控制系统设计论文汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇控制系统设计论文范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

2控制系统设计

2.1控制过程安全机制

2.1.1限位

为避免因软件错误或硬件故障导致的执行机构上的运行失控，保护硬件设备与操作人员的安全，在存取机械手与取箱口的每个控制轴上除了在导轨的两端安装有硬件限位块外，还必须使用限位开关来限制各轴的运动范围。软限位与硬限位配合使用，可以有效地防止运动部件跑出导轨。

2.1.2报警

当检测到驱动器报警信号以后，CPAC将关闭该轴的伺服使能，急停该轴的伺服电机，同时该轴报警触发标志位置。程序中检测到报警触发标志位以后，将故障状态报告控制中心，同时点亮报警灯并开启蜂鸣器，等待人工处理。

2.2运行速度的规划

在本控制系统中，CPAC工作采用点位运动模式。在运动控制中，梯形速度曲线以耗能低、速度快、容易实现等优点成为常用的速度控制曲线。其速度与加速度的变化曲线如图3所示。然而由于梯形速度曲线采用线性加速方式，其对应的加速度曲线不连续，因此存在柔性冲击，导致执行机构在运动过程中的平稳性能差。为了既获得平滑的加速度，又不失去梯形速度曲线的优势，将梯形速度曲线加以改进得到S型速度曲线。S型速度曲线的运动过程由加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段组成。本控制系统采用该速度曲线作为存取机械手各轴的速度控制曲线，避免了柔性冲击因素。S型速度曲线由CPAC通过设置各轴运动参数中的平滑时间来实现。

2.3控制系统作业方式

在银行保管箱自动存取系统中，存取机械手执行任务时可以选择单一作业方式或复合作业方式。单一作业方式是：存取机械手从原点位置出发运行到任务指定的保管箱位置，将保管箱取出并送到取箱口，客户操作完成后从取箱口处把保管箱送回箱架，然后返回原点位置。复合作业方式是：存取机械手接收到一批存／取保管箱任务后，从原点位置出发运行到第一个任务指定的保管箱位置，将保管箱取出并送到取箱口，客户操作完成后从取箱口处把保管箱送回箱架，之后存取机械手不返回原点，而是直接执行下一个任务，不断循环直到完成所有任务。

2.4CPAC运动控制

CPAC的运动控制部分是整个软件系统设计的核心部分。CPAC运动控制软件主要由系统初始化模块、用户界面模块、运动控制模块、数据读写模块和网络通信模块组成。运动控制程序首先调用系统初始化模块，然后检查有无故障，如果系统运行正常，则通过网络连接控制中心，查询CPAC的控制方式，如果为手动模式，则进入手动模式运动控制子程序，否则进入自动模式运动控制子程序。用户界面模块为客户提供登录界面、图形化的存／取保管箱命令，并显示系统执行结果。运动控制模块通过在OtoStudio软件中调用CPAC运动控制库GUC－X00－TPX．lib中的运动控制函数执行以下功能：设置伺服电机的速度、加速度、移动距离（脉冲数）；读取光电开关对应的数字输入口获取光电开关的触发状态；往数字输出口写“1”、“0”来打开、关闭电磁开关。通过控制存取机械手、取箱口的执行机构、拉板以及拉勾的动作，实现保管箱的自动存取操作。数据读写模块通过RS485总线控制激光条形码阅读器，读取条形码扫描结果。网络通信模块使CPAC通过以太连接控制中心，接收控制中心的命令与保管箱在箱架中的位置数据，并返回运行结果与报警信息。

篇（2）

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。

篇（3）

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机控制技术的迅速发展和广泛应用。中小规模的单片机控制系统在工业生产及日常生活中的智能机电一体化产品得到了广泛的应用。在单片机控制系统的设计开发过程中，我们不单要突出设备的自动化程度及智能性，另一方面也要重视控制系统的工作稳定性，否则就无法体现控制系统的优越性。

