控制器设计论文第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

控制器设计论文第2篇

1高速握手

USB2.0设备连接到主机后，主机给设备供电并发送复位信号复位设备，之后设备进入全速模式工作，由图2所示在fullspeed状态检测到SE0(linestate[1:0]=00)持续2.5μs后,高速握手开始，设备控制器进入sendchirp状态，设备向主机发送一个持续时间大于1ms的K(linestate[1:0]=01)信号以检测主机是否支持高速模式。设备进入recvchirp状态并准备接收来自主机的JK序列。主机支持高速并检测到K之后，向设备发送JKJKJK序列以检测设备是否支持高速模式。设备控制器在recvchirp状态成功检测到3对JK序列后高速握手成功，进入到highspeed模式工作；否则，设备以全速模式工作。

2设备挂起

根据USB2.0协议，为了减小功耗，当总线3ms没有动作时，设备需进入挂起（suspend）状态，设备在挂起状态只能消耗小于500μA的电流，并且进入挂起后设备需要保留原来的状态。(1)全速模式挂起:检测到总线状态为SE0达到3ms，设备从fullspeed状态进入suspend状态。(2)高速模式挂起：设备工作在高速模式时，由于高速复位和高速挂起都是发送一个大于3ms的总线空闲信号，因此设备需要区分这两个事件。如图2，处于highspeed状态时，设备检测到总线空闲(SE0)3ms，进入hsrevert状态。之后检测总线状态不为SE0，此后设备挂起。假如在hsrevert状态后还检测到SE0持续100μs,则判断为高速复位，clrtimer2=1。设备状态转换到sendchirp状态，开始设备的高速握手。

3挂起恢复

设备处于挂起状态时，在它的上行口接收到任何非空闲信号时可以使设备恢复工作[5]。(1)全速挂起恢复：设备从挂起状态起检测到的不是持续的J，则恢复到fullspeed状态，以全速模式工作。(2)高速挂起恢复：挂起时保留着高速连接状态，highspeed=1且hssupport=1,挂起恢复需要判断是由总线动作引起还是系统复位引起。设备中测到总线状态为SE0，说明是由复位引起的挂起恢复，设备状态进入sus-preset，然后检测到SE0持续2.5μs后，进入高速握手过程sendchirp状态；反之，检测到挂起恢复信号K，则设备从挂起恢复到高速模式。

4复位检测

集线器通过在端口驱动一个SE0状态向所连接的USB设备发出复位信号。复位操作可以通过USB系统软件驱动集线器端口发出复位信号,也可以在设备端RE-SET信号置1，进行硬件复位。(1)设备是从挂起状态复位：在suspend状态检测到SE0时，设备跳转到suspreset状态，检测总线状态为超过2.5μs的SE0后设备启动高速握手检测，即进入sendchirp状态。(2)设备从非挂起的全速状态复位：设备在检测到2.5μs<T<3.0ms的SE0状态后启动高速握手检测。硬件纵横HardwareTechnique(3)设备从非挂起的高速状态复位：设备在high-speed状态检测到总线上持续时间3.0ms的SE0后，设备状态转换到hsrevert，以移除高速终端并重连D+的上拉电阻，此时为全速连接状态；之后设备需要在100μs<T<875μs的时间内采样总线状态,检测到SE0持续2.5μs后，进入sendchirp状态，开始高速握手过程。

5仿真及验证

控制器设计论文第3篇

1．1控制系统总体结构

为了满足废墟灾难环境中的控制需求，设计了蛇形机器人控制系统。控制系统上层是监控系统，通过ZigBee无线模块给主控系统发送控制蛇步态的指令，如蜿蜒、蠕动、翻滚、分体等。主控系统的音视频信息和惯导、温度、湿度、压力、有害气体等传感器信息分别通过1．2G无线收发模块和ZigBee模块传输给监控系统显示。主控模块通过ZigBee无线模块与从控系统进行通信，以控制其实现相关的步态。

1．1．1主控系统

主控系统主要由ARM核微处理器STM32、无线通信模块以及传感器组成。主控系统通过无线模块接收监控系统的控制指令，并根据指令决定搜救机器人的运动步态、运动方向以及到达目标的位置;传感器收集灾难环境中音视频、温度、湿度、有毒气体以及红外测距信息，微处理器根据测距信息选择合适的运动步态，并将控制指令通过无线模块发送给从控系统去执行。

