控制器设计论文范文

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第1篇

OPC作为微软公司的对象链接和嵌入技术应用于过程控制领域，为工业自动化软件面向对象的开发提供一项统一的标准，解决了应用软件与各种设备驱动程序之间的通信问题。它把硬件厂商和应用软件开发商分离开来，为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，大大提高了双方的工作效率。应用程序与OPC服务器之间必须有OPC接口，OPC规范提供了两套标准接口:Custom标准接口和OLE自动化标准接口，通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。OLE自动化标准接口定义了以下3层接口，依次呈包含关系。OPCServer(服务器):OPC启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回OPCGroup类对象。OPCGroup(组):存储由若干OPCItem组成的Group信息，并返回OPCItem类对象。OPCItem(数据项):存储具体Item的定义、数据值、状态值等信息。3层接口的层次关系如图2所示。

2菇棚温度控制系统的设计

2．1菇棚的温度控制原理

宁夏南部山区杏鲍菇生产基地采用大棚式培养方式，作为对杏鲍菇生长起最重要影响的因素，温度显得尤为重要［8］。菇棚温度采用自动记录仪对温度进行检测，利用空调对菇棚温度进行调节。由于温度控制系统具有大时变、非线性、滞后性等特点，采用模糊控制非常合适［9－10］。本文对菇棚的温度进行了控制设计，最终采用模糊PID控制方案，达到对温度的实时控制，从而将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。菇棚温度控制系统的原理如图3所示。图3中，虚线框内的部分在工业控制环境中大多由PLC等控制设备完成，而这些设备很难实现模糊PID的控制功能。因此，将虚线框部分在Simulink中实现，把在Simulink中创建的模糊PID控制器直接应用到现场设备中。菇棚实时温度控制系统原理图如图4所示。图4中，该系统以PCACCESS软件作为OPC服务器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模块和OPCRead模块与Simulink进行数据交换。传感变送装置检测温度后将电信号传送给S7－200PLC的模拟量输入模块EM231，经过A/D转换后得出温度值;PCACCESS软件从PLC中读取温度值，通过OPCRead模块传送给Simulink;在Simulink中与设定的温度值进行比较后，进行模糊PID计算，将结果通过OPCWrite模块传送给PCACCESS软件，经PCACCESS软件写入到PLC中，计算分析得出数字量，输出到模拟量输出模块EM232，经D/A转换为电信号送给温控装置(空调)，实现对菇棚温度的模糊PID控制。

2．2模糊PID控制系统

2．2．1模糊PID控制器的设计菇棚的温度控制系统是一个复杂的非线性系统，很难建立精确的数学模型，而常规的PID控制则需建立被控对象的精确数学模型，对被控过程的适应性差，算法得不到满意的控制效果。单纯使用模糊控制时，控制精度不高、自适应能力有限，可能存在稳态误差，引起振荡［11－12］。因此，本文针对PID控制和模糊控制的各自特点，将两者结合起来，设计了模糊PID控制器，可以利用模糊控制规则对PID参数进行在线修改，从而实现对菇棚温度的实时控制，将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。基于上述分析，将菇棚温度作为研究对象，E、EC作为模糊控制器的输入，其中E为设定温度值与实际温度值的差值。PID控制器的3个参数KP、KI、KD作为输出。设输入变量E、EC和输出变量的KP、KI、KD语言值的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，误差E和误差变化率EC的论域为{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的论域为{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的论域为{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的论域为{－3，－2，－1，0，1，2，3}。为了论域的覆盖率和调整方便，均采用三角形隶属函数。根据对系统运行的分析和工程设计人员的技术知识和实际操作经验，得出KP、KI、KD的模糊控制规则表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系统的模糊PID控制器的模型，如图5所示。2．2．2系统的仿真菇棚温度的传递函数采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α为惯性环节时间常数，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，为纯滞后时间。设定菇棚温度值为15℃，常规PID控制器的仿真结果如图6所示，模糊PID控制器的仿真结果如图7所示。结果表明，菇棚温度控制系统采用模糊PID控制器具有超调小、抗干扰能力强等特点，能较好地满足系统的要求。

3Simulink与S7－200PLC数据交换的实现

PCACCESS软件是专用于S7－200PLC的OPC服务器软件，它向作为客户机的MATLAB/OPC客户端提供数据信息。在菇棚温度控制系统中，模糊PID控制器的输出值和反馈值就是Simulink与S7－200PLC进行交换的数据。实现数据交换的具体步骤如下:1)打开软件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，单击右键设置“PC/PG”接口，本文选用“PC/PPI(cable)”。然后，右键单击“MicroWin(USB)”进入“新PLC”，添加监控S7－200PLC，本文默认名称为“NewPLC”。右键单击所添加的新PLC的名称，进入“NewItem”添加变量，本文为输出值“wendu1”和反馈值“wendu2”，设置完成，如图8所示。PCACCESS软件自带OPC客户测试端，客户可以将创建的条目拖入测设中心进行测试，观察通信质量，如图9所示。测试后的通信质量为“好”。2)打开MATLAB，在工作空间输入命令“opctool”后，将弹出OPCTool工具箱的窗口，在该窗口的MAT-LABOPCClients对话框下单击右键，进入“AddClient”添加客户端，用户名默认“localhost”，ServerID选择“S7200．OPCServer”;与PCACCESS软件连接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加组和项，把在PCACCESS软件中创建的两个变量“wendu1”和“wendu2”添加到项中，操作完成后结果如图10所示。3)新建Simulink文件，导入模糊PID控制器模型，调用OPCWrite模块、OPCRead模块和OPCConfigura-tion模块，设置OPCWrite模块和OPCRead模块的属性，把OPC工作组中的变量“wendu1”添加到OPCWrite模块中，把变量“wendu2”添加到OPCRead模块中，设置完成后两个模块与控制器相连，如图11所示。这样，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID实时温度控制系统的设计就完成了。

4结论

第2篇

关键词：数字路灯照明双微处理器PIC16F877PIC16F873

前言

公共照明系统广泛采用高压钠灯（highpressuresodiumlamp）或金属卤化物灯（metallichalidelamp），传统照明系统经常采用电感镇流器，照明灯具采用统一开关控制方案。

随着数字技术和网络技术的发展，公共照明数字化和网络化已经成为一种必然趋势。节约能源、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保证城市夜间出行安全等，已经成为对公共照明系统的一项基本要求。本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。该系统在国内首次实现了远程单个路灯节点的任意监控，并重点介绍了系统的核心设备——组群控制器的作用、组成、工作原理是以及主要软件结构框图。

1数字路灯照明系统

图1给出了数字路灯系统的系统组成原理图。在该系统中，每个路灯节点采用全数字化电子镇流器，可以实现0%、50%、80%、100%功率输出，可以随时发送路灯的电流、电压信息，并具有开路、断路和路灯老化报警功能。每一个路灯节点内包含一个电力载波通信（PLC）模块，利用电力载波模块实现路灯节点之间以及路灯节点与组群控制器之间信息通信。组群控制器采用双CPU结构，负责日常系统的正常运行控制，并可以随时响应上位管理计算机发出的指令。组群控制器与照明管理计算机通过GSM/GPRS短信方式实现正常情况下的通信。在组群控制器发生故障的情况下，照明管理计算机可以通过GSM/GPRS直接实现路灯线路的开关控制，实现系统安全双保险。照明管理计算机采用地理信息系统（GIS）技术，实现图形化动态实时监控管理。

图2

2组群控制器工作原是与系统组成

2．2组群控制器系统组成

图2给出了一种组群控制器设计方案。它包括CPU模块、线路状态检测模块、交流接触器驱动模块、后备电源模块、时钟模块、控制策略模块、电能计量模块、温湿度检测模块、GSM通信模块和电力载波通信模块。CPU模块采用CPU结构。主微控制器采用高性能、8位、40引脚、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC单片机PIC16F877，负责与GSM通信模块和电力载波模块通信，与交流接触器驱动控制，与实时时钟的读取和校准以及根据照明控制策略发送控制指令等功能。从微控制器采用与主微控制器同一系列的高性能8位、28引脚、多路8位A/D、具有4KBFlash的RISC单片机PIC16F873。该控制器负责管理电能计量模块、后备电源及监控模块、温湿度监控模块和线路状态检测模块等。

图3

2.3双CPU通信方法与RS-485通信

虽然PIC16F87x系列单片机通信接口丰富，但是，整个系统通信复杂，接口资源仍然很紧张。主从CPU的可靠通信，是组群控制器可靠工作的关键之一。

根据资源分配，主微控制器PIC16F877与从微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主从方式通信。根据系统端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3来模拟硬件SPI口，即软件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件资源分配给E2PROM24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在从模式下，PIC16F877需要选用一个普通I/O口（这里是RB4）与PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相连，控制SI通信的发起与结束，如图3所示。每次通信都是由PIC16F877发起，PIC16F873响应。

图4

电能计量模块为单独模块，能够测量供电线路的电压、电流、功率、功率因数等参数，并具有标准的RS-485接口。为此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通过RS485接口变换，与电能计量模块JP1相连。这里MAX485芯片作为485总线接口转换芯片，用RC2作为RS-485总线通信输入/输出使能控制端，控制信号的读入和送出。

2．4交流接触器控制与状态保持

组群控制器的一项重要任务是通过固体继电器SSR和交流接触器实现照明线路供电控制。固体继电器为DC3～24V输入，AC220V输出，其输入由NPN型三极管9013驱动。由于系统实际运行过程中存在各种干扰，若则相关引脚很可能会出现跳变信号或三态，造成交流接触器误动作。因此“锁定”复位前状态，对保证系统可靠性非常重要。这里采用了由1个D触发器、1个光耦、3个电阻和3个I/O引脚组成的采样/保持电路，如图4所示。D触发器复位端R和置位端S分别接地，数据端D接CPU的数据控制端RE0，时钟端CLK通过光耦TIP521接CPU的时钟产生控制端RE1和RE2。保持电路的关键在于RE0、RE1、RE2单个引脚误动作无法产生有效时钟和控制指令。即使CPU发生复位，由RC0脚读回固态继电器当前工作状态，并将RE0输出（D触发器输入）置成该状态，进而保证SSR不产生误动作。电阻R32为上拉电阻，保证RE2出现三态时光耦不产生误导通。电阻R33起限流作用。实际证明该电路是有效的。

图5

2．5时钟与控制策略

要实现自动定时控制，系统时钟和系统预存控制策略是关键。组群控制器采用DS1302时钟芯片，为系统提供实时时钟。DS1302是一种带备份电源的、8脚、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗时钟芯片，提供秒、分、时、日、周、月、年日历功能。I2C串行总线SCL和SDA分别需要一个上拉电阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）与DS1302通信，如图5所示。组群控制器可以实现远程时钟校准。