1.系统受到干扰的主要原因和现象

由于单片机控制系统应用系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。单片机控制系统应用必须长期稳定、可靠地运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大的损失。

影响单片机控制系统应用的可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结果设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些因素对控制系统造成的干扰后果主要表现在下述几个方面。

（1）数据采集误差加大。干扰侵入单片机控制系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在有用信号之上，会使数据采集误差加大，特别是当传感器输出弱信号时干扰更加严重。

（2）控制状态失灵。微机输出的控制信号常依赖某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控制误差加大，甚至控制失常。

（3）数据受干扰发生变化。单片机控制系统中，由于RAM存储器是可以读/写的，故在干扰的侵害下，RAM中的数据有可能被窜改。在单片微机系统中，程序及表格、常数存于程序存储器中，避免了这些数据受到干扰破坏，但对于内RAM、外扩RAM中的数据都有可能受到外界干扰而变化。根据干扰窜入的途径、受干扰数据的性质不同，系统受损坏的情况也不同．有的造成数据误差．有的使控制失灵，有的改变程序状态，有的改变某些部件（如定时器/计数器，串行口等）的工作状态等。

（4）程序运行失常。单片机控制系统中程序计数器的正常工作，是系统维持程序正常运行的关键所在。如果外界干扰导致计数器的值改变，破坏了程序的正常运行。由于受到干扰后计数器的值是随机的，因而导致程序混乱。通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入"死循环"，这将使输出严重混乱或系统失灵。

2.系统可靠性设计的分析和方法

单片机控制系统应用的可靠性技术涉及到生产过程的方方面面，不仅与设计、制造、检验、安装、维护有关，还与生产管理、质量监控体系、使用人员的专业水平与素质有关。这里主要是从技术角度分析提高系统可靠性的最常用方法。

导致系统运行不稳定的内部因素主要有以下三点：

（1）元器件本身的性能与可靠性。元器件是组成系统的基本单元，其特性好坏与稳定性直接影响整系统性能与可靠性。因此，在可靠性设计当中，首要的工作是精选元器件，使其在长期稳定性、精度等级方面满足要求。随着微电子技术的发展，电子元器件的可靠性不断提高，现在小功率晶体管及中小规模IC芯片的实际故障大约为10×10-9/h。这为提高系统性能与可靠性提供了很好的基础。

（2）系统结构设计。包括硬件电路结构和运行软件设计。电路设计中要求元器件或线路布局合理以消除元器件之间的电磁耦合相互干扰，优化的电路设计也可以消除或削弱外部干扰对整个系统的影响，如去耦电路、平衡电路等。同时也可以采用冗余结构，也称容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元〔包括硬件单元或软件单元〕数目来提高系统可靠性的一种设计方法。当某些元器件发生故障时也不影响整个系统的运行。对于消减外部电磁干扰，可采用电磁兼容设计，目的是提高单片机系统在电磁环境中的适应性，即能保持完成规定功能的能力。常用的抗电磁干扰的硬件措施有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等。

软件是微机系统区别于其它通用电子设备的独到之处，通过合理编制软件可以进一步提高系统运行的可靠性。常用的软件措施主要有：一是信息冗余技术，对单片机控制系统应用而言，保持信号信息和重要数据是提高可靠性的主要方面。为防止系统故障等原因而丢失信息，常将重要数据或文件多重化，复制一份或多份"拷贝"，并存于不同空间，一旦某一区间或某一备份被破坏，则自动从其它部分重新复制，使信息得以恢复。二是时间冗余技术，为提高单片机控制系统应用的可靠性，可采用重复执行某一操作或某一程序，并将执行结果与前一次结果进行比较对照来确认系统工作是否正常。只有当两次结果相同时，才被认可，并进行下一步操作。

