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控制器设计论文范文第1篇
摘要本文介绍的是通过PID在奇异频率参数空间的解耦来估计PID整体稳定性的算法。通过凸多边形切片建立起非凸稳定区域。有两个问题因此被忽视：(一)表现为KP—-重复稳定多边形，(二)稳定多边形的自动检测是为了找到匹配的KP。本文包含了解决这两个问题的方法。该方法还适用于多模式不确定的鲁棒PID稳定性。关键字：PID；稳定性；PID解耦；奇异频率；鲁棒控制。 1．介绍至今为止，在过程控制、运动控制、航空航天工业中，符合SISO系统最适用的控制是PID控制。尽管其广泛应用，但是给定对象全部PID赫尔维茨稳定性的计算问题只是在过去十年讨论过。这是一个有趣的理论问题，对实际应用当然也很重要，其中主要采用基于校正技术的设计方法。在文献中已经表明PID参数设计可以分成两个子问题：(一)表现平稳回放参数KP独立于参数kI和kD，(二)稳定多边形在平面的检测得到某一KP。一般算法解决问题(二)是基于直线跃迁描述，其运动特征可以找到。在这里，进一步发展这种算法是由于不同类型的奇异频率。该算法查看了所谓的内在多边形，并且选择了一个有最大稳定特征的多边形来最后检查稳定性。最重要的是，能够找到最适用于PID的这种算法。方法简便是寻找解决问题(一)的基本思路。这些信息是由积成奇异的发电机频率，曾经发挥重要作用的PID为三项多项式。事实上，给定一个KP，奇异频率就可以被确定，数量由此也可以被直接阅读。这篇文章的主要结果是一个新的简单标准，这有助于设计人员使用同一方法解决问题(一)。原来对于某个对象固定数量的奇异频率必须稳定。只要参数KP定义独特奇异数频率，就可以直接判别参数KP的回放，因为没有一对(kI ，kD)能提供镇定。由于刚刚提供的必要条件，简单的标准可以用保守的价格取得。多边形的稳定既不是成为部分，也可能在(KP ，kI ，kD) 参数空间成为一个紧密的单点。 尽管后者推出的标准并不意味最新形势，但是介绍了稳定峰值的运算方法。结果提交的申请，可直接计算总体强劲而稳定的有限多模式对象的PID控制器。2. 奇异频率 2．1．奇异频率和直线考虑到赫尔维茨稳定性的特征多项式有一个反馈回路，包含一个PID控制器和一个LTI对象 。p=A(s)(kI+KPs+kDs )+B(s)，A(s)=a0+a1s+···+amsm，B(s)=b0+b1s+···+bnsn，而由于积分变量b0=0， 但为了共性它将被视为自由参数(如果加上其中a0=0，然后顺序多项式(1)降低到n-1次)。在特征方程(1)中把s替换成j，矩阵的赫尔维兹条件的形式如公式（4）。我和R主张把多项式的实部和虚部中的s替换成j。固定的KP在(kI ， kD)中可视为一种成相的假想轴，然而，对整个列的假想轴来说，映射方程有特殊的意思，如公式（5）。其中h(.)和g(.)分别代表实部和虚部。几何条件解释就是每个频率代表两条平行的直线(KI，KD)。因此，在任何情况下S=J 的根源多项式适用频率被称为奇异频率。很显然，奇异的直线频率，这里是直线或干脆简称奇异线路。换言之，该系统的特征只有在奇异频率时才可以越过假想轴。一个(kI，kD)的界线可以被平面直线简单确定，该直线构成了凸多边形。 2．2．解耦PID控制器 既然PA是非奇异，那么(4)可以改写为下面等价的形式公式（6）。公式（7）代表特别方便，因为它把PID控制器参数方程解耦为两个。 虚部为公式（8） ，实部为公式（9）。实部和虚部称之为PID参数空间在奇异频率的解耦。这是因为它的方法将解耦分成两个子问题：(一)稳定回放参数KP的忽视(二)稳定多边形平面的检测。 以下所讲的基本上集中在这两个问题。 3. 稳定多边形3．1．内部多边形本节解决的问题如下所述。给定一组奇异线 奇异对应频率Ω= 检测多边形，使多项式P(1)稳定。通过内多边形概念的激励解决问题，定义如下。定义：考虑一个被奇异线定义的确定多边形。Ⅱ是一个过渡时期内对Ⅱ的任何多边形内多边形的特征。显然，一个稳定的多边形是内多边形，这是一个必要条件。