太阳能热水器控制器的设计之文献综述

第一篇：太阳能热水器控制器的设计之文献综述

前言

当今计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等严格要求的专业计算机系统。其最初应用是基于单片机的。单片机小巧灵活，成本低，易于产品化。它面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务。

目前，国内的太阳能热水器还处于研发阶段，这种控制器只具有温度和水位的显示功能，不具有温度控制功能。由于加热时间不能控制而导致过烧，从而浪费大量电能。本设计是以89c51单片机为检测控制中心，采用ds12887实时时钟，实现了温度，水位，时间三种参数的实时显示功能。

电热水器是以电作为能源对热水器加热，它是以高精品质、卓越的安全性能、高效节能环保的较高性价比在高速发展的信息时代脱颖而出成为生活中必不可少的家电用器。但在实际生活中，家用热水器在使用时会出现供水水压不足，出现干烧事件，在带水带电潮湿的环境下使用，出现显示器被雾气遮住出现黑屏等现象。此时对电热水器出水压控制系统的软件控制就成了必要，利用微处理器为控制器的核心，设计出一种电热水器出水压控制的软件系统，具有良好的社会价值和广阔的市场前景。

正

文

一、研究背景及意义

1.1背景：

随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力发展太阳能产业。

能源问题将更为突出：①从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能持续二三百年。②环境污染③温室效应引起全球气候变化。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。

太阳能具有：①储量的“无限性”太阳能每秒钟放射的能量大约是1.6*10^23 KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892*10^13千亿吨。②太阳能对于地球上的绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。③开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。

在世界范围内，太阳能热水器技术已经很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断的冲击电热水器市场和燃气热水器市场。2000年太阳能热水器取代47000套家用电热水器；2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。

1.2 意义

能源问题与安全问题是现代社会各界普遍关注的焦点之一。目前市场上存在三种样式的热水器：电热水器、燃气热水器和太阳能热水器。近年来，在一氧化碳中毒事故中，由燃气热水器造成的约占1/3；电热水器的大规模用电，并不能给人们的正常生活带来便利，作为后来者的太阳能热水器，因其安全性好、节能、绿色环保等优点，近几年呈现出爆发式的发展趋势。

选择太阳能热水器这个课题，可以让我更好的认知可持续发展问题，看清目前的能源现状，以及各国在节能能源上的措施，在太阳能革新上运用的新技术。此外，太阳能热水器已经走进千家万户，控制系统是太阳能的核心，可以尽可能做到节能环保，作这样一个设计，不仅可以考察自己大学四年的专业课的理论与动手实践能力，产品也具有一定的市场前景。

二、太阳能热水器利用技术及应用现状

2.1太阳能热水器应用的技术背景

太阳能热水器是太阳能光热应用技术的一种。太阳能光热技术是指将太阳辐射能转化为热能进行利用的技术。其利用形式通常可分直接利用和间接利用两种。比较常见的直接利用方式有:(1)利用太阳能空气集热器进行供暖或物料干燥;(2)利用太阳能热水器提供生活热水;(3)基于集热一储热原理的间接加热式被动太阳房;(4)利用太阳能加热空气产生的热压增强建筑通风。①目前技术比较成熟且应用比较广泛的是蔬菜温室大棚、中药材和果脯干燥及太阳能热水器等。本文所讨论的太阳能热水器的利用，是太阳能产业的发展中，热利用转换技术中最为成熟的。

目前国内市场上用的太阳能集热器的类型主要有:真空管式、平板式、U型管式、热管式等四种，四种类型没有一种是完美的，各有优缺点。用户选择太阳能集热器类型应根据安装所在地的气候特征以及所需热水温度、用途来选定。

对于冬天不结冰的南方地区的用户，可以选取平板式太阳能集热器，因为不需要考虑冬天抗冻的问题。而且平板型的优点也是非常突出的:热效率高，金属管板式结构、免维护、巧年寿命、性价比高;长江、黄河流域地区的用户，因为冬天会结冰，而且冬天气温高于一20℃，所以选用真空管太阳能集热器是比较合适的，但是真空管的主要缺点是:不承压、易结水垢、易爆裂;在东北、内蒙古、西藏等地区的用户就必须选用热管型太阳能集热器，因为热管抗一并0℃低温，但是热管的造价很高，而且热效率较低;对于工业用途的热水，最好选择平板型太阳能集热器，因为工业热水用量大，需要很大面积的太阳能集热器，要求集热器不易损坏、易维护、可承压，平板集热器在此方面具有显著的优越性。②;综上所述，、不同类型的太阳能集热器没有绝对好、坏之分，重要的是要根据使用地区的气候特征和用途来选择最优性价比的类型。

