反馈控制技术1反馈控制系统概述与AGC电路原理.ppt
第八章 无线电技术中的反馈控制电路,8.1 反馈控制系统的概念8.1.1 反馈控制系统的组成、工作过程和特点8.1.2 反馈控制系统的基本分析8.2 自动增益控制(AGC)电路8.2.1 电路的组成、工作原理和性能分析8.2.2 放大器的增益控制可控增益电路8.2.3 AGC控制电压的产生电平检测电路8.2.4 AGC电路举例,作业:8.1 8.4,第一讲 反馈控制概念与AGC电路,反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。在系统受到扰动的情况下，通过反馈控制作用，可使系统的某个参数达到所需的精度，或按照一定的规律变化。根据控制对象参数不同，分为以下三类：自动增益控制(AGC)电路 自动频率控制(AFC)电路 自动相位控制(APC)电路。,内 容 提 要,8.1.1 反馈控制系统的 组成、工作过程和特点,8.1 反馈控制系统的概念,反馈控制系统的方框图如图8.1所示。比较器 将外加的参考信号r(t)和反馈信号f(t)进行比较，通常是取其差值信号e(t),作为控制信号；可控特性设备 是在输入信号s(t)的作用下产生输出信号y(t)，其输出与输入特性的关系受误差信号e(t)的控制。反馈环节 是将输出信号y(t)按一定的规律反馈到输入端，这个规律可以随着要求的不同而不同，它对整个环路的性能起着重要的作用。,图8.1.1 反馈控制系统的方框图,1.反馈控制系统的工作过程 假定系统已处于稳定状态，这是输入信号为s0，输出信号y0，参考信号为r0，比较器输出的误差信号为e0。参考信号r0保持不变，输出信号y发生了变化。y发生了变化的原因可以是输入信号s(t)发生了变化，也可以是可控特性设备本身的特性发生了变化。y的变化经过反馈环节将表现为反馈信号f的变化，使得输出信号y向趋近于y0的方向进一步变化。在反馈控制系统中，总是使输出信号y进一步变化的方向与原来的变化方向相反，也就是要减小y的变化量。y的变化减小将使得比较器输出的误差信号减小。,系统再次达到稳定时，误差信号e的变化很小，意味着输出信号y偏离稳态值y0也很小，从而达到稳定输出y0的目的。显然，整个调整过程是自动进行的。参考信号r0发生了变化。这时即使输入信号s(t)和可控特性设备的特性没有变化，误差信号e也要发生变化。系统调整的结果使得误差信号e的变化很小，这只能是输出信号y与参考信号r同方向的变化，也就是输出信号将随着参考信号的变化而变化。总之，由于反馈控制作用，较大的参考信号变化和输出信号变化，只引起小的误差信号变化。,欲得此结果，需满足如下两个条件：一是要反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致.因为比较器输出的误差信号e是参考信号r与反馈信号f之差，即e=r-f，所以，只有反馈信号与参考信号变化方向一致，才能抵消参考信号的变化，从而减小误差信号的变化。二是从误差信号到反馈信号的整个通路（含可控特性设备、反馈环节和比较器）的增益（开环增益）要高。整个通路的增益愈高，同样的误差信号变化所引起的反馈信号变化就愈大。,对于相同的参考信号与反馈信号之间的起始偏差，在系统重新达到稳定后，通路增益高，误差信号变化就小，整个系统调整的质量就高。,2.反馈控制系统的特点 误差检测。控制信号产生和误差信号校正全部都是自动完成的。系统是根据误差信号的变化而进行调整的，而不管误差信号是由哪种原因产生的。系统的合理设计能够减小误差信号的变化，但不可能完全消除。这是因为始终要有一个控制信号，也就需要有误差信号，只是希望误差信号越小越好。,8.1.2 反馈控制系统的基本分析 1.反馈控制系统的传递函数及数学模型 分析反馈控制系统就是要找到参考信号与输出信号（又称被控信号）的关系，也就是要找到反馈控制系统的传输特性。和其他系统一样，反馈控制系统也可以分为线性系统与非线性系统。