图6

组群控制器将每日控制策略时间表Table1、季节划分时间表Table2、季节控制策略时间表Table3和节假日控制时间表Table4存储在E2PROM24C64中。24C64是容量为8KB、支持两线的I2C串行通信、1000000次擦写的E2PROM。主微控制器PIC16F877采用2个普通I/O口（RD1和RD2）模拟I2C串行总线，即实现软件I2C总线接口。组群控制器根据读得的日历信息和时间信息，对照各种控制策略时间表，开关灯及调光控制指令。

2．6软件实现

组群控制器软件分为主微处理器软件和从微处理器软件。主微控制器一方面负责通过GSM与照明管理计算机（简称上位机）通信，接收、解析和执行上位机发来的各种命令，并将执行结果发送给上位机；另一方面，主控制器在没有GSM信息的情况下，完成其它一些任务，软件流程图如图6所示。图7给出了从微控制器软件的简要流程图。

第3篇

关键词：CAN_BUS调试系统通信协议

磁悬浮转向架的悬浮由四组电磁铁实现，每组电磁铁都有独立的悬浮控制器，控制该点的悬浮与下落。为了获得最优的控制参数，需要在整个转向架的悬浮过程中通过上位机监视轨道与电磁铁之间的间隙、电磁铁工作电流等状态参数以及悬浮控制器的控制参数，动态地修改控制参数以观察控制效果。

悬浮控制器之间是相互独立的，上位机无法同时监控多个悬浮控制器，因此需要找到合理的通信方式使上位机同时与所有的控制器连接，使它们之间能够实时传递数据。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的多主的异步串行通信网络。由于CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，适合高噪声环境，具有较远的传输距离，在各个领域中得到了广泛应用。CAN通信协议规定通信波特率、每个位周期的取样位置和个数都可以自行设定，这保证了用户在使用过程中的灵活性。选用CAN总线，无论是在抗电磁干扰方面还是在实时性方面都能够满足实验要求。

图1

1调试系统硬件端口的设计

悬浮控制器使用SJA1000作为CAN总线协议转换芯片。SJA1000是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它内建BASICCAN协议，并提供对CAN2．0B协议的支持。通过对片内寄存器的读、写操作，悬浮控制器的核心处理器能够设置CAN总线通信模式，实现数据的发送与接收。它的传输速度很快，位速率可达1Mbit／s，可满足高速大流量实时传输要求。

SJA1000在逻辑上实现了传输数据的编码和解码，若要与物理线路连接，必须借助总线驱动器。PCA82C250是协议控制器与物理链路之间的接口，可以用高达1Mbit／s的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据，它与SJA1000结合才能实现CAN总线通信。

图1为CAN总线接口电路原理图。图中，SJA1000用16MHz的晶振作为基准时钟，数据线AD0～AD7与核心控制器的低八位数据线相连，在CS、RD、WR的控制下可实现芯片寄存器的读写。RX0和TX0与PCA82C250数据输入引脚相连，作为串行数据线。RX1与PCA82C250的参考电压引脚5相连，向PCA82C250输出参考电压。PCA82C250的两根输出数据线之间加上120Ω的终端电阻，用以匹配线路。

上位机通过专用的USBTOCAN转换器实现PC机与CAN总线的连接，市场上有很多这类产品，这里不再详细说明。上位机主要提供人机交互界面，显示状态和控制器参数，并完成参数与程序的下载。

2通信协议构建

DSP控制器上的CAN总线端口要完成两项工作：(1)上传控制器的控制常量和电流、间隙等状态参数，送给检测系统；(2)读取上位机下传的待修改的控制参数，实现参数的在线修改，接收下传的程序文件，实现DSP主程序的在线写入。

在调试过程中，实现多DSP系统的在线联调是很有效的调试手段。这样，上位PC机不但能够采集各控制器的状态参数，还能够对采集的数据进行整理与显示，并能实时调整不同控制器的控制参数，最终实现控制器运行程序的远程下载。

为实现CAN总线的数据传送，需要定义参数包、程序包、命令包三种传送数据包，并分别由0x11、0x22、0x33标示出来。根据数据传送方向的不同，数据包的格式略有差异。考虑到CAN总线上的节点较多，为避免数据传送过程中出现混乱的情况，定义数据发送的基本数据包大小为8个字节，即CAN总线一次传送的最大字节数为8。

2．1下传数据协议

下传数据包括程序、参数、命令三种数据类型。

2．1．1参数数据包格式

上位机需要下传的数据包括控制参数C1、C2、C3及给定间隙与电流，根据修改需要，每个参数都是单独下传的。下传数据包的大小与CAN的最大有效传送字节数一致，为8个字节。第一个字节指出数据包的类型(用Oxll标示)，第二个字节指出参数类型(用0xx7标示)，第三字节至第八字节指出传送的有效数据，对应上面给定参数的参数标示依次为0x17、0x27、0x37、0x47、0x57。图2所示为数据包的一般格式。

2.1.2程序数据包格式

FLASH写入文件较大，一般有几十K字节。控制系统采用的FLASH芯片AT29C010以128字节为基本操作单位。为了适应芯片，可将文件分成128字节的数据段，并为每个数据段标定次序。发送时，标出数据段号及该片数据所处段中的位置即可。控制器接收到128字节后，做一次写入FLASH操作，数据包格式及说明见图3。

2．1．3命令数据包格式

命令数据指出对下传参数的操作，Oxx7+0x44表示对某一参数的修改生效，如：0x17+0x44使能C1，0x27+0x44使能C2，0x37+0x44使能C3。如果修改的参数不能满足控制要求，调试员希望能恢复原来的运行参数，因此定义0x55为修改参数恢复命令，如：0x17+0x55恢复C1，0x27+0x55恢复C2，0x37+0x55恢复C3。0x66+0x66表示将下传数据写入最后的FLASH参数存储区。命令数据包格式如图4所示。

2.2上传数据协议

上传数据包的大小也为8个字节，数据包类型分为参数反馈、命令反馈两种，参数反馈用于上传DSP的实际运行控制参数及间隙、电流等状态信息，命令反馈用于对PC机使能、写入、参数恢复等命令的应答。

上传数据依次为控制参数C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE。数据类型标示依次为0x17、0x27、0x37、0x47、0x57、0x67。由于上位机要同时接收多个控制器上传的数据，所以为了正确区分这些参数，需要给上传的数据包加入端口标示，指出数据包来自哪个总线端口。上传的数据包在前面格式的基础上还要加入对应于各控制器的CAN总线端口号。

上传命令是对总线通信出现异常情况的应答，因为控制器随时将控制参数上传，且参数字节数较少，出错的可能性较低，不需配备应答命令；而上传程序的数据量较大，容易出现错误，必须配备应答命令，指示程序写入过程。

因为控制器是周期性地扫描SJAl000的接收缓冲区，当总线连接的节点较多时，数据量较大，难免会发生数据漏收的情况；而且控制器对外部中断的响应也会影响扫描周期，使接收缓冲区中未来得及读取的数据被新数据冲掉。当控制器发现应接收的数据位置与已接收到的数据位置不符时，控制器发差错命令给上位机，指出应接收的数据段号及位置，上位机接收到这一信息后重发相关数据。发送数据包包含CAN端口字节、命令标示、段号、位置号等信息。通信过程中也可能出现发送数据与接收数据不符的情况，因此有必要引入数据校验算法。控制器将接收到的128字节校验后得到的校验值与接收到的校验值作比较，一致后才将数据写入FLASH；否则反馈回校验值错误信息，上位机重发该段数据。发送数据包包含CAN端口字节、命令标示、段号、重发标示(0x88)等信息。

图5

3通信程序设计流程

3．1控制器通信流程

控制器的通信部分主要在主程序循环中完成。每次主程序循环中，控制器都向调试系统发送当前C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE等信息；一旦接收到调试系统下传的信息，控制器便分析下传信息的性质，对它们分别进行判别与应答。

图5是控制器的通信流程。控制器上电后，程序从FLASH的参数存储区(最后256个字节)读取控制参数值，存人控制参数缓存中，作为参数初值。同时，控制器通过CAN总线接收上位机下传的控制参数，校验后存入控制参数缓存中。一旦接收到参数使能命令，则将缓存中的数据复制给C1、C2、C3等变量，作为实际的工作参数；调试完毕后，在接收到参数写入命令后，将参数写入FLASH的参数存储区，作为永久工作参数。接收到程序数据包后，控制器首先检验数据的次序，保证接收到的数据按次序排列；接着代入校验算法，将计算得到的校验值和接收的校验值作比较，不一致则给上位机反馈校验值错误命令，要求上位机重发该段程序，否则将数据写入FLASH。图中监控信息的发送周期可根据情况确定。

3．2上位机通信流程

上位机是调试员与控制系统的接口，它显示控制器的上传参数，将调试员需要修改的控制参数下传。为完成上述功能，调试界面应包括参数显示窗口、参数输入窗口、命令工具条等，必要的话，还应将状态参数以曲线的形式显示出来。调试人员根据状态曲线调整控制参数。

第4篇

关键词：传感器；AD转换；控制器；硬件电路

引言

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。

一、系统设计方案比较说明

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：

(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。

针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

二、工作原理

基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。

工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。

三、硬件设计

液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。

3.1单片机

单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。

3.2传感器

传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。

3.3键盘电路

P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。

3.4液位显示电路

液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。

3.5AD转换电路及控制输出

AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。

四、软件设计

4.1键盘程序

由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。

值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。

五、结束语

基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。

参考文献：

[1]黄智伟.传感器技术.2002，21（9）：31～33

第5篇

1．1被控对象分析

蒸发器的示意所示，其工作流程大致可描述为：待浓缩的稀液从蒸发器上部进入蒸发器E1201，吸收过热蒸汽提供的热量，稀液中的水分变成二次蒸汽从蒸发器顶部排出，浓缩液从蒸发器底部排出；浓缩液浓度不能在线测量；稀液流量为F1201，稀液管线上设阀门V1201；浓缩液流量为F1202，浓缩液管线上设阀门V1202；二次蒸汽流量为F1203，二次蒸汽管线上设阀门V1203；从蒸发器中部通入满足工艺要求的过热蒸汽，蒸汽流量为F1105，过热蒸汽管线上设阀门V1105；换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。蒸发器为真空操作，蒸发器液位为L1201，温度为T1201，压力为P1201。

