現(xiàn)代反饋控制理論在電力載波通信教學(xué)實踐中的應(yīng)用

馮曉虹?王勇

摘要：在“電力載波通信原理”課程教學(xué)改革實踐中，在原有教學(xué)內(nèi)容體系上增加了新的知識點，主要是現(xiàn)代反饋控制理論在電力載波通信中的應(yīng)用，很好地體現(xiàn)了理論與實踐的結(jié)合，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力、分析和解決工程實踐問題的能力。

關(guān)鍵詞：電力線載波通信；自動增益控制；自動電平控制；直流伺服環(huán)路

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0069-02

“電力載波通信原理”是講授電力系統(tǒng)利用電力線傳輸語音和數(shù)據(jù)的基本理論及實現(xiàn)方法的課程，[1]是電力通信專業(yè)重要的專業(yè)課，包括理論教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)。該課程在介紹通信原理的基礎(chǔ)上講述了電力通信相關(guān)知識，如電力線載波通信原理等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多學(xué)科交叉滲透，該課程內(nèi)容有了較大充實。為了在有限的學(xué)時中引導(dǎo)學(xué)生盡快入門，提高學(xué)生的理論分析能力與實踐能力，筆者引入了一些新的理論和方法，在理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩個方面進行了一定的探索和研究。本文以幅度反饋理論的應(yīng)用為例介紹了現(xiàn)代反饋控制理論在電力載波通信中的應(yīng)用。

一、幅度反饋理論在電力線載波通信中的應(yīng)用

在載波通信原理教學(xué)中有一個重要的知識點是穩(wěn)定電力線載波信號幅度的理論和方法，其主要內(nèi)容包括電力線載波信號穩(wěn)幅的基本原理（主要是自動增益控制原理）、幅度反饋穩(wěn)定性分析和工程實現(xiàn)方法。課程中介紹了較多的基本原理，但對反饋穩(wěn)定性分析和工程應(yīng)用的介紹較少。學(xué)生在實現(xiàn)與此相關(guān)的課題時（如“簡易電力線載波機設(shè)計”課程設(shè)計），一般采用教科書上介紹的自動增益控制（AGC）電路，但載波信號的幅度不是特別穩(wěn)定，而且不能準確地設(shè)置和控制載波功率的大小。[2]

為了解決該問題，在課程教學(xué)中應(yīng)注重啟發(fā)學(xué)生利用現(xiàn)代反饋控制理論改進實驗電路：將自動增益控制電路改進為自動電平控制（ALC）電路，在單片機的控制下成功地實現(xiàn)載波功率的設(shè)置；為了解決ALC電路中運算放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫度漂移等因素對載波功率穩(wěn)定性的影響，引導(dǎo)學(xué)生拓寬思路，在ALC電路中采用鎖相環(huán)中廣泛應(yīng)用的有源比例積分放大器代替一般AGC電路中的固定增益放大器。理論和實踐證明，改進后的電路不僅帶來了更好地穩(wěn)定載波幅度的效果，而且能夠?qū)崿F(xiàn)載波幅度的精確控制和顯示。

二、改進前的電路——AGC電路

1.AGC電路簡介

傳統(tǒng)電力線載波機中的AGC電路原理如圖1所示。

圖1所示的AGC電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)由檢波器、低通濾波器和直流放大器組成。檢波器檢測出載波輸出信號振幅（有效值電平或峰值電平），經(jīng)低通濾波器濾去不需要的高頻分量，然后進行適當(dāng)放大后控制可變增益放大器的增益。反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的原則是：當(dāng)載波輸出信號幅度增大，檢波器檢測出的信號也隨之增大，直流放大器產(chǎn)生一個較小的電壓，控制可變增益放大器的增益趨于減??；反之當(dāng)載波輸出信號幅度減小，檢波器檢測出的信號也隨之減小，直流放大器產(chǎn)生一個較大的電壓，使可變增益放大器的增益趨于增大。[1]無論何種情況，通過環(huán)路不斷地循環(huán)反饋，使得載波輸出信號幅度保持不變或僅在較小范圍內(nèi)變化。

由于電力線載波通信需要采用調(diào)幅技術(shù)來傳輸信息（語音和數(shù)據(jù)），因此環(huán)路中的低通濾波器非常重要。由于發(fā)射功率變化、距離遠近變化、電波傳播衰落等原因引起的信號強度變化是比較緩慢的，所以整個環(huán)路應(yīng)具有低通傳輸特性，這樣才能保證AGC電路僅對載波信號電平的緩慢變化有控制作用。[3]當(dāng)載波輸入信號為模擬調(diào)幅信號或數(shù)字基帶調(diào)幅信號（ASK）時，為了使調(diào)幅波的包絡(luò)變化不被AGC電路的控制作用抵消，必須恰當(dāng)選擇低通濾波器的頻率響應(yīng)特性，使其對高于某一頻率的調(diào)制信號的變化無響應(yīng)，而僅對低于這一頻率的緩慢變化有控制作用，這主要取決于低通濾波器的截止頻率。

