控制系統設計論文匯總十篇

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇控制系統設計論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

2控制系統設計

2.1控制過程安全機制

2.1.1限位

為避免因軟件錯誤或硬件故障導致的執行機構上的運行失控，保護硬件設備與操作人員的安全，在存取機械手與取箱口的每個控制軸上除了在導軌的兩端安裝有硬件限位塊外，還必須使用限位開關來限制各軸的運動范圍。軟限位與硬限位配合使用，可以有效地防止運動部件跑出導軌。

2.1.2報警

當檢測到驅動器報警信號以后，CPAC將關閉該軸的伺服使能，急停該軸的伺服電機，同時該軸報警觸發標志位置。程序中檢測到報警觸發標志位以后，將故障狀態報告控制中心，同時點亮報警燈并開啟蜂鳴器，等待人工處理。

2.2運行速度的規劃

在本控制系統中，CPAC工作采用點位運動模式。在運動控制中，梯形速度曲線以耗能低、速度快、容易實現等優點成為常用的速度控制曲線。其速度與加速度的變化曲線如圖3所示。然而由于梯形速度曲線采用線性加速方式，其對應的加速度曲線不連續，因此存在柔性沖擊，導致執行機構在運動過程中的平穩性能差。為了既獲得平滑的加速度，又不失去梯形速度曲線的優勢，將梯形速度曲線加以改進得到S型速度曲線。S型速度曲線的運動過程由加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段組成。本控制系統采用該速度曲線作為存取機械手各軸的速度控制曲線，避免了柔性沖擊因素。S型速度曲線由CPAC通過設置各軸運動參數中的平滑時間來實現。

2.3控制系統作業方式

在銀行保管箱自動存取系統中，存取機械手執行任務時可以選擇單一作業方式或復合作業方式。單一作業方式是：存取機械手從原點位置出發運行到任務指定的保管箱位置，將保管箱取出并送到取箱口，客戶操作完成后從取箱口處把保管箱送回箱架，然后返回原點位置。復合作業方式是：存取機械手接收到一批存／取保管箱任務后，從原點位置出發運行到第一個任務指定的保管箱位置，將保管箱取出并送到取箱口，客戶操作完成后從取箱口處把保管箱送回箱架，之后存取機械手不返回原點，而是直接執行下一個任務，不斷循環直到完成所有任務。

2.4CPAC運動控制

CPAC的運動控制部分是整個軟件系統設計的核心部分。CPAC運動控制軟件主要由系統初始化模塊、用戶界面模塊、運動控制模塊、數據讀寫模塊和網絡通信模塊組成。運動控制程序首先調用系統初始化模塊，然后檢查有無故障，如果系統運行正常，則通過網絡連接控制中心，查詢CPAC的控制方式，如果為手動模式，則進入手動模式運動控制子程序，否則進入自動模式運動控制子程序。用戶界面模塊為客戶提供登錄界面、圖形化的存／取保管箱命令，并顯示系統執行結果。運動控制模塊通過在OtoStudio軟件中調用CPAC運動控制庫GUC－X00－TPX．lib中的運動控制函數執行以下功能：設置伺服電機的速度、加速度、移動距離（脈沖數）；讀取光電開關對應的數字輸入口獲取光電開關的觸發狀態；往數字輸出口寫“1”、“0”來打開、關閉電磁開關。通過控制存取機械手、取箱口的執行機構、拉板以及拉勾的動作，實現保管箱的自動存取操作。數據讀寫模塊通過RS485總線控制激光條形碼閱讀器，讀取條形碼掃描結果。網絡通信模塊使CPAC通過以太連接控制中心，接收控制中心的命令與保管箱在箱架中的位置數據，并返回運行結果與報警信息。

篇（2）

為了滿足廢墟災難環境中的控制需求，設計了蛇形機器人控制系統。控制系統上層是監控系統，通過ZigBee無線模塊給主控系統發送控制蛇步態的指令，如蜿蜒、蠕動、翻滾、分體等。主控系統的音視頻信息和慣導、溫度、濕度、壓力、有害氣體等傳感器信息分別通過1．2G無線收發模塊和ZigBee模塊傳輸給監控系統顯示。主控模塊通過ZigBee無線模塊與從控系統進行通信，以控制其實現相關的步態。

1．1．1主控系統

主控系統主要由ARM核微處理器STM32、無線通信模塊以及傳感器組成。主控系統通過無線模塊接收監控系統的控制指令，并根據指令決定搜救機器人的運動步態、運動方向以及到達目標的位置;傳感器收集災難環境中音視頻、溫度、濕度、有毒氣體以及紅外測距信息，微處理器根據測距信息選擇合適的運動步態，并將控制指令通過無線模塊發送給從控系統去執行。

1．1．2從控系統

從控系統使用了和主控制器一樣的高速ARM處理器，可同時控制18路PWM舵機。從控系統通過ZigBee無線模塊從主控制系統獲得控制指令，通過PWM信號控制關節機構運動。

1．2步態控制

Serpenoid曲線用來規劃蛇形機器人的運動軌跡，并確定搜救機器人的驅動函數。

2實驗平臺

2．1蛇形機器人簡介

該機器人具有如下幾個特點:1)采用3D打印而成，既縮短了加工周期又節約了成本;2)通過ADAMS軟件仿真，進行了機械結構設計，直線長度為2m，具有6個正交關節和1個分體機構，腿部具有變形機構，可以進行站立、臥倒、蜿蜒、蠕動、分體、翻滾等步態;3)機器人采用6V，4500mAh的電池供電，確保機器人能夠連續運動0．5h以上。