若两次结果不相同，可再次重复执行一次，当第三次结果与前两次之中的一次相同时，则认为另一结果是偶然故障引起的，应剔除。若三次结果均不相同，则初步判定为硬件永久性故障，需进一步检查。这种办法是用时间为代价来换取可靠性，称为时间冗余技术，也称为重复检测技术。三是故障自动检测与诊断技术，对于复杂系统，为了保证能及时检测出有故障装置或单元模块，以便及时把有用单元替换上去，就需要对系统进行在线测试与诊断。这样做的目的有两个：一是为了判定动作或功能的正常性；二是为了及时指出故障部位，缩短维修时间。四是软件可靠性技术：单片机控制系统运行软件是系统要实行的各项功能的具体反映。软件的可靠性主要标志是软件是否真实而准确地描述了要实现的各种功能。因此对生产工艺过程的了解程度直接关系到软件的编写质量。提高软件可靠性的前提条件是设计人员对生产工艺过程的深入了解，并且使软件易读、易测和易修改。五是失效保险技术：有些重要系统，一但发生故障时希望整个系统应处于安全或保险状态。此外，还有常见的数字滤波、程序运行监视及故障自动恢复技术等。

（3）安装与调试。元器件与整个系统的安装与调试，是保证系统运行与可靠性的重要措施。尽管元器件选择严格，系统整体设计合理，但安装工艺粗糙，调试不严格，仍然达不到预期的效果。

导致系统运行不稳定的外因是指单片机控制系统所处工作环境中的外部设备或空间条件导致系统运行的不可靠因素，主要包括以下几点：一是外部电气条件，如电源电压的稳定性、强电场与磁场等的影响；二是外部空间条件，如温度、湿度，空气清洁度等；三是外部机械条件，如振动、冲击等。

为保证系统可靠工作，必须创造一个良好的外部环境。例如：采取屏蔽措施、远离产生强电场干扰的设备；加强通风以降低环境温度；安装紧固以防振动等。

元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，外部环境是保证，这是可靠性设计遵循的基本准则，并贯穿于系统设计、安装、调试、运行的全过程。为实现这些准则，必须采取相应的硬件或软件方面的措施，这是可靠性设计的根本任务。

中小规模的单片机控制系统在开发过程中，结合实际应用中的工作环境，采用以上的系统抗干扰优化设计的措施与方法，基本能有效地提高单片机系统的工作稳定性，充分地体现单片机控制系统在不增加控制成本的情况提高机电设备的自动化性能与智能性的优越所在。

参考文献

[1]胡连柱,姜宝山.简析单片机软硬件的抗干扰设计技术,安徽电子信息职业技术学院学报,2005，01.

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2基于AT89C51单片机的水温控制系统设计

2.1系统设计

基于AT89C51单片机的水温控制系统采用了当前应用广泛的AT89C51单片机，以AT89C51单片机做为核心部件，以汇编语言对其进行编程控制其它辅助系统，用PID算法来控制PWD波的产生，进而实现系统温度的控制。

2.2硬件设计

基于单片机水温控制系统硬件主要由单片机基本系统、温度传感器、电炉、继电器、显示电路、报警电路、键盘等组成。

（1）单片机基本系统。单片机基本系统采用了AT89C51芯片，它由基本供电电路、时钟电路和复位电路组成。键盘、显示电路、报警电路将信号输入到单片机基本系统当中，单片机基本系统根据温度传感器采集到的数据，进行数据分析与处理，得到相应的控制信号，由控制信号驱动继电器工作，从而达到控制电炉工作的结果，最终达到控制温度的目标。