这里着重分析线性系统。若参考信号r(t)的拉氏变换为R(s)，输出信号y(t)的拉氏变换为Y(s)，则反馈控制系统的传输特性表示为：,称T(s)为反馈控制系统的闭环传输函数。,下面来推导闭环传输函数T(s)的表示式，并利用它分析反馈控制系统的特性。为此需先找出反馈控制系统各部件的传递函数及数学模型。比较器 比较器的典型特性如图8.2所示，其输出的误差信号e通常与参考信号r和反馈信号f的差值成比例，即 e=Acp(r-f)这里Acp是一个比例常数，它的量纲应满足不同系统能够的要求。,图8.1.2 比较器的典型特性,AGC系统中，r是参考信号电平值,f是反馈信号电平值，所以Acp是一个无量纲的常数；AFC系统中，r是参考信号的频率值，f是反馈信号频率值，e是反映这两个频率差的电平值，所以Acp量纲是V/Hz。,图8.1.2 比较器的典型特性,APC系统中，r是参考信号的相位值，f是反馈信号信号的相位值，e是电平值，所以Acp量纲是V/弧度。,误差信号e的量纲：,e=Acp(r-f),e=Acp(r-f),将式 8.1.2 写成拉氏变换式 E(s)=AcpR(s)-F(s)其中，E(s)是误差信号的拉氏变换，R(s)是参考信号的拉氏变换，F(s)是反馈信号的拉氏变换。可控特性设备 在误差信号控制下产生相应输出信号的设备称为可控特性设备。可控特性设备的典型特性如图8.3所示。如压控振荡器就是在误差电压的控制下产生相应的频率变化。和比较器一样可控特性设备的变化关系并不一定是线性关系，为简化分析，假定它是线性关系 y=Ace,图8.1.3 可控特性设备 的典型特性,这里Ac是常数，其量纲应满足系统的要求。例如，压控振荡器的Ac的量纲就是Hz/V。将式写成拉氏变换式 Y(s)=AcE(s)反馈环节 反馈环节的作用是将输出信号y的信号形式变换为比较器需要的信号形式。如输出信号是交流信号，而比较器需要用反映交变信号的平均值的直流信号进行比较，反馈环节应能完成这种变换。反馈环节的另一重要作用是按需要的规律传递输出信号。,通常，反馈环节是一个具有所需特性的线性无源网络。如在PLL中它是一个低通滤波器。它的传递函数为,称H（s）为反馈传递函数。根据上面各基本部件的功能和数学模型可以得到整个反馈控制系统的数学模型。如图8.4所示。,图8.1.4 反馈控制系统的数学模型,从而得到反馈控制的传递函数,利用这个模型，就可以导出整个系统的传递函数：,因为,图8.1.4 反馈控制系统的数学模型,正向传递函数,误差传递函数,开环传递函数,闭环传递函数,在一般情况下，该式表示的是一个微分方程式，从线性系统分析可知，所求得的输出信号的时间函数Y(t)将包含有稳态部分和瞬态部分。这里主要讨论稳态情况。,2.反馈控制系统的基本特性的分析 反馈控制系统的瞬态与稳态响应 若反馈控制系统已经给定，即正向传递函数Ac和反馈传递函数H(s)为已知，则在给定参考信号R(s)后就可根据式求得该系统的输出信号Y(s)，因为,正向传输函数：,反馈传递函数：,闭环传递函数：（Acp=1）,【例8.1.1】当给定参考信号是阶跃函数时，即 ur(t)=u(t),则（由T(s)）,对上式进行付氏逆变换，得,反馈控制系统的跟踪特性（求e(t)）反馈控制系统的跟踪特性是指误差函数e与参考信号r的关系。它的复频域表示式是式所示的误差传递函数，也可表示为,当给定参考信号r时，求出其拉氏变换并代入式求出E(s)，再进行逆变换就可得误差信号e随时间变化的函数式。显然，误差信号的变化情况既决定于系统的参数Acp、Ac和H(s)，也决定于参数信号的形式。对于同一个系统，当参考信号是一个阶跃函数时，误差信号是一种形式，而当参考信,号是一个斜升函数（随时间线性增加的函数）时，误差信号又是另一种形式。误差信号随时间变化的情况，反映了参考信号变化时系统是怎样跟随变化的。例如，当参考信号是阶跃变化时，即由一个稳态值变化到另一个稳态值时，误差信号在开始时较大，而当控制过程结束系统达到稳态时，误差信号将变得很小，近似为零。