时间：2023-01-05 22:21:22
随着经济的飞速发展，人们生活水平的快速提高，能源需求也日益增长，如今我国已是世界上第二大能源消费国。但我国的人均能源资源不到世界平均水平的二分之一，同时以煤为主的能源消耗对环境的压力也日益增大。电能的消耗是能源消耗的一个重要组成部分，在我国的城镇，随着商场、办公大厦等一些公共场所的用电需求越来越大，而这些地方目前的管理不到位等因素，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高用电效率就迫在眉睫。灯光系统，尤其是公共场所的灯光系统的能耗是非常巨大的。而传统的公共场所灯光的控制主要采用人工，控制点大都比较分散，导致管理极为不便，不仅浪费人力管理成本，还会因管理不善导致用电的浪费。本文提出一种基于电路载波及智能控制等物联网技术的，具备远程管理、故障检测、智能控制等功能于一体的公共场所（如教学大楼、实验大楼、宾馆、写字楼等）灯光远程智能监控系统，旨在加强对灯光系统的智能管理，节能降耗，并降低管理成本。
2系统原理与结构
系统结构为典型的物联网三层结构，有感知层、网络层及应用层组成，结构如图1所示。网络层使用电力载波技术，各节点及网关之间采用载波通信。感知层由各载波传感控制节点组成，各节点设计有继电器控制接口，可对节点所连接的灯光进行开关控制。同时，各节点设计有人体红外节点、光敏传感节点等传感器，可实时测量出周围的环境情况。另外，各节点还设计有电流检测模块，可以通过电流的变化对连接到本节点灯光的故障状态进行检测。应用层主要包含远程监控、故障检测和智能控制三部分功能组成，远程监控功能是通过远程终端实时了解各节点灯光状态并可控制各路灯光的开关；故障检测功能是实时检测各节点有无灯的故障，一旦出现故障便即刻向终端发出报警信号并告知故障灯光所在节点，便于管理人员及时进行维修维护；智能控制功能则是通过终端远程发送命令，使各节点按照一定的控制规则智能地控制本节点连接的各灯光状态。
3载波传感控制节点硬件控制系统设计
①硬件选型。首先是载波模块的选型，本文选用的是HL-PLCV3.0载波通讯模块，其采用FSK通讯方式，软件采用超级模糊算法，即使传输信号扰或丢失达40%，也能准确还原出原载波信号，通讯稳定，抗干扰能力强，且能实现串口透传，使用方便。其次是MCU的选择，考虑到功能、功耗、安全、价格、抗干扰等方面因素，本文选取了宏晶STC单片机STC12C5A60S2，能很好满足使用要求，可升级性也比较好。②电源模块。有两部分组成，一是交流220V转9V，用来给载波模块供电，使用AC-DCWA5-220S09D3模块来完成转换；另一是9V转5V，用来给单片机电路供电，使用LM1117-5.0搭建稳压电路即可实现，如图2所示。③电流检测模块主要是使用电流检测芯片ACS712再通过LM321放大电路对检测信号进行放大，最后使用A/D转换来得到结果，此电路可得到610mv/A的检测信号，见图3。④控制执行模块可通过继电器来完成，其电路图如图4。⑤载波模块接口设计，根据其功能，设计如图5。
4通信协议控制系统设计
要保证无线传感节点之间以及同终端之间的数据交互能正确无误、畅通无阻，需编写一个通信协议来完成此项工作。由于本系统数据交互具有流量不大，内容并不复杂等特点，可编写简单协议来规范系统内部的通信。本通信协议设计为8字节长度，详见表1。其中类型用来区分是上位机的命令，还是无线节点的返回数据；对象标记用来区分具体的无线节点；值1、值2表示具体的命令及具体的状态。
5软件控制系统设计
5.1载波传感控制节点软件设计。载波传感控制节点的主要工作是数据信息采集、执行控制命令。为降低网络流量，各节点除上电时收发下地址确认信息等初始化数据，正常状态下只是在命令反馈时或在检测到故障时才进行数据的发送。节点的程序流程图如图6所示。图6载波传感控制节点程序流程图Main函数节点初始化、设置本地地址、频率电流传感器数据采集检测到电路异常封装异常信息YN设置标志位，等待接收命令YN接收到载波数据执行控制命令载波反馈送给网关
5.2上位机软件设计。控制界面主要是控制灯开关，同时还能显示出灯的现有状态。当电路异常的时候界面也会及时地显示出报警信息，程序运行流程图如图7示。图7控制界面程序流程图用户灯光状态控制有网关数据？数据包解析异常？显示灯状态异常报警NNYY。
6总结
1．1传感器信号采集
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。
3结论
1智能建筑设备监控系统总体构建框架
1.1智能建筑设备监控系统组成与结构框图（图1）
1.2智能建筑设备监控系统组成与结构
简要介绍上图为智能建筑设备监控系统组成与结构框图，在智能建筑监控系统中，监控系统主要实现对六个子系统（照明、供配电、冷热源、空调、给排水、电梯）的监控，并可控制其运行。由中央控制器统一全分布式控制运行，但由于每个子系统都由路由器分开，所以也可独立运行，控制系统涉及智能建筑各个系统设备自动化控制，可实现高检测功能。
1.3各设备监控子系统应该实现的功能
1.3.1供配电系统
主要功能为智能建筑提供电力。楼层配电设备分布在各楼层，电设备一般放置在建筑底层。监控系统主要实现对配电设备运行参数、配电电源、每个电源蓄电池的工作状态和数据变化进行监控，同时对各楼层电设备电源运行状态进行监控，若发生故障会产生警报并记录故障数据。
1.3.2照明系统
主要功能是为智能建筑照明。其设备建设于建筑物的各个平面上，方便实现各角度全方位照明。照明监控分为室内和室外两部分，室外照明分为公共照明部分，通过监控可根据室外照度值设定开关时间，也可通过更改程序实现不同照明灯具的启动时间。室内照明监控可通过监控数据，采用总线控制方式，设定程序对不同场景开启不同的照度。
1.3.3冷热源系统
为智能建筑供给冷源和热源，其噪音较大，设备一般置于建筑底层地下室内。通过对冷热源系统运行数据和冷热源供给量的监控和分析，可通过程序控制实现不同季节冷热源供给量和供给时间。
1.3.4空调系统
保障智能建筑的环境温度处于适宜状态，空调设备一般置于各楼层高处位置，地下室也可以配置。控制子系统主要对空调机组、风机盘管的工作参数和运行状态进行监测，并通过监测数据进行分析，控制和设定主机房的温度、湿度和运行时间。同时监测子系统还具备空调漏水监视功能，可有效实现对空调系统的漏水监测和控制。
1.3.5给排水系统