1．2工艺流程分析蒸发器的工艺流程可以具体描述为：

1）打开稀液流量阀V1201，向蒸发器E1201注入稀液，并使蒸发器液位稳定在80％左右。

2）打开过热蒸汽流量阀V1105和二次蒸汽流量阀V1203，向蒸发器通入过热蒸汽，使蒸发器温度达到108℃，并保持稳定。

3）待浓缩液浓度达到7．5％时，开启浓缩液流量阀V1202，开始连续出料，使浓缩液流量达到4．63kg／s，并保持流量平稳。

2系统总体方案设计

2．1控制要求与技术指标

（1）控制要求

基础过程控制（BPCS）的任务是保证蒸发器温度、浓缩液浓度以及浓缩液流量均符合工艺要求。根据工艺要求可以将BPCS的控制任务分解为：建立蒸发器液位、提升蒸发器温度、蒸发器提升负荷运行、浓缩液浓度控制、蒸发器温度控制、蒸发器液位控制、浓缩液流量控制。

（2）系统安全要求

现代过程控制系统包括基本过程控制系统(BPCS)和安全仪表系统（SIS）。蒸发过程可能会出现蒸发器内压力过大而引起事故，因此SIS系统的设计非常重要。

2．2控制系统总体方案设计

考虑到安全可靠和经济适用的同时兼顾，本方案选择了西门子的PLCS7416－2F，与PCS7BOX构成冗余结构，两个CPU同时具有基础控制系统（BPCS）和安全控制系统（SIS）的功能，正常运行状态下PCS7BOX执行BPCS功能，PLCS7416－2F执行SIS功能。BPCS系统和SIS系统共用一个工程师站和一个操作员站，这样避免了传统DCS和SIS之间复杂的数据处理，节省了成本与安装费用，系统中备件品种少，经济性好，并且可以互为代用，便于维护。BPCS系统与SIS系统之间的通信连接采用光纤实现，使系统的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互独立，冗余系统的存在与否不影响控制系统的正常运行。用PROFINET工业以太网扩展此系统，使此系统一方面可与管理系统对接，另一方面具有了良好的可扩展性，能方便地实现监控功能，同时使此系统的维护也变得更加方便。

3控制系统硬件设计与实现

3．1仪表供配电设计

为保证供电的安全和可靠，设计供电系统时，应按照用电仪表的电压等级和电源类型进行设计。本方案采用二级供电方式，由第一级总供电箱直接向设置在底层的各二级供电箱供电，并在第二级供电系统中同样设置总供电箱、分供电箱。供电系统可采用多回路供电的配电方式，将各分供电箱分别接到总供电箱上的各组端子上，这样在灵活分配用电负荷的同时能够分散端子故障所带来的影响。

3．2输入／输出模块配置

BPCS和SIS的输入／输出模块配置相类似，以BPCS为例，在分析控制系统的基础上。确定了BPCS所需配置的I／O点数后，即可进行输入／输出模块的选择。本方案选择西门子公司的分布式I／O产品ET200M。

3．3系统控制柜设计

接下来是系统控制柜的设计，包括主控制柜和分控制柜的设计，确定控制柜以及输入输出模块后，绘制系统输入输出模块的接线原理图。

3．4系统组态

在SIMATICManager中完成系统组态。系统硬件组态如图3上半部分所示，左边是BPCS系统的硬件组态，右边是SIS系统的硬件组态。通信网络的组态如图3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均挂接在PROFIBUS总线上。PCS7BOX和IM153－2分别是BPCS的CPU和ET200M通信模块；AS400F和IM153－2FO则是SIS的CPU和ET200M通信模块。

4控制系统软件设计与实现

4．1控制程序总体设计

根据程序的功能以及程序执行情况，控制程序可以被划分为3个部分：

1）启动组织块OB100。OB100在PLC启动时执行一次，通过该组织块可以实现初始化操作。

2）主程序OB1。OB1由操作系统不断地循环调用。通过OB1可以进行系统常规处理，转换系统的运行状态，比如更新程序中的标志，并进行相应处理。

3）循环中断OB35。循环中断组织块按照设定的时间间隔执行中断程序。在循环中断中完成模拟量采集、数字滤波、PID运算，最后是控制量输出。

4．2控制程序设计与实现

（1）S7CFC编程语言

CFC（ContinuousFunctionChart，连续功能图）用图形的方式连接程序库中的各种功能块，包括从简单的逻辑操作到复杂的闭环和开环控制等领域。编程的时候将需要的功能块复制到图中并用线连接起来即可。定时中断程序即采用CFC来编写。

（2）定时中断的整体结构

在定时中断中进行模拟量采集、数字滤波、PID运算以及控制信号输出，同时实现参数超限时的报警和停车。程序的控制单元主要有：温度控制、液位控制、浓度控制等。不同被控量所需定时中断的时间间隔均不相同，定时时间要根据现场调试情况来确定。

4．3推理程序设计与实现

经过分析，可以看出被控对象的特点是多回路、多参数、强耦合。因此控制策略为：将复杂大系统分解成相对独立的简单子系统进行处理，控制律力求简单实用。其中，根据对被控对象的分析，发现浓缩液浓度不可在线测量。为了实现浓度的准确控制，采用了推理控制策略，利用可实时测得的稀液流量、浓缩液流量以及二次蒸汽流量，通过推理运算实现浓度的间接控制。推理控制算法采用SCL（类似于C语言）进行编程，并将其编译成模块，供CFC编程调用。BPCS部分主要采用连续功能图CFC实现。

4．4系统安全SIS设计

作为保证生产安全的重要措施，安全控制系统主要包含安全仪表和信号报警两部分。大多数工业生产过程要求安全仪表系统和信号报警遵循失效安全原则，使工业设备在发生故障的时候转入预定义的安全状态。在本方案中，包括了报警指示、紧急停车联锁等安全控制。紧急停车联锁在蒸发器装置的机械设备故障、某些过程参数越限、系统自身故障或稀液进料中断时，对系统实施紧急停车。紧急停车联锁能自动产生一系列预先定义的动作，使工艺装置和人员处于安全状态。

4．5系统监控设计

控制系统使用西门子WinCC组态软件对操作员站进行了组态，实现对蒸发器的实时控制及调整、系统运行监控与管理。WinCC使生产过程的状态能够以文字、图像、曲线和报警等多种形式清晰地表达出来，同时能够记录生产过程中发生的事件，供历史查询使用，还可以组态可打印的报表。

5系统运行与验证控制

第6篇

关键词：PCI总线接口控制器S5933甚高速红外控制器HHH（1,13）编解码

PCI（PeripheralComponentInterconnect）局部总线[1]是一种高性能、32位或64位地址数据多路复用的同步总线。它的用途是在高度集成的外设控制器件、扩展卡和处理器/存储器系统之间提供一种内部的连接机构，它规定了互连机构的协议、机械以及设备配置空间。PCI局部总线因具有极小延迟时间、支持线性突发数据传输、兼容性能以及系统能进行全自动配置等特点受到业界青睐。PCI总线规范2.1版本还定义了由32位数据总线扩充为64位总线的方法，使总线宽度扩展，并对32位和64位PCI局部总线外设做到向前和向后兼容。

目前微机之间的红外通信是基于IRDA-1.1标准的红外无线串行SIR通信，参考文献[2]给出了基于ISA总线的红外无线串行通信卡的设计及实现，该通信卡的数据速率为9.6kbps～115.2kbps，工作距离0～3m。但由于RS-232端口的最高数据速率上限为115.2kbps，不能满足IRDA-1.4规范甚高速红外VFIR16Mbps速率要求，所以使用了PCI同步总线扩展外设的方法设计甚高速红外控制器。虽然ISA总线的传输速率能满足甚高速红外控制器设计要求，但目前许多微机系统已经逐渐淘汰ISA/EISA标准总线。原因是高速微处理器和低速ISA总线之间不同步，造成扩展外设只能通过一个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据，使CPU高性能受到严重影响。

1HHH（1,13）编解码

2001年5月，红外无线数据协会IRDA了红外串行物理层规范IRDA-1.4[4]；它与前期的物理层规范的主要区别在于增加甚高速红外VFIR16Mbps数据速率的编解码技术和帧结构，而其它如视角范围、发射器最小（大）光功率和接收器灵敏度等规范基于相同。红外串行物理层规范IRDA-1.4规定数据速率小于4Mbps采用RZI（归零反转）调制，最大脉冲宽度是位周期的3/16或1/4；数据速率4Mbps采用4PPM（脉冲位置调制）；数据速率16Mbps采用HHH（1,13）码。

IRDA提出的VFIR编解码技术-HHH（1,13）码是码率为2/3，（d,k）=(1,13)的RLL（run-length-limited）码；它是一种功率消耗和频带利用率相对折中的高效编码，其中参数d、k分别表示在两个''''1''''之间最小和最大的''''0''''的数目，参数d决定接收信号中有无码间干扰ISI，参数k决定接收器能否从接收序列中恢复时钟。HHH(1,13)码的带宽效率使数据通信能够选择成本很低、上升/下降时间为19ns的LED。功率效率避免了LED的热问题，它能保证1m距离范围内保持链接。1m距离16Mbps链路可达到过去4Mbps链路的驱动电流和功耗。HHH（1,13）码和4PPM码（用于4Mbps）的显著区别是HHH(1,13)码决不允许一个红外脉冲紧跟前一个红外脉冲，脉冲之间应该保持一个chip时间差。由于光电管工作区域内有少量载流子的慢辐射，使LED或光电二极光表现出拖尾效应，HHH（1,13）码能够兼容拖尾效应，从而允许在chip时间周期内脉冲的扩展。

虽然HHH（1,13）码的设计过程比较复杂，但IRDA-1.4标准已经详细给出了编译码逻辑方程和电路，所以实现起来比较容易。笔者使用AlteraMAX+plusII进行逻辑功能仿真，并用GW48EDA实验系统进行硬件伪真，验证HHH（1,13）码编译码电路设计的正确性。

2甚高速红外VFIR控制器的硬件设计

由于PCI总线规定了严格的电气特性，开发PCI总线的应用具有很大难度，因此使用AMCC（AppliedMicroCorporation）公司推出的PCI接口控制器S5933实现红外控制器PCI总线接口规范[5]。甚高速红外VFIR控制器原理框图如图1所示。选用Altera公司的FLEX10K系列现场可编程门阵列器件实现S5933与红外TX/RXFIFO、寄存器的传输控制和逻辑时序以及红外接口控制逻辑和红外收发器接口功能模块（CRC校验、编解码以及串/并转换）。甚高速红外VFIR控制器工作原理如下：首先由AMCCS5933外部非易失性串行EEPROMAT24C02下载PCI配置空间，然后主机通过直通（PassThru）寄存器数据访问方式向红外接口控制寄存器写控制命令[3]。红外接口控制逻辑根据控制命令发出控制信号，使整个红外控制器处于准备状态。当上层协议发出数据发送事件时，红外接口控制逻辑发出消息，通知主机启动S5933总线主控读操作，把上层数据写到外部红外TXFIFO数据缓冲器；同时红外接口控制逻辑根据TXFIFO状态把TXFIFO的数据发送到红外收发器接口，进行锁存、并/串转换、CRC校验和编码，最后通过VFIR收发器发送数据。同理VFIR收发器接收到的数据经过译码、CRC校验、串/并转换和锁存，写入RXFIFO数据缓冲器。红外接口控制逻辑触发上层协议发出数据接收事件接收数据，主机启动S5933总线主控写操作向上层协议递交数据，数据传输完成上层协议发回消息，通知数据接收完成。下面重点分析S5933与红外TX/RXFIFO、红外寄存器组访问控制逻辑以及红外接口控制逻辑和红外接发器接口功能。