中国的太阳能热利用技术研究开发始于20世纪70年代末，主要是简单，低廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室、太阳灶、被动式太阳房、太阳能热水器和太阳能干燥器。这类技术在农村得到广泛推广，有效缓解了农村能源短缺，对改善农村生态环境和农民生活起了积极的作用。20世纪80年代太阳能热水器列入国家“六五”和“七五”科技攻关项目。主要的研发项目是高效平板太阳集热器和全玻璃真空集热管。在90年代全玻璃真空集热管的科技成果通过测试转化为生产力—形成自行设计和配套的集热管生产线是科技攻关的最杰出的成果。

目前，我国城乡居民对洗浴热水的需求增长迅猛。2009年太阳能热水器“下乡”是太阳能热水器行业的一件大事，标志着太阳能热水器得到国家认可，我国太阳能热水器行业已迈入新的时代。太阳能热水器“下乡”意味着太阳能热水器行业得到了政策支持，‘使整个行业焕发强大的生命力。太阳能热水器已经成为提高人民生活质量，全面建设小康社会的重要手段。随着中高温太阳能热水器的开发以及太阳能热水器与建筑一体化技术的日益完善，太阳能热水器的应用领域不再局限于提供热水，正逐步向取暖、制冷、烘干和工业应用方向拓展。中国太阳能热水器在近3年时间内还将保持30%以上的增长速度，市场潜力巨大。

2.2太阳能热水器应用技术的优势

其一能源基础丰富。太阳能热水器是把太阳辐射转化为热能，其基础能源是太阳能。科学研究表明，太阳辐射是通过太阳内部进行着剧烈的氢聚变成氦的核反应，从而不断向宇宙空间辐射出巨大的能量，太阳内部的热核反应释放的能量足以维持6060万年。①这个数字相对于人类发展历史的有限年代而言，可以说是“取之不尽、用之不竭”的了。其二环保无污染。太阳能热水器的核心技术是真空管的利用，它的构成如同一个拉长的暖瓶胆，内外层之间是真空。其内玻璃管的表层利用特种工艺涂有一种特殊的涂层—光谱选择性吸收涂层，这样可以最大限度的吸收太阳辐射。

其工作原理是:在阳光的照射下，光子撞击玻璃管的涂层产生热量，从而使太阳能转化成热能。热量经过热传递由涂层外的水吸收，致使水温升高，能量成功转换。其区别于传统化石燃料(煤、石油等)在燃烧的过程中排出大量的有毒有害物质，造成对水、土壤和大气的严重污染，形成温室效应和酸雨，不仅破坏了生态环境，而且严重危害到人类的生存质量和身体健康。而太阳能热水器转化光能为热能，生产热水的过程是环保无污染、并且健康清洁。

其三长期收益，经济效益高。一次性投资而长期受益是太阳能热水器的显著特点。太阳能热水器的投资回收期各不相同，普通情况下，可在2一4年内全部收回投资。这与之‘目比较的常规能源的价格想秒用频率及卿买价格有关。基本来’说，属于短期内可以收回成本的投资。并且太阳能热水器使用寿命比较长，正规厂家的符合质量标准的产品，其主要零部件使用寿命可达十五年以上，比较电热水器的使用寿命来说属于高寿命产品。其经济效益，对一个家庭来讲，采用太阳能热水器供热，可节省日常用于加热水的电费、气费90%，可减少家庭开支而且方便及时;对全社会来讲，可减少有限的化石资源的消耗，使这些能源及配套设施能用于工农业生产上，产生更大的经济社会效益。

其四安全系数高。使用太阳能热水器非常安全，完全不必担心中毒和触电事故的发生，即使是带电加热功能的太阳能热水器，由于其加热体远离使用者，而且其使用时间仅为电热水器的十分之一，所以危害的可能性也己经达到微乎其微、忽略不计的程度。而现在社会上广泛使用的燃气热水器、电热水器几乎均存在安全隐患。漏气、漏电的原因而致伤、致残，甚至致死的案例时有发生，例如仅山东省每年死于使用燃气和电热水器的事故都在5起以上，并且随着用户数量的增加，这个数字还有上升趋势。很明显，从安全方面考虑，使用太阳能热水器更安全可靠。