1．1．2从控系统

从控系统使用了和主控制器一样的高速ARM处理器，可同时控制18路PWM舵机。从控系统通过ZigBee无线模块从主控制系统获得控制指令，通过PWM信号控制关节机构运动。

1．2步态控制

Serpenoid曲线用来规划蛇形机器人的运动轨迹，并确定搜救机器人的驱动函数。

2实验平台

2．1蛇形机器人简介

该机器人具有如下几个特点:1)采用3D打印而成，既缩短了加工周期又节约了成本;2)通过ADAMS软件仿真，进行了机械结构设计，直线长度为2m，具有6个正交关节和1个分体机构，腿部具有变形机构，可以进行站立、卧倒、蜿蜒、蠕动、分体、翻滚等步态;3)机器人采用6V，4500mAh的电池供电，确保机器人能够连续运动0．5h以上。

2．2平台搭建

按照前文所述，搭建了柔性变形蛇形机器人控制系统的整套硬件电路。

3实验结果

3．1通信实验

蛇形机器人上位机监控界面，上位机通过远程监控搜救机器人自主移动、翻越障碍物、爬坡等实验，通过无线模块实时传输机器人所处环境的各种传感器信息，并能综合各种环境信息通过无线模块控制机器人运动。实验验证了蛇形机器人控制系统可实现多信息的实时准确无线通信，能够满足复杂搜救环境的通信需求。

3．2移动性能实验

经过多次实验，不断地调试分别实现了自主柔性变形蛇形机器人蜿蜒、蠕动、分体、翻滚等平面和立体运动步态，运动平稳，曲线平滑，蜿蜒运动速度可达0．5m/s。通过穿越狭小空间、翻越障碍物、爬坡等试验，验证了蛇形机器人在不同的环境中，具有良好的多步态运动稳定性和自主移动性能。蛇形机器人在模拟灾难场景中的各种运动步态。

4结束语

控制器设计论文第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

控制器设计论文第5篇

本文设计的基于以太网的超声检测多轴运动控制系统是在复杂的多轴运动控制技术之上结合了远程通信技术，以此来实现超声检测的远程自动控制。此系统主要由上位机、多轴运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、机械执行装置、限位开关和超声探头等组成，其组成框图如图1所示。由上位机LabVIEW控制系统为多轴运动控制器发送运动指令，并由多轴运动控制器将运动信号拆分为步进信号和方向信号，再将这两种电机控制信号发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将其转化为角位移发送给步进电机，使步进电机转动相应个步距角，以达到使步进电机按指令运动的目的。步进电机上安装有机械执行装置，用以固定超声探头，机械执行装置上安有限位开关，以此控制电机的运动范围，当电机运动到限位开关的位置时，限位开关发出限位信号到多轴运动控制器，运动控制器便停止发出使电机运动的脉冲信号。在进行自动超声检测时，Z轴方向机械执行机构上固定的超声检测探头能够在被检测物体的表面按照上位机运动控制算法设计的运动轨迹进行连续检测，并实时向PC机返回探头的位置信息，并将数据采集卡采集的超声信号与探头返回的位置信息建立起对应关系，最终通过上位机的图像处理系统形成超声检测图像，以此来实现物体的超声检测。

2多轴运动控制器的方案设计

多轴运动控制器可以通过远程以太网通信的方式接收上位机的控制信号，向步进电机驱动器发送脉冲信号和方向信号以完成对电机的运动控制。采用ARM9处理器S3C2440搭建硬件平台，配有DM9000A以太网通信芯片使硬件平台具备远程通信的功能。在Linux操作平台上进行控制系统软件功能设计，并采用UDP通信协议实现上位机与运动控制器之间的远程通信［3］。

2．1多轴运动控制器硬件电路设计

本文采用ARM9处理器S3C2440设计了系统中运动控制器的硬件电路部分，并采用DM9000A网络接口控制器设计了运动控制器的以太网接口。运动控制器硬件整体框图如图2所示。运动控制器选用ARM9处理器作为运动控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系统，在操作系统之上实现运动控制器的插补等多轴运动控制算法。选用DM9000A以太网控制芯片实现上位机LabVIEW与运动控制器之间的远程通信，进而实现超声检测的远程自动控制。为了解决步进电机驱动器与主控芯片信号匹配的问题，本文采用光耦器件设计了电压转换模块，负责把主控芯片输出的3．3V电压信号转换至5V电压信号后输入到步进电机驱动器中，同时负责把限位开关发出的24V限位信号转换至3．3V输入到主控芯片中。此外，电路中还搭载了用于存储数据的扩展存储器、以及用于调试的JTAG接口电路和RS232串口电路。