2.1红外TX/RXFIFO与红外控制寄存器组控制逻辑

AMCCS5933支持3个物理总线接口：PCI总线接口、扩充总线接口和非易失性EEPROM总线接口。非易失性EEPROM用于映射PCI的配置空间及设备BIOS的初始化；扩充总线可以与外设设备互连。主机和外设之间可以利用S5933的邮箱寄存器、FIFO寄存器、直通寄存器（Pass-Thru）数据传输方式双向传输数据。

红外寄存器组包括红外接口控制寄存器和状态寄存器。本文中甚高速红外控制利用S5933直通寄存器单周期数据传送向红外接口控制寄存器写控制字，由Pass-Thru逻辑控制电路把地址和数据分离开，直通地址寄存器（APTA）经374锁存并译码，选通红外接口控制寄存器，同时把直通数据寄存器（PTDA）的低字写入红外控制器；该接口控制寄存器的数据宽度为16位，包括红外控制器始能、工作模式（UART、SIR、MIR、FIR、VFIR）的设置，接收或发送数据的选择以及满足SIR模式下多波特率的分频数。红外接口控制寄存器结构定义如图2。

同理使用直通寄存器方式获取红外接口状态寄存器的状态。红外接口状态寄存器结构定义如图3。

为满足高速数据传输，利用S5933FIFO寄存器总线主控方式下的同步猝发（Burst）操作（DMA传送）完成主机与红外TX/RXFIFO的数据传输。PCI接口首先初始化S5933作为总线主控设备，然后由PCI接口向主控读/写地址寄存器（MRAR/MWAR）写入要访问的PCI存储空间地址，向主控读/写计数器（MRTC/MWTC）写入要传输的字节数。S5933提供了4个专用引脚RDFIFO#、WRFIFO#、RDEMPY#和WREULL#控制内部FIFO与外部FIFO的数据传输接口逻辑。接收/发送FIFO的数据宽度都是32位，分别由4片8位数据总线的IDT72220FFO数据位扩展实现。该FIFO既为PCI接口提供数据缓冲，又为红外收发器接口提供访问数据。S5933与红外TX/RXFIFO、红外寄存器组的数据访问控制逻辑如图4。

2.2红外接口控制逻辑

根据红外接口控制寄存器控制字，红外接口控制逻辑实现外部RX/TXFIFO与红外收发器接口之间的数据传输和逻辑时序。它的工作原理如下：根据控制字，首先启动红外收发器接口CRC校验、编解码器和可编程时钟（RX/TXFIFO读/写时钟RCLK、WCLK和编解码时钟fclock），然后根据控制字的TX/RX位决定是接收还是发送数据。发送数据时，TXFIFO缓冲器不为空，TXFIFO的EF信号就触发红外接口控制逻辑发TXFIFO读操作信号ENR#，读取TXFIFO的数据（数据宽度32位）传给红外收发器接口进行CRC校验、编码以及并/串转换。同理当甚高速红外控制器接收数据时，红外收发器接收到的数据经过译码、串/并转换（数据宽度32位），然后触发红外接口控制逻辑发出红外接收FIFO的写操作信号ENW#，把接收数据写入红外接收FIFO。当RXFIFO写满后，触发控制逻辑发出S5933FIFO写信号WRFIFO#，上层协议启动PCI接口初始化S5933为同步主控写操作实现红外接收FIFO到主机内存的数据传畀。另外红外接口逻辑还实现红外接口状态寄存器状态的配置，以方便上层协议了解红外控制器工作状态。

2.3红外收发器接口

红外收发器接口的设计与实现是红外控制器成功的关键。该接口需要实现各种工作模式（SIR、MIR、FIR、VFIR）的编解码器和硬件CRC校验、设计比较复杂。编码器前、译码器后，数据都要进行硬件CRC校验实现差错控制。SIR模式采用RZI（归零反转）编码，信号为高电平，调制为低电平；信号为低电平，调制为高电平脉冲，最大脉冲宽度是位周期的3/16。MIR模式也采用RZI（归零反转）编码，但最大脉冲宽度是位周期的1/4。FIR模式采用4PPM（脉冲位置调制）调制，它的原理是被编码的二进制数据流每两位组合成一个数据码元组（DBP），其占用时间Dt=500ns，再将该数据码元组（DBP）分为4个125ns的时隙（chip），根据码元组的状态，在不同的时隙放置单脉冲。由于PPM通信依赖信号光脉冲在时间上的位置传输信息，所以解调时先保证收发双方时隙同步、帧同步，然后根据脉冲在500ns周期中的位置解调出发送数据。考虑到红外收发器通信距离突然变化引发脉冲宽度扩展，发生码间干扰，导致译码出错，因此根据HiroshiUno提出的新算法[7]简化4PPM译码过程，并通过实验验证该算法比最大似然译码算法结构更简单，功耗更低，而且更容易实现。

VFIR模式采用HHH（1，13）编解码技术。编码器原理：为了正确实现编码，要求在计算内部码字C=(c1,c2,c3)之前，在nT(T表示一个chip时间)时刻到达编码器输入端的输入数据码元组d=(d1,d2)经过3个编码周期（每个编码周期是3T）的延时后进行逻辑计算，得到下一状态矢量值N=(s1,s2,s3)，即与输入数据有关的N出现在（n+9T）时刻；再经过一个编码周期，即（n+12T）时刻，状态N赋给内部状态矢量S=(s1,s2,s3)，同时计算与输入数据码元组d=(d1,d2)有关的内部码字矢量C=(c1,c2,c3)，再经过一个编码周期，内部码字C赋给输出码字矢量Y=(y1,y2,y3)。由此可见16Mbps的数据速率经过编码器变为24Mchip/s编码速率，整个编码过程延时5个编码周期即15个chip。注意编码器初始状态S应设置为（1，0，0）。译码器原理：输入数据R=(r1,r2,r3)经过锁存器延时得到矢量Y4=(y10,y11,y12)，对Y4进行不同的延时得到Y3、Y2及Y1。这里矢量Yi是Y4的4-I次延时（由锁存器实现延时）；对Y4进行或非运算得到Zd，再将Zd进行不同的延时得到Zc和Zb。这里Zc、Zb、Zd是变量，然后将Y4、Y3、Y2、Y1、Zb、Zc、Zd进行逻辑运算、延时分别得到矢量X1=(x1,x2)、X2=(x3,x4)、X3=(x5,x6)；最后将x1、x2经过锁存器得到译码器输出矢量值U=(u1,u2)。整个译码过程延时4个周期即12个chip。可见HHH（1,13）编译码电路比较简单，利用FPGA基于门级描述即可实现，但必须注意锁存器时钟fclock=1/3fchip。VFIR模式增加线性反馈移位寄存器（LFSR）实现加扰和解扰功能提高系统性能，减少误码。

图4S5933与红外接收/发送FIFO，红外寄存器组数据访问控制逻辑图

3甚高速红外VFIR控制器的软件设计

第7篇

（1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450047；2.郑州大学西亚斯国际学院，河南郑州450000）

摘要：按照Tornambe型非线性鲁棒控制器设计方法，基于某型无人直升机侧向运动数学模型，设计了该型无人直升机侧向飞行姿态保持分散非线性控制系统，该控制系统包含的积分环节补偿了系统内部各种未知因素及外部扰动，通道间解耦效果良好。仿真结果与PID 控制相比较，具有很强的抗扰动能力。

关键词 ：非线性鲁棒控制；直升机控制系统；鲁棒性；控制器

中图分类号：TN108+.4 ?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0098?03

收稿日期：2015?01?28

0 引言

直升机作为一个非线性、多变量、强耦合不稳定对象，其控制问题一直以来都受到业内普遍关注。直升机因其固有的复杂气动特性等问题，难以对其精确建模，并且其运行环境复杂多变，飞行模态各异，很大程度上加大了控制器设计的难度。

近年来，各种古典或是现代控制算法在直升机特别是无人直升机飞行控制器中得以有效应用。以目前直升机飞控中研究较多的H∞ 鲁棒控制为例，文献[1]以UH?60A 黑鹰直升机前飞情况下的28 阶线性方程为标称模型，利用H∞ 回路成型技术设计了直升机双回路飞行控制系统，获得了良好的通道间解耦效果。在计算机仿真基础上按照ADS233E 标准对飞行性能进行了评估。文献[2]介绍了直升机定点悬停状态下鲁棒控制器的设计方法，以伺服补偿器和镇定补偿器为重点进行详细叙述，并通过仿真验证了直升机悬停鲁棒控制的有效性。文献[3]将经典控制理论结合H∞ 回路成型法，给出直升机飞控系统内回路工程设计的具体策略。通过仿真验证了设计策略的有效性。文献[4]在Bell205直升机非线性模型基础上进行线性化，然后基于线性化后的数学模型设计H∞ 鲁棒控制器，最后通过仿真及实际飞行测试验证了鲁棒控制器的有效性，满足旋翼机驾驶品质要求ADS233。除H∞ 鲁棒控制算法之外，基于H∞ 鲁棒控制理论并密切结合控制工程实际提出的定量反馈理论，以及非线性控制领域中涉及较多的动态逆等控制算法均在直升机特别是无人直升机飞控中得以应用。

鉴于无人直升机难以精确建模等实际问题，如何寻求一种不依赖被控对象精确数学模型，并且具有较强抗干扰能力的控制算法成为关键。本文将Tornambe型非线性鲁棒控制器引入到无人直升机飞行控制器设计中，Tornambe型非线性鲁棒控制器具有不依赖被控对象精确数学模型，强鲁棒性，并且参数整定方便快捷等优点。仿真结果表明，该Tornambe 型非线性鲁棒控制器可以较好地解决通道间解耦问题，并且在具有较强外部扰动情况下依然具有良好的控制品质。

1 Tornambe 型非线性鲁棒控制器

Tornambe 型非线性鲁棒控制器由意大利学者A.Tornambe首先提出。A.Tornambe在其论文中详细论述了Tornambe 型非线性控制器的设计，并同时对其稳定性进行了证明[5?6]。该控制器不依赖精确的被控对象模型，其内部所包含的积分环节可以补偿系统各种未知因素的干扰，具有很强的鲁棒性。