2.AGC電路的缺陷

圖1所示的AGC電路有以下缺陷：一是載波放大器的輸出幅度不夠穩(wěn)定；二是不能準確的設(shè)置和顯示載波信號的輸出幅度；三是在穩(wěn)定幅度的過程中容易產(chǎn)生過沖現(xiàn)象。

產(chǎn)生第一個現(xiàn)象的原因是不僅反饋網(wǎng)絡(luò)中的檢波器存在較嚴重的溫度漂移現(xiàn)象，運算放大器也存在溫度漂移、失調(diào)電壓、失調(diào)電流等各方面的影響。由于直流放大器具有固定的增益，上述現(xiàn)象造成的電壓變化被直流放大器固定放大因而產(chǎn)生變化的控制電壓，造成載波信號幅度的波動。造成第二個現(xiàn)象的原因是反饋網(wǎng)絡(luò)中缺少一個可變的參考電壓，無法對載波放大器的輸出幅度進行準確的比較和判斷（有一些電力線載波機的AGC電路中包括一個參考電壓，但通常是固定電壓，不能作為可變的電壓參考）。第三個現(xiàn)象的產(chǎn)生是反饋網(wǎng)絡(luò)中的低通濾波器造成的，由于低通濾波器的截止頻率設(shè)計的相當(dāng)?shù)停榱诉m應(yīng)低速率基帶信號的傳輸，這一點是絕對必要的），而帶寬很窄的低通濾波器的瞬態(tài)特性往往很差，當(dāng)載波信號幅度瞬間產(chǎn)生變化時，低通濾波器的響應(yīng)較慢且有明顯的充放電過程，因此帶來載波信號幅度的起伏。[4]為解決上述缺陷帶來的問題，考慮采用ALC電路取代AGC電路。

三、改進后的電路——ALC電路

1.經(jīng)典ALC電路簡介

經(jīng)典ALC電路原理如圖2所示。

與圖1所示的AGC電路相比，圖2的ALC方案作了兩個重要改進：一是用瞬態(tài)特性良好的Bessel低通濾波器取代普通的低通濾波器，用以改善載波輸出信號的瞬間起伏；[4]二是用積分器取代固定增益的直流放大器，同時由單片機控制的DA變換器產(chǎn)生一個可變的參考電壓UR作為積分器的電壓基準，從而將載波幅度的穩(wěn)定過程轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)調(diào)節(jié)過程。這樣有兩個優(yōu)點：一是無論反饋網(wǎng)絡(luò)中的檢波器或運算放大器性能如何，只要參考電壓UR穩(wěn)定且積分器本身失調(diào)小，載波輸出信號幅度都能實現(xiàn)穩(wěn)定；二是改變參考電壓UR的大小可以達到新的動態(tài)平衡，從而實現(xiàn)載波信號幅度的程控。

ALC電路的工作原理是：載波輸出信號首先經(jīng)檢波器檢測出信號的包絡(luò)電平，該信號經(jīng)低通濾波器濾去不需要的高頻分量后送到積分器的反相端（通常是直流電壓），將可變的參考電壓UR加到積分器的同相端作為積分電壓基準；當(dāng)載波輸出信號幅度增大時，加到積分器反相端的直流電壓也隨之增大，若該電壓大于參考電壓UR，積分器輸出一個負斜率的電壓（積分器反相積分），這個電壓作用到可變增益放大器上，使可變增益放大器的增益趨于減小，載波輸出信號幅度隨之減??；當(dāng)載波輸出信號幅度減小時，加到積分器反相端的直流電壓也隨之減小，若該電壓小于參考電壓UR，積分器輸出一個正斜率的電壓（積分器同相積分），這個電壓作用到可變增益放大器上，使可變增益放大器的增益趨于增大，載波輸出信號幅度隨之增大。這兩種情況下，加到積分器反相端的直流電壓都以參考電壓UR的大小為平衡點來變化。若環(huán)路參數(shù)設(shè)計適當(dāng)，最終使得加到積分器反相端的直流電壓等同于參考電壓UR，載波信號幅度保持不變。由此可見，改變參考電壓UR的大小可以達到新的平衡點，從而可以實現(xiàn)載波信號幅度的程控和顯示。