2．2多轴运动控制器软件设计

本课题所用的限位开关为位置可调的限位开关，每个轴有2个限位开关，在每次超声检测前，把每个限位开关调节到被测工件的边缘处，从而使探头移动的范围即为工件所在范围。故此设计运动控制器的软件时便可将限位开关做为边界条件，以此来设计探头的运动范围。其运动控制流程:首先系统初始化，通过上微机控制界面人工控制探头到被测工件的起点，然后X轴正向运动到X轴限位开关处，Y轴正向运动一个探头直径的长度，X轴再反向运动到X轴另一侧的限位开关处，之后Y轴继续正向运动一个探头直径的长度，如此往复运动直至探头到达Y轴的限位开关处，检测结束，探头复位。运动控制软件流程图如图3所示。

3多轴运动控制系统上位机软件设计

基于以太网的自动超声检测多轴运动控制系统的上位机软件是以LabVIEW开发平台为基础，使用图形G语言进行编写的，主要包括多轴运动控制软件和以太网通信软件。Lab-VIEW是一款上位机软件，其主要应用于仪器控制、数据采集和数据分析等领域，具有良好的人机交互界面［4］。LabVIEW软件中有专门的UDP通信函数提供给用户使用，用户无需过多考虑网络的底层实现，就可以直接调用UDP模块中已经的VI来完成通信软件的编写，因此编程者不必了解UDP的细节，而采用较少的代码就可以完成通信任务，以便快速的编写出具有远程通信功能的上位机控制软件［5］。上位机LabVIEW软件的远程通信模块、运动控制模块以及数据处理模块相互协调配合，共同构成了超声检测多轴运动控制系统的上位机软件。

3．1运动控制软件设计

运动控制系统软件部分主要由运动方式选择、探头位置坐标、运动控制等模块组成，可完成对系统运动方式的选择，运动参数、控制指令的设定以及探头位置信息读取等工作。运动方式选择模块可根据实际需要完成相对运动或是绝对运动两种运动方式的选择，并会依照选择的既定运动模式将X、Y、Z三轴的相应运动位置坐标输出在相应显示栏中，以便进行进一步的参数核对以及设定;运动控制模块可依照检测规则实现对整个系统运动过程的控制，包括:设定相对原点、运行、复位、以及退出等相关操作。相对原点设定可以将探头任意当前位置设为新的原点，并以原点作为下一个运动的起始点，即为探头位置坐标的相对零点，并将此刻相对原点的绝对位置坐标值在文本框中显示出来。运动控制系统软件流程图如图4所示。

3．2以太网通信软件设计

以太网通信模块采用无连接的UDP通信协议，通过定义多轴运动控制器与上位机LabVIEW的以太网通信协议，实现下位机与上位机之间的远程通信。具体设计如下:首先使用“UDPOpenConnection”打开UDP链接，使用“UDPWrite”节点向服务器端相应的端口发送命令信息，然后使用“UDPRead”节点读取服务器端发送来的有效回波数据，用于后期处理，最后应用“UDPCloseConnection”节点关闭连接［6］。以太网通信模块的程序框图如图5所示。

4实验及结果

实验平台由步进电机及其驱动器、上位机控制软件和自主研发的多轴运动控制器构成。在上位机的用户控制界面中，首先输入以太网的IP地址并选择运动方式，然后根据用户的检测需求设定运动速度和运动距离，点击运行后探头即按所设定运行。探头运动过程中还可以选择设定当前位置为原点，探头即按照新的原点重新开始运动。同时，在探头运动时会实时显示探头当前所在位置坐标。模拟开关发送选通超声探头信号并发送脉冲信号激励超声探头发射超声波，FPGA控制A/D转换电路对超声回波信号进行转换，并将数据存入双口RAM，存储完成后向ARM发送信号，ARM接收到采集完成信号将数据通过以太网向上位机发送。上位机的LabVIEW用户控制界面如图6所示。

5结束语

控制器设计论文第6篇

基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(资助号:2001101026)

作者简介:朱进(1980―),女,辽宁锦州人,硕士研究生,研究方向:大系统的分散控制及鲁棒控制(E-mail:)｡ 文章编号:1003-6199(2007)01-0014-04

