带OTA的II型补偿拓扑 其传递函数类似于使用OPA拓扑电路的传递函数。输出电压误差信号先由OTA放大并转换为电流信号，再由补偿网络转换为电压控制信号。在所选择的任何类型拓扑或放大器中，零点和极点必须位于适当的频率处。 如何设计DC-DC控制环路？ 下面看看采用II型环路补偿的降压DC-DC转换器的整个开环转换函数。 调制器和LC滤波器的转换函数无法轻易改变，因此只能更改补偿网络。以II型拓扑为例。II型转换函数有两个极点和一个零点，如下所示。 Fz = 1/RzCz; Fp1 = 0; Fp2 = R1(Cz + Cp)/R1RzCpCz; 极点和零点位置由环路增益和环路相移确定。正极点会给波特图中的增益曲线增加–20dB/dec斜率，并会给波特图中的环路相位曲线增加–90°相移。相反，正零点会给增益曲线增加20dB/dec斜率，并会给环路相位曲线增加90°相移。可以看到，II型补偿环路有两个极点和一个零点，而带有寄生效应的LC滤波器也有两个极点和一个零点。寄生极点可能会迫使环路增益交越点（开环图与轴相交的点；此处增益为0dB）处的斜率高达-40dB/dec，甚至更高。这意味着系统的相移将达到180°（相位裕量将达到0°），会引起自振荡。设计人员应该避免这种风险。根据经验，应确保环路增益穿越频率处的斜率为–20dB/dec。为了解决这个问题，设计人员只能更改补偿网络。更改Rz或Cz可以改变零点的位置，更改Cp可以改变次极点的位置。通常，寄生极点和零点位于非常高的频率，因此将Fp2放置在比Fz稍远的位置，迫使寄生极点和零点低于0 dB。Fz和Fp2都是决定环路带宽的重要因素。 图9.II型波特图 通过调整极点和零点的位置，可以改变环路的频率响应和相位响应以确保增益或相位裕度。 因此就可以在环路带宽和稳定性裕量之间取得平衡。例如，MAX25206的原理图如图10所示。在该电路中，VOUT = 5V，ILOAD = 3.5A，因此RLOAD = 1.43Ω。 图10.MAX25206典型原理图 其补偿网络为II型网络，Cp = 0pF（根据式8）。第二个极点位于无穷大频率，可以从R5和C2计算出第一个零点，Fz = 1/(4.7nF × 18.2kΩ) = 11.69kHz。在输出LC滤波器中， 可以通过转换函数式7从ESR和输出电容得知零点在Fz = 16.4MHz，复极点在Fp1 = 1.8kHz–37.6kHz和Fp2 = 1.8kHz + 37.6kHz。可以预见，Gf增益将在1.8kHz处达到最大点。当频率大于1.8kHz时，Gf增益会迅速下降。补偿零点Fz是对环路增益降低的补偿。此外，应该知道，如果环路增益大于0dB，LC滤波器将在37.6kHz处谐振。设计人员不应将Fz放置得太接近1.8kHz，以确保环路增益在37.6kHz时不会高于0dB。AC环路仿真结果如图11所示。 图11.MAX25206 AC环路仿真 此外，III型补偿网络对于提供补偿更具潜力。当然，要评估一个系统，不仅可以使用开环转换函数和波特图，还可以观察闭环转换函数的根轨迹是否在左半平面，并分析时域微分方程。但就方便性而言，观察波特图的开环转换函数是实现稳定电源系统设计的最常见、最简单的方法。其他类型DC-DC拓扑的补偿环路、补偿方法和原理是相同的。 唯一区别在于调制器，也就是环路转换函数的增益。 其他补偿网络拓扑示例 除了不同类型的DC-DC拓扑，还有采用不同方案的控制环路。与DC-DC转换器一样，MAX20090 LED控制器由电流控制环路组成。转换器检测输出电流，并将其反馈回控制环路以达到预期值。另一个例子是MAX25206降压控制器，它具有限制峰值或平均电流的功能。该器件检测输出电压和平均电流并反馈回来。它是一款双闭环控制器。通常，电流控制环路在内环，电压控制环路在外环。电流环路的带宽（即响应速度）大于电压环路的带宽，因此它能实现限流。第三个例子是MAX1978温度控制器。它包含一个驱动热电冷却器(TEC)的H桥。不同电流的方向将决定TEC是加热还是冷却模式。反馈信号就是TEC的温度。