控制器设计论文范文

控制器设计论文范文第1篇

关键词：变压器；冷却控制系统；硬件

1变压器冷却控制系统控制模块的设计总体思想

本文所进行的就是对变压器冷却控制系统控制器模块进行设计，其中包括了可以对主变压器风扇投入与切除的温度范围进行自行设定，也可以按照用户的要求而变化。在传统控制方式中，风扇投切的温度限制值是不能改变的，此外，风扇电机的启动和停止温度有一余量，不像传统的控制方式中是一个定值，避免了频繁启动的缺陷，此外还有运行、故障保护及报警等信号的显示及其与控制中心或调度中心的通讯，上传这些信息，如变压器油温、风扇运行状态有无故障等。至于风扇的分组投切设置是为了节约电能，具有一定的经济意义，但这个分组数不宜过多，以免控制复杂，且散热效果不佳。

控制器主要由AT89CS1单片机、A/D转换器、键盘控制芯片，输出模块、通讯模块以及自动复位电路等组成，其中单片机是控制器的核心，AID转换器是把输入信号转换为数字信号。

2变压器风扇控制系统的硬件接线

基于以上的要求，我们设计的风扇控制器的硬件线路图如下页图1所示。变压器风扇控制中对控制模块进行改进是本文研究的重点，其中包括主要芯片的选用以及一些抗干扰元件的使用。所以在本章节中，我们重点将要介绍变压器风扇冷却控制模块中的主要硬件芯片的作用、选用以及它们之间的连接力一法。

（1）单片机AT89C51（如图1）。

AT89C51是Atmel公司生产的一种低功耗，高性能的8位单片机，具有8k的flash可编程只读存储器，它采用Atmel公司的高密度不易丢失的存储器技术，并且和工业标准的80c51和80c52的指令集合插脚引线兼容，其集成的flash允许可编程存储器可以在系统或者通用的非易失性的存储器编程中进行重新编程。AT89C51集成了一个8位的CPU，8K的flash。256字节的EDAM，32位的I/0总线。三个16字节的定时器/计数器，两级六中段结构，一个全双工的串行口，振荡器及时钟电路。AT89C51是完成系统的数据处理和系统控制的核心，所有其它器件都受其控制或为其服务。

在本文中，经过TLC1543A/D转换器后输出的数字量输入到AT89C51单片机中，同时在进行了温度参数的设置以后，进行它的输出控制，其中包括了变压器的温度显示、状态显示、以及声音报警设备等等，也就是我们所研究的变压器冷却控制系统的核心部分。

（2）变压器的温度采集及温度处理模块。在变压器的风扇冷却自动控制系统中，第一步进行的就是对变压器上层油温进行的温度采集工作。变压器的温度采集是由变压器的温度控制器来实现的，其中包括铂电极、传感器以及变送器。经过温度控制器输出的信号进入变送器，变送器送出一个4一20毫安的电流信号，然后将此电流信号通过控制芯片上的电阻元件实现电流电压信号的转换，转换后的电压是在0.4一2（伏特）之间，然后将此电压信号输入到TLC1543数模转换器，进行信号处理。变送器输出信号有电流和电压信号两种，考虑到变压器安装的位置（室外）距本控制装置（室内）有一定的距离，电流信号不易损失，故选择了4一20毫安的电流信号。（3）11通道10位串行A/D转换器丁LC1543。

TLC1543A/D转换器是美国TI公司生产的众多串行A/D转换器中的一种，它具有输入通道多、转换精度高、传输速度快、使用灵活和价格低廉等优点，是一种高性价的模数转换器。TLC1543是CMOS，10位开关电容逐次逼近模数转换器。它有三个输入端和一个3态输出端：片选（CS），输入/输出时钟（I/0CLOCK），地址输入和数据输出（DATAOUT）。这样通过一个直接的四线接口与卞处理器或的串行口通讯。片内还有14通道多路选择器可以选择11个输入中的任何一个三个内部自测试（self-test）电压中的一个。

（4）BC7281128段LED显示及64键键盘控制芯片。

BC7281是16位LED数码管显示器键盘接口专用控制芯片，通过外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等），最多可以控制16位数码管显示或128支独立的LED。BC7281的驱动输出极性及输出时序均为软件可控，从而可以和各种外部电路配合，适用于任何尺寸的数码管。

BC7281各位可独立按不同的译码方式译码或不译码显示，译码方式显示时小数点不受译码影响，使用方便；BC7281内部还有一闪烁速度控制寄存器，使用者可随时改变闪烁速度。

BC7281芯片可以连接最多64键C8*8）的键盘矩阵，内部具有去抖动功能。它的键盘具有两种工作模式，BC7281内部共有26个寄存器，包括16个显示寄存器和10个特殊（控制）寄存器，所有的操作均通过对这26个寄存器的访问完成。

BC7281采用高速二线接口与MCU进行通讯，只占用很少的I/O资源和主机时间。

BC7281在本系统中主要用于驱动变压器温度显示的LED以及显示风扇运行状态的指示灯。

前已提及，BC7281芯片内部共有26个寄存器，包括16个显示寄存器和10个特殊功能寄存器，共用一段连续的地址，其地址范围是OOH-19H，其中OOH-OFH为显示寄存器，其余为特殊寄存器。

（5）使用MAX232实现与PC机的通讯。

①MAX232芯片简介

MAX232芯片是1VIAX工M公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器，适用于各种E工A-232E和V.28；V.24的通信接口，1VIAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换成RS-2320输出电平所需±10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以。

我们的设计电路中选用其中一路发送/接收，RlOUT接MCS一51的RXD，T1工N接MCS一51的TXD，TlOUT接PC机的RD，Rl工N接PC机的TD1。因为MAX232具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。

系统中使用了此技术之后就实现了变压器风扇冷却系统的远程控制，工作人员可以在控制室对冷却系统进行控制，可以达到方便、准确、快捷的日的，这也是我们对传统的风扇冷却控制系统而做的一个重要的改进。

②串行通讯

在此实现中，我们必须要对MCS-51串行接日和PC机串行接日的串行通讯要有一定的了解，串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的，它的优点是只需一对传输线进行传送信息，囚此其成本低，适用于远即离通信；它的缺点是传送速度低；串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方一式，同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂；而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式，本文中使用的就是异步通讯方式。

（6）“看门狗”电路DS1232

在系统运行的过程中，为了避免因干扰或其他意外出现的运行中的死机的情况，“看门狗电路”DS1232会自动进行复位，并且能够重读EEPROM中的设置，以保证系统可以安全正常的运行。

美国Dallas公司生产的“看门狗”（WATCHDOG）集成电路DS1232具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点，应用在单片机产品中能够很好的提高硬件的抗干扰能力。

DS1232具有以下特点：

①具有8脚DIP封装和16脚SOIC贴片封装两种形式，可以满足不同设计要求；

②在微处理器失控状态卜可以停止和重新启动微处理器；

③微处理器掉电或电源电压瞬变时可自动复位微处理器；

④精确的5%或10%电源供电监视；

在本变压器冷却控制系统中，DS1232作为一定时器来起到自动复位的作用，在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232的ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232的RSR端将产生复位信号以强迫微处理器复位。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处理器死机是非常有效的，因为看门狗定时器的定时时间由DS1232的TD引脚确定，在本设计中，我们将其TD引脚与地相接，所以定时时间一般取为150ms。

3结论

本装置实现了通过单片机自动控制冷却器的各种运行状态并能精确监测变压器的油温和冷却器的各种运行、故障状态，显示了比传统的控制模式的优越性。（1）能够对变压器油温进行监测与控制；（2）实现了变压器冷却器依据不同油温的分组投切，延长了冷却器的使用寿命，有较好的经济意义；（3）实现了冷却系统的各种状况，如油温、风扇投切和故障等信息的上传，便于值班员、调度员随时掌握情况。

由于固态继电器实现了变压器的无触点控制，解决了传统的控制回路的弊端，同时此控制装置具有电机回路断相与过载的保护功能。由于使用了单片机，因而具有一定的智能特征，实现了油温、风扇的投入、退出和故障等信号的显示以及上传等。通过实际运行表明，该装置的研制是比较成功的。但今后，我们还应该对固态继电器本身的保护进行一些研究，以免主回路因电流过大而造成固态继电器的损坏，以使变压器风扇冷却控制回路更加完善。

参考文献

1张建国，索南加乐.具有温度预测的变压器油温测控的研制[R]，西安交通大学硕士学位论文，2001.