摘要:考虑一类非线性关联大系统的可靠控制器设计问题,该系统具有常时滞､参数不确定性､非线性扰动和传感器故障｡其中参数不确定性满足匹配条件,非线性扰动满足范数有界条件,传感器具有部分失效的模型｡本文的目的是设计无记忆分散控制器来镇定该系统｡通过解线性矩阵不等式获得此控制器,使得当传感器器发生故障时被控系统能够保持渐近稳定｡最后通过仿真的例子,验证该状态反馈控制器的可行性｡

关键词:容错控制;控制器;关联系统;传感器故障

中图分类号:TP273文献标识码:A

1引言

可靠控制是将系统部件可能发生的故障考虑在控制器设计过程中,可使所设计的控制系统无论是否出现故障都能保持一定的性能指标｡由于元器件质量,环境变化等各种因素,执行器和传感器失效是实际工程系统经常遇到的问题｡近年来,不确定系统的容错控制问题的研究取得了一些成果[1-4]｡文献[1]-[4]均是对具有离散故障模型的系统进行研究,即将部件输出分为正常和中断两种情况,部件无故障时将输出信号增益设为1;部件发生故障时将输出信号增益设为0｡而执行器或传感器通常会出现部分失效的情况｡文献[5]和文献[6]虽然考虑了传感器的部分失效,但仅是对单个系统进行研究,而随着科学技术的发展,系统的构成越来越复杂,出现了各种结构的大系统,如动力系统､通讯系统､社会系统､经济系统等｡因而,研究关联系统的完整性设计显得尤为重要,并且关联大系统的分散控制不仅可从理论上简化复杂问题,而且实现起来也经济､可靠｡

本文针对具有传感器部分失效的模型,研究了不确定非线性关联大系统的可靠状态反馈控制器的设计方法｡利用线性矩阵不等式,给出了控制器的求解方法,此控制器使得闭环系统无论是否发生故障仍能保证渐近稳定｡

2问题描述

考虑不确定非线性关联系统的故障模型:

是第i个子系统在时刻的状态向量;ufi(t)∈Rqi是考虑第i个子系统在时刻的控制输入向量;φi(t)是连续的向量初值函数;d为时滞常数;是具有适当维数的常数矩阵;(t)是反映第i个子系统模型中时变参数不确定性的不确定实值矩阵｡假定系统(1)中的参数不确定性ΔAi(t)､ΔAid(t)和非线性扰动 fi(xi(t))分别满足以下条件:计算技术与自动化2007年3月第26卷第1期朱进等:具有传感器故障的非线性关联大系统的可靠控制

3主要结果

定理1对于系统(6)如果存在正定矩阵X,Y,使得由Schur补性质可知(10)式等价于(7)式,即定理1成立｡

4例子

考虑具有执行器故障的不确定关联系统(1),其中进行仿真,结果见图可以看出两个子系统渐近稳定,说明本文所设计的分散控制器是可行的,可以达到预期的目的｡

5结论

本文讨论了一类具有状态时滞､参数不确定性和未知非线性扰动的不确定非线性关联大系统的状态反馈可靠控制问题｡把传感器可能发生的故障考虑在控制器的设计过程中,通过求解线性矩阵不等式,从而得到分散无记忆可靠控制器,使得闭环系统无论是否发生故障都保持渐近稳定｡

图1 失效时第一个子系统的状态响应

控制器设计论文第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。

控制器设计论文第8篇

【关键词】两缸两冲程小型发动机；电控单元；ECU；控制策略

0 引言

两缸两冲程小型发动机结构简单、体积小重量轻、并且升功率显著高于四冲程发动机，由于有着以上优点，被广泛应用于小型摩托车、航模甚至是小型的发电设备上。[1]本文对两缸两冲程小型发动机的控制原理、系统构成及系统设计要求进行了研究，在此之上提出了一种适用于该类发动机的控制策略，以及相应的控制单元ECU的设计方法。[2]

1 控制系统的基本结构和设计

控制系统由传感器、控制器ECU和执行器三个部分组成。空气经过节气门进入进气道，燃油经喷油嘴喷射进入进气道，跟新鲜空气混合后进入气缸。在气缸内经火花塞点火燃烧，废气由排气管排出发动机。[3-5]

1.1 传感器

本文设计的电控系统所用的传感器主要有：发动机曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气温度压力传感器和排气氧传感器。