（2）温度传感器。温度传感器的作用是对水温进行温度的检测，并实时将数据传送至单片机基本系统，以供其进行数据分析。

（3）继电器。继电器的作用是控制电炉工作，它通过接收单片机基本系统的控制信号，实现对于电炉的控制。

（4）电炉。电炉是用来实现对水加热的功能，由继电器根据控制信号对其进行控制。

（5）键盘。本设计采用61板自带按键，不需要另外连接硬件即可使用。

（6）显示电路。由六个八段数据管以及数码管的驱动电路组成，前三段用于显示控制温度，后三段用于显示实际测量温度。

（7）报警电路。报警系统是出于电炉的安全考虑进行设计的。温度传感器获得数据传递给单片机基本系统，单片机基本系统分析数据后，当水温过高或过低，即达到预设最大值与最小值时，单片机驱动报警电路，实现报警功能。以上各组件与单片机芯片引脚连接方式为：温度传感器输入端连接到P3.1口，按键接在P3.1、P3.2、P3.3，分别控制设定温度的十位、个位和小数位，单片机的输出控制信号由P3.5输出；实际水温显示的字型码是由P0口送出，十位、个位和小数位分别由P1.0、P1.1、P1.2选通；设定温度显示的字型码是由P2口送出，十位、个位和小数位分别由P1.3、P1.4、P1.5选通。

2.3软件设计

（1）主程序设计：系统采用汇编语言进行编程，由主程序进行控制。即由主程序调用子程序。其功能主要对传感器采集的数据送入单片机定单元，然后一方面进行在LED显示，另一部分与设定值进行比较，通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电动调节阀进行水温调节。

（2）子程序设计：主要由显示子程序、键盘中断子程序、进制转换子程序、温控子程序、报警子程序等组成。显示子程序用于显示实际温度和设定温度；键盘中断子程序用于对系统进行设定控制；进制转换子程序用于把采集的温度信号换算为对应的温度值；温控子程序把采集的实际温度与设定温度值比较，调用PID算法，输出控制信号；报警子程序用于控制非法输入温度值。3.4温度控制系统的数学模型温度控制系统可采用采用比例积分调节器来校正，按照一定采样周期采集r(k)和F(k),其偏差值为e(k)=r(k)-F(k)（1）根据偏差值来计算输出u(k)，其对应差分方程为：u(k)=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)（2）其中：a0=Kp(1+T/T1)a1=Kpe（k）=（rk）-F（k）

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2检测控制系统硬件设计

2．1系统总体结构

综合包衣机的工作流程，整个检测控制系统主要由包衣机控制主板、多传感器信号检测板、执行器控制板和液晶触摸屏构成

。多传感器信号检测板实现对称重传感器和液位传感器信号的采集;执行器控制板可实现对电机设备启停的开关量控制;用户通过液晶触摸屏进行包衣参数设置、包衣过程启停、包衣状态显示等操作。包衣机控制主板采用RS－485方式与多传感器信号检测板和执行器控制板进行通讯，采用RS－232方式与液晶触摸屏进行通讯。

2．2包衣机控制主板

包衣机控制主板选用RealARM6410开发板。该开发板以ARM11内核的S3C6410芯片作为控制核心，包含电源模块、晶振模块、复位电路、485通信模块和232通信模块等外部设备，可以装载和运行LINUX操作系统，具有处理运算能力强、耗电低、扩展性强等特点。将RealARM6410开发板作为包衣机的控制主板，可以很好地保证系统在包衣过程中的可靠性和稳定性。

2．3多传感器信号检测板

多传感器信号检测板选用意法半导体公司出产的32位高性能STM32F103C6T6作为微控制器。该微控制器的核心是ARMCortex－M3处理器，最高CPU时钟为72MHz，具有良好的精密性、可靠性和运算速度。本设计中针对供种量和进液量两种参数信息，分为两个检测模块进行硬件开发。

2．3．1供种量检测模块

供种量检测模块包含2路称重传感器信号放大电路用以检测称重桶中种子的质量，原理如图3所示。本设计中采用上海大和衡器有限公司出产的UH－53型称重传感器，该传感器具有准确度高、抗偏载能力强和长期稳定性好等优点。为了增加检测模块的抗干扰性，保证种子质量的检测精度，采用AnalogDe-vices公司具有低噪声、低失调电压和高共模抑制比特点的AD8608型CMOS精密运算放大器构成两级差分放大电路。放大电路第一级由两个同相输入运算放大器电路并联，第二级串联一个差分输入的运算放大器。这样的连接方式可以很好地抑制输入电压中的共模成分。参照称重传感器的额定输出，可以取放大倍数为500倍。为了减少第二级运放共模误差造成的影响，第一级运放的增益要尽可能高。因此，将第一级放大倍数设定为500。经过取值和计算。放大电路的输出端经过一个分压电路后，接入STM32芯片上带有A/D转换通道的I/O接口。