既能为智能建筑提供水源，又能排除建筑产生的污水，排水设备一般置于建筑物的地下室或建筑顶层，也可设置在楼宇夹层位置。监控系统可监控水泵的工作状态，并对水池的液位随时检测，当设备出现故障或者水池液位异常时，子监控系统就会向中央控制器发出报警信号，并将故障数据记录反馈，自动显示故障发生区域和故障详细情况。1.3.6电梯系统是为高层建筑提供上下交通的便利系统，设备一般置于建筑的垂直竖井内。电梯监控子系统主要实现对电梯设备运行状态，监视电梯启动、停止、方向等，动态显示出电梯实时状况，一旦发生故障，监控系统会对电梯设备电动机、电磁制动器等进行检测，自动报警并显示故障地点、状态、时间等信息，并将故障记录记忆并反馈给中央控制器。
2建筑设备自动化控制系统设计要素
2.1各监控子系统控制功能参数明细
将上文中所述设备监控子系统功能要求进行统计和汇总，确认各子系统监控点的分布位置和分布数量，将子系统的监控点设置类型、数量、相关设备、安装需求、使用地点等详细列出，并备份保留。依据各子监控系统技术和系统设备实际特点，以系统高效性、可靠性、实用性为前提，以满足子系统功能需求为标准，以建筑设备自动控制系统设计的节能环保为核心，以建筑设备维护保养便捷性和低成本性为主要指标，详细将设备子系统的各种功能参数、控制参数、技术参数列出并进行归档，为日后整体系统搭建安装提供依据。
2.2监控系统控制器、传感器和执行器的确定
按照监控系统被控设备的控制标准和监控点数量，结合安装现场实际情况，对现场控制点进行设置和筛选，设计出被控设备安装现场控制器控制区域内部的监控点分布图，并根据实际要求确定选择现场控制器。除了现场控制器，还要确定现场传感器和执行器使用标准，传感器和执行器是对被监控设备现场数据进行现场数据采集的基本组成部分，传感器可监测设备状态和数据变化，执行器对此进行分析和反馈，可以说两者在自动监控系统中属于核心构件。根据系统设备特性，对关键设备要采用高精度和高可靠性的智能型传感器和执行器，以提高整个自动化系统的控制质量。非关键设备上可以采用传统传感器和执行器，如此可减少成本，降低整个系统造价。
2.3建筑设备监控系统
网络构建智能建筑设备自动化监控系统整体网络构建如上图2所示，建筑设备LON现场总线设备自动化控制系统是现实意义上实现了分布式监控。此系统不同类型的控制器节点都具备高智能化特性和网络通讯能力。由于控制器各节点具备通讯能力，能够使节点与节点之间实现相互通讯功能，构成完整的通讯网络。系统中的控制机构和管理机构可以通过总线现场连接为一个整体，彼此之间可以相互协作，共同完成自动化监控任务，两者可实现控制数据和信息的共享。
2.4建筑设备监控系统硬件支持
智能建筑自动化监控系统构建必须有硬件支持，在硬件方面，主要选用以下器件：中央监控器（计算机，监控系统的核心部分，处理子系统反馈的综合数据下达控制指令）；监控显示屏（将监控图像实时显示，便于观察和分析故障状况）；键盘（更改程序或设定程序，典型的输入设备）；鼠标（输入设备）；不间断电源（为监控中央系统和子系统供电，保障监控系统不间断运行，保证整体系统的可靠性）；网络路由器（中继器、桥接器、配置型路由器等联合使用，实现网络分布）；控制总线（无屏蔽双绞线、控制总线LON）；控制节点（视具体情况而定）。
2.5建筑设备自动化监控系统软件支持
建筑设备自动化中央监控器软件功能具备操作级别和身份识别管理功能。软件系统采用8位通行字进行鉴别和管理，对操作人员实现权限设置，只允许有权限操作人员在一定范围内进行数据浏览，并对访问者身份信息、访问时间、访问内容进行识别和记录，且具备交互式菜单，为操作人员提供清晰的数据目录，节省操作时间，便于高效作业；中央控制系统设计还具备逻辑格式数据显示功能，可描述短语、数值、单位等数据，对不正常数据报警显示；具有高效数据分离终端，控制特定数据在特定端口运行，只允许一个操作人员或打印机进行处理；具备特殊指令操作功能，响应命令，逻辑显示并进行标识。
3结束语
关键词：传感器；AD转换；控制器；硬件电路
引言
随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。
一、系统设计方案比较说明
对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：
(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。
针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
二、工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。
工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。
3.1单片机
单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。
3.2传感器
传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。
3.3键盘电路
P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。
3.4液位显示电路
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
3.5AD转换电路及控制输出
AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。
四、软件设计
4.1键盘程序
由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。
值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。
五、结束语
基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。
参考文献：
[1]黄智伟.传感器技术.2002，21（9）：31～33
1.1系统结构
多级水泵房自动化排水控制系统结构如图I所不。该系统采用三层网络结构，即信息层、控制层、设备层川。信息层由监控计算机、Web服务器、防火墙、客户端等组成。控制层由每个水泵房的PLC控制系统、触摸屏、环网交换机等设备组成，通过光纤工业环网进行通信。设备层由水泵开关柜、电动闸阀、电动球阀、压力传感器、水位传感器、温度传感器、电量变送器等组成。