控制器设计论文范文第2篇

可编程控制器课程单元，是对于在电子电器以及拖动设备中设置的逻辑控制单元原理和应用方式进项简洁介绍的课程单元，早期的PLC只能做些开关量的逻辑控制，因而叫PLC。近年来，PLC采用微处理器作为中央处理单元，不仅有逻辑控制功能，还有算术运算、模拟量处理甚至通信联网功能，正确应称为PC。但为了与个人计算机有所区别，仍称其为PLC。尽管功能在逐步强大，但是由于该技术是依托于成熟的储存模块，通过写入读出进行控制过程设置的一项实用性技术，其现实应用虽是集通信技术、计算机技术以及自动化技术为一体的新型自动控制装置，但组装方便，编程简单，适合大规模格式化应用，因此对学习者的基础要求和编程能力没有特殊要求，可以作为一种实用性技术作为教学目标。尤其是对于学习电力自动化和电子电器的学生，学好可编程自动化课程对于熟悉自动化控制原理以及将来在工作实践中，能够得心应手的处理电器问题以及简单设计一些控制单元有着决定性的作用，因此对于中等职业学校的可编程控制器教学单元课程设计的好坏，不仅决定了学校自动化控制专业的水平，也同时决定了学校的毕业生是否能够顺应社会，成为社会上可造之材的关键课程，不得不引起电子电器以及自动化控制专业的专业课程所重视，并花大力气解决教学课程设计等工作。

2可编程控制器教学的主要课程目标

可编程控制器技术，是现代工业自动化三大支柱之一，其目标就是实现设计意图和设备运行的即时通信。随着教育的发展，教会学生了解可编程控制器的原理，以及工作特点是课程的首要任务，也是教育要面向未来的最基本要求，这是现代工业对对课程设计的主要现实要求。而对课程目标而言，就是要顺应这一时代要求，把这一体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强的实用技术方法传授给学生，使得学生能够按照从业需求掌握相关知识和技能。

3教学课程的设计重点选择

课程设计的基础来源于所教授单元的结构体系，对于可编程控制器技术而言，它是设备电气系统的心脏和交互传输中心，可编程控制器就是这一完整单元的承载者和实现者，而对于中等职业学校的学生而言，控制原理主要作为了解，而控制输入单元的设计和运行原理就需要加大力度去了解，并加以熟练掌握，达到能够简单设计和故障排除的职业需求。同时对于中等职业学校的学生而言，执行机构由控制元件和开关系统指挥各类机械的运行对于这类学生是主要的学习目标，因此重中之重应该安排这部分的教学设计。

4课程设计的主要方法和教学途径分析

4.1入门教育

可编程控制器科目的学习，对于中等职业技术学校的学生而言，很容易产生畏难情绪，以为像计算机编程语言一样晦涩难懂，从而产生畏难情绪。因此初始教案的设计就应当有针对性的进行设计，从学生的兴趣爱好入手，充分利用学生对知识的渴望和新鲜感，加以正确有效的引导。从身边的PLC应用入手，讲解相应专业同可编程控制器应用的关系，给学生描绘可编程控制器在城市便捷交通控制、生活设施，以及市场上流行的数控加工中心、机械手，甚至3D打印机应用的广泛实例，激发学生获取知识的欲望和好奇心，觉得它就在我们身边。同时教师还可以配合激励机制联系就业市场的需求（有较多单位提出“懂得PLC者优先”），从而激发了学生的学习欲望。

4.2课程进度设计要素

根据学生素质参次不齐的现状，中等职业教育可控制编程器课程单元应当是从简单应用入手，增加学生学习的信心和勇于探索的内在需求。在现代科技飞速发展的今天，信息的来源层出不穷，充分发挥校园信息平台，利用互联网和各类科学技术讲座，不断灌输自动化对生活的改变，让学生身处可编程控制器带来的惊喜改变中，把课程设计融入学生的个人生活中去，循序渐进让学生从内心里接受知识，接受不断进取、不断获取新知识新技能的内在动力。在享受科技发展带来的便利和科技进步之余，也将自己融入科技进步的洪流中去，真正成为知识的主人。

4.3把课堂教学变成互动参与的知识殿堂

教学的主体最终还是学生自身，因此在课程设计上需要着重增加学生的主动性和参与度，可以采用老师下课题，分组收集相关知识点的方式，让学生对所学内容进行外延和内涵的扩展活动，从学生收集的图片资料和其他应用范例中获取营养，在获取知识的同时培养同学之间的合作意识和竞争意识，增添了学生学习的信心和对课程的浓厚兴趣。对于可编程控制器这一实用但略显枯燥的课程而言，直观教学的方法无疑可以带来良好的课程效果，在增加感性认识的同时，可以拓宽学生的知识视野，同时可以培养学生的观察能力，同时也可以采用互动环节，让同学们自助设计和制作示教板和器具以及简易控制单元，从而使学生对理论知识，学生在感性直观教学中易于理解、掌握。

4.4充分利用多媒体教学手段

中等职业技术学校的生源一般都来自城市周边，对于工业化的理解并不直观，尤其对于大型设备，大型流水线以及数控加工中心的认识一般都缺乏必要的认识。在实习和学习之前，充分利用多媒体辅助教学，就可以解决这一难题，充分利用多媒体技术制作教案，用丰富的设备设施充分体现可编程控制器的应用。同时对于晦涩难懂的理论也可以直观的分化出来，把编程输入和控制流程，直到各种控制动作的实现都一一展现在学生的面前，达到控制过程直观呈现的效果，充分理解可编程控制器的控制原理，细化程序的设计理念和操作方法，摒弃枯燥的填鸭教学以避免给学生带来畏难情绪。

4.5利用好实验手段，展示课程魅力，提高学生学习兴趣

众所周知，实验课是电子电器类课程最能吸引学生好奇心和创造性的科目，不但可以起到理论课的补充作用，更是强化学习效果的重要手段，在现代教学理念中还把实验课作为检验学生学习能力和动手能力的主要考察方向，因此做为一个良好的课程设计，可谓不能不加以充分认识和利用。通过实验，学生们充分的动手实验，观察现象和结论，不仅可以加深理解所学的基础知识，同时通过实际的模拟实验，可以直接了解将来工作中手动编程器的使用情况，是学生们走上社会后直接面对工作的捷径，从而提高学生的社会适应性，增强学生的就业竞争力；而不单单是一种学习知识了解技能的工具。因此对于以造就实用型复合人才为培养目标的中等职业学校，充分利用好实验手段，是教学课程设计的关键命题。

5结语

课程设计是充分体现课程特点，培养学生认识能力和拓展能力的基础工作，不但承担着激发学生学习热情的主导作用，也是教学技巧的主要组成部分，是每个从事教育工作的人都必须加以重视，并不断进取的出发点和立足点。

控制器设计论文范文第3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

控制器软件主要分为三部分：系统初始化部分、接收部分、发送部分。系统初始化首先调用BIOS1Ah中断功能获取设备PCI总线号、功能号、内存、I/O空间基地址和空间大小以及中断号，然后通过直通（Pass-Thrn）方式写控制命令初始化红外控制器，选择控制器接收或发送数据，设置控制器工作模式和波特率分频数并允许控制器工作。红外控制器具有收发双向数据传输能力。编程时将S5933FIFO设置成由PCI接口初始化为同步主控方式，支持突发传输（DMA）；然后根据控制器收/发位判断PCI总线主控读还是主控写操作。程序采用中断控制，主程序调用set_up_pci_busmaster()初始化主控操作，该函数不仅装载访问内存实际地址和传输字节数，而且还要允许读/写传输字节数到零中断。红外控制器初始化完成后，系统等待中断。中断服务处理程序读取S5933中断状态/控制寄存器INTCSR判断中断源，并清除中断标志；读取CRC校验状态位，判断接收数据是否正确。发送数据时，中断服务处理程序还要检测红外发送FIFO状态位是否为1（1表示FIFO为空），不为1置发送不为发空标志tx_not_empty=1，主程序继续等待，直到TXFIFO数据为空；同理接收数据也需要检测红外接口状态寄存器的红色接收FIFO状态位是否为1（测试位为1表示FIFO为空）。这样可保证接收和发送FIFO的数据完全被取走。编写的应用程序使用TurboC2.0调试通过。

控制器设计论文范文第4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

编写Testbench，在ModelSim中对设计的SIE进行仿真验证，结果符合USB2.0协议规范要求。在此简述工作模式控制电路中关于高速握手的仿真过程和结果。当设备连接到集线器后，进入init状态，通过timer2计数到OxFFFF(即17ms)，使设备跳转fullspeed状态。在fullspeed状态，timer2计数到OxA6(即2.5μs),设备进入到高速握手的sendchirp阶段。Sendchirp代码如下，对应仿真结果图3所示。支持高速传输的主机接收到K后，发送3对KJ序列检测设备是否支持高速传输。设备进入recvchirp状态，判断是否接收到符合要求的3对JK序列。Recvchirp状态对应代码如下：检测到linestate为持续时间达到2.5μs(timer1计数到OxA6)10或01时，判断为检测到J或Kchirp。每检测到一个K或J，赋clrtimer1=1来清零timer1，同时chirpc-nt加1。设备支持高速传输模式，且成功检测到KJKJKJ,同时chirpcnt计数到6，则设备高速握手成功，进入高速工作模式。假如在chirp检测等待时间(1.1ms)内没有等到检测到3对KJ信号，则握手失败，设备以全速模式工作。高速模式下的部分发送波形如图4所示。本文先介绍了USB2.0设备控制器总体架构及各模块功能，之后详细分析了USB2.0设备控制器工作模式控制电路需要实现的功能及设计细节，并在系统中进行了仿真验证。结果表明，所设计的工作模式控制电路功能正确，能配合其他模块一起进行USB设备开发。