2．2平臺搭建

按照前文所述，搭建了柔性變形蛇形機器人控制系統的整套硬件電路。

3實驗結果

3．1通信實驗

蛇形機器人上位機監控界面，上位機通過遠程監控搜救機器人自主移動、翻越障礙物、爬坡等實驗，通過無線模塊實時傳輸機器人所處環境的各種傳感器信息，并能綜合各種環境信息通過無線模塊控制機器人運動。實驗驗證了蛇形機器人控制系統可實現多信息的實時準確無線通信，能夠滿足復雜搜救環境的通信需求。

3．2移動性能實驗

經過多次實驗，不斷地調試分別實現了自主柔性變形蛇形機器人蜿蜒、蠕動、分體、翻滾等平面和立體運動步態，運動平穩，曲線平滑，蜿蜒運動速度可達0．5m/s。通過穿越狹小空間、翻越障礙物、爬坡等試驗，驗證了蛇形機器人在不同的環境中，具有良好的多步態運動穩定性和自主移動性能。蛇形機器人在模擬災難場景中的各種運動步態。

篇（3）

隨著電子技術和微型計算機的迅速發展，促進了微型計算機控制技術的迅速發展和廣泛應用。中小規模的單片機控制系統在工業生產及日常生活中的智能機電一體化產品得到了廣泛的應用。在單片機控制系統的設計開發過程中，我們不單要突出設備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統的工作穩定性，否則就無法體現控制系統的優越性。

1.系統受到干擾的主要原因和現象

由于單片機控制系統應用系統的工作環境往往是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。單片機控制系統應用必須長期穩定、可靠地運行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時會使系統失靈，甚至造成巨大的損失。

影響單片機控制系統應用的可靠、安全運行的主要因素是來自系統內部和外部的各種電氣干擾，以及系統結果設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環境條件等。這些因素對控制系統造成的干擾后果主要表現在下述幾個方面。

（1）數據采集誤差加大。干擾侵入單片機控制系統測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號之上，會使數據采集誤差加大，特別是當傳感器輸出弱信號時干擾更加嚴重。

（2）控制狀態失靈。微機輸出的控制信號常依賴某些條件的狀態輸入信號和這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的狀態信號受到干擾，引入虛假狀態信號，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

（3）數據受干擾發生變化。單片機控制系統中，由于RAM存儲器是可以讀/寫的，故在干擾的侵害下，RAM中的數據有可能被竄改。在單片微機系統中，程序及表格、常數存于程序存儲器中，避免了這些數據受到干擾破壞，但對于內RAM、外擴RAM中的數據都有可能受到外界干擾而變化。根據干擾竄入的途徑、受干擾數據的性質不同，系統受損壞的情況也不同．有的造成數據誤差．有的使控制失靈，有的改變程序狀態，有的改變某些部件（如定時器/計數器，串行口等）的工作狀態等。

（4）程序運行失常。單片機控制系統中程序計數器的正常工作，是系統維持程序正常運行的關鍵所在。如果外界干擾導致計數器的值改變，破壞了程序的正常運行。由于受到干擾后計數器的值是隨機的，因而導致程序混亂。通常的情況是程序將執行一系列毫無意義的指令，最后進入"死循環"，這將使輸出嚴重混亂或系統失靈。

2.系統可靠性設計的分析和方法

單片機控制系統應用的可靠性技術涉及到生產過程的方方面面，不僅與設計、制造、檢驗、安裝、維護有關，還與生產管理、質量監控體系、使用人員的專業水平與素質有關。這里主要是從技術角度分析提高系統可靠性的最常用方法。

導致系統運行不穩定的內部因素主要有以下三點：

（1）元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統的基本單元，其特性好壞與穩定性直接影響整系統性能與可靠性。因此，在可靠性設計當中，首要的工作是精選元器件，使其在長期穩定性、精度等級方面滿足要求。隨著微電子技術的發展，電子元器件的可靠性不斷提高，現在小功率晶體管及中小規模IC芯片的實際故障大約為10×10-9/h。這為提高系統性能與可靠性提供了很好的基礎。

（2）系統結構設計。包括硬件電路結構和運行軟件設計。電路設計中要求元器件或線路布局合理以消除元器件之間的電磁耦合相互干擾，優化的電路設計也可以消除或削弱外部干擾對整個系統的影響，如去耦電路、平衡電路等。同時也可以采用冗余結構，也稱容錯技術或故障掩蓋技術，它是通過增加完成同一功能的并聯或備用單元〔包括硬件單元或軟件單元〕數目來提高系統可靠性的一種設計方法。當某些元器件發生故障時也不影響整個系統的運行。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設計，目的是提高單片機系統在電磁環境中的適應性，即能保持完成規定功能的能力。常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術、去耦電路、屏蔽技術、接地技術等。

軟件是微機系統區別于其它通用電子設備的獨到之處，通過合理編制軟件可以進一步提高系統運行的可靠性。常用的軟件措施主要有：一是信息冗余技術，對單片機控制系統應用而言，保持信號信息和重要數據是提高可靠性的主要方面。為防止系統故障等原因而丟失信息，常將重要數據或文件多重化，復制一份或多份"拷貝"，并存于不同空間，一旦某一區間或某一備份被破壞，則自動從其它部分重新復制，使信息得以恢復。二是時間冗余技術，為提高單片機控制系統應用的可靠性，可采用重復執行某一操作或某一程序，并將執行結果與前一次結果進行比較對照來確認系統工作是否正常。只有當兩次結果相同時，才被認可，并進行下一步操作。