1.2系统主要功能
多级水泵房自动化排水控制系统用于对8个水泵房的水泵及27台多级离心泵进行自动化控制，系统主要包括以下功能。
(1)采集数据。系统口1一采集水仓水位，出日压力，电动机电压、电流、功率，水泵温度，电动机运行状态，故障状态，闸阀位置信号，管道液位等数据。
(2)提高水泵效能。系统自动记录并累计水泵运行时间等参数，按一定规律自动启停水泵，使各水泵及其管路的使用率均匀分布。当水泵在启动或运行过程中出现故障时，系统自动停止故障水泵并投人备用水泵排水，实现水泵自动轮值工作，防止备用水泵长期不用造成损耗。系统还口1根据管路效率、水泵效率、电动机效率、排水系统效率等参数，实现排水系统在效率最高状态下排水。
(3)避峰填谷。系统根据水仓水位以及谷段、峰段供电电价时间段等因索，建立数学模型，根据水位和用电负荷，在用电低峰和电价在谷段时开启水泵，用电高峰和电价在峰段时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。水仓水位在超高水位时，自动开启水泵，防止水仓溢水。
(4)保护及故障报警。当系统发生故障或传感器监测点报警时，系统自动作出相应的停机处理。监控计算机上发出相应的文字及语音报警信号，并在启停水泵的水位段发出预警信号，在低段、高段水位分段报警。系统还口1一自动显不、记录或打印故障性质、故障地点及故障发生时间。
(5)曲线报表及动态图形显不。系统口1一自动生成电量统计、故障记录、操作记录、运行记录报表及水位曲线、温度曲线、压力曲线，并口1一通过图形动态显不水泵运行状态，显不水仓水位、水泵温度及电动机电流、电压、功率等参数。
(6)系统有无人值守、远程自动、手动检修、井下自动(一键启停))2种工作模式。
(7)每台水泵口1设置运行、备用、检修3种工作方式Al一直接通过监控计算机进行设定。
(8)系统为八级泵房接力式排水，相邻上下级水泵房之间存在联动关系。系统在无人值守模式下口1根据上下级水泵房水仓水位及开泵台数自动决定本水泵房开停水泵台数。
(9)系统通过Web服务器将监控imp面到局域网，用户在客户端登录后口1一对系统进行远程监控。
2系统关键问题及解决方案
2.1水泵引水方式
煤矿水泵房大多采用多级离心泵进行排水，大多数情况下水仓水位低于离心泵轴，因此不能采用自灌方式引水。该情况下一般采用2种引水方式:①在吸人管末端加装底阀，采用排水管路IA!水或地面引人水管直接向水泵注水，该方式需要克服底阀的阻力，水泵工作效率低。②采用抽真空方式。抽真空方式可通过射流泵将泵体的空气排出，该方式要求非常高的水流喷射速度，但多级水泵房进行接力式排水，上下级水泵房之间的落差较小，无法提供快速的喷射水流，如果从地面引高压水进行射流，则实施难度大，投资成本高;也可通过真空泵抽真空，该方式首先需要运行真空泵，将泵体内的空气排出，待负压满足要求后再开启水泵，另外需要安装检测设备，投资较大，控制节点多，加大了系统维护量，同时易导致系统不稳定。本系统采用引水罐的水泵引水方式，如图2所不。引水罐底部与水泵连通，引水罐顶部与吸水管相连，引水罐和水泵提前灌满水。当水泵启动时，泵壳内的水被甩出，引水罐内的水及时补充到泵壳内，使引水罐内出现负压状态。水仓内的水在大气压力作用下，通过吸水管流进引水罐及泵壳内，在离心力作用下完成排水。引水罐在某些情况下会出现水位降低情况，无法满足开泵引水的要求。鉴此，设计了引水罐自动补水功能，在电动闸阀和引水罐罐体之间安装补水电动球阀，在引水罐侧面安装管道液位计，实时检测罐体内的液位高度。开泵前，系统首先检测罐体内水位是否达到开泵水位要求，如果末达到则自动开启补水电动球阀，罐体内的水充满后，自动关闭补水电动球阀，进人自动开泵流程。实践证明，采用引水罐的水泵引水方式较传统的注水和抽真空方式具有更高的稳定性和口1靠性。
2.2多级联动功能
上下级水泵房之间每台水泵的开停具有复杂的联动关系。在无人值守模式下，系统需要根据每个水仓的水位变化及开泵数量实现水泵联动开停。在西门子S"I}FP7编程软件硬件组态NetPr沙几’中配置本地PLC与上下级PLC的通信协议及地址，在()1335中调用FC5,FC6模块实现相邻2个水泵房PLC之间数据(包括水泵运行状态、水位高低标志、水仓水位等)的发送及接收。多级联动程序流程如图3所不，无人值守模式程序流程如图生所不。
3结语
关键词：视频检测PCI总线PPP协议
引言
随着计算机视觉技术以及图像处理技术的不断发展，计算机视觉和视频检测技术已经广泛应用于工业控制、智能交通、设备制造等很多领域。传统的视频检测往往采用工控机作为其视频处理器来实现其功能。这种方法往往由于工控机处理速度的问题，无法实现对各个不同方向同时进行视频检测，而且由于视频检测处理过程需要占用大量的处理时间，因而无法实现实时的远程控制功能。
目前在远程控制和通信方面，基于DOS和Windows操作系统的通信平台得到普遍的引用，但是DOS操作系统作为单任务操作系统，无法实现多任务功能和实时处理的要求；而Windows操作系统作为视窗操作系统，其系统的稳定性和实时性也无法与实时多任务嵌入式操作相比拟。
本文提出一种以DSP作为视频检测处理芯片，以Linux为操作系统的嵌入式系统设计方法。
1系统结构
本系统的开发主要包括视频检测卡和x86通信平台的设计2个部分。视频检测卡主要包括模拟图像采集、转换、DSP视频检测3个部分，每块交换参数检测卡扩充PCI总线接口，插在通信开发平台的PCI总线插口上，通过PCI总线同通信平台交换数据。通信平台处理多块交通参数检测卡的通信问题，将视频检测卡通过PCI总线传送过来的视频检测数据实时通过网络传送给控制中心。系统的功能方框图如图1所示。
根据系统设计要求，视频检测卡功能主要分为：模拟图像采集、模拟图像A/D转换、数据缓存以及DSP视频检测5个部分。视频检测卡流程如图2所示。
本系统采用Philips公司的SAA7111A来实现模拟图像A/D转换。该芯片可实现多路选通、锁相与时序、时钟产生与测试、ADC、亮色分离等功能。其输出可以具有如下格式：YUV4：1：1（12bit）、YUV4：2：2（16bit）、YUV4：2：2(CCIR-656)（8bit）等。由于DSP处理芯片和SA7111A的时序不同，可以通过CPLD进行逻辑控制FIFO来完成数据缓存的功能。