控制器设计论文范文第5篇

关键词：通用分组无线业务TCP/IP协议协议栈

引言

能用分组无线业务GPRS（GeneralPacketRadioService）是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。以GSM网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。典型的应用有：工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等等。

GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，需不需要利用电路交换模式的网络资源；从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

本文设计的GPRS无线通信控制器（以下简称控制器），内嵌了TCP/IP协议栈，采用工业级的GPRS模块；适用于主机没有TCP/IP协议栈，但使用串口通信的情况，例如单片机数据采集传输系统。

1GPRS网络数据的收发

终端设备通过串行方式接到控制器上并与GSM基站通道，但与电路交换或数据呼叫不同。GPRS数据分组是从基站发送到SGSN节点，而不是通过移动交换中心MSC连接到语音网络上。SGSN与网关支持节点GGSM进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络，见图1。来自Internet、标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。

控制器工作时，用户上位系统向控制器发送工作指令和数据，数据由IP模块进行了TCP/IP协议转换，打成IP数据包，再由MC35模块以GPRS数据包的形式发送到SGSN。

由于GPRS网络工作方式是以IP地址导址为基础的，所以目标服务器端并非接入控制器与终端设备进行连接，只需要简单接入Internet，并具备公网分配的IP地址即可。同时，因为GPRS终端产品本身由网络提供商动态地分配IP地址，在未进入连接待机状态时，其本身是不具备IP地址的（在连接中，模块的IP地址为移动骨干网内局域网IP，无法被公网服务器解析，动态分配的制度使获取比IP地址无意义）。因此在服务器与终端尚未建立连接前，目标服务器难以（可将短信转换为命令内容）对终端设备及控制器进行控制。必须先将控制器进行相应初始化，并由设备终端主动向服务器发送数据，进行连接。

2控制器内部的硬件实现

控制器内部由四部分构成：嵌入TCP/IP的单片机系统、MC35模块、电源部分和外部接口部分。

在设计时，考虑到双串口性能和高速的全静态CMOS设计，嵌入式单片机系统选用台湾Winbond的W77E58芯片作为MCU模块的处理器芯片。它是高速的、与MCS-51指令兼容的、没有多余指令周期的微控制器，在相同时钟频率下，运行同样的指令要比传统的8051快1.5～3.0倍。它完全是静态CMOS设计，工作电压为4.5V～5.5V，有32KB的片内程序ROM，内部有1KBSRAM，最高时钟频率可达40MHz；有双指针、双串口，13个中断源，3个16位定时器。单片机W77E58通过串口1直接与MC35模块相连接，完成对MC35模块的初始化和基于GPRS业务的数据收发功能；同时串口2扩展MAX232标准串口与其它嵌入式系统或PC机进行数据交换。图2是系统的硬件框图。

MC35模块是西门子公司生产的GSM双频GSM900/GSM1800无线模块。它支持2种操作模式：一种是电路交换数据模式CSD，支持语音、数据、SMS和FAX业务；一种是分组交换模式GPRS，采用多时隙，支持CS1-CS4编码。两者最大的区别是，GPRS传输数据时不需要再拨号。2种模式的选择通过AT指令来实现。MC35模块提供40线的ZIF接口方式。

电源部分为单片机系统和GPRS模块提供合适的电源。外部接口部分包括一个8脚数据接口、SMA（射频同轴连接器）天线接口、SIM（SubscriberIdentityModule，用户识别）卡座接口。表1是各引脚的详细说明。

表1外部接口引脚说明

功能名称引脚号I/O信号电平注释

强制复位RST1I/O当模块处于空闲或数据传输状态时，该引脚下拉至0.45V以下（需至少0.1mA的下拉能力），持续3.5s可使系统复位。该引脚同时还作为系统看门狗信号输出，可据此监视系统工作状态fout,min=0.16Hzfout,max=1.53Hz正常情况下，该引脚处于看门狗信号输出状态并且输出电流很微弱（0.01mA），因此必须使其处于高阻状态；不得有外部上下拉电路

RS232RXD2I该组引脚系标准RS232电平信号，可直接与PC机连接如果连接PC机上Internet网，则需要使用CTS和RTS，其它通信方式示不需要这两个引脚

TxD3O

CTS4O

RTS5I

SGGND80SGGND是RS232信号地，在模块内部与GND相连

RS485A6I/O该组引脚系标准RS485电平信号，模块内部已加120匹配电阻模块内部光电隔离电路

B7

为使控制器运行稳定可靠，对其看门狗电路进行了精心设计。

3控制器的软件接口

在本设计中，需要利用TCP/IP协议来完成GPRS业务数据的打包和解包。由于W77E58资源有限，怎样在有限的资源上完成必需的功能，就是嵌入式TCP/IP协议实现的关系所在，也就是合理地简化协议。

TCP/IP协议是一个为广域网（WAN）设计的标准协议套件，可以用一个分成四个层次的模型来描述：数据链路层、互联网层、传输层和应用层。其分层模型及协议如表2所列。

表2TCP/IP协议结构

应用层HTTP、Telnet、FIT、SMTP、SNMP

传输层TCP、UDP

互联网层IP、ARP、RARP、ICMP、IGMP

数据链路层Ethernet、X.25、SLIP、PPP

应用层（application）负责处理特定的应用程序细节，在本系统中只实现HTTP协议。

传输层（transport）主要为2台主机上的应用程序提供端到端的通信。TCP协议是为2台主机提供高可靠性的数据通信，这里采用TCP传输控制协议。

互联网层（Internet）的功能是寻址、定址、数据打包和安排路径。Internet所有的数据都以IP数据报格式传输，其最大特别是提供不可靠的和无连接的数据包传送服务。在GPRS业务中，每一次链接都会具体分配一个IP地址，因此用ARP/RARP协议完成IP地址与物理地址的映射（即地址解析），用ICMP协议判断网络是否连通。

数据链路层（link）的任务是把要发出的帧送到线路中去，把要接收的帧从线路中取出来。GPRS业务是采用IPOverPPP实现数据终端的接入。这部分功能由单片机控制MC35模块，采用PPP协议实现。

数据打包处理程序处理数据时，每一层都把自己的信息添加到一个数据头中，而这个数据头又被下一层的协议包装到数据体之中。数据解包处理程序接收到GPRS数据时，把相应的数据头剥离，并把数据包的其余部分当作数据体对待。

在应用要求高的场合，通常需要支持完事的TCP/IP协议族，而在嵌入式系统中也是可以做到的；但是，考虑到成本和具体的应用场合，没有必要包括所有的TCP/IP协议族。可以看到，采用TCP/IP协议需要对它进行合理的裁剪，以满足小ROM系统的情况。

系统在利用MC35模块的GPRS业务浏览HTTP等功能之前，必须先激活GPRS网的PDP连接。单片机通过正确的AT指令和GPRS命令集对MC35模块进行初始化和数据的接收发送，其工作流程如图3所示。

单片机上电复位后，首先对MAX232进行初始化，完成与外接模块协商处理，如波特率、是否有奇偶校验等。接着，通过串口1对MC35模块进行初始化，检查诸如SIM卡情况、GPRS网络覆盖情况、信号情况等。接下来，进行中断扫描，监控是否有数据到来。有关数据时，如果是外部数据，就启动数据打包处理过程；如果是GPRS数据，就启动数据解包处理过程。如果没有数据，系统则进入节电模式。在数据打包处理过程中，如果检测到系统的信号不好，网络连接不畅通，或者不是GPRS网络覆盖区，将进行数据发送缓存处理，同时将数据放进发送队列等待发送。

结语

控制器设计论文范文第6篇

课题名称： PLC先进控制策略研究与应用

1、选题意义和背景。

可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而，从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。各个PLC厂家也在其产品中设计了PID模块。虽然PID算法控制有很高的稳定性，但对于一些复杂控制系统，PID控制很难满足控制要求，这也使PLC的发展面临着一种挑战。随着越来越多的PLC产品与IEC1131-3标准兼容，PLC控制系统越来越开放，将先进控制算法嵌入PLC常规控制系统成为可能。本课题从工业控制实际应用角度出发，对PLC的控制功能进行深入的研究和探讨，以提高和扩展PLC控制器的应用水平和应用范围。本课题：PLC先进控制策略的研究与应用，其目的是通过研究使一些先进控制算法在PLC及组态系统上得以实现，并开发相应的应用程序，经过验证后最终应用到工业过程控制中去。