若兩次結果不相同，可再次重復執行一次，當第三次結果與前兩次之中的一次相同時，則認為另一結果是偶然故障引起的，應剔除。若三次結果均不相同，則初步判定為硬件永久性故障，需進一步檢查。這種辦法是用時間為代價來換取可靠性，稱為時間冗余技術，也稱為重復檢測技術。三是故障自動檢測與診斷技術，對于復雜系統，為了保證能及時檢測出有故障裝置或單元模塊，以便及時把有用單元替換上去，就需要對系統進行在線測試與診斷。這樣做的目的有兩個：一是為了判定動作或功能的正常性；二是為了及時指出故障部位，縮短維修時間。四是軟件可靠性技術：單片機控制系統運行軟件是系統要實行的各項功能的具體反映。軟件的可靠性主要標志是軟件是否真實而準確地描述了要實現的各種功能。因此對生產工藝過程的了解程度直接關系到軟件的編寫質量。提高軟件可靠性的前提條件是設計人員對生產工藝過程的深入了解，并且使軟件易讀、易測和易修改。五是失效保險技術：有些重要系統，一但發生故障時希望整個系統應處于安全或保險狀態。此外，還有常見的數字濾波、程序運行監視及故障自動恢復技術等。

（3）安裝與調試。元器件與整個系統的安裝與調試，是保證系統運行與可靠性的重要措施。盡管元器件選擇嚴格，系統整體設計合理，但安裝工藝粗糙，調試不嚴格，仍然達不到預期的效果。

導致系統運行不穩定的外因是指單片機控制系統所處工作環境中的外部設備或空間條件導致系統運行的不可靠因素，主要包括以下幾點：一是外部電氣條件，如電源電壓的穩定性、強電場與磁場等的影響；二是外部空間條件，如溫度、濕度，空氣清潔度等；三是外部機械條件，如振動、沖擊等。

為保證系統可靠工作，必須創造一個良好的外部環境。例如：采取屏蔽措施、遠離產生強電場干擾的設備；加強通風以降低環境溫度；安裝緊固以防振動等。

元器件的選擇是根本，合理安裝調試是基礎，系統設計是手段，外部環境是保證，這是可靠性設計遵循的基本準則，并貫穿于系統設計、安裝、調試、運行的全過程。為實現這些準則，必須采取相應的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設計的根本任務。

中小規模的單片機控制系統在開發過程中，結合實際應用中的工作環境，采用以上的系統抗干擾優化設計的措施與方法，基本能有效地提高單片機系統的工作穩定性，充分地體現單片機控制系統在不增加控制成本的情況提高機電設備的自動化性能與智能性的優越所在。

參考文獻

[1]胡連柱,姜寶山.簡析單片機軟硬件的抗干擾設計技術,安徽電子信息職業技術學院學報,2005，01.

篇（4）

2基于AT89C51單片機的水溫控制系統設計

2.1系統設計

基于AT89C51單片機的水溫控制系統采用了當前應用廣泛的AT89C51單片機，以AT89C51單片機做為核心部件，以匯編語言對其進行編程控制其它輔助系統，用PID算法來控制PWD波的產生，進而實現系統溫度的控制。

2.2硬件設計

基于單片機水溫控制系統硬件主要由單片機基本系統、溫度傳感器、電爐、繼電器、顯示電路、報警電路、鍵盤等組成。

（1）單片機基本系統。單片機基本系統采用了AT89C51芯片，它由基本供電電路、時鐘電路和復位電路組成。鍵盤、顯示電路、報警電路將信號輸入到單片機基本系統當中，單片機基本系統根據溫度傳感器采集到的數據，進行數據分析與處理，得到相應的控制信號，由控制信號驅動繼電器工作，從而達到控制電爐工作的結果，最終達到控制溫度的目標。

（2）溫度傳感器。溫度傳感器的作用是對水溫進行溫度的檢測，并實時將數據傳送至單片機基本系統，以供其進行數據分析。

（3）繼電器。繼電器的作用是控制電爐工作，它通過接收單片機基本系統的控制信號，實現對于電爐的控制。

（4）電爐。電爐是用來實現對水加熱的功能，由繼電器根據控制信號對其進行控制。

（5）鍵盤。本設計采用61板自帶按鍵，不需要另外連接硬件即可使用。

（6）顯示電路。由六個八段數據管以及數碼管的驅動電路組成，前三段用于顯示控制溫度，后三段用于顯示實際測量溫度。

（7）報警電路。報警系統是出于電爐的安全考慮進行設計的。溫度傳感器獲得數據傳遞給單片機基本系統，單片機基本系統分析數據后，當水溫過高或過低，即達到預設最大值與最小值時，單片機驅動報警電路，實現報警功能。以上各組件與單片機芯片引腳連接方式為：溫度傳感器輸入端連接到P3.1口，按鍵接在P3.1、P3.2、P3.3，分別控制設定溫度的十位、個位和小數位，單片機的輸出控制信號由P3.5輸出；實際水溫顯示的字型碼是由P0口送出，十位、個位和小數位分別由P1.0、P1.1、P1.2選通；設定溫度顯示的字型碼是由P2口送出，十位、個位和小數位分別由P1.3、P1.4、P1.5選通。

2.3軟件設計

（1）主程序設計：系統采用匯編語言進行編程，由主程序進行控制。即由主程序調用子程序。其功能主要對傳感器采集的數據送入單片機定單元，然后一方面進行在LED顯示，另一部分與設定值進行比較，通過PID算法得到控制量并經由單片機輸出去控制電動調節閥進行水溫調節。

（2）子程序設計：主要由顯示子程序、鍵盤中斷子程序、進制轉換子程序、溫控子程序、報警子程序等組成。顯示子程序用于顯示實際溫度和設定溫度；鍵盤中斷子程序用于對系統進行設定控制；進制轉換子程序用于把采集的溫度信號換算為對應的溫度值；溫控子程序把采集的實際溫度與設定溫度值比較，調用PID算法，輸出控制信號；報警子程序用于控制非法輸入溫度值。3.4溫度控制系統的數學模型溫度控制系統可采用采用比例積分調節器來校正，按照一定采樣周期采集r(k)和F(k),其偏差值為e(k)=r(k)-F(k)（1）根據偏差值來計算輸出u(k)，其對應差分方程為：u(k)=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)（2）其中：a0=Kp(1+T/T1)a1=Kpe（k）=（rk）-F（k）