Tornambe型非线性控制器考虑系统状态变量的不可测、对象模型的不确定性和系统外部扰动等各种未知因素，由输出变量的组合构造出观测器，用观测器观测系统扩张状态变量，并通过观测器包含的积分环节补偿系统的各种未知扰动。

1.1 控制器算法

Tornambe型非线性鲁棒控制器算法简述如下。对于一类单输入单输出仿射非线性系统：

对于高阶系统，其预期动态特性参数的选取依此类推。

对于控制器中参数kr - 1，有kr - 1 = σ(b(z,w)) μ，μ 值的选取决定了控制系统的稳定性。根据李雅普诺夫第二稳定性判据可以证明，存在常数μ* > 0 ，当μ > μ* 时控制器与被控对象构成的闭环系统是渐进稳定的。

1.2 控制器参数整定

从上节中的算法表达式可以看出，Tornambe型非线性鲁棒控制器需要整定的参数有hi 和ki，其中i 由系统相对阶数决定，hi 则由预期动态决定，因此，预期动态一旦选定，可整定的控制器参数就仅剩ki。对于2 阶系统，确定预期动态后，待整定的参数为k0 和k1，为分析k值对控制系统的影响规律，进行被控对象参数摄动情况下的Monte?Carlo试验，试验结果如图1，图2所示。

参数ki 主要影响控制系统的性能鲁棒性，增大其值时，控制系统抗干扰能力增强。k0 影响控制系统阶跃响应时间及超调量，其值增大时，上升时间减小，超调量响应增加。

3 控制器设计及仿真

针对已经给出的直升机侧向通道数学模型，设计相应Tornambe型非线性鲁棒控制器。由数学模型可以看出，被控对象为两个通道，需要分别对每一个通道设计相应的控制器，因此该控制系统为分散控制结构形式。另根据微分几何求取相对阶，两个通道相对阶均为2，从而控制器的基本结构就相应确定下来。按照前文所述算法设计分散控制系统，并进行控制系统性能分析。

为分析Tornambe型非线性鲁棒控制系统抗干扰能力，在直升机输出中加入噪声信号，并同PID 控制器对比分析，仿真试验如图3所示。噪声信号幅值±0.1，与控制指令输入幅值相当，通道角速率输出已经基本淹没，该控制器对速率噪声的抑制要好于PID，航向角与倾斜角输出虽然有较大波动，但仍能较好地跟踪输出。

控制系统控制量输入是考核控制系统性能的一个重要指标，在同样噪声信号输入下，进行Tornambe非线性鲁棒控制器与PID控制量对比分析，如图4所示。可以看出控制性能近似时，Tornambe控制量输出幅度变化明显比PID要小，对执行机构的要求放宽很多。

将状态方程表示的被控对象模型转化为用传递函数表示，给出两个主通道间的传递函数方程，可以看出被控对象为5阶系统。

4 结论

Tornambe型非线性鲁棒控制器结构简单易于实现，并且不依赖被控对象的精确数学模型，有着良好的抗干扰能力，鲁棒性很强。基于某型直升机两通道侧向运动数学模型为例，设计Tornambe 型分散非线性鲁棒控制器，并进行计算机仿真验证，同PID 控制相比较，Tor?nambe型非线性鲁棒控制器抗扰动能力较强，并且从控制量上考虑，该控制器对执行机构的要求较为宽松。

参考文献

[1] 王永，汪庆，康卫昌，等.直升机H∞ 回路成形全姿态控制器设计[J].飞行力学，2010，28（3）：43?46．

[2] 唐永哲.直升机鲁棒控制器的设计研究[J].航空学报，1996，17（6）：707?714．

[3] 朱华，杨一栋. H∞ 回路成形法设计直升机飞控系统[J].计算机仿真，2007，24（7）：63?65．

[4] POSTLETHWAITE I，PREMPAIN E，TURKOGLU E，et al.

Design and flight testing of various H∞ controllers for the Bell205 helicopter [J]. Control Engineering Practice， 2005，13（1）：383?398.

[5] TORNAMBE A. A decentralized controller for the robust stabili?zation of a class of MIMO dynamical systems [J]. Journal of Dy?namic Systems，Measurement，and Control，1994，116（2）：293?304.

[6] TORNAMBE A. Global regulation of a planar robot arm strikinga surface [J]. IEEE Transactions on Automatic Control，1996，41（10）：1517?1521.

[7] 唐永哲.直升机控制系统设计[M].北京：国防工业出版社，2000.

作者简介：李之果（1983—），男，硕士研究生，工程师。研究方向为无人直升机飞行控制。

第8篇

关键词：PID控制器；状态反馈；观测器；参数整定

中图分类号：G642.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）04-0165-02

一、引言

PID控制器设计与状态反馈控制器两类控制器[1，2]相同之处为二者均属于反馈控制，因此在实际使用中，都需考虑闭环系统的稳定性；两类控制器最主要的相异之处为二者闭环系统极点的配置灵活性不同： PID控制器属于输出反馈，只能将闭环极点配置到闭环系统的根轨迹上；而状态反馈控制器在被控系统状态完全可控的条件下，可以将闭环极点任意配置。

本文利用MATLAB与SIMULINK仿真设计了一个实例，对同一个被控对象进行PID控制器设计与基于观测器的状态反馈控制器设计，将教学过程中较深刻的控制器设计理论用最直观的方式体现出来，利于学生的理解与掌握。

二、仿真实例设计

选取被控对象微分方程数学模型如下：

三种控制器下，单位阶跃响应曲线如图2所示。

在MATLAB中输入如下代码：

G=tf（[2.93*6 23.898*6 48.721*6]，[1，6，41，7，0]）%计算带有PID控制器的控制系统前向通道传递函数；

rlocfind（G）%当K=1时，从根轨迹取相应闭环极点；

rlocus（G）%绘制闭环系统根轨迹图；

（（a）闭环系统根轨迹图（根轨迹增益为1时的某一根）；（b）PID控制器参数取某一数据时，闭环系统在根轨迹上的落点上。）

代码运行结果（图3）显示具有PID控制器的闭环系统闭环极点为-1.4771+6.3688i，-1.4771-6.3688i，-1.5229+2.1260i，-1.5229-2.1260i，一定落在该系统的根轨迹上。

由图2可见，对于完全能控的单输入单输出系统，不能采用输出线性反馈来实现闭环系统极点的任意配置，而系统闭环极点的位置决定了系统的主要性能，因此PID控制器对系统性能指标的满足是有限的。

2.基于观测器的状态反馈控制器设计。首先根据拟达到的系统性能指标确定控制系统需要配置的闭环极点的位置。根据闭环系统主导极点的方法，拟设定超调量σ=0.02，调节时间ts=4s，可以算出主导极点为：s2，3=-1±0.75i。取状态反馈系统的期望闭环极点为s1=-4，s2，3=-1±0.75i；观测器的期望极点为：s1=-12，s2，3=-3±2.25i。

在MATLAB中输入以下代码：

A1=[0 1 0；0 0 1；-7 -41 -6]'；

B1=[0；0；1]'；

C1=[6 0 0]'；%输入系统状态空间模型矩阵；

P=[-1-0.75i -1+0.75i -4]；%设置期望的闭环极点；

K=acker（A，B，P）%求系统的状态反馈矩阵；

Q=[-3-0.75i -3+0.75i -12]；%设置期望的观测器极点；

L1=acker（A1，C1，Q）；

L=L1' %求系统的状态观测器矩阵。

程序运行结果为：

K=[-0.7500，-31.4375，0]%状态反馈矩阵L=[2.0000；-5.2396；-32.6042]%状态观测矩阵。

在SIMULINK中绘制如图4所示的基于观测器的状态反馈控制系统闭环框图。从图5中可见，阶跃响应性能指标基本满足期望性能指标。

三、结论

基于MATLAB/SIMULINK的仿真实例有效地体现了PID控制器作为输出反馈仅能够将闭环极点配置到系统的闭环根轨迹上，而基于观测器的状态反馈在系统状态完全可控的条件下可以任意配置极点以满足期望的性能指标。

参考文献：

第9篇

【关键词】电厂运行；机组设备；给水系统；模糊控制器；设计实现

一、自适应模糊PID控制器的设计分析

图1为电厂运行过程中，对于电厂给水系统的加药操作处理过程进行调节控制应用的自适应模糊PID控制器结构示意图。

在进行自适应模糊PID控制器，也就是模糊控制器的设计过程中，模糊控制的设计实现主要是应用模糊论集以及模糊语言变量、模糊逻辑推理等作为模糊控制器设计的基础理论，从而实现对于模糊控制器中的模糊控制设计实现。也就是说在进行该电厂给水系统运行调节应用的模糊控制器设计中，首先将电厂给水系统的给水操作运行控制经验制定成为一种模糊控制的原则，再将电厂给水系统中的除氧器以及省煤器装置入口处的PH值进行模糊化处理，在此基础上通过模糊控制规则，利用模糊逻辑推理，在推理出模糊输出量的同时，对于模糊输出量进行具体模拟化，转化为模拟数值，最终施加到执行器命令执行端，实现对于电厂给水系统的给水操作进行调节控制实现。根据自适应模糊控制的这一控制实现过程与原理，在进行自适应模糊控制器的设计过程中，主要通过使用二维模糊控制器的装置结构，在对于电厂运行过程中，给水系统的给水水质PH值进行收集的情况下，以误差以及误差变化率作为模糊控制器的输入量，并且在选择好控制量作为模糊控制器的数量变量的情况下，实现对于模糊数值的模拟转化，从而实现对于电厂给水系统的给水操作进行调节控制实现。这样的自适应模糊控制器设计方式，进行电厂给水系统的模糊调节控制装置的设计应用，不仅可以避免设计的复杂性，并且在进行电厂给水系统的给水调节应用中对于给水调节的准确性也比较高。在进行电厂运行调节控制应用的模糊控制器设计过程中，进行设计的核心就是要在对于原有设计经验以及运行结果的总结分析情况下，实现对于模糊控制规则的建立确认。最后，对于电厂运行调节控制应用中的模糊控制器装置的参数校正，可以根据对于不同偏差以及偏差变化率情况的收集分析情况下，通过模糊逻辑推理计算进行校正实现。

二、自适应模糊PID控制器的应用实现

自适应模糊PID控制器在电厂运行中的应用实现，本文主要是以自适应模糊PID控制器装置系统对于电厂给水系统给水运行中加药控制为主，进行设计与应用分析实现的。那么，在应用自适应模糊PID控制器进行电厂给水系统加药操作控制时，首先，需要建立相关的仿真控制系统，在对于自适应PID控制器调节控制原理的仿真设计实现情况下，进行实际调节应用。常用的自适应模糊PID控制器仿真设计应用软件工具为MATLAB，主要是应用该软件系统中的Simulink工具以及Fuzzy两种软件工具进行仿真设计实现。图2分别是在进行自适应模糊PID控制器的系统仿真设计中，对于自适应模糊PID控制器以及模糊控制器、传统PID控制器三种调节控制装置的实际调节控制性能特征的分析比较。