这种控制环路会迫使输出TEC的温度达到预期温度。 结论 无论何种形式的电路拓扑，以自动控制为目标的模拟电路理论基础是ADI在本文所讨论的。设计人员的目标是实现更高的带宽和更健壮的稳定性，同时确保环路带宽和稳定性达到平衡。 关于ADI公司 Analog Device s, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球 领先 的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。 关于作者 Yaxian Li是ADI公司培训和技术服务团队的应用工程师。Yaxian于2020年加入Maxim Integrated（现为ADI公司一部分），于2018年获得杭州电子大学电气工程和自动化学士学位。

设计规格书以其通俗易懂的语言，为自动化项目管理者提供了久经考验的、结构化的办法，明确规范了控制系统设计各个阶段需要克服的问题和功能，是一个自动化项目成功实施的关键元素之一。 在黑暗中航行，暗礁水域航行控制系统的开发对于任何一个经验丰富的项目经理都是极具挑战性的。设计控制系统的各个阶段看起来像是某种暗箱魔术，例如立项、规划以及建设。一个自动化项目在执行的时候会出现很多问题，例如团队沟通问题、项目不能被充分理解以及采用错误的控制策略来实现总体的生产要求。 这么多的陷阱可以让一个基础的控制系统项目变成一艘下沉的船只。而设计规格书正好可以避免这些问题。一份好的设计规格书可以为一个自动化项目提供久经考验的、结构化的方法，并可以保证船只航行到安全的水域。 什么是设计规格书？ 设计规格书使用通俗的语言描述所要定义的内容，不需要精通控制系统的编程就可以被轻松理解。设计规格书可以与住宅设计相提并论，会有人在没有建筑平面图的情况下给承包商开一张支票，然后说“给我建一所房子”吗？答案当然是没有。 设计一套自动化系统的道理也是一样的。如果你希望一个项目成功并实现你所期待的结果，那么一套详细的说明是必要的。使用设计规格书有助于控制系统的规划。设计规格书的格式非常简单并且很容易被非控制工程师所理解，同时还提供了非常明确的目标功能，让所有的利益相关人员很容易理解那些生涩难懂的流程。 功能规格书和细节设计规格书是自动化系统设计规格书中的两个重要部分。 功能规格书通常定义系统的各个功能或总体功能。功能规格书包括软件规格书或批处理规格书。这些文档通常定义普通元素或者多个系统中使用的工具。 细节设计规格书通常则更加关注特定的应用或与过程相关的功能，例如：设备模块序列、互锁矩阵函数、以及自动化逻辑条件。一套典型的控制系统具有功能规范书和细节设计规范书所涵盖的所有功能。 功能规范书还可以用于投标时的报价评估和投标比较。一旦项目通过审批，细节设计书还可以指导项目管理者如何实现功能规范书所鉴定的功能。 使用设计规格书的好处 使用设计规范书的好处：1、为生成精确的报价提供方法；2、准确定义最终用户会得到什么；3、为项目设定范围界限；4、生成基本计划表。5、为项目的成功制定目标；6、验收项目并生成参考文档。 在编辑设计规格书之前，需要做如下的准备工作：1、让所有相关方尽早介入，包括工程设计、生产、维护、质检以及其他利益相关方；2、定义专用术语，让所有人都达成共识；3、组织文档以及提供路线图，让每个人都了解全部目标；4、识别通常如何处理异常情况；5、尽量使用基于类别的方式来减少设计、实施和测试的时间；6、首先为每个文档类型执行一个范例并进行审核，确保所有的利益都得以实现。 设计规格书的使用是一个自动化项目成功的关键元素之一。对软件和硬件功能进行规划和归档能够确保最终用户准确获得满足生产要求所需要的信息。 （作者：Robbie Peoples）