为了充分性，需检测一个任意多边形控制器的稳定性。 如果稳定性试验失败，就没有稳定的控制器证明其存在，如果成功，它是稳定的。 3．2．过渡功能 为了自动检测每一个直线多边形内将委派一个“过渡”功能：如果是负面的直线过渡特征，成为一个稳定的根源，否则是正面的。根据公式（13）按照惯例，则会假定N点在Γ区外。超过过渡特征原因离开或进入一个奇异频率，它被一个载体μ定义描述和定义如下公式（14）或简写成公式 （15）。公式（15）将证明特别有用。 在下面，我只是过渡索引公式。 这些对应过渡得到更换指数 I #8594;D， #956;i可以从整体微分计算如公式（16）。过渡功能自然定义为eI= #956;IT.N=Re( #956;I*N)，其中N是一般N的复数表现形式，ei成为一个稳定的特征(负数)或不稳定(正数)。 这里Re(.)代表实部，(.)*代表复数共轭。3．3．奇异频率类型 方案说明三种可能情况，在附近的一个特征是在发生频率奇异关于赫尔维兹稳定。迄今讨论共同奇异频率指左列式。方案方向特征处于一种奇异的频率是那么完全由过渡功能。但是这些说法无法与拐点局势(中)和思考(右)在这两种情况下，自接到过渡功能价值为零。这里需要区别的独特表现，这两种比较特殊的个案。3．4．检测内多边形 #928;= 那里结束顶点优势是一致的初始顶点下一优势。 初步确定的协调和顶点是结束。 那是一个多边形内多边形的每个区域边缘的迹象过渡反对，或者相应增加，或者等效的迹象转型递增分别为所有具有一定的内在多边形。 4． KP-问题 本节着重介绍所界定的问题：这将是第一个要求忽视KP划分。例如回放与稳定的PID控制器，它涉及到必须紧紧根据KP划分。的确，显然在最大值和最小值KP划分，凸多边形接近正负KP方向，所以直觉认为KP-回放频率与最大潜在人数奇异。 定理2 N表示多项式的次数M表示A(s)多项式的次数P表示A(s)的RHP零点的数量Z表示奇异频率在0 #8804; ﹤+ #8734;范围内的数量一个稳定的判据是是公式（22）。引理3 考虑积函数F(S)，令s=j #969;，当0 #8804; ﹤+ #8734;时，F( #8734;) #8594; #8734;。如果F(j #969;)的相变化是N #960;，那么将降低减少实轴Z的次数 ，即公式（23）。推论4 如果A(s)在虚轴有J个零点，（a）如果s=0不是A(s)的零点，则如公式（27）。（b）如果s=0是A(s)的零点，则如公式（28）。利用定理2和推论4可直接从实部中读得。但是，看到这个定理式定义可能并不保守，因为它的稳定峰值高。这方面的讨论在第6部分。 推论5如果A(s)在虚轴的J个零点不为0，在s=0时有J0，则如公式（29）。5．实例实例1：A(s)= #8722;0.5s4 #8722;7s3 #8722;2s+1，B(s)=s7+11s6+46s5+95s4+109s3+74s2+24s。可能是发动机检查频率奇异，奇异频率KP=-2，直接通过电脑表达后： 0=0， 1= #177;0.3530， 2= #177;0.6638， 3= #177;0.7742， 4= #177;3.3473。看到这种情况很容易根据可用奇异频率来阅读次数，更确切地说 #8722;24 #60;kP #60;6.1565。 #8722;24 #60;kP #60; #8722;2.7614 #8658;3 奇异频率， #8722;2.7614 #60;kP #60;3.7664 #8658;5 奇异频率，3.7664 #60;kP #60;6.1565 #8658;3 奇异频率。这些网格由KP回放多边形切片可以计算出来的。 实例2A(s)=s3+3s2+9，B(s)=s5+2s4+3s3+7s2+14s。它可以直接读出，N=5，M=3，P=2，根据定理，为了稳定，三个奇异频率必须在区间0 #8804; ﹤+ #8734;。-1.8708 #60;KP #60;-1.5556 #8658;3 奇异频率，0.3157 #60;KP #60;0.5333 #8658;4 奇异频率。 其他KP多边形存在不安定。 