控制器设计论文篇（1）

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

控制器设计论文篇（2）

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。

控制器设计论文篇（3）

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。

控制器设计论文篇（4）

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。

控制器设计论文篇（5）

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。

控制器设计论文篇（6）

1．1问题提出图1所示为H－矩阵/QFT鲁棒解耦多变量控制系统框图，其中G(s)为被控对象，GG(α，s)=(gij(α，s))表示带有不确定性参数向量α的线性时变传递函数。K(s)为反馈补偿器，F(s)为控制器，H(s)为反馈补偿后几乎解耦的被控对象。理想状况下，设计目的是寻求反馈补偿器K(s)，使得G(α，s)补偿后的系统H(s)成为具有如下形式的对角系统:H(s)=diag［h1(s)，h2(s)，…，hn(s)］(1)实际上由H－矩阵的理论可知当H(s)满足行(或列)对角占优，且交联系数λH^满足如下条件时，kk系统是几乎解耦的［3］，这样就可以把一个多变量系统的设计问题简化为由该系统的各对角元构成的单变量系统的设计问题，从而达到简化控制器结构的目的。1．2反馈补偿器设计

1．2．1反馈补偿器K(s)设计原理［3］由图1可得如下传递函数

1．2．2QFT自动整形原理设计kii(s)鲁棒控制理论中的定量反馈理论(QFT)是一种基于频域的鲁棒控制设计理论，QFT在设计控制器之前各种不确定性和需要达到的性能指标以定量的形式描述出来，然后根据这些限定，设计可以容忍这些不确定性并且满足性能指标的控制器，设计的核心环节就是确定设计指标，构造对象模板，在Nichols图上生成复合频域边界，根据复合频域边界设计控制器F(s)，即在Nichols图上对标称对象进行整形的过程［4］。本文利用QFT对参数不确定性和对频率不敏感性的优势，来设计kii(s)。将公式(7)作为性能指标，将其转换成Nichols图上的频率边界，然后根据这些频率边界设计kii(s)，使得到的Li0=kipi0频率响应曲线应在边界上方，并且应尽可能与边界靠拢。本文利用遗传算法进行自动整形［5］。

2H－矩阵/QFT鲁棒解耦多变量控制在SRLV姿态控制系统中的应用

控制器设计论文篇（7）

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。

控制器设计论文篇（8）

目前，控制系统已经管饭的应用至生产生活的各个领域中，包括飞机、航空、冶金、汽车、军事等多个领域，一旦控制系统出现故障，不仅会给生产生活带来不便，甚至可能造成重大的生产安全事故，严重威胁人民的生命财产安全及社会稳定。因此，及时诊断系统故障，设计出一套具有容错功能的控制系统十分必要。

1 变结构飞行棋故障诊断研究中注意的问题

针对变结构飞行器容错系统控制的研究已经取得了一系列的研究成果，主要表现在对变结构飞行器故障诊断研究的现状、容错控制系统的研究现状、一体化设计故障的诊断方法等。然而不能忽略的是，目前的研究仍然存在一定的问题，如对主动容错理论的相关研究不全面，研究方法和设计思路有待深入挖掘，故障参数不稳定等。因此，在变结构飞行器未来的故障诊断研究中必须考虑如下四个方面。

1.1 多对多可容错控制研究

在容错控制律重新调度的主动容错控制中，容错控制器集合和故障模型集合之间并不是单一的对应，而是存在多对多的对应关系，因此通过合理的设计，能够实现具有多对多可容错控制映射特点的容错控制器。为了实现多对多可容错控制，在研究时需要找出容错控制器对应故障模型的规律，并根据此规律寻找出容错控制器的最优化在线策略。

1.2 故障诊断相关研究

变结飞行器的容错控制系统在前期设计期间，已经设置的各项故障的参数标准。一旦飞行器出现故障，各类故障参数能否被跟踪是现阶段研究的重点。此外，当故障参数和前期预设的标准参数出现误差时，要求故障诊断与自适应动态输出反馈容错控制实现一体化控制。