2.3我国太阳能热水器应用的现状

我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源，这是太阳能热水器有效应用的基础条件。我国地处北半球，位于欧亚大陆的东部，处于温带和亚热带的地域较广，具有比较丰富的太阳能资源。根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明，中国各地的太阳辐射年总量大致在 3.35x103一 8.40x103MJ/m2之间，其平均值约为 5.86X103MJ/mZ。年太阳辐照时数超过2200小时的太阳能利用条件较好的地区占国土的2/3，故开发太阳能利用是实现中国可持续发展战略的有效措施之一。经初步预测，到2010年太阳能利用可达 4.67Mtce。

我国不仅拥有优越的地理优势来充分利用太阳能热水器，而且太阳能热水器的技术和产量也是不可忽视的优势。我国的太阳能热水器技术在世界上处于领先地位。我国70年代后期开始开发家用热水器。目前全国有500多个热水器生产厂家，1998年的产量约400万平方米，总安装量约1400万平方米，产量占世界第一位。我国太阳能热水器平均每平方米每年可节约100一150公斤标准煤。80年代后期，我国开始研制高性能的真空管集热器。80年代后期至90年代初，北京市太阳能研究所相继在我国政府、UNDP支持下，并与德国合作研制成功热管式真空管集热器。

根据行业估算，我国约有上千家太阳热水器生产和组装企业。我国太阳能热水器生产量和累计拥有量均居世界第一。其年产量为欧洲的2倍，北美的4倍。据相关部门统计，目前中国城市家庭中，57.4%拥有燃气热水器，31.3%拥有电热水器，拥有太阳能热水器的只有7.6%，但在城市家庭的购买预期调查中，三者的比例将演变为35.8%、30.2%、23.2%，太阳能热水器的比例将大幅度增长，开始成为燃气、电热产品的重要竞争对手。

随着人们经济和环保意识的增强，太阳能热水器越来越受到城区和边远地区的青睐，太阳能热水器将迎来高速发展的黄金时期。根据我国国家发改委能源所在最近的一份研究报告中指出:到2008年底，我国太阳能热水器总集热面积运行保有量约 1.35亿平方米，年生产能力超过2500万平方米，目前太阳能热水器使用量和年产量均占到了世界总量的一半以上。很明显，我国太阳能热水器产业的发展己经走在了世界的前列。发改委所公布的《可再生能源十一五规划》明确提出了太阳能热利用的目标是:到2010年，全国太阳能热水器总集热面积达到1.5亿平方米，折标煤2700万吨/年。

三、太阳能热水器的发展趋势及存在的问题

3.1发展趋势：

现在太阳能热水器技术成熟，对于太阳能的利用率较高，节省能源损耗，并且以其绿色环保，安全等优异性能，受到了人们的欢迎，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式，使太阳能热水器能全年全天候使用，更是被越来越多的人所接受。

3.2存在的问题：

目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单

一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。

结

论

从上面材料的分析中我们知道，目前资源正在逐渐的渐少，而太阳能资源却是取之不竭的，有效的利用太阳能是我们当代人迫切需要的。我国太阳能热水器生产量和累计拥有量虽然均居世界第一，但是其中热水器的安全性.太阳能利用率.热水器寿命都不是世界先进水平的，合理的.先进的设计太阳能热水器控制系统，它不仅能够最大程度地提高热水器整个系统效率、延长电热水器系统寿命、节约能源，而且解决的在使用电热水器时会出现供水水压不足，出现干烧事件，在带水带电潮湿的环境下使用，出现显示器被雾气遮住出现黑屏等等的安全问题。从而带动消费者进入洗浴安全时代，因此具有实际应用的价值。

参 考 文 献

[1] 李念强，单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2007 [2] 孙育才，MCS-51系列单片机微型计算机及其应用[M].4版。南京：东南大学出版社，1997 [3] 张涛，王金岗，单片机原理与接口技术[M].北京：冶金工业出版社，2007 [4] 阎石，数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1997 [5] 周润景，袁伟亭，景晓松，Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].电子工业出版社，2006 [6] 王长胤，文军，单片机原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，1993 [7] 殷为民，太阳能水温水位仪[J].家用电子，1999（1）：37-38 [8] 徐龙坤，辅助加热式太阳能热水器[J].家用电器，1997（2）：9-10 [9] 王俊杰，基于89C51单片机的太阳能热水器只能控制器的设计[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2005（8）：67-68 [10] 张振荣，晋明武，王投平，MCS-51单片机原理及实用技术[M].北京：人民邮电出版社，2000：64-120 [11] 戴佳，戴卫恒，51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006 [12] 李广第，单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001 [13] 宫亚梅，基于Proteus和Keil的单片机课程设计[J].济南职业学院学报，2008（5）[14] 张小娟，Mechanical&Electrical Engineering Technology.机电工程技术，2009（3）[15] Dreamtech Software Team,Programming for Embedded Systems-Cracking the