（1）单位阶跃响应变化 （2）阶跃响应变化

根据上图的对比结果可以看出，自适应模糊PID控制器在电厂运行中的控制效果在这三种控制装置中是最好的，且该装置在实际控制中已经实现应用。

总之，本文中所论述的自适应模糊PID控制器是一种针对电厂运行中应用的常规PID控制器的调节控制局限性，进行改进设计应用的PID调节控制装置，它在电厂给水系统的给水调节应用中，不仅具有比较明显的合理性与可行性特征，并且对于给水系统的给水调节控制精准性也比较高，具有一定的应用优势，值得在实际应用中进行推广。

参 考 文 献

[1]王金平，洪军.自适应模糊PID控制在火电厂给水加药中的应用[J].自动化与仪表.2010（5）

第10篇

【关键词】物联网；空气净化系统；软件设计

0 概述

本软件系统的核心是微控制器（STM32F103R―ARM-based 32-bit MCU），本论文以该微控制器为中心单元，而电源控制模块、电机控制模块、紫外灯控制模块、LED显示模块、负离子控制模块、触摸按键模块以及空气质量检测传感器模块和WIFI模块组成的空气净化系统的运行将全部以该微控制器为核心，因此构成了智能可远程控制的空气净化系统。本论文针对空气净化器控制系统的研究采用了多传感器数据采集模块的集成，实现了空气净化器的数据采集和工作状态的自动调整等功能；同时，研究集成了将无线通信模块WIFI模块与空气净化器结合，实现了空气净化器的远程控制和物联网化，实现了真正的无线互联。

1 总体设计

1）本论文所研究的空气净化器控制系统的软件程序主要包括了系统初始化程序、电机控制程序、紫外灯和负离子控制程序、LED显示和触摸按键控制程序、传感器数据采集程序和无线WIFI通信程序等各功能模块的程序设计。针对本设计采用的STM32F103R微控制器的实现包括了中断、查询、A/D转换、GPIO、SDIO、UART等功能。

2）根据控制系统的功能需求分析，本文描述的空气净化器对于软件程序的需求可分为以下几个部分：系统初始化程序、电机驱动程序、紫外灯和负离子控制程序、LED显示和触摸按键程序、传感器数据采集程序、无线WIFI通信程序设计。

其中，紫外灯、负离子、LED显示为微控制器的控制程序，电机、WIFI模块为微控制器的驱动程序；传感器数据采集和触摸按键为微控制器的参数输入程序。各个部分都是紧密相关，每个功能模块对于程序的整体设计都是非常重要的，都是通过STM32F103R微控制器程序，才能使得空气净化器控制系统运行起来。

根据程序总体设计，各模块处理子程序依赖于主程序的调度，共同完成控制系统的功能。系统根据功能需要，在初始打开空气净化器电源时，直流电机、紫外灯、负离子、传感器、WIFI模块等均不工作，只有当电源按键或者无线WIFI模块通过远程打开电源开关时，空气净化器控制系统才启动工作。

2 系统初始化程序设计

系统初始化程序主要针对本系统的系统参数进行初始化，包含了STM32F103R微控制器的初始化程序、I/O口的配置、程序各参数、变量、标志位的设定、系统默认运行参数的设定、默认显示程序运行等。默然上电后系统初始化过程中，空气净化器的电机、紫外灯、负离子等负载并不工作，设备的LED显示模块显示默认的参数和配置。

3 空气净化系统的各个模块的软件设计

3.1 电机驱动程序设计

本论文研究中使用的是无刷直流电机，电机的驱动是利用微控制器输出PWM调压来实现电机的速度变化。在电机的运行过程中，需要根据空气净化器的工作状态来调整电机的转动速度。

3.2 紫外灯和负离子控制程序设计

紫外灯管的驱动是利用低电平导通信号的输出来实现的，输出驱动信号的引脚为PB4；负离子发生器的驱动同样是利用低电平导通信号的输出来实现的，输出驱动信号的引脚为PB4。

3.3 LED显示和触摸按键控制程序设计

本文描述的空气净化器显示模块的显示内容主要有：定时时间指示、灯光指示、工作模式指示、空气质量指示、杀菌等指示、PM指示等数据。主要来自按键的更改和数据采集对于的数据变化。

按键的控制程序主要是进行外部中断的处理过程，空气净化器控制系统的按键主要有六个，包括了电源开关Kl、工作模式选择K2、负离子/紫外灯键K3、定时设置K4、电机风速调节键K5以及空气质量指示灯光键K6。同时按住定时键和电机风速键启到过滤网的状态复位功能，按键的程序设计主要是通过中断来实现的，当发生按键操作的时候，单片机引脚将根据信号进行程序处理。程序对于按键的触发信号判断为串行流程，依次判断每个按键的操作指令，执行相应的子程序。

3.4 传感器数据采集程序设计

根据电路原理图和实际工作过程，设计出空气质量传感器和粉尘传感器的数据采集程序，系统启动后，控制信号中断程序开始工作，并且ADC使能打开，检测系统开始工作。由传感器特性分析可知，传感器在数据采集过程中，在控制信号作用下开始采集数据，实时检测室内空气污染状况。为了得到实用数据，需要对室内空气质量进行大量测试和实验，最后得出想要的数据结果。

3.5 无线WIFI通信程序设计

根据实际应用，无线WIFI通信部分需要将当前空气净化器的状态值（空气质量、工作模式、风速、PM指数、定时状态等等）传输到服务器端，并且能够将服务器端发送来的控制命令成功接收，以实现能够远程控制空气净化器的工作状态，系统启动后，首先对WIFI模块进行初始化，包括SDIO设备枚举，加载设备固件等操作，然后扫描WIFI网络，扫描结束后，根据配置的WIFI账号和密码进行关联网络，关联成功后进行IP、子网掩码、网关等的设置，接着就是建立TCP SOCKET的客户端，具体工作有绑定本地及服务端的IP和端口。最后就是从服务端接收数据，判断是否为获取设备状态或者控制设备的命令，进行相应的操作。

4 结束语

本论文主要研究和探讨了室内空气净化系统的软件设计，而本文对物联网空气净化器控制系统的研究还是一个开始，结合目前新技术的发展，需要深入研究的方向还有很多，而本文所说明的空气净化系统的软件设计，还存在很多的不足，还有者许许多多可以改进的地方，这都将随着我们对未来空气净化器一步一步的深入研究，不断地改造创新与发展，以后一定会使其在该领域越来越完善，而技术也一定会越来越成熟。

【参考文献】

[1]刘林茂，李杰.负离子空气净化器展望[J].东北师范大学学报：自然科学，1996（03）.

[2]刘洪亮，侯常春，马蔚，马永民.臭氧宅气净化器对甲醛、苯净化效果的实验研究[J].

[3]闰其年，刘志强，杨景发，张子生.一种光触媒高效空气净化器的实验研究[J].河北大学学报：自然科学版，2011（01）.

第11篇

关键词：船舶电站； 调速系统； H∞控制器； 鲁棒性

中图分类号：TP277.1 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2016）03-185-002

1.引言

优化控制是加拿大学者Zames在1981年提出的一种设计方法。它是在频域内用加权灵敏度函数的H∞范数作为衡量系统对干扰衰减能力的指标，来设计线性系统的优化控制器[1]。H∞控制理论经过近二十年的发展，理论体系已逐步得到完善，H∞鲁棒控制理论很好地解决了常规频域理论不适用于MIMO系统设计及LQG（线性二次高斯）理论不适用于模型摄动情况两个难题。用H∞控制算法所设计的系统对外部扰动和模型的不确定性具有较强的鲁棒性[2]。

船舶电站通常以柴油机拖动同步发电机组成柴油机发电机组，其中柴油机与调速器组成了柴油机调速系统。由于船舶电站动、静态运行特性，尤其是并联运行的稳定性、电站监控系统的控制特性等性能与电站柴油机及调速系统的运行特性密切相关，因此对现代船舶电站柴油机调速系统的性能提出更高的要求。因工况的变化、外界环境的影响和负荷的改变会使柴油机发电机组模型产生摄动，导致模型的不确定性。鉴于此，本文将H∞控制理论应用于柴油机调速系统控制器的设计，以达到抑制负荷扰动所引起的动态偏差，提高柴油机调速系统动态精度的目的。

2.柴油机及其调速系统的数学模型

柴油机调速系统的主要功能就是进行转速调节。由图1可知，柴油发电机组的输入量是调速器输出轴位移量L，而输出量是柴油机转速n，机组运动方程式就是求取n随L的变化规律[7]。

3.柴油机调速系统控制器的标准设计问题

柴油机调速系统的动态结构图[11]如图3所示，其中r、e、u、d和y分别为参考输入，转速误差，控制输入，外部干扰和系统输出。G为受控对象柴油机，K为控制器。负荷可以认为是加在柴油机调速系统输出上的外部干扰。针对外部干扰和模型的不确定性，H∞控制器的设计可以归结为混合灵敏度问题。

柴油机调速系统的H∞标准设计问题的模型如图4所示。图中加权函数W1表示对系统性能要求的约束，通过调整可以有效地抑制干扰的影响，获得希望的输出信号；加权函数W2反映了对加性不确定性的限制，这里可以看成是对控制信号幅值的约束；加权函数W3反映了对乘性不确定性的限制，由控制对象本身特性决定；z1、z2、z3为系统的评价信号。

在H∞优化设计中，加权函数的选择是至关重要的一步。设计方法是否有效，将取决于或主要取决于加权函数选择是否合适，即是否真正反映了设计系统的性能。由于H∞优化控制器阶次等于广义对象，为了获得低阶次的简单控制器，在保证设计要求前提下尽可能选择低阶次的权函数。

本文选取加权函数W1=，W2=0.001，W3=。利用matlab工具箱，可求得控制器为

比较上两种控制策略，LQG控制和H∞状态反馈控制都能使系统在干扰信号的作用下，回到平衡状态，但状态反馈控制的稳定时间明显比LQG控制的稳定时间短。当系统参数发生摄动时，LQG控制系统明显产生一段时间的振荡才使系统稳定下来，而状态反馈控制尚能对系统进行有效控制。

5.总结

本文建立了柴油机调速系统的数学模型，并在分析柴油机模型不确定性的基础上，运用H∞控制理论设计了H∞调速器，通过比较LQG控制器与H∞控制器，表明H∞调速器具有较强的鲁棒性和抑制扰动的能力。

参考文献

[1]Zames， G.. Feedback and optimal sensitivity：model reference transformations， multiplicative seminars，and approximate inverse. IEEE Trans. Automat. Contr.1981，26（4）：301-320