DSP是实时信号处理的核心。本系统采用TI公司DSP芯片——TMS320C6211。该芯片属C6000的定点系列，C6211在这个系列中是性价比最高的一种。C6211处理器由3个主要部分组成：CPU内核、存储器和外设。集成外设包括EDMA控制器、外存储器接口（EMIF）、主机口（HPI）、多通道缓冲接口（McBSP）、定时器、中断选择子、JTAG接口、PowerDown逻辑以及PLL时钟发生器。通过EMIF接口扩充SDRAM，而PCI总线控制芯片的扩展通过HPI接口。
PCI总线的接口芯片PCI9050，主要包括PCI总线信号接口和本地总线（LOCALBUS）信号。在硬件设计时，只需将本地总线信号的接口通过电平转换连接到DSP的HPI接口，同时扩展PCI接口就可以完成其硬件电路设计。
2通信开发平台的嵌入式系统设计
通信开发平台以x86为核心器件，扩充PCI总线，通过Modem拨号，实现x86与Internet的连接。
2.1PCI总线设备驱动
PCI设备有3种物理空间：配置空间、存储器空间和I/O空间。配置空间是长度为256字节的一段连接空间，空间的定义如图3所示。在配置空间中只读空间有设备标识、供应商代码、修改版本、分类代码以及头标类型。其中供应商代码用来标识设备供应商的代码；设备标识用来标识某一特殊的设备；修改版本标识设备的版本号；分类代码用来标识设备的种类；头标类型用来标识头类型以及是否为多功能设备。除供应商代码之外，其它字段的值由供应商分配。
命令字段寄存器用来提供设备响应的控制命令字；状态字段用来记录PCI总线相关事件（详细的命令控制和状态读取方法见参考文献4）。
基地址寄存器最重要的功能是分配PCI设备的系统地址空间。在基地址寄存器中，bit0用来标识是存储器空间还是I/O地址空间。基地址寄存器映射到存储器空间时bit0为“0”，映射到I/O地址空间时bit0为“1”。基地址空间中其它一些内容用来表示PCI设备地址空间映射到系统空间的起始物理地址。地址空间大小通过向基地址寄存器写全“1”，然后读取其基地址的值来得到。
PCI设备的驱动过程主要包括下面几个步骤。
首先，PCI设备的查找。在嵌入式操作系统中一般提供相应的API函数，在Linux操作系统中通过函数pcibios_find_device(PCI_VENDOR_ID,PCI_DEVICE,index,&bus,&devfn)可以找到供应商代码为PCI-ID，设备标识为PCI-DEVICE的第n(index+1)个设备，并且返回总线号和功能号，分别保存于bus和devfn中。
第2步，PCI设备的配置。通过操作系统提供的API函数访问PCI设备的配置空间，配置PCI设备基址寄存器的配置、中断配置、ROM基地址寄存器的配置等，这样可以得到PCI的存储器空间和I/O地址空闲映射，设备的中断号等。在Linux操作系统中，访问PCI设备配置空间的API函数有pcibios_write_config_byte、pcibios_read_config_byte等，它们分别完成对PCI设备配置空间的读写操作。
第3步，根据PCI设备的配置参数，对不同的设备编写初始化程序、中断服务程序以及对PCI设备存储空间的访问程序。
2.2远程控制与通信链路的建立
与Internet连接的数据链路方式主要有Ethernet方式和串行通信方式。Ethernet连接方式是一种局域网的连接方式，广泛应用于本地计算机的连接。通过Modem进行拨号连接的串行通信方式，可以实现远距离的数据通信，下面详细介绍串行通信接口协议方式。
串行通信协议有SLIP、CSLIP以及PPP通信协议。SLIP和CSLIP提供一种简单的通过串行通信实现IP数据报封装方式，通过RS232串行接口和调试解调器接入Internet。但是这种简单的连接方式有很多缺陷，如每一端无法知道对方IP地址；数据帧中没有类型字段，也就是1条串行线路用于SLIP就不能同时使用其它协议；SLIP没有在数据帧中加上检验和，当SLIP传输的报文被线路噪声影响发生错误时，无法在数据链路层检测出来，只能通过上层协议发现。
PPP（PointtoPointProtocal，点对点协议）修改了SLIP协议中的缺陷。PPP中包含3个部分：在串行链路上封装IP数据报的方法；建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（LCP）；不同网络层协议的网络控制协议（NCP）。PPP相对于SLIP来说具有很多优势；支持循环冗余检测、支持通信双方进行IP地址动态协商、对TCP和IP报文进行压缩、认证协议支持（CHAP和PAP）等。图4为PPP数据帧的格式。
PPP的实现可以通过2个后台任务来完成。协议控制任务和写任务。协议控制任务控制各种PPP的控制协议，包括LCP、NCP、CHAP和PAP。它用来处理连接的建立、连接方式的协商、连接用户的认证以及连接中止。写任务用来控制PPP设备的数据发送。数据报的发送过程，就是通过写任务往串行接口设备写数据的过程，当有数据报准备就绪，PPP驱动通过信号灯激活写任务，使之完成对串行接口设备的数据发送过程。PPP接收端程序通过在串行通信设备驱动中加入“hook”程序来实现。在串行通信设备接收到1个数据之后，中行设备的中断服务程序（ISR）调用PPP的ISR。当1个正确的PPP数据帧接收之后，PPP的ISR通过调度程序调用PPP输入程序，然后PPP输入程序从串行设备的数据缓存中将整个PPP数据帧读出，根据PPP的数据帧规则进行处理，也就是分别放入IP输入队列或者协议控制任务的输入队列。
PPP现在已经广泛为各种ISP（InternetSeverProvider）接受，而Linux操作系统下完全支持PPP协议。在Linux下网络配置过程中，通过1个Modem建立与ISP的物理上的连接，然后在控制面板（ControlPanel）里面选择NetowrksConfiguration。在接口（Interface）里面加入PPP设备，填入ISP电话号码、用户以及密码，同时将本地IP和远端IP设置为0.0.0.0，修改/ETC/PPP/OPTION，加上DEFAULTROUE，由ISP提供缺省路由，这样就完成了设备的PPP数据链路设置过程，可以通过Internet实现远程控制。
结束语
该设计方法已成功应用于智能交换系统的交通参数检测系统中。在该系统中，采用4块DSP视频检测卡实现4个不同路面区域的交通参数检测，同时采用Linux作为通信平台的操作系统；通过PPP协议建立与监控中心的连接，实现监控中心对各个视频检测卡的远程控制。
关键词：计算机控制系统；课程改革；研究生