,但是，对于不同的系统变化的过程是不一样的，它可能是单调减小，也可能是振荡减小，如图8.7中曲线()和()所示。,图8.7 反馈控制系统的跟踪过程,在许多实际应用中，往往不需要了解信号的跟踪过程，而只需了解系统稳定后误差信号的大小，称其为稳态误差。利用拉氏变换的终值定理和误差传递函数的表达式就可求得稳态误差值es,es愈小，说明系统的跟踪误差愈小，跟踪特性愈好。,在【例8.1.1】中，阶跃函数作用下误差信号随时间变化的特性，即跟踪特性为：,经拉氏逆变换，得,反馈控制系统的频率响应（分闭环和误差频率响应）反馈控制系统在正弦信号作用下的稳态响应称为频率响应。可以用 j代替传递函数中的 s 来得到。这样系统的闭环频率响应为,这时，反馈控制系统等效为一个滤波器，T(j)也可以用幅频特性和相频特性表示。若参考信号的频谱函数为R(j)，那么经过反馈控制系统后，它的不同频率分量的幅度和相位都将发生变化。,由式可以看出，反馈环节的频率响应H(j)对反馈控制系统的频率响应起决定性的作用。可以利用改变H(j)的方法调整整个系统的频率响应。,与闭环频率响应一样，用式可求得误差频率响应,它表示误差信号的频谱函数与参考信号频谱函数的关系。,在例【8.1.1】中，闭环频率响应为：,RC电路的频率特性为：,当=0时，C开路，为负反馈放大器，增益为A/（1+A）；当=时，没有反馈，增益为A。,反馈控制系统的稳定性是必须考虑的重要问题之一。其含义是，在外来扰动的作用下，环路脱离原来的稳定状态，经瞬变过程后能回到原来的稳定状态，则系统是稳定的，反之则是不稳定的。,线性电路的传递函数T(s)的全部极点（亦即特征方程的根）处复平面的左半平面内-瞬态响应将是按指数规律衰减（不论是振荡的或是非振荡的）-稳定的。处复平面的右半平面或虚轴上-瞬态响应或为等幅振荡或为指数增长振荡-不稳定。,反馈控制系统的稳定性,得环路的特征方程 1+AcpAcH(s)=0由此得出全部特征根位于复平面的左半平面内是环路稳定工作的充要条件。,反馈控制系统的控制范围 前面的分析，都是假定比较器和可控特性设备及反馈环节具有线性特性。这个假定只可能在一定的范围内，任何一个实际的反馈控制系统都有一个能够正常工作的范围。如r在一定的范围内时，能保证e有足够小。但r超出了范围时，e将明显增大，系统将失去自动控制的作用。,由闭环传递函数,自动增益控制电路是某些电子设备，特别是接收设备的重要的辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持为一定的数值。因此也称自动电平控制（ALC）电路。接收机的输出电平取决于输入信号电平和接收机的增益。由于种种原因，接收机的输入信号变化范围往往很大，微弱时可以是一微伏或几十微伏，信号强时可达几百毫伏。也就是说最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这种变化范围叫做接收机的动态范围。,8.2 自动增益控制(AGC)电路,自动增益控制电路是输入信号电平变化时，用改变增益的方法维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。对自动增益控制电路的主要要求:控制范围要宽，信号失真要小，适当的响应时间，不影响接收机的噪声性能。,AGC电路输入信号电平的变化范围,AGC电路输出信号电平允许变化范围,增益控制倍数,显然ng愈大控制范围愈宽。,式中，Amax=Uomin/Uimin 表示AGC电路的最大增益（对应低电平时）Amin=Uomax/Uimax 表示AGC电路的最小增益（对应高电平时）,可见，要想扩大AGC电路的控制范围，就要增大AGC电路的增益控制倍数，也就是要求AGC电路有较大的增益变化范围。同时要根据信号的性质和需要，设计适当的响应时间。,8.2.1 AGC电路的组成、工作原理及性能分析 AGC电路的组成如图8.11所示。