实例3A(s)=1，B(s)=s5+s4 #8722;3s3 #8722;s2+2s。不管KP #60;-2，三个奇异频率中至少有两个奇异频率存在，其它只剩下一个。6．稳定峰值由公式（30），根据定理可以得出N=8，M=2，P=0 因此Z #8805;E（N-M+2P+1）=4奇异频率必须在区间0 #8804; ＜+ #8734;。 我们可以证明，KP=-9和KP=-10，Z=4时，可以满足稳定状态。但是，KP=-9存在稳定的多边形，KP=-10不存在。因此，对于一些在KP之间，必须紧密稳定多边形成单一点。它清楚地表明，处理这种情况是很重要的回放查看提供稳定峰定理。为 了计算稳峰，看到三个多项式(1)必须拥有至少三个不同特征值的虚轴，剩余多项式需要稳定，否则是不相关的峰值。 这是一个非线性方程组未知数。 左边的三个未知数方程规定，KP，KI，KD和右侧其余n-3次奇异的频率包括三个 i，i=1， 2，3和n-6系数多项式。 因此，后者以消除n-3多变量非线性方程，三个体系三个KP，KI，KD。 一般来说，一个稳定的数量有限，存在着三个峰值多项式。连续三项多项式定义可以显示一个稳定的高峰出现在KP #8776;-9.0023。三直线与相交于KD #8776;21.4958，KI #8776;3.0195。 奇异相应频率为 1 #8776;0.2581， 2 #8776;0.44261， 3 #8776;39.7621。7．总结本文针对固定阶次线性单入-单出系统给出了保证系统稳定的PID参数的计算方法。 设计的基础是PID控制器参数在奇异频率内的解耦。 新定理实行忽略KP的回放，那里可能存在多边形稳定。对于一个固定的KP， 基于转变一般算法是用来检测过渡的平稳性。 该理论是直接针对某一对象的时滞系统和鲁棒设计的理论。
控制器设计论文范文第2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。
控制器设计论文范文第3篇
【关键词】两缸两冲程小型发动机；电控单元；ECU；控制策略
0 引言
两缸两冲程小型发动机结构简单、体积小重量轻、并且升功率显著高于四冲程发动机，由于有着以上优点，被广泛应用于小型摩托车、航模甚至是小型的发电设备上。[1]本文对两缸两冲程小型发动机的控制原理、系统构成及系统设计要求进行了研究，在此之上提出了一种适用于该类发动机的控制策略，以及相应的控制单元ECU的设计方法。[2]
1 控制系统的基本结构和设计
控制系统由传感器、控制器ECU和执行器三个部分组成。空气经过节气门进入进气道，燃油经喷油嘴喷射进入进气道，跟新鲜空气混合后进入气缸。在气缸内经火花塞点火燃烧，废气由排气管排出发动机。[3-5]
1.1 传感器
本文设计的电控系统所用的传感器主要有：发动机曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气温度压力传感器和排气氧传感器。
1）发动机曲轴位置传感器
该传感器主要有磁电式和霍尔式两种，本文采用磁电式。曲轴前端安装有特定齿数的齿，齿的边缘安装传感器。当齿旋转时候，传感器端即可产生相应位置的脉冲信号，使用整形电路对该脉冲电路进行整形成为矩形波，当发动机转速高时，矩形波的波幅较窄，当发动机转速低时候，矩形波的波幅较宽。ECU依次来计算发动机的转速。
2）节气门位置传感器
节气门位置传感器向ECU提供进气道节气门的角度位置，该数据是计算发动机的进气量、负荷和驾驶意图的重要参数。
节气门通常分为电子式和拉线式两种，本文采用的是自行研究开发的主动驱动式电子节气门，图1是该节气门的结构示意图。[6]ECU通过CAN总线连接该节气门部件，控制电路获取信号后驱动直流电机转动，电机的扭矩通过齿轮组带动蝶阀转动。蝶阀轴顶端安装有霍尔传感器，当蝶阀转动时，该传感器会感应到该变化，转换成跟角度相应的模拟信号，并将该信号传递给控制单元ECU。
3）进气温度压力传感器
本文采用的是温度压力一体是传感器，具有体积小重量轻的优点，尤其适合小型发动机使用。该传感器安装在进气系统的过渡管路上。
4）氧传感器