在PLC组态系统中实现先进控制算法，包括预测控制算法和模糊逻辑控制算法，形成具有人工智能的控制模块及网络系统，能大大提高系统的控制水平，改善控制质量。从经济角度来看，目前PLC生产商的一些产品具备先进控制模块，如模糊模块。但它们的价格十分昂贵，且封闭性较强，不适合我国中小型企业的工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术，对于我国中小型企业的工业改造具有很大的意义，既可降低生产成本，又可提高经济效益。

模糊控制与预测控制是智能控制中技术较为成熟的分支，因此，研制和开发出适合工业环境的实时先进控制开发工具，实现模糊控制、预测控制嵌入PLC,与常规控制集成运行，让先进控制从教授、专家手中走出来，实现先进控制的工程化、实用化、转化为社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。

2、论文综述/研究基础。

在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID控制仍广泛应用，即便是在大量采用DCS控制的最现代的工业生产过程中，这类回路仍占总回路80%-90%.这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作的总结和模仿，足以维护一般过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。

然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求[4}0 50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。在工业生产过程中，仍有10%-20%的控制问题采用上述控制策略无法奏效，所涉及的被控过程往往具有强藕合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、生产率和成本等有关指标。随着过程工业日益走向大型化、连续化，对工业生产过程控制的品质提出了更高的要求，控制与经济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要一类合适的先进控制策略。自50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解疆控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法}s}.上述多变量控制策略有其自身的不足之处，工业过程的复杂性使得建立其正确的数学模型比较困难。同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解过去认为是无法求解的问题，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。

整个80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理论体系己基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最有前途的先进控制策略。近年来，人工智能技术有了长足的长进并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最有潜力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检测仪表和控制回路有效性检验中获得成功应用。神经网络则可以为复杂的非线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达确定性和不确定性两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改进以后的控制，也将是先进控制的重要内容。

由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在PC机和UNIX机上实施的。随着DCS功能的不断增强，更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在DCS控制站上实现。国外发达国家几乎所有企业都采用了DCS系统或其它智能化设备来实现对生产过程的控制，并在此基础上通过实施先进控制与优化较大的提升了系统的性能。可以说，高性能控制系统，尤其是DCS系统的普及为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。国外从70年代末就开始了先进控制技术商品化软件的开发及应用，并在DCS的基础上实现先进控制和优化。如爱默生公司的DeltaV和Honeywell公司的TDC3000,其先进控制软件RMPGT和RPID等在现场的实际应用都集中在自己的DCS系统上。传统的PLC由于不支持浮点运算以及先进控制所必须的精确的时间，因此，除了模糊逻辑控制外，其他的先进控制并没有在PLG平台上实现。然而，在过程工业中大多系统使用先进灵活的PLC控制系统，因此1996年Barnes提出了一种基于PC-PLC通讯的混合方式，通过控制网络实现计算机与PLG的通讯，从而实现先进控制。

3、参考文献。

[1]基希林，曲非非。PLC的发展[J].微计算机信息，2002, 18(9)：1-2

[2]陈夕松，张景胜。过程控制发展综述与教学研讨[J].南京工程学报，2002,2(1)：49-52

[3]Ohaman Martin, Johansson,Stefan, Arzen, Karl-Erik. Implementation aspects of the PLC standard IEC 1131-3 [J].Control Engineering Practice, 1998,6(8)：547-555

[4]范宗海，黄步余，唐卫泽。先进过程控制在聚丙烯装置上的应用[J].石油化工自动化，1999, (6)：7-12

[5]王跃宣。先进控制策略与软件实现及应用研究[M].浙江大学博士论文，2003,(1)：8-20

[6]褚健。现代控制理论基础[M].杭州：浙江大学出版社，1995: 9-15

[7]沈平，赵宏，孙优贤。过程控制理论基础[M].杭州：浙江大学出版社，1991:31-38

[8]张志辉一套常减压先进控制的应用与开发「M].陕西：西安交通大学硕士论文，2003:20-25

[9]薛美胜，吴刚，孙德敏，王永。工业过程的先进控制[J].化工自动化及仪表，2002,29(2)：1一9

[10] Kolokotsa D.,Stavrakakis,G S二Genetic algoritluns optimized fuzzy controller for the indoor environmental management in buildings implemented using PLC and local operating networks[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence,2002,15(5)：417-428

[11]黄丽雯。新型PLC的特点及应用[J].新特器件应用，1999 , (6) : 27-29

[12]杨昌馄。可编程序控制器发展趋势概述[J],基础自动化，1998 , (2) :1-5

[13]蔡伟，巨永锋。PLC分布式控制系统[J].西安公路交通大学学报，1996,16(3)：20-25

[14]胡惠延。用PLC实现的一种集散型控制系统[J].煤矿自动化，2000, (4) : 22-24

[15]陈勇，赵勇飞，徐莉。工控机与PLC分布式测控系统的设计[J].西安公路交通大学学报，1999 , (6) : 41-43

[16]任俊杰，钱琳琳，刘泽祥。基于SIMATIC S7 PLC的现场总线控制系统[J],电工技术杂志，2004,(9)：40-42

[17〕田红芳，李颖宏。PLC与上位机的串行通讯[J].微计算机信息，2001,17(3)：36-37

[18]姚锡凡，彭永红，陈统坚，李伟光。基于模糊芯片的加工过程智能控制[J].组合机床与自动化加工技术，2000, (2)：26-29

[19]汪小澄，方强。基于PLC的模糊控制研究[J].武汉大学学报，2002, 35(3)： 79-81

[20]肖汉光。模糊控制在悬挂链同步控制中的应用[M].广州：华南理工大学硕士论文，2002: 20-31

[21]成晓明，柳爱美，田淑杭，PLC的炉温多级模糊控制的优化与实现[J].自动化仪器与仪表，2000,(1) : 20-22

[22]李敬兆，张崇巍。基于PLC直接查表方式实现的模糊控制器研究[J].电子技术杂志，2001,(9)： 18-21

[23]张玺，刘勇，张小兵。二次开发Wincc模糊控制算法[J].计算机应用，2002,(1)：69-71

[24]孙东卫，周立峰。预测模糊控制在渠道系统中的应用[J].现代电子技术，2002,(4)： 82-85

[25]石红瑞，孙洪涛，马智宏。二次开发RSView32嵌入广义预测控制算法[J] .测控技术，2004 23(9) : 52-54

[26西门子公司。西门子57-300系统参考手册[M].北京：西门子自动化与驱动集团，2002: 10-200

[27西门子公司。STEP? V5.1编程手册[M].北京：西门子自动化与驱动集团，2002:40-60

[28]王磊，王为民。模糊控制理论及应用[M].北京：国防工业出版社，1997: 17-29

[291章为国，杨向忠。模糊控制理论与应用[M].陕西：西北工业大学出版社，1999:15一19

[30]蔡自兴。智能控制一基础与应用[M].北京：国防工业出版社，1998: 35-37

[31]孙增折。智能控制理论与技术[M].北京：清华大学出版社，1997; 55-62

[32]齐蓉，林辉，李玉忍，谢利理，通用模糊控制器在PLC上的实现[[J].工业仪表与自动化装置，2003, (4)：23-25

[33]闻新，周露，李东江，贝超。MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用〔M].北京：科学出版社，2001: 44-45

[34]许建平，刘添兵。PLC控制软件的模块化设计[J].九江职业技术学校学报，2003,(3)：13一14

[35]张运波。PLC梯形图设计中的关键技术[J].长春工程学院学报，2000,1(1)：30-32

[36] Richalet J, Rault A. Model Predictive Heuristic Cortrol:Application to Industrial Process[J] .Automatica, 1978,14(1)：413-428

[37] Rouhani R,Mehra R K. Model algorithmic control (MAC)：Basic Theoretical Properties[J].Automatica,1982,18(4)：401-414

[38] Culter C R,Ramaker B L .Dynamic Matrix :ontrol-A Computer Control Algorithm[M].San Francisco: American Automatic Control Council,1980:221-230

[39] Clarhe D W, Mohtadi C.Constrained receding hori:on predictive control[J].IEEProc-D, 1991,13 8(4) : 347-3 54

[40] Garica C E,Morari M. Internal Model Control-A Unifying Review and Some New Results[J] .Process DesDew, 1982,(21)：308一32;5

[41]Richalet J .Predictive functional control-Appliation to fast and accurate robots[J].Proc Of 10“ IFAC World Congress, Munich, FRG, 1987, (1)： 25I-258