它包含有可控增益电路、电平检测电路、滤波器、比较器和控制信号产生器。,图8.11 AGC电路组成,1.电平检测电路 电平检测电路的功能就是检测出输出信号的电平值。它的输入信号就是AGC电路的输出信号，可能是调幅波或调频,波，也可能是声音信号或图象信号。这些信号的幅度也是随时间变化的，但变化频率较高，至少在几十赫兹以上。而其输出则是一个仅仅反映其输入信号电平的信号，如果其输入信号的电平不变，那么电平检测电路的输出信号就是一个脉动电流。一般情况下，电平信号的变化频率较低，如几赫兹左右。通常电平检测电路是由检测器担任，其输出与输入信号电平成线性关系，即 u1=Kduy 其复频域表示式为 U1(s)=KdUy(s),电平检测电路根据控制电压产生方法的不同，有平均值型、峰值型和选通型。,2.滤波器 对于以不同频率变化的电平信号，滤波器将有不同的传输特性。用此可以控制AGC电路的响应时间。也就是决定当输入电平以不同的频率变化时输出电平将,怎样变化。常用的是单节RC积分电路。如图8.12所示。它的传输特性为,图8.12 RC积分电路,3.比较器 将给定的基准电平Ur与滤波器输出的uf进行比较，输出误差信号为ue。通常ue与(ur-uf)成正比，所以，比较器特性的复频域表示式为 Ue(s)=AcpUr(s)-uf(s)其中，Acp为一比例常数。4.控制信号产生器 控制信号产生器的功能是将误差信号变换为适于可变增益电路需要的控制信号。这种变换通常是幅度的放大或极性的变换。有的还设置一个初始值，以保证输入信号小于某一,Up(s)=ApUe(s)其中，Ap为比例常数。,电平时，保持放大器的增益最大。因此，它的特性的复频域表示式为,5.可控增益电路 可控增益电路能在控制电压作用下改变增益。要求这个电路在增益变化时，不使信号产生线性或非线性失真。同时要求它的增益变化范围大，它将直接影响AGC系统的增益控制倍数ng。所以，可控增益电路的性能对整个AGC系统的技术指标影响是很大的。,可控增益电路的增益与控制电压的关系一般是非线性的。通常最关心的是AGC系统的稳定情况。为简化分析，假定它的特性是线性的，即 G=Agup 其复频域表示式为：up 为AGC控制电压 G(s)=AgUp(s)Uo(s)=G(s)Ui(s)=AgUi(s)Up(s)=KgUp,式中，Kg=AgUi，表示Uo与Up关系中的斜率，如图所示。以上说明了AGC电路的组成及各部件的功能。但是，在实际AGC电路中并不一定都包含这些部分。,8.2.2 放大器的增益控制可控增益电路 可控增益电路是在控制信号作用下改变增益，从而改变输出信号的电平，达到稳定输出电平的目的。这部分电路通常是与整个系统共用的，并不是单独属于AGC系统。例如接收机的高、中频放大器，它既是接收机的信号通道，又是AGC系统的可控增益电路。要求可控增益电路只改变增益而不致使信号失真。如果单级增益变化范围不能满足要求时，还可采用多级控制的方法。,可控增益电路通常是一个可变增益放大器。控制放大器增益的方法主要有：控制放大器本身的某些参数，或在放大器级间插入可控衰减器。1.利用控制放大器本身的参数改变增益 改变发射极电流Ie 正向传输导纳|Yfe|与晶体管的工作点有关，改变发射极（或集电极电流）就可以使|Yfe|随之改变，从而达到控制放大器增益的目的。改变放大器的负载 放大器的增益与负载YL有关，调节YL也可以实现对放大器增益的控制。改变电流分配比 利用电流分配法来控制放大器的增益，其优点是：放大器的增益受控时，只是改变了VT1和VT2的电流分配，对VT3没有影响。,改变恒流源电流 改变恒流源电流的增益控制电路如图8.21所示。它是平衡输入，单端输出的差分放大电路。该电路的小信号跨导为,2.利用在放大器级间插入可控衰减器改变增益 在放大器各级间插入由二极管和电阻网络构成的电控衰减器来控制增益，是增益控制的一种较好的方法。简单的二极管电控衰减器如图8.22所示。电阻R和二极管VD的动态电阻rd构成一个分压器。