1、行业基本概况 工业自动控制系统装置制造，指用于工业产品制造或加工过程中，连续自动测量、控制材料或产品的温度、压力、粘度等变量的工业控制用计算机系统、仪表和装置的制造。工业自动控制系统装置是先进制造业、国家重大装备制造业发展战略的核心内容之一。 目前，中国的工业自动化市场主体主要由软硬件制造商、系统集成商、产品分销商等组成。在软硬件产品领域，目前中高端市场几乎全部由国外著名品牌产品垄断，并将在近年仍维持此种局面；在系统集成领域，跨国公司占据制造业的高端，具有深厚行业背景的公司在相关行业系统集成业务中占据主动，具有丰富应用经验的系统集成公司充满竞争力；在产品分销领域，大型跨国公司的重要分销商是行业内的领先者，主要有上海海得控制系统股份有限公司、福大自动化科技有限公司、汕头众业达电器有限公司等。 在工业自动化市场，供应和需求之间存在错位。客户需要的是完整的能满足自身制造工艺的电气控制系统，而供应商提供的是各种标准化器件产品。行业不同，电气控制的差异非常大，甚至同一行业客户因各自工艺的不同导致需求也有很大差异。这种供需之间的矛盾为工业自动化行业创造了发展空间。 2、行业技术水平与技术特点 虽然工业自动控制系统装置制造业属于传统的制造业，但是该行业却是典型的技术密集型行业，是传统制造业中的高新技术行业。行业技术特点是：产品技术含量高、生产工艺相对复杂、技术涉及面广；集电子、精密机械、计算机、软件、通信、光电、材料等多学科技术于一体，是传统制造业中新技术集中度最高的行业。行业技术要求高、技术发展快，行业的技术水平直接反映了国家装备制造业的技术水平。行业技术水平分三个层次：第一层次是以西门子（Siemens）、霍尼韦尔（Honeywell）、艾默生（Emerson）、横河（Yokogawa）、ABB等为代表的国际跨国企业，其技术水平代表国际一流水平；第二层次是大中型国内企业和国内部分合资企业，通过技术引进和自主研发，技术水平处于国内领先，部分产品技术达到国际先进水平；第三层次是行业内数量最大的国内中小企业，技术水平仍停留在上世纪90年代初期水平。

机器人靠电才能运行，没有电的机器人就只是一堆废铁而已。那么就有人在想，机器人会不会自己把电源拔掉呢？（这有点类似自杀的动作。）如果会的话，那机器人会怎么拔掉电源，能不能成功拔掉电源呢？拔了，将没电再控制拔的动作；没拔，有电，会继续拔的动作，处于拔和不拔之间，究竟结果会怎么样？ 对于这个问题，知乎网友冷哲是这么回答的： 我想题主并不想考虑机器人自己有电池的情况。 那么这取决于机械和电路设计。蓄能不只是电能，还可能是机械能。 比方说机器人用甩臂方式拔出电源，电源拔出，整机掉电时，手臂机械能可能还没耗尽。因此，想要做到，总是可以做到的。 但是假如非常缓慢地拔呢（不考虑机械能的蓄积和释放）？就有很多种可能。 电源拔出时，导体接触面积不断下降，电阻相应提高。在带动同等载荷时，电压和电流都会下降。 如果控制系统没有单独的电源优先保障，可能会导致控制系统因电压过低而不能正常工作。于是陷入以下几种情况之一： 1. 控制系统失灵，但电机指令仍然能正常工作，这时将进入后文所述的力均衡情况。 2. 控制系统失灵，电机指令同时失灵，电机停止工作。负载下降，电压回升，控制系统重新启动。此时可能导致系统待机，停止所有拔电源的动作；也可能继续拔电源，并导致一个死循环：驱动电机拔电源，载荷上升，电压下降，控制系统失灵，停止拔电源，载荷下降，控制系统启动，驱动电机拔电源…… 还有一种可能就是力均衡情况，就是随着拔电源，导体接触面不断减小，电阻不断上升，电机本身的出力会持续减小，最终与电源接口的摩擦力平衡，导致一个一直在拔但无力拔出的情况。这时无论控制系统是否失灵，都无法拔出插头。 当然这种情况恐怕是不常见的。 另外，如 @Xie Yipeng 所言，工业机器人有保护装置，电压不足、不稳时伺服电机会抱死，避免以外的动作对产品或人员造成伤害。因此，这些工业机器人在缓慢拔插头时会因为电压不足而停止动作，无法将插头拔出。 如 @卜建荣 所言，控制系统本身有断电保护，能够在电压不足时维持一段时间的正常工作，这在快速拔插头（也就是考虑惯性、机械能的情况下），保证系统能完成动作。但是在缓慢拔插头的情况下还是会陷入前述3种情况之一。 工程领域没什么悖论，一般觉得矛盾的东西，仔细考察实际情况就会发现并不是真的存在。 看机器人怎么给自己换电池！（出自动画片: Adventure Time）