[42]许超，陈治钢，邵慧鹤。预测控制技术及应用发展综述[J].自动化及仪表，2002,29(3)：1一10

[43]舒迪前。预测控制系统及其应用[M].北京：机械工业出版社，1996: 225-228

[44]李绍勇，陈希平，王刚，范宗良，树龙，蔡颖。换热机组供水温度的广义预钡(控制[J].甘肃科学学报，2004, 16(3)：95-97

[45]俞树荣，祁振强，商建平。集中供热系统热力站二段换热机组系统建模及研究[J].甘肃工业大学学报，2002, 28(2)：57-61

4、论文提纲。

第一章前言

1. I论文研究的目的和意义

1. 2论文研究的主要内容及工作简述

1. 3国内外文献综述

I. 3. 1先进控制的发展及现状

1 .3 . 2 PLC在工业控制领域的应用

1.3 . 3 PLC基本控制方法

1. 3. 4 PLC模糊控制器

I. 3. 5 PLC预测控制算法

第二章SIMATIC S7-300 PLC及STEP7系统

2.1 SIMATIC 57-300 PLC系统

2.1.1 S7-300 PLC

2.1.2 S7-300 PLC控制系统

2.2 STEP7系统

2.2.1 STEP7功能及结构

2.2.2组态环境及编程语言

2.2.3基本控制算法的实现二

第三章PLC模糊控制器的研究与实现

3.1模糊控制算法与系统

3.1.1模糊控制理论

3.1.2模糊控制系统

3.1.2.1模糊控制器的组成

3.1.2.2模糊控制算法

3.1.2.3模糊控制器的结构

3.2 PLC模糊控制器设计

3.2.1 PLC模糊控制器结构

3.2.2模糊控制器离线部分设计

3.2.2.1模糊控制器离线部分算法设计内容

3.2.2.2基于MATLAB模糊逻辑工具箱的设计

3.2.3 STEP7实现模糊控制器设计

3.2.3.1模糊算法流程图

3.2.3.2模糊算法的功能块

3.2.4 PLC模糊控制器的仿真验证

3.2.4.1仿真系统的建立

3.2.4.2仿真结果验证

第四章PLC预测控制器的研究与实现

4.1广义预测控制算法

4.1.1单值广义预测控制

4.1.2单值广义预测控制律计算

4.2 PLC单值广义预测控制器的设计与实现

4.2.1单值广义预测算法的实现步骤

4.2.2单值广义预测控制器的设计

4.3单值广义预测控制器的仿真验证

4.3.1仿真模型的建立

4.3.2仿真结果分析比较

第五章基于PLC的空调性能检测实验室计算机控制系统

5.1工艺流程与控制方案

5.1.1工艺过程简述

5.1.2控制要求

5.1.3控制方案设计

5.2控制系统结构及配置

5.3监控系统组态设计

5.4 57-300 PLC控制系统设计

5.4.1硬件系统组态

5.4.2 PLC控制程序设计

5、论文的理论依据、研究方法、研究内容。

目前，PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面。但在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制。许多PLC开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。

但从长远角度看，对于一些复杂的控制系统，PID很难满足控制要求，这就需要把先进的控制算法嵌入到PLC的设计中。本课题以此为主要研究内容。

工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多地深入到控制领域，但由于PLC的编程目前还限于低级语言(如梯形图)，所以，给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。SIEMENS在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，因此，本课题首先是通过对控制算法的研究与改进和对STEP?功能的开发，使先进控制策略在S7-300 PLC上得以较好的实现。本论文重点研究基于PLC的模糊控制器的实现，这一领域目前研究的比较多，因此在总结前人研究方法的基础上，设计出一个基于PLC的通用的模糊控制器，并使其固化在STEP7软件中。此外，对于PLC预测控制虽已有一些研究，但都仅限于理论方面，尚未给出PLC上实现的实例。本课题也想在此方面有所创新，开发出基于PLC的预测控制实现技术。

本论文第一章简要介绍了课题的来源背景、主要内容、目的意义以及国外相关工作的研究状况等。

第二章介绍了SIMATIC S7-300 PLC的主要特点，系统组成及控制系统的配置与实现，同时介绍了STEP?软件的功能及结构，组态环境，以及一些基本算法的实现方法。

第三章重点阐述了模糊控制的基本理论、模糊控制算法、模糊控制器的结构及设计方法。提出了基于PLC的模糊控制器的实现方法，即采用MATLAB离线设计，PLC在线查询的方式。给出了STEP?实现模糊算法的流程图及部分程序。

最后建立一个过程仿真系统，对PLC模糊控制器进行仿真验证。

第四章介绍了预测控制的基本理论，重点阐述了广义预测控制算法，并结合PLC的特点，提出了基于PLC的单值广义预测控制器的设计方法，给出了STEP7实现单值广义预测算法的步骤与流程图。最后建立一个二阶大滞后的对象模型，构成仿真控制系统，与PID控制进行比较分析，验证PLC预测控制器的有效性。

第五章是作者在研究生期间参加的某空调性能检测实验室基于PLC实现的计算机控制系统，从系统控制方案的设计、系统配置和硬件构成、监控系统的设计等几个方面分别进行了详细的论述。

第六章结论与体会，总结自己在课题研究和项目研究的过程中的一些体会和心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事项，改进方法。

6、研究条件和可能存在的问题。

I.尽快建立样板工程，把己经取得的研究成果应用到工程实际过程中，通过实践检验，发现问题以便不断改进和提高。

2. PLC预测控制器目前只应用了简单的单值广义预测算法，有其自身的局限性，如控制精度不高。目前，应用较为成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC控制器作为今后研究的一个重点。

3.对于PLC模糊控制器的改进，主要是在算法上，为了提高控制效果，单纯的模糊算法是不足的，改进型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以开发PLC模糊PID控制器。

4.进一步挖掘STEP?软件的功能，开发过程对象仿真模块，给出基于PLC建立仿真系统的方法和步骤，为工业实阮应用缩短调试时间，保证系统的可靠性。

7、预期的结果。

1.通过对先进控制各种算法的分析比较，对先进控制理论有了进一步认识，从中学到了不少解决问题的方法，理解了传统控制方法与先进控制方法的区别。

2.基于PLC实现先进控制与基于PC实现先进控制相比较，最重要的一个优势在于PLC实现先进控制不需要通讯协议，而基于PC实现先进控制，在系统设计和运行之前必须正确的配置PC与PLC之间的通讯协议，因此可以降低系统得开发时间。其次，在系统运行时，在下位机上完成先进控制算法比在上位机完成更具有实时性。在可靠性方面，由于基于PC实现先进控制，现场的数据和信号要经过通讯传给上位机，这难免会出现数据的丢失和信号的误差，从而使系统的控制精度下降，而基于PLC实现先进控制避免了这类现象的发生。

3.西门子57-300 PLC功能强、处理速度快、模块化结构易于扩展，被广泛的应用于自动化控制系统中;其相应开发软件STEP7采用模块化编程方法，提供多种编程语言，丰富的功能模块，能实现较为复杂的功能和算法。因此二者结合 起来，为先进控制的设计与开发提供了很好的软硬件平台。

4. PLC模糊控制器采用MTALAB离线设计和PLC在线查表的方法，把复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成，得到模糊控制量查询表供PLC在线调用。此方法将复杂琐碎的模糊控制系统的开发工作变得简单明了，大大缩短了开发周期，同时也提高的PLC控制的实时性，是目前被广泛采用且效果良好的PLC模糊控制器的设计方法。

5. PLC单值广义预测控制器采用简单实用的单值广义预测控制算法，它需要调整参数少、在线计算时间短，可适用于PLC类控制采样周期较短的快速动态过程系统。仿真结果表明：PLC单值广义预测控制器保持了预测控制的性能，控制效果较PID控制有很大改善，同时具有计算量小，响应迅速的优点。

8、论文写作进度安排。

20XX.05-20XX.06 开论文会议

20XX.06-20XX.07 确定论文题目

20XX.07-20XX.02 提交开题报告初稿

20XX.02-20XX.06 提交论文初稿

20XX.07-20XX.08 确定论文终稿

控制器设计论文范文第7篇

[关键词]光伏照明系统，太阳能控制器，检测系统

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0199-01

1 概述

光伏发电技术关系着开发利用绿色能源、改善生态环境和人民生活质量等重大问题，是目前研究的热点方向。光伏照明系统是应用光伏发电技术的实例，具有丰富的学术研究价值和经济社会效益。其中，光伏照明系统中的控制器是整个系统的核心，不仅要调节光伏电池的输出功率使之具备最大的转换效率，还要控制蓄电池充放电，所以控制器性能的优劣直接关系到整个光伏照明系统的效率。这就要求在搭建实际光伏照明系统前要对系统的进行测试。相关参数的获取，对于优化选取实际光伏照明系统的单元组件，设计出高效实用的光伏照明系统具有非常重要的意义。本文设计了能够测试控制器和照明系统其他组件各种性能参数的测试系统。该系统能够实现同时测试控制器的多项性能参数。通过实际测试，可以确定使太阳能转换效率最高、照明系统工作最稳定的控制器。