2．3．2进液量检测模块

进液量检测模块包含上液位和下液位传感器检测电路。Uup为上液位传感器信号，Udown为下液位传感器信号。Control1为控制主板发送的补液信号，Control2为控制主板发送的加液信号。动作执行之前Control1、Control2都为低电平，以加液动作为例，当液面高于上液位传感器时，Uup、Udown都为低电平。Uup通过光耦开关电路，在PA3处输出高电平到STM32芯片的I/O接口上;Udown通过光耦开关电路，在PA4处输出低电平到到STM32芯片的I/O接口上。此时Control2发送一个高电平信号，使RS锁存器2输出高电平，经过继电器驱动电路后使加液电机运转;然后使Control2变回低电平，在液面介于上下液位传感器之间时，Uup为高电平、Udown为低电平，PA4处仍为低电平，使RS锁存器2的输出保持之前的高电平状，加液电机保持运转。当液面低于下液位传感器时，Uup、Udown都为高电平，PA4变为高电平，使RS锁存器2输出低电平，加液电机停止;在此过程中补液电机一直保持停止状态，直到单片机通过Control1发送补液信号时再进入补液动作。通过采用主板信号控制动作启动、传感器检测电路直接控制动作结束的方式，可以有效避免药液的过量添加，保证了进液控制的稳定性。

2．4液晶触摸屏

液晶触摸屏采用广州微嵌计算机科技有限公司的WQT系列产品，它由400MHz的ARM9高速CPU、数字LED背光显示和高精度电阻式触摸屏等部分构成，有良好的兼容性和友好的人机操作界面。该液晶屏具备数据显示、数据监控和触摸控制等基本功能，并且采用双口独立通讯，可通过自定义的通讯协议实现与主板之间的信息传输。

2．5执行器控制板

执行器控制板采用与传感器信号采集板相同的STM32F103C6T6微控制器，通过设计继电器驱动电路，实现对加粉、门控等电机启停的开关量控制。开关量控制信号经由一阶RC低通滤波器和线性光电耦合器组成的电路后，可有效地滤除信号中的干扰成分。控制信号通过三极管进行放大，可驱动继电器的开合。

3检测控制系统软件设计

包衣机在开启电源并初始化完成后，通过液晶触摸屏设置包衣流程的总批次、种子质量以及种药混合时间等包衣参数。在包衣机控制主板系统平台上进行软件开发，每隔一定时间在485总线上采用轮询的方式与多传感器信号检测板和执行器控制板进行通信;系统参照用户设定的各项参数以及称重和液位传感器实际检测到的参数信息，发送电机控制命令，进行各批次的种子包衣处理动作;每个动作之间通过适当的延时衔接，可实现包衣机各工作部件的有机组合和包衣流程的有序进行。

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2合理设计软件

因为要进行远程监控和无人值守，所以要自动对风机进行控制，其中，控制的主要对象有：对运行状态进行监测，在运行风机的时候，反馈信号、机组状态参数、风力参数、监测电力参数等，从而确保机组能够稳定的运行；在风机自动运行的时候，要根据运行的相关步骤采取风机全自动开车，进而能够确保开车能够稳定进行；对桨距进行控制，从而确保机组能够稳定、安全运行；对偏航进行控制，从而确保风机正对着风向而得到最多的风能。当出现风速要比启动风速要低、并网故障、刹车故障等情况的时候，要立刻对风机进行停机操作。