篇（5）

2檢測控制系統硬件設計

2．1系統總體結構

綜合包衣機的工作流程，整個檢測控制系統主要由包衣機控制主板、多傳感器信號檢測板、執行器控制板和液晶觸摸屏構成

。多傳感器信號檢測板實現對稱重傳感器和液位傳感器信號的采集;執行器控制板可實現對電機設備啟停的開關量控制;用戶通過液晶觸摸屏進行包衣參數設置、包衣過程啟停、包衣狀態顯示等操作。包衣機控制主板采用RS－485方式與多傳感器信號檢測板和執行器控制板進行通訊，采用RS－232方式與液晶觸摸屏進行通訊。

2．2包衣機控制主板

包衣機控制主板選用RealARM6410開發板。該開發板以ARM11內核的S3C6410芯片作為控制核心，包含電源模塊、晶振模塊、復位電路、485通信模塊和232通信模塊等外部設備，可以裝載和運行LINUX操作系統，具有處理運算能力強、耗電低、擴展性強等特點。將RealARM6410開發板作為包衣機的控制主板，可以很好地保證系統在包衣過程中的可靠性和穩定性。

2．3多傳感器信號檢測板

多傳感器信號檢測板選用意法半導體公司出產的32位高性能STM32F103C6T6作為微控制器。該微控制器的核心是ARMCortex－M3處理器，最高CPU時鐘為72MHz，具有良好的精密性、可靠性和運算速度。本設計中針對供種量和進液量兩種參數信息，分為兩個檢測模塊進行硬件開發。

2．3．1供種量檢測模塊

供種量檢測模塊包含2路稱重傳感器信號放大電路用以檢測稱重桶中種子的質量，原理如圖3所示。本設計中采用上海大和衡器有限公司出產的UH－53型稱重傳感器，該傳感器具有準確度高、抗偏載能力強和長期穩定性好等優點。為了增加檢測模塊的抗干擾性，保證種子質量的檢測精度，采用AnalogDe-vices公司具有低噪聲、低失調電壓和高共模抑制比特點的AD8608型CMOS精密運算放大器構成兩級差分放大電路。放大電路第一級由兩個同相輸入運算放大器電路并聯，第二級串聯一個差分輸入的運算放大器。這樣的連接方式可以很好地抑制輸入電壓中的共模成分。參照稱重傳感器的額定輸出，可以取放大倍數為500倍。為了減少第二級運放共模誤差造成的影響，第一級運放的增益要盡可能高。因此，將第一級放大倍數設定為500。經過取值和計算。放大電路的輸出端經過一個分壓電路后，接入STM32芯片上帶有A/D轉換通道的I/O接口。

2．3．2進液量檢測模塊

進液量檢測模塊包含上液位和下液位傳感器檢測電路。Uup為上液位傳感器信號，Udown為下液位傳感器信號。Control1為控制主板發送的補液信號，Control2為控制主板發送的加液信號。動作執行之前Control1、Control2都為低電平，以加液動作為例，當液面高于上液位傳感器時，Uup、Udown都為低電平。Uup通過光耦開關電路，在PA3處輸出高電平到STM32芯片的I/O接口上;Udown通過光耦開關電路，在PA4處輸出低電平到到STM32芯片的I/O接口上。此時Control2發送一個高電平信號，使RS鎖存器2輸出高電平，經過繼電器驅動電路后使加液電機運轉;然后使Control2變回低電平，在液面介于上下液位傳感器之間時，Uup為高電平、Udown為低電平，PA4處仍為低電平，使RS鎖存器2的輸出保持之前的高電平狀，加液電機保持運轉。當液面低于下液位傳感器時，Uup、Udown都為高電平，PA4變為高電平，使RS鎖存器2輸出低電平，加液電機停止;在此過程中補液電機一直保持停止狀態，直到單片機通過Control1發送補液信號時再進入補液動作。通過采用主板信號控制動作啟動、傳感器檢測電路直接控制動作結束的方式，可以有效避免藥液的過量添加，保證了進液控制的穩定性。

2．4液晶觸摸屏

液晶觸摸屏采用廣州微嵌計算機科技有限公司的WQT系列產品，它由400MHz的ARM9高速CPU、數字LED背光顯示和高精度電阻式觸摸屏等部分構成，有良好的兼容性和友好的人機操作界面。該液晶屏具備數據顯示、數據監控和觸摸控制等基本功能，并且采用雙口獨立通訊，可通過自定義的通訊協議實現與主板之間的信息傳輸。

2．5執行器控制板

執行器控制板采用與傳感器信號采集板相同的STM32F103C6T6微控制器，通過設計繼電器驅動電路，實現對加粉、門控等電機啟停的開關量控制。開關量控制信號經由一階RC低通濾波器和線性光電耦合器組成的電路后，可有效地濾除信號中的干擾成分。控制信號通過三極管進行放大，可驅動繼電器的開合。

3檢測控制系統軟件設計

包衣機在開啟電源并初始化完成后，通過液晶觸摸屏設置包衣流程的總批次、種子質量以及種藥混合時間等包衣參數。在包衣機控制主板系統平臺上進行軟件開發，每隔一定時間在485總線上采用輪詢的方式與多傳感器信號檢測板和執行器控制板進行通信;系統參照用戶設定的各項參數以及稱重和液位傳感器實際檢測到的參數信息，發送電機控制命令，進行各批次的種子包衣處理動作;每個動作之間通過適當的延時銜接，可實現包衣機各工作部件的有機組合和包衣流程的有序進行。