1）发动机曲轴位置传感器

该传感器主要有磁电式和霍尔式两种，本文采用磁电式。曲轴前端安装有特定齿数的齿，齿的边缘安装传感器。当齿旋转时候，传感器端即可产生相应位置的脉冲信号，使用整形电路对该脉冲电路进行整形成为矩形波，当发动机转速高时，矩形波的波幅较窄，当发动机转速低时候，矩形波的波幅较宽。ECU依次来计算发动机的转速。

2）节气门位置传感器

节气门位置传感器向ECU提供进气道节气门的角度位置，该数据是计算发动机的进气量、负荷和驾驶意图的重要参数。

节气门通常分为电子式和拉线式两种，本文采用的是自行研究开发的主动驱动式电子节气门，图1是该节气门的结构示意图。[6]ECU通过CAN总线连接该节气门部件，控制电路获取信号后驱动直流电机转动，电机的扭矩通过齿轮组带动蝶阀转动。蝶阀轴顶端安装有霍尔传感器，当蝶阀转动时，该传感器会感应到该变化，转换成跟角度相应的模拟信号，并将该信号传递给控制单元ECU。

3）进气温度压力传感器

本文采用的是温度压力一体是传感器，具有体积小重量轻的优点，尤其适合小型发动机使用。该传感器安装在进气系统的过渡管路上。

4）氧传感器

氧传感器安装在发动机的排气管中，用于测量发动机尾气中的氧含量。使用该传感器进行喷油的闭环控制，可以精确控制喷油量达到理论空燃比。

1.2 电控单元ECU

发动机电子控制单元ECU是整个电控系统的核心部分，它在发动机运转过程中接收传感器信号，并进行处理计算后向执行器发出控制信号，执行器按照ECU的控制意图进行工作。

图2是本文使用的控制器的构成图，图中左侧是上文描述的传感器，其中曲轴位置传感器是整形后的矩形波，连接至ECU的Timer管脚，ECU通过边沿触发中断来进行信号分析和计算。其他三个传感器的信号均为AD信号。控制器的右侧是点火、喷油和氧传感器加热器这三个执行器。

1.3 执行器

本文的执行器主要有喷油器、点火线路和氧传感器加热器三个部分。

1）喷油器

喷油器是一种电磁开关装置，由发动机控制单元ECU发出PWM波形，经过放大后驱动电路来控制喷油器的开启和关闭，通过喷油脉宽即PWM波形的幅度来控制电磁阀的打开和关闭之间的时间，进而控制喷油量。通过喷油正时来控制电磁阀打开的时机，进而控制喷油提前角。

2）点火线路

点火线路由点火线圈和火花塞两个部分组成，控制单元ECU通过Timer管脚发出PWM波形，进而控制初级线圈导通，最终达到控制点火的提前角和和点火能量效果。

3）氧传感器加热器

本文选用的氧传感器LSU4.9的工作温度在750℃附近，偏离这一工作点，会直接导致测量偏差，进而引起喷油量计算的不正确，导致发动机工作异常。因此有必要对氧传感器进行温度控制。

图3是氧传感器的温度控制图，把传感器上的温度和要求温度一起导入ECU，经过PID计算计算后，输出PWM信号，该信号经放大电路放大后引入加热丝，进而引起氧传感器的稳定变化，达到闭环控制的效果。

2 控制策略研究

图4是本文所采用的系统控策略，整个控制系统分为7个计算模块，分别是转速计算、点火提前角计算、点火脉宽计算、喷油提前角计算、喷油脉宽计算、点火控制计算和喷油控制计算。以下分别加以叙述：

1）转速计算

该计算任务是中断任务，当ECU捕捉到脉冲边沿，发生中断任务，计算相邻的脉冲波形的间隔，加以滤波，即可获得当前发动机的转速。

2）点火提前角计算

该任务是定时任务，每隔10ms计算一次。点火提前角以发动机转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的点火提前角，当高转速时输出较大的点火提前角。

3）点火脉宽计算

点火脉宽以进气温度和进气压力作为计算参数。当进气温度低进气压力高时，适当提高点火时间，当进气温度高进气压力低时，适当降低点火时间。

4）喷油提前角计算

喷油提前角以转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的喷油提前角，当搞转速时，输出较大的喷油提前角。