2 光伏照明系统的组成

太阳能照明系统包括：太阳能电池组件、蓄电池、太阳能充放电控制器、直流负载及其驱动电路，如图1所示。系统各部分容量的选取配比，需要综合考虑效率、成本和可靠性等问题。在带负载实际应用过程中，应该考虑到连续阴雨天的情况，对系统容量留出一定裕度。

作为光伏照明系统的输入，光伏电池为整个系统提供电能，蓄电池是整个系统的储能部分，白天将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，夜间将化学能转换成电能输出到照明负载。太阳能控制器是整个系统的控制核心，它是以单片机为核心辅以逻辑控制电路来实现系统中光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）、蓄电池容量预测和蓄电池充放电精确控制，以满足太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求，从而提高太阳能照明系统效率，确保系统运行稳定，并延长蓄电池的寿命。

3 测试系统设计

在实际中检测控制器的电流电压，时间控制等参数需要分开多次测量，不能一次完成，这加长了实验的时间，降低了实验的准确度，使整个检测过程显得繁琐而复杂。本测试装置制作目在于：通过一次实验检测出所需要的控制器的主要参数，将电流、电压、时间等参数的测量综合到一个系统中，检测出控制器的性能好坏，得出系统中各个组成部分的最佳配比。

光伏照明测试系统的原理是通过光伏系统的电路设计，将电流表，电压表，定时器连接到测试系统中，设计阳光模拟装置，用来模拟太阳光，提供太阳能电池板光源，在整个系统的运行过程中通过对充放电过程的测试，并用电流表，电压表进行数值记录，来了解控制器的各项参数，方便快捷的检测试过充过放参数时可以快速，方便的更换为稳压电源来进行测试。

4 太阳能控制器特性测试

选择两种型号的太阳能控制器，用本论文中自行设计的光伏照明测试系统对控制器的性能参数和整个系统的效率进行测试，选择出性能最优良的控制器。测试的参数项目有太阳能控制器的光控点、自耗电、过充、过放电压、过放返回电压和延迟时间。

测试过程：将控制器连接进测试系统，并将系统通电（交流 220V），交流电是为了给测试系统的电流表，电压表和定时器供电。在空载情况下测试控制器的自耗电，从放电测试的电流表中显示的数值即是控制器的自耗电。测试完控制器的自耗电后将蓄电池接入系统，将光伏照明测试系统各个组成部分全部连接到系统中，太阳能电池组件为2 块 12V/5W 的板并联，总功率为 10W。负载是3并联的LED 灯泡，电压都是12V，其功率分别为1W、3W、4W。蓄电池选择12V/10AH 的铅酸电池。测试环境中无光，为了模拟测试过程中的黑天情况。

将滑动变阻器的主调旋钮和微调旋钮全部调至最大值，使模拟光照度达到最大，太阳能电池板将光能转化为电能通过控制器为蓄电池充电，在充电电流表上显示电流数值，充电电压表上显示太阳能电池板的电压值。在电池板给蓄电池的充电过程，负载不亮，相当于室外的白天情况，将滑动变阻器的主调旋钮和微调旋钮全部调至最小值，相当于夜晚情况，观察负载 LED灯泡是否立刻亮，如果即刻变亮，说明控制器的延迟时间为零，即没有延迟时间。如果负载没有立刻亮，则通过定时器来记录时间，当负载LED 灯泡亮时，定时器上显示的数值即为控制器的延迟时间。

将系统选定在给太阳能电池板给蓄电池充电状态，阳光模拟箱中的灯泡调到最亮，太阳能电池板给蓄电池充电的充电电压不断升高，当升到某一数值时，控制器开始保护，切断充电电路，保护蓄电池，从充电电压表上记录这个电值，这个值就是控制器的过充电压。 将系统选定在蓄电池给负载 LED 灯放电的状态，为了方便试验测试和保护蓄电池用直流电源来代替蓄电池，模拟放电过程中电压的变化，调节直流电源的电压值，不断降低，当降到某一数值时，控制器开始保护，切断放电电路，负载 LED 灯熄灭，记录放电电压表上的电压值，这个数值就是控制器的过放电压值，当负载 LED 灯熄灭后，调高直流电源的电压值直到负载 LED 灯再次亮起，记录此刻放电电压表上的数值，这个临界电压值就是控制器的过放返回电压值。这些测试的数值就是控制器的性能参数值。

5 结论

本论文的主要工作是设计了光伏照明测试系统，以具体数值的形式直观的显示出光伏电池板对蓄电池的充电参数值以及蓄电池对负载LED的放电参数值。测试系统最重要的测试功能是对系统核心部件太阳能控制器的测试，在系统的实际工作过程中测试出控制器的性能参数，对各款控制器进行检验和评估，选择出最优化的太阳能控制器，使整个太阳能LED照明系统的效率最大化。并在实际工程中进行应用。

参考文献

[1] 徐铁军.太阳能 LED 照明系统优化的应用研究[华北电力大学硕士论文]，2007

控制器设计论文范文第8篇

2.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州213015）

摘 要：通风调节是矿井通风系统管理的主要工作之一，调节的准确性和及时性直接关系到通风系统安全、平稳和能耗大小。但目前通风调节存在误差大、不及时等问题，本论文通过研究矿井自动通风调节系统，有效的提升通风管理水平，降低因通风系统调节不及时或不准确造成的能耗损失。

关键词：矿井通风;调节通风;自动化系统

1 序言

通风系统调节准确性和及时性直接关系到矿井的安全和运行成本，目前通风系统调节处于人工调节阶段，人员劳动量大，调节不及时且调节准确性差，为进一步解决矿井通风系统管理中的通风调节问题，本论文引进压差法矿井自动通风调节系统。

该系统包括自动化控制器、压差测试装置、自动调节装置、传感器等。

2 自动化控制器

基于压差法的矿井自动通风调节系统核心为自动化控制器，本系统控制器采用西门子PLC为主要控制元器件，包括位移传感器、压差传感器、动力源控制装置（本论文设计动力源是气动，其装置是本安电磁阀）、数据传输、开关按钮、声光报警器等。

研究的技术关键点为：控制系统原理和控制器基本架构。

控制系统原理：压差传感器采集压力变化数值，通过设置参数装换为通过调节系统的风量，再根据预先设定的需风量进行比对，确定调节系统通风断面的变化大小，同时位移传感器监视通风断面的变化，保证系统调节准确且快速。

控制器基本架构，控制器采用PLC控制器，控制器控通过电流信号与位移传感器、压差传感器、动力源开闭按钮相连接，通过开关量与手动按钮连接，通过RS485信号与上位机进行数据和指令的传输，在控制器上预留瓦斯、声光报警器、视频接口，并可以与其他控制器进行数据传输。

3 压差测试装置

压差测试装置关系到系统的准确性，是系统最核心的数据采集设备，压差测试装置的技术要求进入测试区域内风流平稳、压差测量精度高、数据采集准确、数据传输快等。

压差测试装置采用圆形设计，主要是保证压差采集的准确性和进入测试装置的风流平稳，易于测量且数据精度高。

压差测试装置进风测安装有均风装置，主要是消除通风系统涡流造成的数据采集误差。在测试装置上布置两排数据采集管，其中在每排布置4个压力采集孔，两两对应，测压管深入测试装置内侧10cm处，4个测试孔外部用软管连接，进行压力平均处理。两排测试孔之间距离不得少于1m，主要是保证压差传感器数值的读取和测量。

压差测试装置对每个测压管进行防尘处理，保证所有测压管的通畅，静压传导准确。

4 自动调节装置

自动化调节装置是矿井自动调节通风系统的主要调节机构，本论文采用气动为动力源。

自动调节装置设计要求调节准确、运行速度慢、密封性好、安全性高等。

根据技术要求，自动调节装置采用通风断面缩小的方式，调节速度为0.5m/min，移动精度为1cm。

自动调节装置与压差测试装置相连，通过圆形阻风器向前移动，起到调节通风断面的作用，同时根据压差测试装置中风量的变化，确定圆形阻风器的移动方向和移动大小，位移传感器监测圆形阻风器的移动方向和移动大小。

圆形阻风器移动动力为缓冲气缸，气缸最快伸出速度为0.5m/min。带载后，移动伸出速度为0.3m/min，满足精确调节的目的。

5 实验论证

实验论证是论证系统的完整性和调节的准确性。进一步发现系统存在的问题，并进行修改和完善，为现场实地测试做准备工作。

主要是在自动风窗前后布置压力测点，单管压差计测量两点压差，与压差传感器数值比对;模拟巷道的断面为半圆拱，尺寸为2.8m（宽）×2.9m（长），人工调节风阻器开口大小;模拟巷道通风选择抽出式通风，通过风机变频，控制测试系统的风量。

通过多次测试，得出系统测试数据，如表1所示。

通过实验可以得出，调节装置的调节误差小于4%，所以，矿井自动通风调节系统是可行的。

6 结论

通过理论设计和实验验证，得出以下几点结论：

（1）矿井自动调节通风系统构成为自动控制器、压差测量装置、自动调节装置;（2）矿井自动通风调节系统调节误差小于4%;（3）矿井自动通风调节系统可以解决矿井通风调节不及时和不准确问题。

参考文献：

[1]白华宁.矿井通风系统风窗风量自动调节控制装置技术研究[J].科技情报开发与经济，2012，22（20）：145.