Code,Hungry Minds[J].2002.4

指导教师审核意见：

指导老师（签字）

年 月 日

第二篇：《设计太阳能热水器》教学设计

《设计太阳能热水器》教学设计

教科版小学科学五年级上册第二单元第8课 广州市天河区体育东路小学 涂先钦

教学目标：

1.经历对太阳能热水器的设计、方案交流和修改完善的过程； 2.能根据研究的需要进行有目的的设计； 3.能够写出比较完整的设计方案； 4.能认真负责地承担自己的设计任务； 5.能与同学友好交流，分享智慧； 6.了解太阳能热水器的基本构造； 7.了解制造太阳能热水器的基本要求； 8.能综合运用已掌握的知识。教学重点：会设计太阳能热水器。教学难点：掌握太阳能热水器的基本原理。教学准备：

太阳能热水器的结构及工作原理图，学生活动记录本。教师自制的太阳能热水器模型。教学过程：

一、引入：

师：“人们一直都在研究如何能够吸收更多的太阳光从中获得热能。太阳能热水器就是利用太阳能的具体方案。那么，太阳能热水器的结构及工作原理是怎样的呢？”

二、探究内容：

1.设计我们的太阳能热水器的结构及工作原理。（1）设计前的准备。

•了解太阳能热水器的结构及工作原理。•熟悉设计方案的写作格式。

（向学生提供一个初步成型的设计方案供同学学习，主要是学习设计方案的写作格式。）

（2）明确设计要求。① 能够装200毫升水； ② 要利用容易得到的材料；

③ 能够尽可能地在短时间内使热水器中水的温度升上来。（3）讨论并撰写设计方案。① 需要考虑哪些问题？ ② 采用哪些有效的措施？ ③ 按要求的格式撰写设计方案。2.交流与优化设计方案。•交流设计方案。•优化设计方案。