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）25-0040-02
在控制理论与控制工程学科中，计算机控制系统课程属于重要的专业基础课程，同时在培养硕士研究生的工作中起到重要的作用。从1998年开始，我校开设了计算机控制系统课程，经过十五六年的课程建设，各方面都获得了显著的成效，主要体现在课程内容、知识体系、教学方法、教学改革等。
一、丰富教学内容，满足社会发展需求
计算机控制系统课程就知识结构主要分为三类：计算机控制系统的硬件系统分析与设计、计算机控制软件设计、离散系统理论与系统分析。该课程主要内容包括：计算机控制理论基础、计算机控制系统分析与设计、线性离散系统状态空间分析、计算机控制系统离散化设计、复杂规律计算机控制系统的设计、集散控制系统、计算机控制系统的设计与实现等。该课程从理论到实践，深入阐述了计算机控制系统的设计方法、设计理念、设计实践，叙述了不同类型计算机控制系统的设计原理及特点。关于计算机复杂控制系统的分析设计方法，通过学习计算机控制系统课程，学生就能够掌握并且为将来的研究生课程中的理论和技术支持做铺垫。
计算机控制技术不断发展，但是计算机控制系统课程的教材多年来从理论和设计内容上都非常相似，往往是内容陈旧、枯燥并且理论和实际脱节，学生学习起来不容易理解。基于上述问题，我们在课程讲授中，将收集到的计算机控制理论相关的论文和最新成果资料作为讲授及课堂讨论内容；将计算机控制、楼宇自动控制方面的课题研究成果引入教学；通过现场教学、专家教学等方式，理论联系实际，收到良好效果。
定期召开专业研讨会和学科前沿知识研讨会。注意学科发展动态，并结合学科专业特点，出版了计算机控制系统教材及辅助教材，对于扩大学生的知识视野以及使计算机控制系统课程的教学内容更加充实起到很大作用。
二、探索研究生教学规律 提高授课质量
1.开展研究型教学，提高学生创新能力。积极探索研究生教学规律，将培养研究生创新能力作为课程建设的重点。在计算机控制系统课程建设中，积极探索学生创新能力的培养途径，开展研究性教学、前沿研究、理论知识，进行艰难的专题研究。这样的教学课程和课外活动的结合，将能力培养和素质教育相结合，通过研究型教学尝试，收到了显著效果。学生自主学习能力大大增强，同时拓展了知识面，提高了学生分析问题、解决问题的能力，提高了创新能力。
2.重视产学研相结合，强化研究生实践能力培养。建立校外实习基地，与东北建筑设计院、辽宁省建筑设计院、中科院自动化研究所、沈阳电梯厂等单位建立长期稳定的合作关系，并签订协议联合培养本科生和研究生。同时与这些单位的专家联合指导研究生，聘请专家讲座，结合实际工程，深入浅出，讲述计算机在实际工程中的应用。通过实际工程案例分析，使学生理论联系实际，通过实习环节让学生亲自参与实践工程设计，在学期间得到实际工程技术知识的训练，收到良好效果。
三、多种教学方法的融合 提高教学效果
（一）建立以学生为主体的教学模式，激发创造性思维
改变单一的教学知识，建立一种合理的教学模式。以学生为中心，教师起到主导作用。在课堂教学中，将启发式的教学方式持续用下去，利用学习国内外一些典型的计算机控制项目，教师引导学生的方式变得更加多角度和全方位，让学生主动发现问题，将学生的积极性充分调动起来，使学生更多的潜能被激发。在实际的课堂教学过程中，增加教师和学生的交流，鼓励学生提出问题，使他们逐渐形成独立思考的习惯，有助于创造性思维的开发。
（二）模块化 案例教学收到良好效果
实际课程教学中，进行模块化分类，三大模块分别是基本理论、设计方法和实例分析。采用模块化教学分析方法，深入浅出地从理论知识学习到实践工程应用，学生掌握起来更加得心应手。结合计算机控制系统案例，实现学生对学习兴趣增加的方法是利用多媒体这样的现代化教学方式。
（三）采用多样多样化教学方式，提高了学生的学习兴趣
1.深入实际，现场教学。到一些相关单位采取现场教学，效果更佳。在进行现场教学之前预先安排一些问题，让学生带着问题去学习，能更好的把课堂上的理论知识和实践知识有机地结合起来。请专家解释在机器人控制理论，计算机应用技术的智能建筑，并基于演示和实际操作，从理论到实践，通过实际的对象，说明计算机控制理论的应用更加真实、直观，使学生真正理解计算机控制理论的重要性，提高学生的学习兴趣。提供大量的实际工程材料课程进行教学指导，让学生在学习理论知识的实际工程问题的过程中做到理论与工程实践紧密结合。这样既能把学生对学习的主动性和积极性充分调动起来，又能对学生自身解决实际问题能力的培养起到很大作用，达到学以致用，是提高教学效果的有效手段。
2.创新教学方法，提高授课质量。通过计算机控制系统课程多年不断总结和探索，形成了具有特点的教学风格，并通过多年的教学实践，验证了教学方法的有效性。①采用模块分析方法，深入浅出。按课程的知识体系，将课程内容进行模块划分，明确课程的知识体系结构，并总结各知识模块的相互关系，使学生对课程的知识结构有一个总体的把握，便于学生形成完整的知识体系结构。②将抽象的理论描述转化为形象化的描述。利用图形、图像信息资源使学生能够尽可能的接近实际系统理论部分，紧密结合系统工程实例进行讲述，理论联系实际，提高了学生认知度和学习兴趣。③流程图分析法。在分析复杂系统时，采用流程图方法，直观明了易于理解。系统环节多而复杂，采用流程图方法分析易于掌握。④知识融合分析法。通过系统的实例将系统定性分析、定量分析、校正设计融合一体，使学生明确系统分析设计总体思路，更好地把理论与实践结合，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及综合分析设计能力。⑤案例分析法。在课程讲授过程中引用了大量工程案例，通过案例分析，产生计算机控制理论及设计方法，充分发挥了它的启发性、实践性，开发了学生思维能力，提高了学生的实践能力、分析问题和解决问题的能力。
四、结论
在计算机控制系统的课程建设中，完善课程体系，强调了理论与系统的结合。理论联系实际，实现教学、科研、实践相结合的教学理念。采用了模块化、开放型、互动式教学模式，强调创造力与综合解决问题能力相结合、设计实践与综合设计能力相结合。将科研成果引入课堂，理论联系实际，收到良好效果。将智能建筑特色融入计算机控制理论教学中去。实现根据“产、学、研一体化”教学模式，取得了显著效果。
参考文献：
[1]孙延鹏.优化和构筑创新型人才培养平台提高大学生创新能力[J].辽宁教育研究，2006，（5）.