[2]吴强，李孝东，秦宪礼.从矿井通风系统改造实例谈调节风窗的重要性能[J].煤矿安全，1996（7）：38-41.

[3]吴勇华.调节风窗的流量特性分析[J].煤炭工程师，1998（4）：22-25.

基金项目：本文系中煤科工集团青年创新基金资助项目（项目编号：2014QN009）

控制器设计论文范文第9篇

关键词：道路照明;风光互补;ZigBee;智能控制

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）12-00-03

0 引 言

城市照明的迅速发展在改善城市环境、完善城市功能、提高市民的生活素质发挥重要作用的同时也加大了对能源的需求和消耗，加剧了城市供用电紧张。据中国照明学会统计，由于线路损耗、夜间超负荷运行等原因，城市道路照明的电能利用率不到65%，耗电总量占中国发电总量的2%左右，节能潜力巨大[1]。除此之外普通城市照明还存在监控管理方式落后，安全性能较低等问题。

我国提出的建设资源节约型社会的目标和发展循环经济的任务为上述问题的解决提供了很多思路。其中风力与太阳能互补路灯采用风能与太阳能为能源，无需开沟埋线，具有不受供电影响，不消耗常规电网能源，安装简便，绿色环保，无安全隐患等优点，是解决上述问题的一种重要解决方案，具有极高的社会效益、经济效益和环境效益。

为了保证路灯的正常使用，使路灯始终工作在最优状态，管理机构需要对路灯的实时工作状态进行监控管理。但是在目前通常风光互补路灯的设计中，为了简化布线，每个路灯均为一个独立的光伏系统[2]。图1所示，每套路灯均由太阳能电池板、风力发电机、路灯控制器、蓄电池组、路灯灯头以及架杆组成，各灯之间相互独立，没有线路连接，无法以传统布线的方式对风光互补路灯的进行监控和管理。

针对上述问题，论文引入物联网技术构建了一种基于ZigBee无线传感网络的风光互补路灯照明智能控制系统，通过在每一盏路灯的控制器安装ZigBee节点构建ZigBee无线传感网络，并在管理机构搭建路灯智能监控管理平台，将管理机构与每一杆路灯连接起来，最终实现管理机构（监管平台）对每一盏路灯的工作状况全方位的分布式自动/人工监视和控制，进而实现风光互补路灯照明工作状态的最优化管理。

图1 传统风光互补路灯系统结构

1 系统总体方案设计

基于ZigBee的道路照明智能控制系统主要由道路照明设施、ZigBee无线监控网络、数据通信网络、辅助决策系统、远程数据监控中心等几部分组成，其总体结构如图2所示。其中道路照明设施与ZigBee无线监控网络为一体化装置，其ZigBee无线监控网络由众多接入相应风光互补路灯智能控制器的无线传感节点自组网形成，因此ZigBee无线监控网络可以完成对网络内所有风光互补道路照明设施工作状态数据的实时采集，进而通过数据通信网络发送至数据监控中心，完成对路灯的无线远程状态监视;无线监控网络也可以向道路照明设施控制器发送从数据通信网络接收到的监控中心相关控制命令，从而完成对路灯的无线远程控制。

图2 道路照明智能控制系统组成结构

辅助决策系统主要由光照度采集传感器、GPS模块、温湿度传感器、风速风向传感器、雨雪传感器和网络摄像机组成，主要用作对相应区域内道路照明设施控制的决策依据。该系统可以实时的通过数据通信网络将辅助决策数据发送至数据监控中心，数据监控中心根据当前的气象状态数据向相应区域内的ZigBee无线监控网络发送控制命令，从而完成对路灯工作状态的控制。

2 智能控制系统硬件设计

2.1 智能路灯控制器

智能路灯控制器作完成了照明系统的发电控制、蓄电池供放电控制、路灯照明开闭及亮度控制等，是道路照明智能控制系统的核心部件，对道路照明系统的工作效率和稳定性起到决定性作用。考虑到论文设计的道路照明智能控制系统的光伏及风力发电的原理、蓄电池充放电工作原理、ZigBee无线传感网络工作方式和道路照明的实际需求，论文设计了如图3所示的风光互补路灯控制系统，包括了微处理器模块、发电设备发电/充电控制管理模块、蓄电池状态数据采集模块、电源控制管理模块、负载状态采集模块和负载输出驱动控制模块等，除此之外风力发电机、太阳能电池板、蓄电池组、LED路灯灯头和无线通信模块与控制器相连，最终与灯杆、灯架等设备组装后安装于道路两侧实现道路照明功能。

智能路灯控制器能够完成的具体功能包括：外界气象条件达到设备发电需求时，控制发电设备发电，在经过整流、恒压或升压后控制向蓄电池组充电或向LED灯头负载供电;对电池板和风机的电压、电流进行检测，通过MPPT算法追踪其最大输出功率点，使发电设备以最大输出功率为蓄电池充电;对蓄电池组进行监测控制，并控制完成过放电保护、过充电保护、短路保护、反接保护、极性保护和风机失速刹车等;控制节点自动接入路灯ZigBee无线监控网络，并通过网络发送当前节点的路灯系统工作状态数据，接收远程监控中心的控制命令，完成LED 灯头的开灯、关灯及亮度调节控制，太阳能电池板的朝向角度控制;对蓄电池剩余电量智能检测，并根据风机与太阳能板的预期发电效率调整放电时间及光源亮度，尽可能延长照明时间;在发电设备发电量无法满足LED 负载照明时，控制蓄电池放电，驱动照明。

图3 道路照明智能控制系统功能结构

其中控制器微处理器采用德州仪器推出的ZigBee新一代SOC芯片CC2530，支持 IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE和能源的应用，芯片内集成了ZigBee无线模块，结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个业界标准增强型8051MCU，8 KB的RAM， 32/64/128/256 KB闪存[3]。主要控制完成各个检测数据的采集、太阳跟踪算法的实现、步进电机的驱动以及相应的状态数据的发送和控制命令的接收等路灯控制器功能。

电力拖动模块采用的步进电机控制电池板在高度角和方位角上进行变化，并通过限位传感器判断电机的转动停止位置。并配置合适的蜗轮蜗杆减速机，由于蜗杆轴向力较大，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，防止电池板在大风天气下反向拖动步进电机。

2.2 ZigBee/GPRS网关

ZigBee/GPRS网关集成了ZigBee汇聚节点与GPRS网关模块（或直接接入有线Internet网络），主要作为ZigBee无线监控网络与远程监控中心的通信枢纽完成监控中心控制命令的下传和各路灯状态数据的上传等工作，其结构如图4所示。

图4 ZigBee/GPRS网关结构设计框图

ZigBee/GPRS网关主要是通过ZigBee无线网络接收太阳能板的旋转角度、发电电压和蓄电池充放电状态等数据，并通过GPRS网络将相关数据上传到远程监控中心，完成实时监控功能;或者通过ZigBee网络将远程控制数据广播到各路灯控制器节点，以完成相应的控制功能。

其中MCU+ZigBee模块同样采用新一代SOC芯片CC2530，E2PROM采用EEPROM24C系列存储芯片，按键与显示模块完成人机交互。GPRS模块采用HC-GPRS/232/T，该模块是GPRS透明传输终端，内置工业级GPRS模块，具有RS 232接口的工业设备无需更改任何软件即可通过GPRS无线联网，支持点对点、点对多通信。

3 智能控制系统功能设计

3.1 太阳自动追踪策略

由于地球自转和公转的影响，太阳的高度角和方位角会在一年四季内按照固定的规律发生变化，而太阳光在与太阳能电池板成垂直角度照射时，电池板接收光照强度最高，发电效率最好，因此论文以路灯套件中的电力拖动模块为基础设计了电池板的太阳追踪策略，构建太阳追踪系统，保证太阳能板工作时始终处于较高的发电效率状态[4]。考虑到实际应用需求，论文将太阳追踪策略分为如流程图3种工作状态：

（1）自动回位

在日落时，风光互补路灯主要依靠风机发电，若风机发电不足则依靠蓄电池组供电照明。此时需要太阳能电池板以限位传感器为基准旋转到初始垂直位置，等待次日的继续运转。

（2）自动控制模式

当远程监控中心通过布置于某区域的辅助决策系统监测到该区域当前的气象条件适合电池板正常发电时，通过ZigBee无线传感网络向该区域各路灯控制器控制器发送控制命令，使其切换至自动控制模式。