三、全课总结。

四、课后拓展。

准备制作太阳能热水器的工具和材料。

第三篇：双电源自动转换控制器英文文献

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：《做个太阳能热水器》教学设计

《做个太阳能热水器》教学设计

【教学目标】

科学概念：

1.太阳能热水器是一种光热转换器，具有节能、环保、安全的优点。2．太阳能热水器的效能和所采用的材料、结构、运用的原理有关。

3．产品的设计，不仅要考虑构造，还要考虑材料的选择、依据的科学原理以及如何方便、实用。

过程与方法：

1．能根据研究任务和要求进行有目的的设计。2．按一定的格式写出本小组的设计方案。3．在全班交流介绍方案的设计思路、原理。情感、态度、价值观：

1．乐于合作、交流、反思和改进。2．体会到运用科学知识解决问题的乐趣。

3．体会到任何一种科技产品的开发和设计，融合了多种知识和技术。4．认识到科技的发展能促使人们更好地利用自然资源和自然规律。

【教学重、难点 】

教学重点：经历对太阳能热水器的设计，方案交流和修改完善的过程。

教学难点：了解太阳能热水器的基本构造，了解制造太阳能热水器的基本要求。【课时安排】1课时 【教学准备】

教师演示：有关太阳能热水器和太阳灶的构造及工作原理的课件及图片

分组实验：制作简易太阳能热水器的材料（纸盒、泡沫塑料或棉花、能装水的塑料袋或饮料瓶、玻璃片或塑料薄膜、盒盖、黑色纸、镜子或锡箔纸等）【教学过程】

一、课前预习

预习要求：到太阳能热水器经销店观察太阳能热水器的构造、采访营业员，或者查找资料了解热水器材料、工作原理。

二、引出问题

太阳能热水器是利用多种科学原理设计出来的一种装置。它的构造怎样？

它是如何工作的？

三、深入了解

1.教师利用课件展示太阳能热水器的构造图和工作图,提问：谁能说出它的构造和工作原理？

2.简介太阳能集热器的材料和工作原理。

四、设计方案

1.学生阅读书上的提示与要求

思考：（1）为了使热水器尽快地升温，需要考虑哪些问题？采取哪些措施？

（2）主要应该包括哪两部分？ 选用什么材料做？ 2.阅读书上的设计方案后，学生分组自行设计 3.小组之间交流各自的设计金点子

五、总结与评价

这堂课我们学了那些知识？今天谁课堂表现最佳？

六、课后制作

布置课后制作任务

板书设计

做个太阳能热水器

太阳能热水器 ：集热箱、保温箱、控制系统、支架

我们的设计方案：使用材料、升温和保温措施、设计图

第五篇：基于传递函数的控制器设计

【实验名称】

基于传递函数的控制器设计

【实验目的】

1．熟练掌握用MATLAB语句绘制频域曲线。2．掌握控制系统频域范围内的分析校正方法。

3．掌握用频率特性法进行串联校正设计的思路和步骤。【实验原理】

控制系统设计的思路之一就是在原系统特性的基础上，对原特性加以校正，使之达到要求的性能指标。最常用的经典校正方法有根轨迹法和频域法。而常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正和超前滞后校正装置。本实验主要讨论在MATLAB环境下进行串联校正设计。

1．基于频率法的串联超前校正

超前校正装置的主要作用是通过其相位超前效应来改变频率响应曲线的形状，产生足够大的相位超前角，以补偿原来系统中元件造成的过大的相位滞后。因此校正时应使校正装置的最大超前相位角出现在校正后系统的开环截止频率c处。

例9-1：单位反馈系统的开环传递函数为G(s)K，试确定串联校正

s(s1)装置的特性，使系统满足在斜坡函数作用下系统的稳态误差小于0.1，相角裕度r450。

解：根据系统静态精度的要求，选择开环增益

1s2k1s(s1)essLimsE(s)Limss0s00.1K10

取K12，求原系统的相角裕度。>>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)

%计算系统的相角裕度和幅值裕度，并绘制出Bode图

grid;ans =

Inf

11.6548

Inf

2.4240 由结果可知，原系统相角裕度r11.6，c2.4rad/s，不满足指标要求，系

0统的Bode图如图9-1所示。考虑采用串联超前校正装置，以增加系统的相角裕度。

确定串联装置所需要增加的超前相位角及求得的校正装置参数。

c0(450,0为原系统的相角裕度,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));将校正装置的最大超前角处的频率m作为校正后系统的剪切频率c。则有：

20lgGc(jc)G0(jc)0G0(jc)图9-1 原系统的Bode图

1

即原系统幅频特性幅值等于20lg时的频率，选为c。

根据m=c，求出校正装置的参数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);

%原系统与校正装置串联

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

printsys(numc,denc)

%显示校正装置的传递函数

disp(’校正之后的系统开环传递函数为:’);printsys(num,den)

%显示系统新的传递函数

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%计算指定频率内校正装置的相角范围和幅值范围

[mag,phase]=bode(num,den,w);%计算指定频率内系统新的相角范围和幅值范围

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(’频率(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’]);

图9-2 系统校正前后的传递函数及Bode图 2．基于频率法的串联滞后校正

滞后校正装置将给系统带来滞后相角。引入滞后装置的真正目的不是为了提供一个滞后相角，而是要使系统增益适当衰减，以便提高系统的稳态精度。

滞后校正的设计主要是利用它的高频衰减作用，降低系统的截止频率，以便能使得系统获得充分的相位裕量。

例5-2：单位反馈系统的开环传递函数为，G(s)K

s(0.1s1)(0.2s1)试确定串联校正装置的特性，使校正后系统的静态速度误差系数等于30/s，相角裕度r400，幅值裕量不小于10dB，截止频率不小于2.3rad/s。

解：根据系统静态精度的要求，选择开环增益

KvLimsG(s)Limss0s0K30K30

s(0.1s1)(0.2s1)利用MATLAB绘制原系统的bode图和相应的稳定裕度。

>>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 由结果可知，原系统不稳定，且截止频率远大于要求值。系统的Bode图如图5-3所示，考虑采用串联超前校正无法满足要求，故选用滞后校正装置。

根据对相位裕量的要求，选择相角为1800(50~100,400)处的频率作为校正后系统的截止频率c。确定原系统在新c处的幅值衰减到0dB时所需的衰减量为20lg。一般取校正装置的转折频率分别为