篇（6）

2合理設計軟件

因為要進行遠程監控和無人值守，所以要自動對風機進行控制，其中，控制的主要對象有：對運行狀態進行監測，在運行風機的時候，反饋信號、機組狀態參數、風力參數、監測電力參數等，從而確保機組能夠穩定的運行；在風機自動運行的時候，要根據運行的相關步驟采取風機全自動開車，進而能夠確保開車能夠穩定進行；對槳距進行控制，從而確保機組能夠穩定、安全運行；對偏航進行控制，從而確保風機正對著風向而得到最多的風能。當出現風速要比啟動風速要低、并網故障、剎車故障等情況的時候，要立刻對風機進行停機操作。

2.1控制的相關策略

當啟動風機的時候，風輪的槳葉是不動的，其槳距的角度應為90°，因為在這個過程中氣流不會對槳葉產生轉矩，所以槳葉實質上就是阻尼板。當風速與啟動風速一致的時候，槳葉會向0°轉動，從而通過氣流對槳葉所產生的功角，促使風輪的轉動。當發電機并入到電網之前，發電機轉速信號將會控制槳距系統中的槳距角的給定值。同時，轉速控制器會根據發電機轉速的快慢，合理的對槳距角設定值進行改變，而變槳距系統則會按照給出的槳距角的參考值，有效的對速度進行控制并對槳距角進行調整。當風速大于等于額定風速的時候，風電機組將會處于額定功率狀態。同時，轉速控制也會變成功率控制，而且變槳距系統將會控制發電機的功率所發出的信號。額定功率即是控制信號給定值恒定。給定值與功率反饋信號進行對比時，如果功率超過額定功率，槳葉槳距就會轉向迎風面積正在變少的方向；如果功率沒有超過額定功率，槳葉槳距就會轉向迎風面積正在增加的方向。

2.2合理控制風機啟動

當風機啟動的時候，要采用風速儀對風速進行測量，并對風速的大小進行判斷，當風速大于啟動風速的時候，要啟動風機；當風速小于啟動風速的時候，要繼續對風速進行測量。在啟動風機的時候，要有效的控制偏航，從而能夠有效的將槳距角調到零度以及確保風機能夠正面迎風。在對風機的轉速進行監測的時候，當風機的轉速到達切入轉速的時候，就能夠實行并網發電。

2.3合理控制偏航

合理控制偏航的目的在于確保風機能夠在迎面對著風向的時候，能夠得到最大化的風能，在實際應用當中，如果偏航角和風向角的差額不超過15°的時候，就可以認定風機是迎面對著風向的。對控制算法進行設計的時候，要遵循快捷進行控制的原則進行設計，從而能夠更好的避免在執行時所出現的繁瑣動作。如果電纜纏繞了多達兩圈，要立刻采取解纜控制，從而確保風電機組能夠安全的運行。同時，在進行解纜的時候風電機組要采用正常停機的方式，并要采用自動偏航后才能合理的進行解纜。

2.4合理控制風機停機

如果風機發生故障，比如，當傳動系統冷卻水的溫度比較高、風機的溫度比較高、槳距系統的液壓油位比較低等的時候，要及時發出停機警告，從而促使風機停機。如果發現風速超出相關限度的時候，由于風機的各個環節會受到一定的限制，所以一定要脫網停機。在停機的時候，要及時把槳距角調整到90°,確保停機時的安全性。

2.5合理控制槳距

在風機并網滯后，要憑借對槳距角的調節去調節發電機輸出的功率，如果額定功率小于實際功率的時候，PLC的模擬輸出單元CJ1W-DA021輸出和功率之間的差距成為比例的信號，如果功率偏差低于0的時候，要憑借進槳來促使功率的增加，同時，如果功率的偏差在-5且+5的時候，不能夠實行變槳，從而能夠避免過度頻繁的進行變槳。

篇（7）

在現代化的工業生產設備中，有大量的數字量及模擬量的控制裝置，例如電機的起停，電磁閥的開閉，產品的計數，溫度、壓力、流量的設定與控制等，工業現場中的這些自動控制問題，若采用可編程序控制器(PC)來解決自動控制問題已成為最有效的工具之一，本文敘述PC控制系統設計時應該注意的問題。

硬件選購目前市場上的PC產品眾多，除國產品牌外，國外有：日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、anasonic,德國的SIEMENS，韓國的LG等。近幾年，PC產品的價格有較大的下降，其性價比越來越高，這是眾多技術人員選用PC的重要原因。那么，如何選購PC產品呢?

1．系統規模首先應確定系統用PC單機控制，還是用PC形成網絡，由此計算PC輸入、輸出點。數，并且在選購PC時要在實際需要點數的基礎上留有一定余量(10%)。

2．確定負載類型根據PC輸出端所帶的負載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PC輸出點動作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或品閘管輸出。不同的負載選用不同的輸出方式，對系統的穩定運行是很重要的。

3．存儲容量與速度盡管國外各廠家的PC產品大體相同，但也有一定的區別。目前還未發現各公司之間完全兼容的產品。各個公司的開發軟件都不相同，而用戶程序的存儲容量和指令的執行速度是兩個重要指標。一般存儲容量越大、速度越快的PC價格就越高，但應該根據系統的大小合理選用PC產品。