1、研究背景及意义
倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代，其控制方法和思路在处理一般工业过程中有广泛的用途，此外，其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用，如机器人行走过程中的平衡控制，火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因此对倒立摆控制机理的研究具有非常重要的理论和实践意义。但同时是一个比较复杂的不稳定,多变量，带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数不确定性，一方面是系统受到不确定因素的干扰。倒立摆系统具有成本低廉，结构简单，参数和结构易于调整的优点。作为控制理论研究中一种比较理想的实验手段，倒立摆系统为自动控制理论的教学、实验和科研构建了一个良好的实验平台，以用来检验某控制理论或方法的典型案例，促进了控制系统新理论和新思想的发展。为解决倒立摆控制系统的超调和快速性之间的矛盾，各种干扰对其的影响，进而对控制器进行了设计，自抗扰控制方法可以克服这些缺点，因此要用ADRC来控制直线倒立摆系统。
2、研究现状及发展趋势
鉴于倒立摆的稳定控制研究的重要意义，国内外学者对此给予了广泛关注。国外在60年代就开始了对一级倒立摆系统的研究，在60年代后期，作为一个典型的不稳定、严重非线性例证提出了倒立摆的概念，并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力。
近年来，随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视，模糊控制、神经网络、拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的智能控制算法应用到倒立摆动系统的控制上。Charies W.Andorson在1988年应用自学习模糊神经网络成功控制一级摆；周建波等用基于B网络的规则控制也解决了单摆的稳定性控制问题；徐红兵等提出了基于变结构的模糊神经网络控制算法，实现了二级倒立摆系统的稳定性控制；1995年，张明廉等人应用拟人智能控制理论成功的解决了三级倒立摆这一控制界的世界性难题；2001年9月19日，北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了三级倒立摆实物系统控制，又于2002年8月11日在国际上首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统。
二、研究内容
本课题的主要研究内容集中基于ADRC的倒立摆控制系统研究，并针对其动态响应和运行稳定性，主要。主要内容简述如下：
（1）建立倒立摆控制系统的数学模型；
（2）设计自抗扰控制器，包括：TD，NLSEF，ESO。然后对各部分的参数进行设计和调整；
在Simulink 环境下建立系统仿真模型，验证基于自抗扰控制技术的倒立摆控制系统控制策略的有效性。
三、研究方法
（1）查阅相关国内外文献资料（包括相关规范等），了解与该课题相关的理论知识，分析研究当前相关设计的优秀方案，在学习的基础上添加在自己的创新元素。
（2）建立在所学知识的基础上，分步骤的完成各项设计任务，在工作计划内按时完成相应的工作，包括自动配料系统的硬件框图、程序框图、设计仿真等。
（3）各元器件的选型及设计内容的整理，开始进行设计说明书的撰写。
（4）完成对设计内容的进一步修改，完善设计方案。整理、打印、装订设计说明书。完成答辩的准备工作。
四、国内外文献综述
倒立摆系统本身为多变量、非线性、强耦合的不稳定系统，由于以上特性，其精确控制对实现工业生产中复杂对象的控制有着重要的应用价值。主要的控制方法有线性控制、预测和变结构控制、智能控制等。智能控制是目前应用较为广泛的控制方法，研究的热点，其主要理论来自于人的实践经验，不需要精确的数学模型。模糊控制有两种典型算法，其Mamdani算法最为常用，Sugeno型适合应用在动态非线性系统中。Mamdani算法中，分别对小车位置和摆杆角度进行控制，两个控制器形成串联结构，每个控制器只有二维，避开了四输入变量，这样免去了多输入变量时模糊规则爆炸的问题。这样免去了多输入变量时模糊规则爆炸的问题中PID控制的单级直线倒立摆,虽然能很好控制摆杆角度,但是对于小车位置控制存在一定的偏差,文中模糊控制的倒立摆系统虽然具有一定的抗扰能力,但是加入稍强的干扰就无法达到稳定的控制效果,而自抗扰控制(Active Disturbance Re-jection Control,ADRC)的主动抗扰特性可以削减和解决这些外扰因素,而达到稳定的控制效果。但是传统的自抗扰控制器只能稳定控制摆杆角度,并不能兼顾小车位置的控制,这就使倒立摆控制在现实中的运用上受到限制。
目前ADRC的应用领域广泛。包括纸幅张力控制，硬盘驱动控制，DC-DC变换器。它也可以解决执行机构的非线性问题，如压电陶瓷执行器的滞环问题。基于ADRC算法，一些多输入多输出系统可以获得解耦控制，如微型机电系统(micro-electro-mechanical system），和连续搅拌槽式反应器(continuous stirred tank reactor)。ADRC的应用不只局限于控制领域，他也可以用来执行健康监视和故障诊断等任务。当下的ADRC理论基础相对完善，理论上所需要的仅是一些特殊情况下的稳定性证明。而未来的发展趋势是简化ADRC算法，完善单参数ADRC算法调节策略，将ADRC算法逐步替代PID算法，应用到工业界的各个领域，提高控制性能和效率。由于ADRC算法是一种基于控制的控制算法，因此其应用时也应遵循下图所示的过程，即理论>技术>应用>理论三者的循环补充。
五、研究方案及工作计划
1、研究方案
（1）查阅相关国内外文献资料（包括相关规范等），了解与该课题相关的理论知识，分析研究当前相关设计的优秀方案，在学习的基础上添加在自己的创新元素。