图9-3 原系统的Bode图

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);%原系统与校正装置串联

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

printsys(numc,denc)

%显示校正装置的传递函数

disp(’校正之后的系统开环传递函数为:’);

printsys(num,den)

%显示系统新的传递函数

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%计算指定频率内校正装置的相角范围和幅值范围

[mag,phase]=bode(num,den,w);%计算指定频率内系统新的相角范围和幅值范围

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(’频率(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’]);

图9-4 系统校正前后的传递函数及Bode图

3．基于频率法的串联滞后-超前校正

滞后-超前校正装置综合了超前校正和滞后校正的优点，从而改善了系统的性能。

例9-3：单位反馈系统的开环传递函数为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)，试确定串联校正装置的特性。

解：根据系统静态精度的要求，选择开环增益

KvLimsG(s)K10

s0利用MATLAB绘制原系统的bode图和相应的稳定裕度，如图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

图9-5 原系统的Bode图

由结果可以看出，单级超前装置难以满足要求，故设计一个串联滞后-超前装置。

选择原系统1800的频率为新的截止频率c，则可以确定滞后部分的T2和。其中

111，10。由原系统，c1.58rad/s，此时的幅值为cT2T2100.1c9.12dB。

根据校正后系统在新的幅值交接频率处的幅值必须为0dB，确定超前校正部分的T1。在原系统(c,20lgG0(jc))，即（1.58,-9.12）处画一条斜率为20dB/dec的直线，此直线与0dB线及-20dB线的交点分别为超前校正部分的两个转折频率。

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(’校正之后的系统开环传递函数为:’);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(’频率(rad/sec)’);title([‘校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

图9-6 系统校正前后的传递函数及Bode图

三、实验内容

1．某单位负反馈控制系统的开环传递函数为G(s)4，试设计一超前

s(s1)校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数Kv20s1，相位裕量500，增益裕量20lgKg10dB。

解：根据系统静态精度的要求，选择开环增益

KvLimsG(s)4K20K5

s0利用MATLAB绘制原系统的bode图和相应的稳定裕度，如下图所示。>>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由结果可知，原系统相角裕度r12.758，c4.4165rad/s，不满足指标要求，系统的Bode图如下图所示。考虑采用串联超前校正装置，以增加系统的相角裕度。

确定串联装置所需要增加的超前相位角及求得的校正装置参数。

c0(450,0为原系统的相角裕度,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));将校正装置的最大超前角处的频率m作为校正后系统的剪切频率c。则有：

20lgGc(jc)G0(jc)0G0(jc)1

即原系统幅频特性幅值等于20lg时的频率，选为c。

根据m=c，求出校正装置的参数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);

%原系统与校正装置串联

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

printsys(numc,denc)

%显示校正装置的传递函数

disp('校正之后的系统开环传递函数为:');printsys(num,den)

%显示系统新的传递函数

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%计算指定频率内校正装置的相角范围和幅值范围

[mag,phase]=bode(num,den,w);%计算指定频率内系统新的相角范围和幅值范围

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(’频率(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 校正之后的系统开环传递函数为:

num/den =

6.5178 s + 20

-----

0.06387 s^3 + 1.0639 s^2 + s

2．某单位负反馈控制系统的开环传递函数为G(s)k，试设计一个合3(s1)适的滞后校正网络，使系统阶跃响应的稳态误差约为0.04，相角裕量约为450。

解：根据系统静态精度的要求，选择开环增益

1sk1(s1)3essLimsE(s)Limss0s00.04K24

利用MATLAB绘制原系统的bode图和相应的稳定裕度，如图下所示。>>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;

由结果可知，原系统不稳定。系统的Bode图如图所示，考虑采用串联超前校正无法满足要求，故选用滞后校正装置。

根据对相位裕量的要求，选择相角为1800(50~100,400)处的频率作为校正后系统的截止频率c。确定原系统在新c处的幅值衰减到0dB时所需的衰减量为20lg。一般取校正装置的转折频率分别为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);%原系统与校正装置串联

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

%显示校正装置的传递函数 disp(’校正之后的系统开环传递函数为:’);printsys(num,den)

%显示系统新的传递函数

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%计算指定频率内校正装置的相角范围和幅值范围

[mag,phase]=bode(num,den,w);%计算指定频率内系统新的相角范围和幅值范围

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(’频率(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’]);