2.1控制的相关策略

当启动风机的时候，风轮的桨叶是不动的，其桨距的角度应为90°，因为在这个过程中气流不会对桨叶产生转矩，所以桨叶实质上就是阻尼板。当风速与启动风速一致的时候，桨叶会向0°转动，从而通过气流对桨叶所产生的功角，促使风轮的转动。当发电机并入到电网之前，发电机转速信号将会控制桨距系统中的桨距角的给定值。同时，转速控制器会根据发电机转速的快慢，合理的对桨距角设定值进行改变，而变桨距系统则会按照给出的桨距角的参考值，有效的对速度进行控制并对桨距角进行调整。当风速大于等于额定风速的时候，风电机组将会处于额定功率状态。同时，转速控制也会变成功率控制，而且变桨距系统将会控制发电机的功率所发出的信号。额定功率即是控制信号给定值恒定。给定值与功率反馈信号进行对比时，如果功率超过额定功率，桨叶桨距就会转向迎风面积正在变少的方向；如果功率没有超过额定功率，桨叶桨距就会转向迎风面积正在增加的方向。

2.2合理控制风机启动

当风机启动的时候，要采用风速仪对风速进行测量，并对风速的大小进行判断，当风速大于启动风速的时候，要启动风机；当风速小于启动风速的时候，要继续对风速进行测量。在启动风机的时候，要有效的控制偏航，从而能够有效的将桨距角调到零度以及确保风机能够正面迎风。在对风机的转速进行监测的时候，当风机的转速到达切入转速的时候，就能够实行并网发电。

2.3合理控制偏航

合理控制偏航的目的在于确保风机能够在迎面对着风向的时候，能够得到最大化的风能，在实际应用当中，如果偏航角和风向角的差额不超过15°的时候，就可以认定风机是迎面对着风向的。对控制算法进行设计的时候，要遵循快捷进行控制的原则进行设计，从而能够更好的避免在执行时所出现的繁琐动作。如果电缆缠绕了多达两圈，要立刻采取解缆控制，从而确保风电机组能够安全的运行。同时，在进行解缆的时候风电机组要采用正常停机的方式，并要采用自动偏航后才能合理的进行解缆。

2.4合理控制风机停机

如果风机发生故障，比如，当传动系统冷却水的温度比较高、风机的温度比较高、桨距系统的液压油位比较低等的时候，要及时发出停机警告，从而促使风机停机。如果发现风速超出相关限度的时候，由于风机的各个环节会受到一定的限制，所以一定要脱网停机。在停机的时候，要及时把桨距角调整到90°,确保停机时的安全性。

2.5合理控制桨距

在风机并网滞后，要凭借对桨距角的调节去调节发电机输出的功率，如果额定功率小于实际功率的时候，PLC的模拟输出单元CJ1W-DA021输出和功率之间的差距成为比例的信号，如果功率偏差低于0的时候，要凭借进桨来促使功率的增加，同时，如果功率的偏差在-5且+5的时候，不能够实行变桨，从而能够避免过度频繁的进行变桨。

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在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器(PC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，本文叙述PC控制系统设计时应该注意的问题。

硬件选购目前市场上的PC产品众多，除国产品牌外，国外有：日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、anasonic,德国的SIEMENS，韩国的LG等。近几年，PC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用PC的重要原因。那么，如何选购PC产品呢?

1．系统规模首先应确定系统用PC单机控制，还是用PC形成网络，由此计算PC输入、输出点。数，并且在选购PC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量(10%)。

2．确定负载类型根据PC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

3．存储容量与速度尽管国外各厂家的PC产品大体相同，但也有一定的区别。目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。一般存储容量越大、速度越快的PC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PC产品。

4．编程器的选购PC编程可采用三种方式：

一是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。

二是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。

三是用IBM个人计算机加PC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。

因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PC产品。

5．尽量选用大公司的产品其质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于你的产品扩展与软件升级。

输入回路的设计

1．电源回路PC供电电源一般为AC85—240V(也有DC24V)，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件(如电源滤波器、1：1隔离变压器等)。

2．Pc上DC24V电源的使用各公司PC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时作好防短路措施(因为该电源的过载或短路都将影响PC的运行)。

3.外部DC24V电源若输入回路有DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PC上DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源；但该电源的“—”端不要与PC的DC24V的“—”端以及“COM”端相连，否则会影响PC的运行。