氧传感器安装在发动机的排气管中，用于测量发动机尾气中的氧含量。使用该传感器进行喷油的闭环控制，可以精确控制喷油量达到理论空燃比。
1.2 电控单元ECU
发动机电子控制单元ECU是整个电控系统的核心部分，它在发动机运转过程中接收传感器信号，并进行处理计算后向执行器发出控制信号，执行器按照ECU的控制意图进行工作。
图2是本文使用的控制器的构成图，图中左侧是上文描述的传感器，其中曲轴位置传感器是整形后的矩形波，连接至ECU的Timer管脚，ECU通过边沿触发中断来进行信号分析和计算。其他三个传感器的信号均为AD信号。控制器的右侧是点火、喷油和氧传感器加热器这三个执行器。
1.3 执行器
本文的执行器主要有喷油器、点火线路和氧传感器加热器三个部分。
1）喷油器
喷油器是一种电磁开关装置，由发动机控制单元ECU发出PWM波形，经过放大后驱动电路来控制喷油器的开启和关闭，通过喷油脉宽即PWM波形的幅度来控制电磁阀的打开和关闭之间的时间，进而控制喷油量。通过喷油正时来控制电磁阀打开的时机，进而控制喷油提前角。
2）点火线路
点火线路由点火线圈和火花塞两个部分组成，控制单元ECU通过Timer管脚发出PWM波形，进而控制初级线圈导通，最终达到控制点火的提前角和和点火能量效果。
3）氧传感器加热器
本文选用的氧传感器LSU4.9的工作温度在750℃附近，偏离这一工作点，会直接导致测量偏差，进而引起喷油量计算的不正确，导致发动机工作异常。因此有必要对氧传感器进行温度控制。
图3是氧传感器的温度控制图，把传感器上的温度和要求温度一起导入ECU，经过PID计算计算后，输出PWM信号，该信号经放大电路放大后引入加热丝，进而引起氧传感器的稳定变化，达到闭环控制的效果。
2 控制策略研究
图4是本文所采用的系统控策略，整个控制系统分为7个计算模块，分别是转速计算、点火提前角计算、点火脉宽计算、喷油提前角计算、喷油脉宽计算、点火控制计算和喷油控制计算。以下分别加以叙述：
1）转速计算
该计算任务是中断任务，当ECU捕捉到脉冲边沿，发生中断任务，计算相邻的脉冲波形的间隔，加以滤波，即可获得当前发动机的转速。
2）点火提前角计算
该任务是定时任务，每隔10ms计算一次。点火提前角以发动机转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的点火提前角，当高转速时输出较大的点火提前角。
3）点火脉宽计算
点火脉宽以进气温度和进气压力作为计算参数。当进气温度低进气压力高时，适当提高点火时间，当进气温度高进气压力低时，适当降低点火时间。
4）喷油提前角计算
喷油提前角以转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的喷油提前角，当搞转速时，输出较大的喷油提前角。
5）喷油脉宽计算
喷油脉宽以废气氧含量、进气压力、发动机转速和节气门位置为计算参数。其中进气压力和发动机转速设计为一张三维表，进气压力越高转速越高，说明发动机负荷越高，此时应加大喷油脉宽，进气压力越低转速越低，说明发动机负荷越低，此时应减小喷油脉宽。废气氧含量对以上计算结果进行修正，让空燃比保持在理论空燃比附近，达到节能减排的效果。节气门位置对以上计算结果进行二次修正，以达到较好的操纵性能。
6）点火控制任务
该任务是实时中断任务，发生在上止点时刻。当ECU通过曲轴相位传感器的信号判断出发动机处于上止点时，发生该任务。在该任务中，ECU把点火提前角的计算结果进行转化设置在Timer寄存器中开始计时，以达到在点火提前角达到的达到的时刻计时完成，发生点火中断，继而发出指定点火脉宽的PWM波形。该波形经放大后驱动点火线路打火。
7）喷油控制任务
该任务跟点火控制任务基本类似。
3 结论
本文主要介绍了两缸两冲程活塞小型发动机电控系统的控制器ECU和控制策略的设计方法。依次方法设计出了一款满足该领域使用要求的高度集成化的控制器，该控制器层次简洁、清晰，模块之间相互独立，提高了系统的可靠性。经试验验证，完全达到了对该类型小型发动机的实时性和精度的控制要求。
【参考文献】
[1]黄建，曹占国.小型二冲程航空汽油机电控系统研究[J].小型内燃机与摩托车，2012，2.