2 故障诊断与控制一体化设计分析

上文分析了变结构飞行器故障诊断及容错控制系统设计过程中需要重点关注的几个问题。然而，在实际工业生产过程中，当故障发生时，仅仅被动的容错控制是远远不够的，能否实现主动容错控制，在故障尚未发生时成功预知故障，并及时排故障时今后容错控制系统的发展方向。理论上，通过有效的故障诊断与控制一体化设计，能够实现主动容错控制。下文通过故障诊断与自适应H∞状态反馈、H∞动态输出反馈、自适应鲁棒H∞容错控制一体化设计三个方面着手，分析变结构飞行器的容错控制一体化设计。

2.1 故障诊断与自适应H∞状态反馈容错控制一体化设计

现阶段，要实现故障参数跟踪十分困难，主要原因是由于在执行器故障诊断与容错控制一体化设计中，存在一定程度的外界干扰，另外，真实的故障参数与故障参数之间存在难以确定的误差。因此，在故障诊断与自适应H∞状态反馈容错控制一体化设计中，需要开展如下四项工作。

一是要设计出一套能够将故障观测器中外界干扰与执行器故障解耦的观测器，并以此推算出含有执行器故障输入的方程。二是要设计出能够自适应故障参数并带摄影限制的函数，结合步骤一中得出的方程，能够基本保证误差维持在一个可控的范围内，并未接下来的故障诊断提供准确的参数参考。三是要根据前两个步骤得出的方程和函数参数值，尽可能的估算出故障参数的范围，设计自适应H∞状态反馈容错控制器。现行矩阵不等式为实现求解次优的容错控制器设计提供了基础，通过量化数学特性，降低系统瘫痪的可能性，并保证对干扰和故障的鲁棒性。四是将设计出的自适应 H∞ 状态反馈容错控制器应用至变结构飞行器中，验证设计的控制系统的有效性。

2.2 故障诊断与自适应H∞动态输出反馈容错控制一体化设计

研究故障诊断与自适应H∞动态输出反馈容错控制的一体化设计需要考虑如下几个问题。一是改进未知输入观测器的设计，在保证将故障观测器中执行器故障与外界干扰解耦的同时，又保证了任意执行器在发生故障后都能被检测到，而且所设计的未知输入观测器的系数矩阵能够保证当故障发生后，故障参数估计误差的动态方程是可控的；二是设计带射影限制的自适应参数估计器跟踪故障参数，保证了估计误差的一致稳定性，给出了估计误差渐进收敛的条件；三是利用故障计参数，设计了自适应H∞动态输出反馈容错控制器，保证执行器发生故障后，系统进行稳定性适应H∞控制的性能指标；接下来给出了一体化设计的故障诊断与自适应H∞动态输出反馈容错控制的实施方案，将原来设计控制器所涉及到的非线性矩阵不等式转化为可解的线性矩阵不等式。

2.3 故障诊断与自适应鲁棒H∞容错控制一体化设计

上文设计的一体化容错控制器实在估算故障参数的基础上设计的，由于估算的故障参数的不确定性，因此实际操作过程中出现的故障可能远远超出的设计前期计算的范围，需要控制故障参数的控制器不断更换。为了提高估计参数设计容错控制器鲁棒性，需要从以下三个方面着手。

一是提出执行器自检测动态系统辅助诊断系统执行器故障，将执行器自检测动态系统与原被控系统结合组成增广系统，然后在此增广系统上设计未知输入观测器，不仅将故障观测器中外界干扰与执行器故障解耦，而且将各执行器故障相互解耦，同时给出此未知输入观测器存在的充分必要条件；二是设计带射影限制的梯度自适应故障参数估计器，给出故障参数的估计误差的收敛条件以及估计误差的上下界；三是利用故障估计参数和估计误差的上下界，设计自适应鲁棒H∞容错控制器。

3 结语

本文论述的变结构飞行器故障诊断与容错控制系统的一体化涉及涉及的问题还有很多，如当多种故障同时发生时，如何继续有效、科学、准确的判断出故障，如何激励一体化系统中出现的反馈型号，另外系统运行过程中允许出现时滞和实时性的现象。这些问题需要在变结构飞行器容错系统应用中不断吸取经验，不断完善。

参考文献：

[1]周东华，Ding X.容错控制理论及其应用[J].自动化学报，2000，26（6）：788-797.

控制器设计论文篇（9）

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

控制器设计论文篇（10）

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