SIMATIC S7-300 系列工业以太网 CP 模块在硬件接口和包括数量框架在内的通信功能方面有所区别。 具体区别如下表所示： 不同协议的描述： ISO 传输协议： ISO 传输连接用于 S7 站之间的数据交换以及与 PC 站，S5 站和第三方系统之间的通信。   ISO 传输连接的属性：     站间的通信是基于 MAC 地址的。     使用数据块的数据传输适用于最大 8 Kbytes 的数据。     可使用 “SEND/RECEIVE”和“FETCH/WRITE” 服务实现数据传输。     数据接收由对方通过 ISO 参考模型第 4 层进行确认。     数据无法通过路由器传递。(ISO 不支持路由，因为此协议是基于 MAC 地址而不是 IP 地址。) ISO-on-TCP 协议： ISO-on-TCP 连接用于 S7 站之间的数据交换以及与 PC 站，S5 站和第三方系统之间的通信。 ISO-on-TCP 连接的属性：     站间通信是基于 IP 地址的。     使用数据块的数据传输适用于最大 8 Kbytes 的数据。     可使用 “SEND/RECEIVE”和“FETCH/WRITE” 服务实现数据传输。     数据接收由对方通过 ISO 参考模型第 4 层进行确认。     数据可以通过路由器(有路由功能的协议)传递。     符合 TCP/IP 标准的 RFC1006 扩展与 ISO 参考模型的第 4 层相一致。关于 RFC 1006 协议扩展的更多信息可参见条目号：15048962。 TCP/IP 协议： 通过配置 TCP 连接实现站间(包括第三方的站)的数据交换。 TCP 连接属性：     符合 TCP/IP 标准。     使用数据块的数据传输适用于最大 8 Kbytes 的数据。     可使用 “SEND/RECEIVE”和“FETCH/WRITE” 服务实现数据传输。     操作系统中已存在的 TCP/IP 实现通常可用在 PC 上。     数据可以通过路由器(有路由功能的协议)传递。 UDP 协议： 通过 UDP 连接的配置实现两个站之间的数据交换。 UDP 连接属性     UDP 协议。      两个节点 (一个 2048 字节的数据块被分为 2 个包 (MaxTpduSize =1496)) 之间相关数据块的不可靠传输。     支持组播。     通过建立组播环，组播允许站组一起接受信息和发送信息到这个组。     通过 “SEND/RECEIVE”服务进行数据传输。      数据可以通过路由器(有路由功能的协议)传递。 S7 通信： 通过 S7 连接的配置实现 S7 站和 PC 站之间的数据交换。 S7 连接属性：     该连接可用于所有 S7 / M7 设备。     可用于所有子网 (MPI，PROFIBUS，工业以太网)。     通过工业以太网的 S7 通信是基于 ISO 传输协议和 ISO-on-TCP 协议。     SIMATIC S7/M7-300/400 站之间数据的可靠传输 (使用 “BSEND/BRCV”或 “PUT/GET” SFBs)。     高速，不可靠数据传输取决于对方与时间相关的操作(使用“USEND/URECV” SFB)。     在通过 SFBs “BSEND/BRCV”和“PUT/GET”进行可靠数据传输的情况下，对方的数据传输通过 ISO 参考模型的第 7 层进行确认。     在通过“USEND/URCV” FB的高速、不可靠数据传输的情况下，数据传输不在第7层确认。 IT 通信：     E-mail 功能：     S7 站可以发送事件触发邮件。通常邮件包括发件栏，接收栏，标题栏和正文几个部分。二进位的数据也可以添加到正文的结尾部分。一封邮件的最大长度为 8192 字节，包括所有以上定义的栏。     HTTP / HTTPS 功能：     CPs 具有 web 服务器。其他的如 JavaBeans 同样可用于提供和查看带有 S7 变量的 HTML 页。