[2]马二林.FAI二冲程缸内直接喷射航空用打洞机的研究[D].天津大学，2013.
[3]姜学敏.某型发动机电控燃油喷射技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.
[4]杨时威.基于XCP协议车用标定系统的研发[C]//中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集，2006.
控制器设计论文范文第4篇
关键词：PID控制；模糊控制器；变论域；仿真
传统的PID控制算法具有算法简单、控制精度高、可靠性强，适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统[1]，传统的模糊控制器对论域的模糊划分就显得较为粗糙，需要通过适当的增加量化级数，以要提高控制精度，但会造成模糊规则进行搜索范围的扩大，降低了整体的决策速度，难以实现实时控制[2-4]，可变论域是指模糊控制中输入变量的论域为可变的，用作为调节因子对输入变量的论域进行调整。
文章基于论域可变的思想，设计了一种基于可变论域的模糊控制器，在模糊控制规则不变的情况下，模糊化论域随输入进行相应的收缩或扩展，论域收缩能增加模糊语言的变量值和控制规则，并获得与增加模糊子集一致的控制效果，使控制精度提高。
1 模糊控制
1.1 模糊控制基本原理
模糊控制系统的基本结构框图如图1所示，由模糊控制器、输入/输出通道、广义对象和传感器组成[5]。
模糊控制器的组成结构如图2所示，为了精确控制被控对象，需要对模糊量u进行转化得到精确的控制量，即图2中采用的非模糊化处理，得到精确控制量后，经DA转换变为模拟量传送至执行机构对被控对象进行进一步控制。
1.2 模糊控制器的设计步骤
模糊控制器的设计主要包括如下几个步骤：
（1）确定控制结构，确定控制器的输入变量E、EC与输出变量U及对应的变化范围和要求的控制精度，建立物理模型，确定控制器结构。
（2）模糊化方法的选择与确定。将实际输入变量的值变换成模糊语言变量的语言值，不同语言值对应相应的模糊子集，选用隶属函数确定输入变量的值相应的隶属度。
（3）模糊控制规则及模糊运算子的确定。根据输入输出的数量和控制精度确定控制规则的数量。
（4）输出数值的解模糊处理方法的确定。解模糊是将输出空间的模糊集合映射为对应的点进行应用，即根据输出模糊子集的隶属度计算确定值。
（5）设计理论与方法有效性与可靠性的验证。
2 变论域模糊控制思想
假设误差的初始论域，即误差最大的变化区间为[-U，U]，其中U为实数，一般采用7个规则，即将[-U，U]进行模糊划分，如图3（a）所示。伴随控制过程的不断进行，误差缩小，即向零位（ZO）靠近，如果还用图3（a）所示的一定的论域及划分进行模糊推理，控制精度自然不高。“可变论域”的思想则是：在模糊规则形式不变的前提下，使论域伴随着误差变小或增大而进行相应的是收缩或膨胀，如图3（b）（c）所示。
基于函数模型的伸缩因子即用某种特殊函数来表示伸缩的程度，常用的伸缩因子如下：
3 变论域模糊控制器的设计
3.1 变论域模糊控制器的结构
模糊控制器原理框图如图4所示。
这种变论域模糊控制器的工作原理为：基于系统误差和误差变化率，模糊控制器推理出论域的伸缩因子，伸缩因子动态地改变两个输入和一个输出的论域，使其适应系统的输入变化，达到最佳的控制效果。
3.2 模糊控制器规则
根据变论域模糊控制器的要求，由于只要满足大致的模糊规则趋势并保证模糊规则的单调性即可，因此制定模糊规则如表1所示。
4 仿真研究
选取二阶加纯滞后系统为控制对象，传递函数如下：
模糊控制误差的初始论域选择为[-6，6]，误差变化率的初始论域为[-3，3]，模糊输出的初始论域为[-6，6]，PID控制的参数设置为，Kp=0.7，Ki=0.25，Kd=0.3，常规模糊控制器的量化因子选取为Ke=0.8，Kec=0.9，比例因子为Ku=1/7，变论域的量化因子为Ke=0.2，Kec=0.01，比例因子为Ku=0.1，采样时间为T=0.5s，图5为控制系统的总体仿真程序。
如图5所示，仿真程序由三个部分组成，一个是PID控制，一个是常规的模糊控制器，另一个就是文章的变论域的模糊控制器，图6为模糊控制系统阶跃响应仿真曲线图，其中，横坐标代表时间t，纵坐标代表输出响应y。