4．編程器的選購PC編程可采用三種方式：

一是用一般的手持編程器編程，它只能用商家規定語句表中的語句編程。這種方式效率低，但對于系統容量小，用量小的產品比較適宜，并且體積小，易于現場調試，造價也較低。

二是用圖形編程器編程，該編程器采用梯形圖編程，方便直觀，一般的電氣人員短期內就可應用自如，但該編程器價格較高。

三是用IBM個人計算機加PC軟件包編程，這種方式是效率最高的一種方式，但大部分公司的PC開發軟件包價格昂貴，并且該方式不易于現場調試。

因此，應根據系統的大小與難易，開發周期的長短以及資金的情況合理選購PC產品。

5．盡量選用大公司的產品其質量有保障，且技術支持好，一般售后服務也較好，還有利于你的產品擴展與軟件升級。

輸入回路的設計

1．電源回路PC供電電源一般為AC85—240V(也有DC24V)，適應電源范圍較寬，但為了抗干擾，應加裝電源凈化元件(如電源濾波器、1：1隔離變壓器等)。

2．Pc上DC24V電源的使用各公司PC產品上一般都有DC24V電源，但該電源容量小，為幾十毫安至幾百毫安，用其帶負載時要注意容量，同時作好防短路措施(因為該電源的過載或短路都將影響PC的運行)。

3.外部DC24V電源若輸入回路有DC24V供電的接近開關、光電開關等，而PC上DC24V電源容量不夠時，要從外部提供DC24V電源；但該電源的“—”端不要與PC的DC24V的“—”端以及“COM”端相連，否則會影響PC的運行。

4．輸入的靈敏度各廠家對PC的輸人端電壓和電流都有規定，如日本三菱公司F7n系列Pc的輸入值為：DC24V、7mA，啟動電流為4．5mA，關斷電流小于1．5mA，因此，當輸入回路串有二極管或電阻(不能完全啟動)，或者有并聯電阻或有漏電流時(不能完全切斷)，就會有誤動作，靈敏度下降，對此應采取措施。另一方面，當輸入器件的輸入電流大于PC的最大輸入電流時，也會引起誤動作，應采用弱電流的輸入器件，并且選用輸人為共漏型輸入的PC，Bp輸入元件的公共點電位相對為負，電流是流出PC的輸入端。

輸出回路的設計

1．各種輸出方式之間的比較

(1)繼電器輸出：優點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負載，且電壓也可不同，帶負載電流可達2A／點；但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負載，這是由繼電器的壽命決定的。其壽命隨帶負載電流的增加而減少，一般在幾十萬次至Jl百萬次之間，有的公司產品可達1000萬次以上，響應時間為10ms

(2)晶閘管輸出：帶負載能力為0．2A／點，只能帶交流負載，可適應高頻動作，響應時間為1ms.

(3)晶體管輸出：最大優點是適應于高頻動作，響應時間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶DC5—30V的負載，最大輸出負載電流為0．5A／點，但每4點不得大于0．8A。

當你的系統輸出頻率為每分鐘6次以下時，應首選繼電器輸出，因其電路設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。當頻率為10次／min以下時，既可采用繼電器輸出方式；也可采用PC輸出驅動達林頓三極管(5—10A)，再驅動負載，可大大減小電流。

2．抗干擾與外部互鎖當PC輸出帶感性負載，負載斷電時會對PC的輸出造成浪涌電流的沖擊，為此，對直流感性負載應在其旁邊并接續流二極管，對交流感性負載應并接浪涌吸收電路，可有效保護PC。

當兩個物理量的輸出在PC內部已進行軟件互鎖后，在PC的外部也應進行互鎖，以加強系統的可靠性。

3．“GOM“點的選擇不同的PC產品，其“COM”點的數量是不一樣的，有的一個“COM”點帶8個輸出點，有的帶4個輸出點，也有帶2個或1個輸出點的。當負載的種類多，且電流大時，采用一個“COM”點帶1—2個輸出點的PC產品；當負載數量多而種類少時，采用一個“COM”點帶4—8個輸出點的PC產品。這樣會對電路設計帶來很多方便，每個“COM”點處加一熔絲，1—2個輸出時加2A的熔絲，4—8點輸出的加5—10A的熔絲，因PC內部一般沒有熔絲。

4．PC外部驅動電路對于PC輸出不能直接帶動負載的情況下，必須在外部采用驅動電路：可以用三極管驅，也可以用固態繼電器或晶閘管電路驅動，同時應采用保護電路和浪涌吸收電路，且每路有顯示二極管(LED)指示。印制板應做成插拔式，易于維修。

PC的輸入輸出布線也有一定的要求，請看各公司的使用說明書。

擴展模塊的選用

對于小的系統，如80點以內的系統．一般不需要擴展；當系統較大時，就要擴展。不同公司的產品，對系統總點數及擴展模塊的數量都有限制，當擴展仍不能滿足要求時，可采用網絡結構；同時，有些廠家產品的個別指令不支持擴展模塊，因此，在進行軟件編制時要注意。當采用溫度等模擬模塊時，各廠家也有一些規定，請看相關的技術手冊。

各公司的擴展模塊種類很多，如單輸入模塊、單輸出模塊、輸入輸出模塊、溫度模塊、高速輸入模塊等。PC的這種模塊化設計為用戶的產品開發提供了方便。

PC的網絡設計

當用PC進行網絡設計時，其難度比PC單機控制大得多。首先你應選用自己較熟悉的機型，對其基本指令和功能指令有較深入的了解，并且指令的執行速度和用戶程序存儲容量也應仔細了解。否則，不能適應你的實時要求，造成系統崩潰。另外，對通信接口、通信協議、數據傳送速度等也要考慮。

篇（8）

本系統的傳感器采用電位器(見圖2)，它通過連桿機構和軸承與提升臂相連接，與提升臂旋轉軸線同軸［4］。當耕深改變時，拖拉機的下拉桿隨之上下運動，與下拉桿連接的提升臂也會有一個相應的轉角變化;同時，電位器的轉軸也在連桿機構的作用下隨提升臂同步轉動，根據電位器阻值的變化檢測出提升臂轉動的角度，從而根據對應的幾何關系所建立起的數型間接檢測出此時的耕深［5］;微機接收到反饋信號后，把該信號和預設耕深信號進行分析對比，然后控制步進電機的正反轉，調節耕深。