当控制电压up变化时，rd随着变化，从而改变分压器的分压比。,图8.22 二极管电控衰减器,交流等效电路,图8.23是一种改进电路。控制电压up通过三极管VT来控制VD1、VD2和VD3、VD4的动态电阻。当输入信号较弱时，控制电压up的（负压较小）值较小，晶体管VT的电流较大，流过VD1VD4的电流也比较大，其动态电阻rd小，因而信号ui从四只二极管通过时的衰减很小。当输入信号增大时，up的值增大，VT和VD1VD4的电流减小，rd增大，使信号受到较大的衰减。控制过程如下：,串联式二极管衰减器,Ui大Vp大（b点电位低）Vc高电流小rd大衰减大输出小,图8.25是用PIN管作为增益控制器件的典型电路。图中VT1是共发射极电路，它直接耦合到下一级的基极；VT2是射极跟随器，放大后的信号由发射极输出，同时有一部分由反馈电阻Rf反馈到VT1的基极，反馈深度可通过Rf调整。因为反馈电压与输入电压并联，所以是电压并联负反馈。,图8.25 用PIN管作为电控衰减器的放大电路,输入大 Up小PIN内阻大衰减大输出小,控制过程如下：,8.2.3 AGC控制电压的产生电平检测电路 AGC控制电压是由电平检测电路形成的，电平检测电路的功能是从系统输出信号中取出电平信息。通常要求其输出应与信号电平成比例。按照控制电压产生方法的不同，电压检测电路有平均值型、峰值型和选通型三种。,1.平均值型AGC电路 平均值型AGC电路适应于被控信号中含有一个不随有用信号变化的平均值的情况。调幅接收机的自动增益控制广泛采用这种电路。,图8.26 平均值型电平检测电路,图8.26是一种常用的等效电路，二极管VD和R1、R2、C1、C2构成一个检波器，中频输出信号uo经检波后，除了得到音频信号之外，还有一个平均直流分量up，它的大小和中频载波电平成正比，与信号的调幅度无关，这个电压就可以用做AGC控制电压。Rp、Cp组成一个低通滤波器。把检波后的音频分量滤掉，使控制电平up不受音频信号的影响。,为了减小反调制作用所产生的失真，时间常数p=RpCp(足够大但不能太大，太大了跟不上信号的变化)应根据调制信号的最低频率FL来选择。其数值可以用下式来计算：,（反调制-p太小，则控制电压将会跟随调制信号变化，使输出音频信号受到附加的调制。相对来说，低频比高频更容易受到反调制。）,2.峰值型AGC电路 峰值型AGC电路适应于被控信号中含有一个不随有用信号变化的峰值的情况。,峰值型AGC检波电路不能和图象信号的检波共用一个检波器。必须另外设置一个峰值检波器。图8.28就是这种检波器的电路（电视机中AGC采用）。,图8.28 峰值型电平检测电路及其波形,要求充电时间小，放电时间大，C1小R1大。,峰值型AGC电路具有一些优点：1、输出的AGC控制电压大。2、较好的抗干扰能力（幅度小于同步信号的干扰）缺点：干扰幅度大于同步信号，而且混入的时间较长，那么，它对AGC电路就会产生危害。因此，这种电路的抗干扰性能还不够理想。,3.选通型AGC电路 选通型AGC电路具有更强的抗干扰能力，多用于高质 量 的电视接收机和某些雷达接收机。它的基本思想是只在反映信号电平的时间范围内对信号 取样，然后利用这些取样值形成反应信号的电平。优点：在取样时间范围外的干扰都不会对电平值产生影响，从而大大提高了电路的抗干扰能力.使用 的前提条件：首先是信号本身要（1）周期性出现，在信号出现的时间内信号的幅度能反映信号的电平；其次是要提供与上述信号出现时间相对应的（2）选通信号，这个选通信号可由AGC系统（3）内部产生，也可由外部提供。,8.2.4 AGC电路举例 图8.30是一种简单的延迟AGC电路。电路有两个检波器,一个是信号检波器S，另一个是AGC的电平检测电路A。它们的主要区别在于后者的检波二极管VD2上加有延迟电压Vd.这样，只有当输出电压uo的幅度大于Vd时，VD2才开始检波,产生控制电压up。,图8.30 延迟AGC电路,(可控增益电路),