在自动控制模式下，各路灯控制器定时通过固化于其存储器中的自动控制策略根据当地的纬度、当前的日期时间和太阳运行规律公式计算出任意时刻的太阳高度方位角，然后通过二维极轴电力拖动模块，控制电池板旋转至相应的角度，实现高度角-方位角的全称追踪。

（3）远程控制模式

当远程监控中心通过某区域的辅助决策系统监测到该区域当前的气象条件（如阴雨天气等）无需电池板进行视日追踪时，通过ZigBee无线传感网络向该区域各路灯控制器控制器发送控制命令，使其切换至远程控制模式。

此时路灯控制器根据远程监控中心管理系统或管理人员发出的控制命令，使电池板旋转至相应的位置，并在气象条件无法满足电池板发电条件时使其开路停止发电。

3.2 ZigBee/GPRS网关的软件设计

ZigBee/GPRS网关的软件设计主要完成路灯ZigBee无线监控网络与公共网络之间的数据转换，在采用GPRS网络传输路灯状态数据时，为了减少GPRS数据流量，在路灯状态数据在一定范围内处于稳定状态时则不再实时上传数据，而改为查询方式，即只需要在上位机远程监控中心需要查看当时数据时，上传相关数据[5]。其软件流程如图5所示。

图5 ZigBee/GPRS网关的软件流程图

4 结 语

论文设计的基于ZigBee无线传感网络的风光互补路灯照明智能控制系统通过无线传感网络及相应的管理平台使城市照明管理机构对传统独立式安装的每一盏路灯的工作状况实现全方位的分布式自动/人工监视和控制，实现风光互补路灯照明工作状态的最优化管理，提高了道路照明的智能化程度。

参考文献

[1]梁云，贺新军，孙美凤. 新一代无线通信技术在城市照明智能监控网中的介绍[J]. 照明工程学报，2009（2）：63-69.

[2]林闽，张艳红，修强，等. 风光互补路灯控制系统的设计[J]. 可再生能源，2011（6）：146-149.

[3]章伟聪，俞新武，李忠成. 基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J]. 计算机系统应用，2011（7）：184-187，120.

[4]罗忠诚，韩鹏. 太阳能跟随器在物联网中的应用[J]. 物联网技术，2013，3（8）：11-13.

控制器设计论文范文第10篇

关键词：时变时滞；扰动；保成本控制

中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：2095-2163（2015）05-

Robust Discrete Uncertain Systems with Time Delay is n-fragile Guaranteed Cost Control

HU Xianwei

（Shenyang chemical industry school， Shenyang 110163，China）

Abstract：This paper studies a class of uncertain time-delay systems of n-fragile Guaranteed cost control problem. The research system of input and output delay， status， the input and output are uncertainty. In the framework of Lyapunov stability theory， the paper presents the system robustness and performance of bounded real lemma. On this basis， by using the method of Lyapunov function and linear matrix inequality， the n-fragile controller design method is given.

Keywords：Time-varying Delay； Perturbation； Guaranteed Cost Control

0引 言

保成本控制问题已引起人们的兴趣[1-3]。在实际工程中，控制器的实现由硬件和软件的原因，存在参数摄动的情况[4-5]。因此，非脆弱控制问题成为研究的热点 [6-9]。另外，实际系统中不可避免地存在各种不确定参数：（1）结构不确定性或参数不确定性[10]；（2）非结构不确定性或非结构摄动[11]；（3）混合不确定性[12]。所以，研究系统的鲁棒稳定性具有重要的意义和价值 [13-14]。本文讨论一类离散系统的非脆弱 保成本控制问题。基于Lyapunov函数和线性矩阵不等式的方法，给出了非脆弱 保成本控制器的设计方法。

1系统描述

考虑离散时滞系统

（1）

其中 是系统的状态； 是输入； 是属于 空间的干扰输入； 是被调输出； ，

和 是适当维数的常数矩阵， 是不确定实值矩阵，表示系统的参数不确定性； 和 ，表示系统的状态和控制中的滞后时间；并满足 ，其中 和 是已知的。假定：

（2）

其中， 是常数矩阵， 是满足：

（3）

其中， 表示 阶单位矩阵。

成本函数为：

（4）

其中， 是正定矩阵。

考虑状态反馈：

（5）

其中， 表示控制器增益， 表示增益的摄动。

本文考虑两种形式的摄动：

（1） 加法式摄动：

（6）

（2） 乘法式摄动：

（7）

其中， 和 是常数矩阵， 是未知的扰动矩阵，且满足 。

系统（1）在 作用下的闭环系统为：

（8）

其中，

定义1 对于给定的常数 对称正定矩阵 和 ，状态反馈控制律

（9）

称为系统（1）的 保成本控制律，如果对所有满足式（3）的参数不确定性，下列条件成立：

（1） 当 时，闭环系统（3）渐近稳定；

（2） 在 的条件下， 为正常数；

（3） 在零初始条件下，被调输出 满足 ，其中 表示 中的标准范数。

引理1 （schur补）[2] 对于给定的对称矩阵 ，其中 是对称负定矩阵，则以下三个条件是等价的：

（1） ；

（2） ；

（3） 。

引理2[4] 给定适当维数的矩阵 和 其中 是对称的，如果存在正常数 使得：

成立，其中 ， 则对所有满足：

的式中 ，有公式 成立。

2主要结果

定理1对于给定的常数 ，如果存在矩阵 ，对称正定矩阵 ， 和 ，使得对所有允许的参数不确定性（3），矩阵不等式

（10）

成立，则控制律（5）是系统（1）的鲁棒 保成本控制律，并且有：

（11）

证明 选取lyapunov函数

和引理1可得定理1。

定理2 对系统（1）和给定的控制器（5），控制器增益具有形式（6）的摄动，对于成本函数（4），给定标量 ，如果存在正常数 ，对称正定矩阵 和矩阵 ，使得：

成立，其中，

系统（1）可鲁棒 保成本控制，控制律 ，并且成本函数满足：

证明 由定理1，引理1和引理2可得到定理2。

关于乘法式摄动的情形，可类似给出。

3结束语

在实际工程中，在控制过程中，由于硬件和软件存在的偏差，控制器不可避免地存在各种类型的存在参数摄动的情况。加之实际工程系统内部和外部，存在各种不确定因素的影响，使得系统性能变差。时滞不可避免地出现在实际工程中，并使得系统的性能变得更复杂。因此，在研究系统的控制器设计时，不但要考虑系统内部和外部存在的各种不确定因素的干扰，还要考虑时滞的因素。基于上面的原因，论文提出了一类离散时滞系统，并且，系统的输入和输出均含有时滞；状态，输入和输出均存在不确定性。提出了加性和乘性两种形式的非脆弱控制器。论文主要研究了离散时滞系统的非脆弱 保成本控制问题。利用线性矩阵不等式技术，给出了非脆弱 保成本控制的设计方法。所提出的设计方法更便于实际应用。

参考文献：

[1] CHANG S S L，PENG T K C.Adaptive guaranteed cost control of systems with uncertain parameters[J].IEEE Tmns.Autom.Control， 1972，AC-17（4）：474-483.

[2] MOHEIMANI S O L， PETERSEN I R. Optimal quadratic guaranteed cost control of a class uncertain time-delay systems[J]. IEE PartD， 1997，144（2）：183-188.

[3] 王福忠，姚波.一类不确定线性系统容错保成本控制器设计[J]. 系统工程与电子技术， 2004， 26（5）：636-640.

[4] 李琴，张庆灵，安t春.不确定离散广义系统的时滞相关非脆弱无源控制[J].控制与决策， 2007，22（8）：907-911.

[5] 王天成，刘小梅，高荣.一类不确定时滞系统的非线性 控制[J].控制与决策，2009，24（6）：945-948.

[6] 彭达洲，胥布工.带有非线性扰动的不确定时滞系统的鲁棒稳定性[J].广东工业大学学报， 2004，21（1）：22-25.

[7] 舒伟仁，张庆灵.不确定时滞广义系统的鲁棒非脆弱 控制[J].控制与决策，2005，20（6）：629-633.

[8] 张维海.随机不确定系统的鲁棒 控制[J].工程数学学报， 2004，21（4）：592-596.

[9] MASUBUCHI I， KAMITANE Y， OHARA A. H∞ control for descry-sport systems： A matrix inequalities approach[J]. Automatica， 1997， （33）：668-673.

[10] 高彦平，高存臣.状态与输出均含有滞后的不确定广义系统的非脆弱H∞ 控制[J].系统科学与数学， 2008， 8（3）：350-359.

[11] FANG M. Delay-dependent robust control for uncertain singular systems with state delay[J]. Acta Automatica Sinica， 2009， 35（1）：65-70.

[12] WU Z G， ZHOU W N. Delay-dependent robust control for uncertain singular time-delay systems[J]. IET Control Theory Apply， 2007，1（5）：1234-1241.

[13] 张改平，张庆灵，张玲，等.一类不确定广义系统的非脆弱保性能控制[J].信息系统工程， 2010，（3）130-132.