4．输入的灵敏度各厂家对PC的输人端电压和电流都有规定，如日本三菱公司F7n系列Pc的输入值为：DC24V、7mA，启动电流为4．5mA，关断电流小于1．5mA，因此，当输入回路串有二极管或电阻(不能完全启动)，或者有并联电阻或有漏电流时(不能完全切断)，就会有误动作，灵敏度下降，对此应采取措施。另一方面，当输入器件的输入电流大于PC的最大输入电流时，也会引起误动作，应采用弱电流的输入器件，并且选用输人为共漏型输入的PC，Bp输入元件的公共点电位相对为负，电流是流出PC的输入端。

输出回路的设计

1．各种输出方式之间的比较

(1)继电器输出：优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A／点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至Jl百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms

(2)晶闸管输出：带负载能力为0．2A／点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms.

(3)晶体管输出：最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带DC5—30V的负载，最大输出负载电流为0．5A／点，但每4点不得大于0．8A。

当你的系统输出频率为每分钟6次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次／min以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PC输出驱动达林顿三极管(5—10A)，再驱动负载，可大大减小电流。

2．抗干扰与外部互锁当PC输出带感性负载，负载断电时会对PC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PC。

当两个物理量的输出在PC内部已进行软件互锁后，在PC的外部也应进行互锁，以加强系统的可靠性。

3．“GOM“点的选择不同的PC产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带2个或1个输出点的。当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带1—2个输出点的PC产品；当负载数量多而种类少时，采用一个“COM”点带4—8个输出点的PC产品。这样会对电路设计带来很多方便，每个“COM”点处加一熔丝，1—2个输出时加2A的熔丝，4—8点输出的加5—10A的熔丝，因PC内部一般没有熔丝。

4．PC外部驱动电路对于PC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路：可以用三极管驱，也可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路，且每路有显示二极管(LED)指示。印制板应做成插拔式，易于维修。

PC的输入输出布线也有一定的要求，请看各公司的使用说明书。

扩展模块的选用

对于小的系统，如80点以内的系统．一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请看相关的技术手册。

各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。PC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。

PC的网络设计

当用PC进行网络设计时，其难度比PC单机控制大得多。首先你应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应你的实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。

篇（8）

本系统的传感器采用电位器(见图2)，它通过连杆机构和轴承与提升臂相连接，与提升臂旋转轴线同轴［4］。当耕深改变时，拖拉机的下拉杆随之上下运动，与下拉杆连接的提升臂也会有一个相应的转角变化;同时，电位器的转轴也在连杆机构的作用下随提升臂同步转动，根据电位器阻值的变化检测出提升臂转动的角度，从而根据对应的几何关系所建立起的数型间接检测出此时的耕深［5］;微机接收到反馈信号后，把该信号和预设耕深信号进行分析对比，然后控制步进电机的正反转，调节耕深。

1．2微机控制

本系统控制模块采用微芯公司的PIC18F23K20系列单片机作为微机控制单元。该单片机运行速度快、功耗较低，并且其内部集成A/D转换器模块、增强型CCP模块以及单片机通信需要的USART模块等，从而大大减少了外接的专业电路模块，简化了整个控制电路，能够实时、高效地实现该装置所需的各种功能的控制［6］。本系统的步进电机驱动芯片是东芝公司生产的TA8435H，其电路简单、工作可靠。该芯片是单片正选细分二相步进电机驱动专用芯片，具有以下特点:1)工作电压范围在10～40V;2)输出电流平均可达1．5A，峰值可达2．5A;3)运行方式有整步、半步、1/4细分和1/8细分多种选择;4)采用的是脉宽调试式斩波驱动方式;5)具有正反转控制功能，带有复位和时能引脚;6)可选择使用单时钟输入或双时钟输入［7］。微机和步进电机联合控制的程序流程如图3所示。系统对PIC18F23K20单片机的各个模块进行初始化设置，然后通过电位器进行耕深检测。当提升臂转动时，电位器转轴随着转动，引起电位器内部阻值变化，进而引起电压值的变化，通过线路传给微机处理。微机把反馈信号和预设值进行比较、分析，如果实测值在预设值范围内，则继续检测;如果实测值不在预设值范围内，且比标准值小，则微机发送控制信号控制步进电机正转调整实测值大小，直到实测值在预设值范围内;同理，若实测值比预设值大，则控制步进电机反转。