JAVA 编写的应用程序可通过 JavaBeans 使用 HTTP 协议访问 S7 变量。      FTP / FTPS  功能 (作为服务器和客户端)：     FTP 服务器功能可用来保存 CP 文件系统中的文件 (HTML 页，映像文件，...) 。也可以直接从数据块中 直接读出值或通过文件直接把值写到数据块中。     作为 FTP 客户端，IE CP 与 FTP 服务器建立连接，用于保存或取回存在于 FTP 服务器文件中的数据。     使用  CP343-1 GX31 时，可使能通过FTPS协议的加密数据传输。     网页诊断     多方面信息，如诊断缓冲区和连接状态等都可通过 HTTP / HTTPS 从 CP 中读取。 IP 访问保护 (IP-ACL) IP访问保护允许用户限制在通过本地S7 站上的CP到指定IP地址的通信伙伴间的通信 IP 组态 此外，连接组态既可通过STEP 7，也可在用户程序的块接口(FB55: "IP_CONFIG")分配给CP。 注：不适用于S7 连接 PG/OP 通信： 通过以太网用 STEP 7 编程和组态 S7 站。编程设备连接到以太网。     S7 路由：     从 STEP 7 V5.0 SP3 HF3 开始，PG/PC 可以跨越网络实现 S7 站的在线功能，例如，下载用户数据或硬件组态，或者执行测试和诊断功能。在网络中的任何位置都可以连接 PG 并且可以在线连接到网关到达的任何站点。在项目编译时 ，路由数据就由 STEP 7 中的 S7 项目网络组态自动生成并且存储于系统数据 SDB999 中。必须在 STEP 7 项目中组态位于开始设备和PLC之间的所有站点。 SNMP (Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议) SNMP 代理 CP支持通过SNMP Version V1 上的数据查询。这里，它提供了符合标准 MIB II, LLDP MIB, 自动化系统MIB 和 MRP 监视 MIB的指定MIB对象的内容。 当安全使能时，CP343-1 GX31 支持SNMPv3 的网络分析功能的安全传输。 PROFINET 通信： PROFINET 是 PROFIBUS 用户组织 (PNO) 使用的标准，它定义了跨制造商通信和工程模型。       PROFINET IO     PROFINET IO 系统有如下设备的分布式配置：         PROFINET 控制器         PROFINET IO 控制器就是可以对自动化任务进行控制的控制系统 (PLC, PC)。         PROFINET 设备         PROFINET IO 设备是指可以被 PROFINET IO 控制器所监视和控制的现场设备。一个 PROFINET IO 设备由多个模块和子模块组成 (例如 ET200S)。     PROFINET CBA     一个 PROFINET CBA 系统由不同的自动化组件组成的。一个组件包括所有的机械、电气和 IT 变量。组件可能已由常规的编程工具创建，如 STEP 7。 PROFINET 组件描述(PCD) 文件的格式为 XML。 一个规划工具装载这些描述文件，并允许创建各个组件之间的逻辑连接，从而达到创建一个工厂布局的目的。 时间同步 工业以太网上的时间同步按照以下可组态的处理方法。     SIMATIC 处理方法     CP接收MMS时间消息，并同步它的本地时间。用户可选择是否将时间传递给CPU。此外，可传递方向决定。     NTP 处理方法 (Network Time Protocol，网络时间协议)     CP每隔一定时间传输时间查询命令给NTP服务器来同步它的本地时间。此外，时间信号可自动地被传递到S7站的CPU，从而同步整个S7站的时间。     当使能安全时，CP343-1 GX31 支持NTP协议（安全）用于安全的时间同步。 Liste_e.pdf