（2）建立在所学知识的基础上，分步骤的完成各项设计任务，在工作计划内按时完成相应的工作，包括自动配料系统的设计框图、程序框图、仿真设计等。
（3）各元器件的选型及设计内容的整理，开始进行设计说明书的撰写。
（4）完成对设计内容的进一步修改，完善设计方案。整理、打印、装订设计说明书。完成答辩的准备工作。
2、工作计划
第1周：根据设计任务书要求选择合适合理的方案设计直线倒立摆控制系统系统的课题。
第2周：根据确定方案，比较、选择设计适合的研究方案等。
第3周：根据题目要求，设计软件框图，并进一步优化改进。
第4-5周：完成整体电路设计，画出原理图并验证其可行性。
第6-8周：根据课题要求和电路原理图编写程序。
第9周：对软件进行仿真调试，优化软件设计使之符合要求。
第10周：结合软件进行调试、修改，并使最终方案满足设计要求。
第11-12周：撰写毕业论文。
第13周：修订毕业设计论文、完善毕业设计。
第14周：提交正式设计论文。
第15周：准备参加毕业答辩。
第16周：参加答辩，整理毕业设计材料提交。
六、参考文献
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[12]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].北京:机械工业出版社,1999.
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[14]韩京清.自抗扰控制技术[J].前沿科学,2007(01):25-32.
[15]韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策,1998(001):19-23.
指导教师审核意见
该论文《基于ADRC的一级直线倒立摆控制系统设计与仿真》选题与专业结合较紧密，选题的范围比较适中。该选题的研究具有一定的实践指导意义。内容安排合理，逻辑关系清晰，紧扣论文主题。
拟采取的研究方法具有一定的合理性。整个论文按时完成的可行性较大。该开题报告符合要求，同意该同学开题，并进入下一阶段的论文写作。
指 导 教 师(签名)：年 月日
教研室负责人批阅意见
关键词：伺服系统设计过程仿真和性能评估控制理论
中图分类号：TN95 文献标识码：A
伺服系统设计
伺服系统的设计方法通常有时间响应分析方法、根轨迹法和频率响应分析法三种。伺服系统设计的主要技术指标有：工作范围、稳定性、过渡过程品质、系统精度、动态响应能力等。我们在实际应用过程中，可以分静态设计和动态设计两步进行，这里主要阐述动态设计。
伺服系统动态性能指标
伺服系统的动态设计的目的是通过选择适当的控制算法，以使系统的闭环特性满足伺服系统的主要性能指标：
稳定裕量。
伺服带宽和过渡过程品质、系统截至频率
跟踪误差。
结构谐振特性。
机械传动间隙。
在实际雷达伺服系统中，采用最优控制尽可能的缩短伺服系统的过渡时间，由于最优控制基于的被控对象模型不准确，对框架角速度估计又存在误差，而PID控制对于稳态控制更占优势，因此，实际天线伺服控制中需要采用集成控制策略将最优控制器与经典PID控制器有机结合起来。
控制器交接策略：当小范围稳定时采用PID控制；大角度范围转移时采用了最优控制。
伺服系统固有环节
伺服系统的固有环节主要是指执行元件及其负载，当执行元件及其负载的传递函数的输入是功率放大器的输入电压，输出是天线轴上的转角。
通常我们用动态分析仪来测试伺服系统固有环节的频率特性，通过Matlab对测得的数据进行频率特性分析。
得到系统固有环节传递函数：
其中：为开环增益；为转折时间，为自然频率；为阻尼比
经典PID控制设计
系统模型建立
伺服系统固有环节为“积分+一阶惯性+二阶振荡”形式，为保证系统的指令跟踪精度，控制器采用“一阶滞后超前+PI”形式。典型校正传递函数为：
其中，为校正环节的传递函数，为系统固有环节的传递函数。
选择系统开环截止频率
截止频率的选择是经典PID设计的关键。它的大小影响系统的稳定裕量、跟踪精度和过渡过程品质要求。其选择标准受到伺服带宽的限制：
，其中，
确定系统的开环特性
系统开环传递函数： ，系统固有环节的传递函数通过仿真得到，见式(2.9)。首先，根据“伺服系统动态性能指标”预估，然后通过MATLAB下的sisotool工具详细设计，得到系统开环频率特性，G.M.表示幅值裕度为，P.M.表示相位裕度为。校正传递函数采用双线性离散化方法：，实现在离散系统进行数字控制。
最优控制设计
最优控制理论的基本思想：根据已建立的被控对象的数学模型，选择一个容许的控制律，使得被控对象按预定要求运行，并使给定的某一性能指标达到极小值(或极大值)。从数学观点来看，最优控制理论是求解一类带有约束条件的泛函极值问题。
系统状态方程和初始条件
忽略系统的二阶环节，传递函数(2.9)简化为：
(2.12)
状态变量： 状态方程：，
其中：，，，，， 令，则系统状态方程为 (2.13)
对，控制量满足约束条件
设系统的初始状态为：，；末值状态为：，；性能指标(积分型：最小时间控制)：。
最优控制的任务就是对所有，寻找一条最优控制规律
它满足条件，并能将系统由初始状态转移到末值状态，同时使性能指标即为极小。
最优控制设计思路
函数取极小值，得到最优控制
哈密顿函数：
由于，可以得到使函数的必为：
相轨迹图分析
采用控制规律时，由方程(2.13)解得
相轨迹为两族抛物线，相轨迹的最终收敛线：
，其中 (2.17)
根据状态点在相轨迹上位置的不同讨论最优控制轨迹
当系统控制量为或时，分别得到状态点、，在相轨迹上以这两个状态点为最优控制的起始状态，以控制规律，控制最终回到收敛线到达坐标原点。状态点在相轨迹图上有可能出现在以下不同区域，如图2.10所示：
图2.10 最优控制设计图
图2.10中和为收敛线，、为控制量为时可能出现的曲线， 、为控制量为时可能出现的曲线。为当前控制不跨过收敛线的区域，为当前控制跨过收敛线的区域。
状态点在区域时，由或全加速拉回收敛线；
状态点在收敛线上时，按照收敛轨迹控制。
状态点在区域时，通过双点割线法求取适当的使状态点落在收敛线上.