如图6所示，其中有三条控制曲线，其中常规PID控制曲线超调量比较大，响应速度相对较慢，响应时间相对较长，而常规模糊控制器输出曲线，性能相对优于常规PID控制，超调量比常规PID的小，但响应时间仍然较长，而从图中可以明显的看出，变论域模糊控制器的效果比常规PID控制和常规模糊控制器的效果更好，超调量非常小，上升时间短，响应速度快，无振荡。
5 结束语
文章在分析常规模糊控制器的基础上，利用可变论域思想，设计了一种实用的可变论域模糊控制器，对带有纯滞后的二阶系统进行了仿真实验，同时与常规PID和常规模糊控制器进行了比较，证实了这种新型变论域模糊控制器可以明显地改善纯滞后系统的控制效果，并且具有无超调、无振荡、响应速度快等优点，对于工业实际应用有较高的实用价值。
参考文献
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控制器设计论文范文第5篇
关键词：仿人 机械手 单片机STC15F204EA 驱动器 步进电机
中图分类号： TP241 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2015）04（a）-0000-00
中国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，把“服务机器人”研发作为重点项目。机械手是“服务机器人”的关键部位，在各种护理机器人、陪护机器人、中医按摩机器人中，机械手是机器人完成“服务”任务必不可缺的一部分。设计并制造具有感知能力的拟人化机器手，并对拟人机械手的材质、机械结构、控制技术进行了深入的调查研究。将微小型步进电机和齿轮减速器引入拟人化灵巧机械手设计结构中，实现机械手的大扭矩抓取和拟人化；机械手装有位置、力、力矩等多种传感器，可实现机械手认知能力，且所有部件均集成在手指和手掌内。开发具有认知能力的拟人化灵巧机械手集机、电、计算机软硬件、信号源处理于一体。有5个相同结构的模块化手指，具有拟人化手形外观及认知抓取能力。通过对拟人化灵巧机械手的研究，带动更多前沿学科与机器人技术的交叉和融合，促进我国“机器人”的进一步发展，提高其技术水平和国际竞争力。
1 仿人机械手工作机理分析
仿人机械手主要由手掌、手指机构、拇指机构和所有的手指驱动机构组成。手掌内放的驱动直流小电机，节约了手的空间，缩小了体积；手指机构包括小指、无名指、中指和食指，它们都由相同的构件组成，包括两个关节前指和后指，前指和后指使用螺钉连接，可以减小手指的大小。各指之间使用轴连接，用轴套保持之间的距离，防止发生碰撞。拇指机构是单独的零件体，单独与四指机构用连杆连接，减小了机构的复杂性，有利于优化机构。传动机构包括电机轴齿轮、减速齿轮、驱动手指机构的半齿和带动拇指的连杆组成。仿人机械手运动的过程是以手掌为基座，电机固定在手掌内，带动齿轮实现各级减速，半齿连接在四指上，当半齿转动时带动四指张合，四指和拇指是由连杆连接，所以四指动的时候拇指也随之而动，且与四指相反，从而最终实现物体抓握。
2仿人机械手控制系统硬件设计
2.1控制系统硬件结构设计
图3-1仿人机械手控制系统结构框图
如图3-1所示为基于单片机系统设计的仿人机械手控制系统的结构框图。其工作方式如下：
其中MCU为单片机处理器，信号采集模块包括位置传感器模块和力矩传感器模块。这两个传感器模块的主要功能是检测对被抓物体的夹紧力地大小，同时生成模拟量的电信号，然后再通过单片机内部自带有的A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，单片机将得到的数字信息存储起来，等到要处理的时候进行处理。
当单片机根据采集到的夹紧力对应的电压信号来算得手指的运动的位移，向外部驱动电路发送不同的位移信息。外部的电机驱动器将接收到的数字信息进行处理，最后进行对电机运行的控制。
2.2控制器芯片的选择
在设计控制系统的过程中，对控制芯片的选择至关重要，从系统的稳定性，性能和价格等方面考虑选择STC15F204EA单片机。
STC15F204EA系列单片机是STC公司生产的单时钟机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、抗干扰的新一代8051单片机，可设置5MHZ-35MHZ宽范围频率，可彻底省掉外部昂贵的晶振，自带8路高速A/D转换功能，无需在系统再搭建模数转换电路。