第12篇

关键词：PID控制；模糊控制器；变论域；仿真

传统的PID控制算法具有算法简单、控制精度高、可靠性强，适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统[1]，传统的模糊控制器对论域的模糊划分就显得较为粗糙，需要通过适当的增加量化级数，以要提高控制精度，但会造成模糊规则进行搜索范围的扩大，降低了整体的决策速度，难以实现实时控制[2-4]，可变论域是指模糊控制中输入变量的论域为可变的，用作为调节因子对输入变量的论域进行调整。

文章基于论域可变的思想，设计了一种基于可变论域的模糊控制器，在模糊控制规则不变的情况下，模糊化论域随输入进行相应的收缩或扩展，论域收缩能增加模糊语言的变量值和控制规则，并获得与增加模糊子集一致的控制效果，使控制精度提高。

1 模糊控制

1.1 模糊控制基本原理

模糊控制系统的基本结构框图如图1所示，由模糊控制器、输入/输出通道、广义对象和传感器组成[5]。

模糊控制器的组成结构如图2所示，为了精确控制被控对象，需要对模糊量u进行转化得到精确的控制量，即图2中采用的非模糊化处理，得到精确控制量后，经DA转换变为模拟量传送至执行机构对被控对象进行进一步控制。

1.2 模糊控制器的设计步骤

模糊控制器的设计主要包括如下几个步骤：

（1）确定控制结构，确定控制器的输入变量E、EC与输出变量U及对应的变化范围和要求的控制精度，建立物理模型，确定控制器结构。

（2）模糊化方法的选择与确定。将实际输入变量的值变换成模糊语言变量的语言值，不同语言值对应相应的模糊子集，选用隶属函数确定输入变量的值相应的隶属度。

（3）模糊控制规则及模糊运算子的确定。根据输入输出的数量和控制精度确定控制规则的数量。

（4）输出数值的解模糊处理方法的确定。解模糊是将输出空间的模糊集合映射为对应的点进行应用，即根据输出模糊子集的隶属度计算确定值。

（5）设计理论与方法有效性与可靠性的验证。

2 变论域模糊控制思想

假设误差的初始论域，即误差最大的变化区间为[-U，U]，其中U为实数，一般采用7个规则，即将[-U，U]进行模糊划分，如图3（a）所示。伴随控制过程的不断进行，误差缩小，即向零位（ZO）靠近，如果还用图3（a）所示的一定的论域及划分进行模糊推理，控制精度自然不高。“可变论域”的思想则是：在模糊规则形式不变的前提下，使论域伴随着误差变小或增大而进行相应的是收缩或膨胀，如图3（b）（c）所示。

基于函数模型的伸缩因子即用某种特殊函数来表示伸缩的程度，常用的伸缩因子如下：

3 变论域模糊控制器的设计

3.1 变论域模糊控制器的结构

模糊控制器原理框图如图4所示。

这种变论域模糊控制器的工作原理为：基于系统误差和误差变化率，模糊控制器推理出论域的伸缩因子，伸缩因子动态地改变两个输入和一个输出的论域，使其适应系统的输入变化，达到最佳的控制效果。

3.2 模糊控制器规则

根据变论域模糊控制器的要求，由于只要满足大致的模糊规则趋势并保证模糊规则的单调性即可，因此制定模糊规则如表1所示。

4 仿真研究

选取二阶加纯滞后系统为控制对象，传递函数如下：

模糊控制误差的初始论域选择为[-6，6]，误差变化率的初始论域为[-3，3]，模糊输出的初始论域为[-6，6]，PID控制的参数设置为，Kp=0.7，Ki=0.25，Kd=0.3，常规模糊控制器的量化因子选取为Ke=0.8，Kec=0.9，比例因子为Ku=1/7，变论域的量化因子为Ke=0.2，Kec=0.01，比例因子为Ku=0.1，采样时间为T=0.5s，图5为控制系统的总体仿真程序。

如图5所示，仿真程序由三个部分组成，一个是PID控制，一个是常规的模糊控制器，另一个就是文章的变论域的模糊控制器，图6为模糊控制系统阶跃响应仿真曲线图，其中，横坐标代表时间t，纵坐标代表输出响应y。

如图6所示，其中有三条控制曲线，其中常规PID控制曲线超调量比较大，响应速度相对较慢，响应时间相对较长，而常规模糊控制器输出曲线，性能相对优于常规PID控制，超调量比常规PID的小，但响应时间仍然较长，而从图中可以明显的看出，变论域模糊控制器的效果比常规PID控制和常规模糊控制器的效果更好，超调量非常小，上升时间短，响应速度快，无振荡。

5 结束语

文章在分析常规模糊控制器的基础上，利用可变论域思想，设计了一种实用的可变论域模糊控制器，对带有纯滞后的二阶系统进行了仿真实验，同时与常规PID和常规模糊控制器进行了比较，证实了这种新型变论域模糊控制器可以明显地改善纯滞后系统的控制效果，并且具有无超调、无振荡、响应速度快等优点，对于工业实际应用有较高的实用价值。

参考文献

[1]张曼莉，许伟明，储文明，等.变论域智能积分控制器设计[J].控制工程，2008，15：131-133.

[2]Xiao-Yun LIU，Liang-Feng LI，Wu-Fan CHEN. A Variable Universe Fuzzy Control Algorithm Based on Fuzzy inference. Proceedings of the 2007 International Conference on Wavelet Analysis and Pattern Recognition. IEEE，Nov. 2007 ：453-457.

[3]B G Hu，G K Mann，R G Gosine. New methods for analytical and optimal design of fuzzy PID controller. IEEE Transaction on Fuzzy System ，Vol.7，1999：21-539.

第13篇

论文关键词：智能家电，洗衣机，仿真，AT89S51，PDIP

 

1引言

随着Internet的日益普及，人们通过Internet不仅可以获得现实世界各种状态的实时变化情况，还可以通过Internet实现远程控制和处理工作，可以从全球的任何一个角落实现对设备的监控，可以使用通用的网络浏览软件访问设备，将消费电子、计算机和通信融为一体，而家用电器的网络化、智能化管理越来越突显需求。

智能家居远程控制系统的核心部分是一个嵌入式Web服务器，系统集有线和无线Web服务器于一体计算机论文，用户可以利用办公室的PC或者手机登录家中的Web服务器，在通过用户名和密码验证后，便可以查看并控制家用电器；系统带有LCD和键盘，具有良好的人机界面；用户还可以通过键盘来设定系统的任务；系统留有丰富的功能扩展接口，通过这些扩展接口将来还可以实现防火防盗和智能抄表等应用。系统结构框图如图1所示。

图1　智能家居系统的总体结构

本文旨在研究智能家电管理系统中基于AT 89S51芯片的洗衣机控制系统的模拟实现。

2 AT89S51芯片概述

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机， AT89S51具有4k在线系统编程（ISP）Flash闪速存储器,采用全静态工作模式,具有三级程序加密琐,32个可编程I/O口线,2个16位定时/计数器,能够采用全双工串行UART通道,具有灵活的在系统编程功能,可灵活应用于各种控制领域。

AT89S51根据封装方式不同，大致分为3种型状,本系统的设计中AT89S51采用PDIP封装模式,如图1所示。

图2 AT89S51封装模式

3 洗衣机控制系统模拟实现

3.1洗衣机控制系统的总体设计

在本系统中，硬件主芯片采用意法半导体的STR710，是整个系统的核心。它作为一个嵌入式网关，将外部网络与内部洗衣机控制器连接在一起，是整个系统运行的平台论文格式。在远程操纵洗衣机方面，STR710负责从GPRS接收到短消息和网络芯片上接收到的以太网数据中提取出用户指令，然后根据该指令操纵相应的网络家电或者查询其运行情况，最后将执行结果反馈到用户终端。系统的软件设计采用分层设计，包括硬件设备驱动层、操作系统层、应用程序接口层和应用软件层。

3.2洗衣机控制器系统设计

根据需求设计的洗衣机控制器的系统逻辑结构设计图如图3所示：

图3 系统总体框图

3.3洗衣机控制器电路设计

采用AT89S51作为控制核心。其中计算机论文，P1.0和P1.1分别用于控制洗衣机的进水阀和排水阀；P1.2和P1.3用于控制洗涤电机的正反转；P1.4～P1.7、P3. 0、P3.1用于驱动7个LED，分别作为工作程序、浸泡和强弱洗指示灯。P3.2接暂停/ 启动键；P3.3分别用于开盖/不平衡中断输入；P3.4被用作输入线，用于监测水位开关状态，为CPU提供洗衣机的水位信息；P3 .5 接程序选择键；P3.7采用分时复用技术，具有两个功能，一方面接强弱选择/浸泡选择键，在洗衣机未进入工作状态时，按触该键可选择强弱洗或开启关闭浸泡功能，另一方面在进水和脱水时，又作为告警声的输出口。

3.4洗衣机控制器软件设计

系统上电复位后，首先进行初始化，洗衣机进入工作程序后，系统首先根据RAM中27H单元的特征字判断洗衣机的洗衣工作程序，洗衣机进入洗涤子程序wash。洗涤是通过驱动电机的正反转实现的。洗涤结束后，退出wash子程序，调用water_out子程序进入排水进程。排水阀排水时间采用动态时间法确定计算机论文，其原理是：根据常用的空气压力水位开关的特性排水结束后，系统调用y子程序进行脱水操作，维持置位状态，保持排水阀开启，离合器在排水阀的带动下使电机主轴与脱水桶联动，实现衣物脱水。然后判断整个洗衣工作是否结束。其原理是：洗衣机在每次洗涤或漂洗工作环节结束后，将存放洗衣工作程序标志的寄存器减1，在脱水工作环节结束后，系统即对该单元进行检测，当检测到为0时，说明整个洗衣工作结束。软件设计主流程图如图4 。

图4 软件主流程图

4 洗衣机控制器仿真工作原理

首先，在通电时蜂鸣器长鸣一声，VD1 被点亮，这表示系统已经准备好接收指令可以开始准备工作了。单片机一直在读取由嵌入式WEB模块通过IIC通道发送过来的状态，当收到嵌入式WEB模块发送的指令后，将得到的数据作为第一项的设置内容计算机论文，即洗涤强度。蜂鸣器短鸣一声进入等待洗涤时间的设置，这个数据同样来自嵌入式WEB模块发送的指令。蜂鸣器短鸣两声进入等待洗涤方式的设置，过程都是相同的长鸣一声后洗衣机按事先的设置开始洗衣， VD1 快速闪烁表示洗衣状态，洗衣机控制器会完成初洗、浸泡、洗涤的工作，之后长鸣表示洗衣结束。洗涤期间单片机的 P2．1 和 P2．3 两个引脚会不断输出高、低电平来操作两个继电器让电机正、反转，同时还要接收嵌入式WEB模块发送的中断信号，以暂停或结束洗涤论文格式。当洗涤过程结束，蜂鸣器长鸣，系统又回到了开机时等待嵌入式WEB模块发送指令的状态。