5）喷油脉宽计算

喷油脉宽以废气氧含量、进气压力、发动机转速和节气门位置为计算参数。其中进气压力和发动机转速设计为一张三维表，进气压力越高转速越高，说明发动机负荷越高，此时应加大喷油脉宽，进气压力越低转速越低，说明发动机负荷越低，此时应减小喷油脉宽。废气氧含量对以上计算结果进行修正，让空燃比保持在理论空燃比附近，达到节能减排的效果。节气门位置对以上计算结果进行二次修正，以达到较好的操纵性能。

6）点火控制任务

该任务是实时中断任务，发生在上止点时刻。当ECU通过曲轴相位传感器的信号判断出发动机处于上止点时，发生该任务。在该任务中，ECU把点火提前角的计算结果进行转化设置在Timer寄存器中开始计时，以达到在点火提前角达到的达到的时刻计时完成，发生点火中断，继而发出指定点火脉宽的PWM波形。该波形经放大后驱动点火线路打火。

7）喷油控制任务

该任务跟点火控制任务基本类似。

3 结论

本文主要介绍了两缸两冲程活塞小型发动机电控系统的控制器ECU和控制策略的设计方法。依次方法设计出了一款满足该领域使用要求的高度集成化的控制器，该控制器层次简洁、清晰，模块之间相互独立，提高了系统的可靠性。经试验验证，完全达到了对该类型小型发动机的实时性和精度的控制要求。

【参考文献】

[1]黄建，曹占国.小型二冲程航空汽油机电控系统研究[J].小型内燃机与摩托车，2012，2.

[2]马二林.FAI二冲程缸内直接喷射航空用打洞机的研究[D].天津大学，2013.

[3]姜学敏.某型发动机电控燃油喷射技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[4]杨时威.基于XCP协议车用标定系统的研发[C]//中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集，2006.

控制器设计论文第9篇

【关键词】滑模变结构控制;抖振;倒立摆系统;伺服系统。

目 录

摘 要 1

Abstract 2

1 绪论 5

1.1 滑模变结构控制理论的介绍 5

1.1.1 滑模变结构控制理论的起源和背景 5

1.1.2 滑模变结构控制研究的发展历史和现状 5

1.1.3 滑模变结构控制理论的特点 8

1.2 目前滑模控制设计中存在的问题 9

1.2.1 滑模控制器的设计要求 9

1.2.2 计算机实现滑模控制算法存在的问题 10

1.3 本论文的研究意义及研究内容 10

1.3.1 研究意义 10

1.3.2 研究内容 11

2滑模变结构控制的基础理论 12

2.1 滑模变结构控制系统的基本原理与设计方法 12

2.1.1滑模变结构控制的基本概念 12

2.1.2 滑动模态的数学描述 14

2.1.3 滑动模态的存在和到达条件 15

2.1.4 滑模控制系统的设计过程 16

2.2.1 抖振问题 17

2.2.2 抖振的解决办法 18

2.3 本章小结 19

3滑模控制在低速摩擦伺服系统中的应用 20

3.1 引言 20

3.2 低速摩擦伺服系统的主要问题 20

3.3 伺服系统描述 20

3.4 滑模控制器设计 21

3.5 仿真实例 23

3.5.1 PD控制 23

3.5.2 滑模控制 24

3.6本章小结 28

4 台车式倒立摆的滑模控制 29

4.1 引言 29

4.2台车式倒立摆模型及其原理 29

4.2.1 台式倒立摆模型 29

4.2.2台车式倒立摆原理 29

4.3 滑模控制器设计 30

4.3.1 切换函数设计 30

4.3.2 控制律的设计 32

4.4 仿真实例 33

4.4.1 常值切换控制律仿真 33

4.5 本章小结 36

5 滑模变结构控制在机器人中的应用 38

5.1 引言 38

5.2 机器人控制的主要问题 38

5.3 机器人的数学模型 39

5.4 基于滤波的机器人滑模控制 40

5.4.1 引言 40

5.4.2 基于滤波的机器人滑模控制 41

5.4.3仿真实例 44

5.5 本章小结 46

6 总结与展望 47

参考文献 49

致 谢 50

附录 51

1. 滑模控制在低速摩擦伺服系统中的应用 51

1) 控制器S函数：chap1.m 51

2) 被控对象S函数：chap1plant.m 52

3) 作图程序:chap1plot.m 55

2.台式倒立摆的滑模控制 56

1)主程序chap2.m 56

2)控制子程序chap2eq.m 58

3.滑模变结构控制在机器人中的应用 59