2.經(jīng)典ALC電路的缺陷和解決方法

采用積分器取代固定增益直流放大器來實現(xiàn)載波信號幅度的自動控制會帶來一個問題，即載波信號幅度會出現(xiàn)低頻的周期性起伏過程。其原因是積分器的輸出是以參考電壓UR的大小為平衡點，是一個動態(tài)調(diào)節(jié)的過程，若電路形式不合適或環(huán)路參數(shù)設(shè)計不當(dāng)往往造成載波信號的幅度不能穩(wěn)定在平衡點上而是圍繞著平衡點周期性的振蕩，造成載波信號幅度的不穩(wěn)定，[4]這一問題也常常出現(xiàn)在鎖相環(huán)的工作工程中。

為了解決該問題，考慮采用帶阻尼的有源比例積分放大器代替普通的積分器，具體電路如圖3所示，[4，5]在此采用的是二階有源比例積分放大器。

為了兼顧數(shù)據(jù)通信的要求，積分器設(shè)計了兩種不同的低頻截止頻率，分別是200Hz和1.5KHz，用電子開關(guān)進行切換。電路參數(shù)需要根據(jù)要求進行設(shè)計，一是積分器的兩組時間常數(shù)τ11、τ12和τ21、τ22，通過時間常數(shù)可以計算出電路中各個元件參數(shù)并驗證低通濾波器的截止頻率fc1和fc2，不能大于要傳輸?shù)恼Z音和數(shù)字基帶信號的速率；二是根據(jù)理論分析確定阻尼常數(shù)ξ，由ξ的大小可以評估積分器的穩(wěn)定性。在具體電路中，采用電位器W1來調(diào)節(jié)阻尼常數(shù)ξ，通過電位器的調(diào)節(jié)，學(xué)生能夠觀察到載波信號幅度的低頻起伏過程及消除過程。

3.二階有源比例積分器的理論計算

二階有源比例積分器的理論計算不是一個復(fù)雜的課題，由于應(yīng)用環(huán)境是電力線載波通信，所以需要考慮電力線載波通信的具體要求。對于兼顧語音通信（載波電話）和數(shù)據(jù)通信（數(shù)據(jù)傳輸和抄表）的電力線載波機，其語音通信最低頻率為300Hz，最高頻率為3.3KHz，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹退俾蕿?40B/s，最高速率為8KB/s，[6]根據(jù)這項要求確定二階有源比例積分器的最小帶寬約為200Hz；在應(yīng)用于高速率數(shù)據(jù)傳輸時，由于占用帶寬更寬，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，將二階有源比例積分器的帶寬設(shè)計為1.5KHz，兩者采用電子開關(guān)進行切換。電路中元件參數(shù)的設(shè)計過程如下：

3）計算τ12：根據(jù)τ12=2ξ/ωn，計算得τ12=4.6ms，再根據(jù)τ11=R2C1，求得R2約為1KΩ。

（2）1.5KHz帶寬的相關(guān)參數(shù)計算。1.5KHz帶寬相關(guān)參數(shù)的計算與200Hz帶寬計算過程相似，在此環(huán)路帶寬ωc=2288rad/s。由于環(huán)路帶寬的增加，電容C2的數(shù)值應(yīng)當(dāng)相應(yīng)減小，調(diào)整為0.1uF。計算結(jié)果是：τ21=190us，R1約為2KΩ；τ22=613us，R3約為6.2KΩ（應(yīng)用時為了切換帶寬方便，將兩種帶寬共用一個電阻R1，這也是調(diào)整電容大小的依據(jù)之一）。最終確定的各項參數(shù)如圖3所示。

四、結(jié)論

本設(shè)計的內(nèi)容和難度已超出本科生教學(xué)大綱的要求，在指導(dǎo)教師的啟發(fā)和幫助下，學(xué)生能夠發(fā)揮主觀能動性，通過查閱并借鑒參考文獻，完成對系統(tǒng)模型、控制方法、系統(tǒng)設(shè)計、電路仿真及實物制作的流程，進行一次較系統(tǒng)的科技方法訓(xùn)練。在整個課題設(shè)計和制作階段，學(xué)生們不僅鞏固了理論教學(xué)的內(nèi)容，還自發(fā)融入了其他課程及參考資料中的方法，真正得到了一次理論與實際相結(jié)合的鍛煉。

參考文獻：

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[3]B.Williams，F(xiàn)red J.Teaylor.電子濾波器設(shè)計[M].寧彥卿，姚金科，譯.北京：科學(xué)出版社，2008.

[4]許建軍.數(shù)字化電力線載波通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[5]王思彤，袁瑞銘，孫志杰.低壓電力載波技術(shù)及其在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電測與儀表，2008，45（507）：31-34.

[6]羅漢武，蔡偉，樂健.電力線載波通信信道特性的影響因素分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（7）：73-78.

（責(zé)任編輯：孫晴）