1．2微機控制

本系統控制模塊采用微芯公司的PIC18F23K20系列單片機作為微機控制單元。該單片機運行速度快、功耗較低，并且其內部集成A/D轉換器模塊、增強型CCP模塊以及單片機通信需要的USART模塊等，從而大大減少了外接的專業電路模塊，簡化了整個控制電路，能夠實時、高效地實現該裝置所需的各種功能的控制［6］。本系統的步進電機驅動芯片是東芝公司生產的TA8435H，其電路簡單、工作可靠。該芯片是單片正選細分二相步進電機驅動專用芯片，具有以下特點:1)工作電壓范圍在10～40V;2)輸出電流平均可達1．5A，峰值可達2．5A;3)運行方式有整步、半步、1/4細分和1/8細分多種選擇;4)采用的是脈寬調試式斬波驅動方式;5)具有正反轉控制功能，帶有復位和時能引腳;6)可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入［7］。微機和步進電機聯合控制的程序流程如圖3所示。系統對PIC18F23K20單片機的各個模塊進行初始化設置，然后通過電位器進行耕深檢測。當提升臂轉動時，電位器轉軸隨著轉動，引起電位器內部阻值變化，進而引起電壓值的變化，通過線路傳給微機處理。微機把反饋信號和預設值進行比較、分析，如果實測值在預設值范圍內，則繼續檢測;如果實測值不在預設值范圍內，且比標準值小，則微機發送控制信號控制步進電機正轉調整實測值大小，直到實測值在預設值范圍內;同理，若實測值比預設值大，則控制步進電機反轉。

1．3執行機構

本系統的執行機構(見圖4)是在原液壓懸掛系統的基礎上經過加裝步進電機實現手動和自動聯合控制。步進電機通過鉸鏈安裝在拖拉機上，可以隨著分配器操縱桿轉動，電機桿上安裝1根絲桿，當微機控制信號控制電機動作時，電機的正反轉可以推動操作手桿移動，實現分配器油液的流量和流向的改變，進而調節農具耕深。聯合控制如圖5所示。當需要手動控制耕深時，斷開步進電機與操縱桿鏈接即可。

2試驗與分析

為了檢測該系統的可靠性和穩定性，在西南大學農機試驗田里進行了田間試驗。試驗工具采用西南大學農機實驗室的福田雷沃M1200－D型拖拉機，配套的農具為西南大學農機實驗室的東方紅1LH－535鏵式犁。根據農藝要求，試驗前預設耕深范圍為0～20cm，安裝好本裝置的拖拉機在實驗田進行直線行駛作業后，通過多點實測耕深，得到試驗數據如表1所示。試驗數據表明，該系統在使用中基本可以反映田間實測耕深，且在預設耕深允許的范圍內。

篇（9）

2、Dupline現場總線系統

該工程中用Dupline現場總線系統采集皮帶機保護信號送入選煤廠PLC控制系統，使用Dupline現場總線系統可降低選煤廠建設總投資，據統計，當選煤廠內帶式輸送機累計長度超過270m時，使用Dupline總線系統作為皮帶保護的總投資將小于將保護信號直接送入PLC的總投資。該廠主廠房生產控制系統皮帶機累計長度560m，需用跑偏開關26對、拉繩開關19個、失速開關7個和堵溜槽開關7個。Dupline現場總線系統由四種基本元件組成：網關模塊、輸入模塊、輸出模塊和兩芯電纜。在主廠房控制系統中網關模塊型號為：G38910020，網關模塊負責將Dupline數據轉換成Profibus-DP現場總線協議，反之亦然。網關模塊為PLC和Dupline現場總線網關之間的自動數據傳輸提供了一種標準化方法，每個網關可帶數字量點數為128個，但距離長達幾公里時其所帶數字量點數要適當減少。本廠所用數字量輸入模塊型號為G50101106和G50102206，跑偏開關和失速開關內裝2206數字量輸入模塊，拉繩開關和堵溜槽開關內裝1106數字量輸入模塊，1106模塊和2206模塊的區別在于1106為1通道，2206為2通道，這兩種數字量輸入模塊都可以通過Dupline網絡直接供電，無需再拉電源線。Dupline系統所用總線電纜為：RVVSP2×1.5型屏蔽雙絞線，所有Dupline數字量輸入模塊通過同一條兩芯電纜與Dupline網關模塊相連接，通過編碼工具為每個數字量輸入模塊設置唯一的地址編碼。主廠房生產控制系統中用到G38910020型網關模塊1塊、數字量輸入模塊G50101106型和G50102206型分別為26塊和33塊、測試工具1套、編碼工具1套和配套總線電纜。

3、現場施工過程中的問題

3.1廠家配套電控箱的安裝問題

電控箱包括閥門控制箱、壓濾機電控柜、電子皮帶秤、除鐵器控制箱等，這些電控箱由電氣施工單位安裝還是配套廠家安裝的問題。在技術協議中，廠家不負責設備安裝，只負責現場安裝技術指導；這部分的安裝費及附加耗材無法在電氣圖紙中體現，導致電氣廠家和電氣施工單位都不愿意做這部分工作。解決方法：在技術協議中要求配套廠家配齊成套設備所需電纜，并負責設備現場安裝與調試，另外，機制專業在畫設備安裝圖時應體現設備配套電控柜。