2.3电机驱动模块的设计
2.3.1驱动芯片的选择
L293是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。引脚P1用于M1电机PWM输入控制，引脚P2用于M2电机PWM输入控制。
2.3.2单片机与驱动器之间的接线与参数设置
本文所采用的单片机STC15F204EA可以控制驱动器L293驱动两台微电机。分别是M1和M2。引脚P1、P2可用于接收单片机输出的PWM脉宽调制信号以实现对电机进行调速控制。实现电机正反转是通过D1和D2两个端口控制的，输入信号端D1接高电平，电机M1正转，如果接低电平，电机就反转。控制另一台电机是同样的方式，驱动器L293输入信号端D2接高电平，电机M2正转，反之则反转，PWM信号端P1控制电机M1速度，PWM信号端P2控制电机M2速度。下图3-2为仿人机械手控制系统接线原理图，详细地绘制了单片机控制驱动器并连接两台电动机的工作过程。
图3-2 控制系统接线原理图
3控制系统软件设计
本控制系统所采用STC15F204EA单片机对应晶振为12MHZ，利用定时器控制产生占空比可变的PWM脉冲信号。PWM输出范围为0% -100%，PWM的周期1ms，频率1KHZ，且输出低电平有效。
如下是控制机器人左右机械手运动的两台直流电机PWM调速的部分程序
#include；
Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：启动或停止；
Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正转或反转；
Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；
Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM减一；
Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：启动或停止；
Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正转或反转；
Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；
Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM减一；
//输出控制引脚；
Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的输出脚；
sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：电机转向控制；
sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的输出脚；
sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：电机转向控制；
sbit BEEP=P3^7；//蜂鸣器；
//电机的占空比；
Unsigned char PWM1_value=50；//赋初值 50%；
Unsigned char PWM2_value=50；//赋初值 50%；
主程序
Void main（void）
{
PWM_INIT（）：//PWM初始化
While（1）
{
KEY_SCAN（）：//按键扫描
}
}
4结论
本文设计了一种仿人机械手运动控制系统，该系统充分利用了仿人机械手结构简单、体积小、重量轻，拆卸方便，各手指间都可安装传感器的优点，能使控制更加灵活，安全性增强，满足了仿人机械手对控制系统的要求。以STC15F204EA单片机为控制核心，通过与位移及力矩采集模块之间的通信，实现了信息的良好通讯。通过驱动芯片L293驱动步进电机运转实现对机械手抓握物体的良好控制。
参考文献
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