其次，控制洗衣机可模拟的具体功能有：1、多种程序选择，用户可根据洗涤衣物的材质选择不同的程序，如浸洗、标准、羊毛和快速等。每种洗涤方式有不同的洗涤模式、时间和顺序。2、过程选择，用户可以选择单独洗涤以保留带有洗涤剂的水进行重复使用，可选择单独脱水，犹如脱水机一样计算机论文，等等。3、预约洗涤，用户可根据需要选择几小时后进行洗涤，时间选择范围为1-24小时。4、剩余时间显示，用户可以直接掌握洗涤时间。5、温度控制，可以显示模拟的水温控制。

5 结论

本文设计的洗衣机仿真控制系统连入嵌入式web服务的支持，就能够通过普通PC或GPRS手机访问Internet实现，通过远程控制命令完成对洗衣机参数的设定，对洗衣机进行操作，大大地简化了操作程序。利用单片机AT89S51作为洗衣机的控制器，能充分发挥AT89S51的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏度。

参考文献

【1】郭维芹.模拟电子技术[M]. 北京: 科学出版社, 1993。

【2】童诗白，华成英，《模拟电子技术基础》，北京高等教育出版社，2001。

【3】吴小许,孙瑜,黄敏.数字量调节阀的控制算法研究与应用[J]. 化工自动化及仪2004。

【4】宋建国．AVR单片机原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，1998。

【5】胡汉才，《单片机原理及其接口技术，清华大学出版社，1996。

【6】李庆利陈曙薛永祺，洗衣机仿真系统的设计与实现计算机工程2006。

第14篇

关键词：永磁同步电机；仿人智能控制；控制系统

随着永磁材料性能的不断提升和成本的降低，采用永磁材料的各类电机，特别是永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM），已经在电动汽车、风能开发、轨道交通、船舶推进等领域得到了应用。针对永磁同步电机的控制技术，基本是以交流异步电机的控制技术为基础，从控制系统结构上看，目前主要有矢量控制技术和直接转矩控制技术两种，每种控制技术中涉及的具体控制器基本为经典PI控制器[1]。永磁同步电机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，应用经典控制方法对其进行控制，需要做两方面的简化：一是为建立电机的数学模型，需要对电机的物理模型进行简化，如假设绕组对称分布、磁场沿气隙圆周呈正弦分布，忽略铁心损耗、磁滞损耗和电机参数变化等；二是在控制器设计中需要对系统进行简化，如忽略系统的高次项、小惯性环节的近似处理等[2]。基于上述简化而设计出的控制器存在继续优化的空间。智能控制技术的发展为永磁同步电机的控制带来了新思路，如文献[3]将模糊PI方法引入永磁同步电机的位置环控制，分析了模糊控制系统的构成以及实现方法；文献[4]针对永磁同步电动机抖振问题，提出了一种具有消抖作用的高阶滑模控制算法。本文主要研究智能控制技术中一类重要的控制技术――仿人智能控制在永磁同步电机控制系统中的应用，以期能为永磁同步电机的控制系统设计提供参考。

1 永磁同步电机数学模型和控制系统结构

永磁同步电机dq转子坐标系理想动态数学模型如下：式中，ud、uq―电机定子电压dq轴分量；id、iq―电机定子电流dq轴分量；ψd、ψq―电机定子磁链dq轴分量；ψf―电机定子绕组一相永磁磁链幅值；Ld、Lq―电机定子dq轴励磁电感；R1 ―电机定子绕组一相电阻；p―微分算子；―电角速度；Te―电磁转矩；T1 ―折算到电机轴端的负载转矩；J―整个机械负载系统折算到电机轴端的转动惯量；np―极对数。基于上述数学模型，永磁同步电机矢量控制系统结构如下图所示[2]。图中，ASR为速度控制器，ACR为电流控制器，一般用工程设计方法将控制器设计为典型PI控制器。此种设计方法优点是理论成熟、设计简单，缺点是建模和控制器设计中做了一系列简化处理，即没有充分利用控制系统的特征信息，控制效果有待进一步提高。

2 仿人智能控制的原理和设计

在实际的控制过程中人们发现：在得到必要的操作训练后，由人实现的控制方法是接近最优的，这个方法不需要了解控制对象的结构参数，也不需要最优控制专家的指导。人的控制活动反映了人脑的高超思维、决策和控制能力，仿人智能控制即以模拟人脑宏观结构和行为功能为基础。仿人智能控制的基本思想是在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识别和利用控制系统动态过程的特征信息，进行启发和直觉推理，从而实现对非精确数学模型控制对象的有效控制。

3 仿真验证

取永磁同步电机的主要参数如下表。建立永磁同步电机转速矢量控制模型，如图2 所示。ASR，ACR为采用工程设计法设计的经典PI控制器，电机空载起动，0.1s时加载5N}m}取额定转速为2000r/min，仿真结果如图3 所示。应用仿人智能方法设计ASR速度控制器，控制器相关参数如下表。仿真结果如图4-7 所示。从图5 可以看出，与经典PI控制器相比，仿人智能控制器控制的转速波动小，在负载变化时，恢复时间短，动态扰动小;由图6，7 可知，仿人智能控制器的i、波动小，i、基本相同，由式(1)中转矩方程可知，在i、相同的情况下，转矩与i、成正比，i、波动小时，转矩波动小，进而转速波动小，这与图5 是对应的。

4 结束语

仿人智能控制的优点是设计简单，只需要几条规格，即可设计出较好的控制器，缺点也是明显的，这几乎也是所有智能控制技术的共有缺点，即智能控制技术目前还没有形成类似经典控制那样的完整的理论体系，控制器的参数设计、稳定性分析、参数与性能指标的关系等没有严格的理论分析，只能通过经验、试凑等方法进行设计。建立完整的理论体系，这是仿人智能控制技术和其它智能控制技术今后的研究目标。

参考文献

[1]尔桂花，窦曰轩.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社，2002.

[2]袁登科，徐延东，李秀涛.永磁同步电机变频调试系统及其应用[M].北京:机械工业出版社，2018.

[3]王晓冬，汪旭东.永磁同步电动机位置环的模糊PI控制系统[J].计算机仿真，2014，31:398-406.

第15篇

关键词 多变量系统；模糊解耦；模糊控制

中图分类号O1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）79-0122-02

对于多变量系统而言，不同的输入和输出之间难免存在一定的耦合，使用传统的单变量控制系统设计方法很难达到令人满意的控制效果。所以，控制领域的工程人员提出了解耦的思想 [1]，早期的解耦方法主要以全解耦状态空间法和现代频率法为代表[2]，这两种方法均要求建立被控对象的精确数学模型，因此，在应用上受到一定程度的限制。

模糊控制的特点是不依赖于被控对象且对其数学模型要求不高，适用于时变、纯滞后、非线性的控制系统[2]。因此，本文采用模糊规则设计补偿模糊控制器实现对系统的解耦，主控制器设计时也采用的是模糊控制算法，仿真结果表明，该方法达到了良好的解耦效果，使控制系统具有更好的鲁棒稳定性。

1 双模糊解耦控制算法

解耦的本质在于应用各种算法设计一个解耦器，用它来抵消在控制过程中各通道之间所产生的耦合，实现各个单回路控制系统独立工作的目的[3]。本文利用模糊控制器不依赖于被控对象精确数学模型的优点，通过模糊规则实现补偿模糊控制的设计，达到解耦的目的。同时，系统的控制器也采用模糊控制规则来实现，从而构成双模糊解耦控制系统，其结构如图1所示。

2 模糊控制器设计

本文主模糊控制器的设计思路与补偿模糊控制器设计思路类似，故重点介绍补偿模糊控制器的设计。模糊控制器均选用双输入、单输出的二维模糊控制器，输入量为给定量与输出量之差构成的误差信号及其变化，输出控制量为。

2.1 补偿模糊控制器设计

模糊集和均取7个语言值{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，划分为13个等级，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，l，2，3，4，5，6}。隶属函数采用三角线型。

模糊集取7个语言值{IB，IM，IS，ZE，SS，SM，SB}，分别表示{大补，中补，小补，不补，小减，中减，大减}，划分为15个等级，即{5，4，3，2，1，0.5，0.25，0，-0.25，-0.5，-1，-2，-3，-4，-5 }，隶属函数也采用三角线型。

采用Mamdani型推理法[4]，根据操作人员的相关经验和技术知识综合分析后得出控制决策，并制定相应的控制规则表，如表1所示。

本文在进行解模糊[4]时采用的是隶属度加权平均的方法，并应用Matlab中的模糊工具箱完成了这一过程，得出模糊控制查询表，通过查询表中元素可以直接计算出补偿控制量，实现对控制器输出信号的解耦补偿。

2.2 主模糊控制器设计

主模糊控制器的模糊集和的语言值、等级划分及隶属函数均与补偿模糊控制器的相同。模糊集取7个语言值{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，划分为15个等级，即{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，l，2，3， 4，5，6，7}。同样应用Mamdani型推理法，建立模糊控制规则表，计算主模糊控制查询表，实现主控制器的设计。

3 仿真分析

针对压力-流量控制系统，通过对系统阶跃响应曲线的辨识得到其数学模型：

分析可知，该系统严重耦合，必须解耦才可实现压力-流量的独立控制。

采用本文所介绍的双模糊控制方式对压力-流量控制系统进行解耦，应用Matlab/Simulink软件对其进行仿真[5]。

当r1=1，r2=0时，可得如图2所示的仿真结果。

当r1=0，r2=1时，可得如图3所示的仿真结果。

当r1=0，r2发生突变时，在y2的起始段之所以游跳变，是因为没有实现对系统的动态解耦，待这一动态变化的过渡过程结束以后，系统的输出恢复到给定值，实现了对系统的静态解耦。

由仿真结果可知，本文所设计的双模糊控制器基本实现了压力-流量耦合变量间的独立控制，并且具有响应曲线无超调，响应速度快的特点。

4 结论

本文设计了一种以模糊控制器分别作为解耦补偿器和系统控制器的双模糊解耦控制系统，利用Matlab/Simulink建模仿真工具对压力-流量控制系统进行仿真，结果表明，该方法具有动态响应好、上升时间快、超调小的优点。

参考文献

[1]桑保华，薛晓中.多变量解耦控制方法.火力与指挥控制，2007，32（11）：13-16.

[2]李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制理论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[3]刘涛，张卫东.双输入输出时滞过程解耦控制的解析设计[J].控制理论与应用，2006（23）：31-37.