1．3执行机构

本系统的执行机构(见图4)是在原液压悬挂系统的基础上经过加装步进电机实现手动和自动联合控制。步进电机通过铰链安装在拖拉机上，可以随着分配器操纵杆转动，电机杆上安装1根丝杆，当微机控制信号控制电机动作时，电机的正反转可以推动操作手杆移动，实现分配器油液的流量和流向的改变，进而调节农具耕深。联合控制如图5所示。当需要手动控制耕深时，断开步进电机与操纵杆链接即可。

2试验与分析

为了检测该系统的可靠性和稳定性，在西南大学农机试验田里进行了田间试验。试验工具采用西南大学农机实验室的福田雷沃M1200－D型拖拉机，配套的农具为西南大学农机实验室的东方红1LH－535铧式犁。根据农艺要求，试验前预设耕深范围为0～20cm，安装好本装置的拖拉机在实验田进行直线行驶作业后，通过多点实测耕深，得到试验数据如表1所示。试验数据表明，该系统在使用中基本可以反映田间实测耕深，且在预设耕深允许的范围内。

篇（9）

2、Dupline现场总线系统

该工程中用Dupline现场总线系统采集皮带机保护信号送入选煤厂PLC控制系统，使用Dupline现场总线系统可降低选煤厂建设总投资，据统计，当选煤厂内带式输送机累计长度超过270m时，使用Dupline总线系统作为皮带保护的总投资将小于将保护信号直接送入PLC的总投资。该厂主厂房生产控制系统皮带机累计长度560m，需用跑偏开关26对、拉绳开关19个、失速开关7个和堵溜槽开关7个。Dupline现场总线系统由四种基本元件组成：网关模块、输入模块、输出模块和两芯电缆。在主厂房控制系统中网关模块型号为：G38910020，网关模块负责将Dupline数据转换成Profibus-DP现场总线协议，反之亦然。网关模块为PLC和Dupline现场总线网关之间的自动数据传输提供了一种标准化方法，每个网关可带数字量点数为128个，但距离长达几公里时其所带数字量点数要适当减少。本厂所用数字量输入模块型号为G50101106和G50102206，跑偏开关和失速开关内装2206数字量输入模块，拉绳开关和堵溜槽开关内装1106数字量输入模块，1106模块和2206模块的区别在于1106为1通道，2206为2通道，这两种数字量输入模块都可以通过Dupline网络直接供电，无需再拉电源线。Dupline系统所用总线电缆为：RVVSP2×1.5型屏蔽双绞线，所有Dupline数字量输入模块通过同一条两芯电缆与Dupline网关模块相连接，通过编码工具为每个数字量输入模块设置唯一的地址编码。主厂房生产控制系统中用到G38910020型网关模块1块、数字量输入模块G50101106型和G50102206型分别为26块和33块、测试工具1套、编码工具1套和配套总线电缆。

3、现场施工过程中的问题

3.1厂家配套电控箱的安装问题

电控箱包括阀门控制箱、压滤机电控柜、电子皮带秤、除铁器控制箱等，这些电控箱由电气施工单位安装还是配套厂家安装的问题。在技术协议中，厂家不负责设备安装，只负责现场安装技术指导；这部分的安装费及附加耗材无法在电气图纸中体现，导致电气厂家和电气施工单位都不愿意做这部分工作。解决方法：在技术协议中要求配套厂家配齐成套设备所需电缆，并负责设备现场安装与调试，另外，机制专业在画设备安装图时应体现设备配套电控柜。

篇（10）

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。