篇（10）

蒸發器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發器上部進入蒸發器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發器頂部排出，濃縮液從蒸發器底部排出；濃縮液濃度不能在線測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設閥門V1203；從蒸發器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設閥門V1105；換熱后的過熱蒸汽變為冷凝水排出。蒸發器為真空操作，蒸發器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。

1．2工藝流程分析蒸發器的工藝流程可以具體描述為：

1）打開稀液流量閥V1201，向蒸發器E1201注入稀液，并使蒸發器液位穩定在80％左右。

2）打開過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發器通入過熱蒸汽，使蒸發器溫度達到108℃，并保持穩定。

3）待濃縮液濃度達到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續出料，使濃縮液流量達到4．63kg／s，并保持流量平穩。

2系統總體方案設計

2．1控制要求與技術指標

（1）控制要求

基礎過程控制（BPCS）的任務是保證蒸發器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據工藝要求可以將BPCS的控制任務分解為：建立蒸發器液位、提升蒸發器溫度、蒸發器提升負荷運行、濃縮液濃度控制、蒸發器溫度控制、蒸發器液位控制、濃縮液流量控制。

（2）系統安全要求

現代過程控制系統包括基本過程控制系統(BPCS)和安全儀表系統（SIS）。蒸發過程可能會出現蒸發器內壓力過大而引起事故，因此SIS系統的設計非常重要。

2．2控制系統總體方案設計

考慮到安全可靠和經濟適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與PCS7BOX構成冗余結構，兩個CPU同時具有基礎控制系統（BPCS）和安全控制系統（SIS）的功能，正常運行狀態下PCS7BOX執行BPCS功能，PLCS7416－2F執行SIS功能。BPCS系統和SIS系統共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統DCS和SIS之間復雜的數據處理，節省了成本與安裝費用，系統中備件品種少，經濟性好，并且可以互為代用，便于維護。BPCS系統與SIS系統之間的通信連接采用光纖實現，使系統的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互獨立，冗余系統的存在與否不影響控制系統的正常運行。用PROFINET工業以太網擴展此系統，使此系統一方面可與管理系統對接，另一方面具有了良好的可擴展性，能方便地實現監控功能，同時使此系統的維護也變得更加方便。

3控制系統硬件設計與實現

3．1儀表供配電設計

為保證供電的安全和可靠，設計供電系統時，應按照用電儀表的電壓等級和電源類型進行設計。本方案采用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設置在底層的各二級供電箱供電，并在第二級供電系統中同樣設置總供電箱、分供電箱。供電系統可采用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。

3．2輸入／輸出模塊配置

BPCS和SIS的輸入／輸出模塊配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統的基礎上。確定了BPCS所需配置的I／O點數后，即可進行輸入／輸出模塊的選擇。本方案選擇西門子公司的分布式I／O產品ET200M。

3．3系統控制柜設計

接下來是系統控制柜的設計，包括主控制柜和分控制柜的設計，確定控制柜以及輸入輸出模塊后，繪制系統輸入輸出模塊的接線原理圖。

3．4系統組態

在SIMATICManager中完成系統組態。系統硬件組態如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統的硬件組態，右邊是SIS系統的硬件組態。通信網絡的組態如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通信模塊；AS400F和IM153－2FO則是SIS的CPU和ET200M通信模塊。

4控制系統軟件設計與實現

4．1控制程序總體設計

根據程序的功能以及程序執行情況，控制程序可以被劃分為3個部分：

1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執行一次，通過該組織塊可以實現初始化操作。

2）主程序OB1。OB1由操作系統不斷地循環調用。通過OB1可以進行系統常規處理，轉換系統的運行狀態，比如更新程序中的標志，并進行相應處理。

3）循環中斷OB35。循環中斷組織塊按照設定的時間間隔執行中斷程序。在循環中斷中完成模擬量采集、數字濾波、PID運算，最后是控制量輸出。

4．2控制程序設計與實現

（1）S7CFC編程語言

CFC（ContinuousFunctionChart，連續功能圖）用圖形的方式連接程序庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到復雜的閉環和開環控制等領域。編程的時候將需要的功能塊復制到圖中并用線連接起來即可。定時中斷程序即采用CFC來編寫。

（2）定時中斷的整體結構

在定時中斷中進行模擬量采集、數字濾波、PID運算以及控制信號輸出，同時實現參數超限時的報警和停車。程序的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據現場調試情況來確定。

4．3推理程序設計與實現

經過分析，可以看出被控對象的特點是多回路、多參數、強耦合。因此控制策略為：將復雜大系統分解成相對獨立的簡單子系統進行處理，控制律力求簡單實用。其中，根據對被控對象的分析，發現濃縮液濃度不可在線測量。為了實現濃度的準確控制，采用了推理控制策略，利用可實時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，通過推理運算實現濃度的間接控制。推理控制算法采用SCL（類似于C語言）進行編程，并將其編譯成模塊，供CFC編程調用。BPCS部分主要采用連續功能圖CFC實現。

4．4系統安全SIS設計

作為保證生產安全的重要措施，安全控制系統主要包含安全儀表和信號報警兩部分。大多數工業生產過程要求安全儀表系統和信號報警遵循失效安全原則，使工業設備在發生故障的時候轉入預定義的安全狀態。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯鎖等安全控制。緊急停車聯鎖在蒸發器裝置的機械設備故障、某些過程參數越限、系統自身故障或稀液進料中斷時，對系統實施緊急停車。緊急停車聯鎖能自動產生一系列預先定義的動作，使工藝裝置和人員處于安全狀態。

4．5系統監控設計

控制系統使用西門子WinCC組態軟件對操作員站進行了組態，實現對蒸發器的實時控制及調整、系統運行監控與管理。WinCC使生產過程的狀態能夠以文字、圖像、曲線和報警等多種形式清晰地表達出來，同時能夠記錄生產過程中發生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態可打印的報表。