伺服系统控制器仿真
由于伺服系统控制是由数字计算机实现，因此经典PID控制和最优控制集成控制器是由C语言手工代码实现，在Simulink环境下采用S函数对C程序进行封装，嵌入到Simulink环境下进行仿真。
我们以方位通道为例，指令角为的阶跃，实测结果为只采用经典PID控制的响应曲线：超调，过渡过程时间，稳态误差为。
采用集成控制的阶跃响应曲线：超调，过渡过程时间，稳态误差
可见在大角度跳变时，PID控制器为了减小超调采用了限速处理，但是在过渡过程时间上达不到快速性，采用了集成控制以后，系统过渡过程品质满足了快速性和小超调量。
在实际伺服系统中，由于受到机械传动等结构因素的影响，得到的波形可能没有数字仿真理想化，在地面试验过程中，我们还加入了一些限制和保护，使伺服系统控制更加完善。
关键词：模糊控制 应用发展 自适应控制
中图分类号:TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0006-02
The development and research of fuzzy logic and fuzzy control technology
Abstract: According to the new development of the modern industrial control field of fuzzy control technology, an overview of the basic theory and the development status of the field, look to the future development applications.
Keywords: fuzzy control; application development; adaptive control.
1、引言
在现代工业控制领域，伴随着计算机技术的突飞猛进，出现了智能控制的新趋势，即以机器模拟人类思维模式，采用推理、演绎和归纳等手段，进行生产控制，这就是人工智能。其中专家系统、模糊逻辑和神经网络是人工智能的几个重点研究热点。相对于专家系统，模糊逻辑属于计算数学的范畴，包含有遗传算法，混沌理论及线性理论等内容，它综合了操作人员的实践经验，具有设计简单，易于应用、抗干扰能力强、反应速度快、便于控制和自适应能力强等优点。近年来，在过程控制、建摸、估计、辩识、诊断、股市预测、农业生产和军事科学等领域得到了广泛应用。为深入开展模糊控制技术的研究应用，本文综合介绍了模糊控制技术的基本理论和发展状况，并对一些在电力电子领域的应用作了简单介绍。
2、模糊逻辑与模糊控制
2.1 模糊逻辑与模糊控制的概念
1965年，加州大学伯克利分校的计算机专家Lofty Zadeh提出“模糊逻辑”的概念，其根本在于区分布尔逻辑或清晰逻辑，用来定义那些含混不清，无法量化或精确化的问题，对于冯诺依曼开创的基于“真－假”推理机制，以及因此开创的电子电路和集成电路的布尔算法，模糊逻辑填补了特殊事物在取样分析方面的空白。在模糊逻辑为基础的模糊集合理论中，某特定事物具有特色集的隶属度，他可以在“是”和“非”之间的范围内取任何值。而模糊逻辑是合理的量化数学理论，是以数学基础为为根本去处理这些非统计不确定的不精确信息。
模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程的控制算法。对于参数精确已知的数学模型，我们可以用Berd图或者Nyquist图来分析家其过程以获得精确的设计参数。而对一些复杂系统，如粒子反应，气象预报等设备，建立一个合理而精确的数学模型是非常困难的，对于电力传动中的变速矢量控制问题，尽管可以通过测量得知其模型，但对于多变量的且非线性变化，起精确控制也是非常困难的。而模糊控制技术仅依据与操作者的实践经验和直观推断，也依靠设计人员和研发人员的经验和知识积累，它不需要建立设备模型，因此基本上是自适应的，具有很强的鲁棒性。历经多年发展，已有许多成功应用模糊控制理论的案例，如Rutherford，Carter 和Ostergaard分别应用与冶金炉和热交换器的控制装置。
2.2 分析方法探讨
工业控制系统的稳定性是探讨问题的前提，由于难以对非线性和不统一的描述，做出判断，因此模糊控制系统的分析方法的稳定性分析一直是一个热点，综合近年来各位学者的发表的论文,目前系统稳定性分析有以下集中:
(1)李普亚诺夫法:基于直接法的离散时间(D-T)和连续时间模糊控制的稳定性分析和设计方法,相对而言起稳定条件比价保守。
(2)滑动变结构系统分析法。
(3)圆稳定性判据方法:利用扇区有界非线性概念,根据稳定判据可推导模糊控制的稳定性。
(4)POPOV判据。
(5)其他方法如关系矩阵分析法，超稳定理论，相平面法，矩阵不等式或凸优化法，模糊穴穴映射等，详细资料及有关文献很多，在此不再一一赘述。
2.3 模糊控制的设置设计
模糊控制的设计是一个非常复杂的过程，一般而言，采取的设计步骤和工具比较规范．其中模糊控制器一般采用专用软硬件，通用型的硬件芯片在目前市场上比较多，其中主流产品如表1所示．而专用IC发展也很迅速，它把专用IC和软件控制器集成在一起。
设计过程中，一般采取的设计步骤为：
(1)综合考虑该课题能否采用模糊控制系统。即考虑采用常规控制方式的可能。
(2)从设备操作人员处获取尽可能多的信息。
(3)选取可能的数学模型，如果用常规方法设计，估计设备的性能特点。
(4)确定模糊逻辑的控制对象。
(5)确定输入输出变量。
(6)确定所确定的各个变量的归属范围。
(7)确定各变量的对应规则。
(8)确定比例系数。
(9)如果有现成的数学模型，用已确定的模糊控制器对系统仿真，观测设备性能，并不断调整规则和比例系数直到达到满意性能。否则重新设计模糊控制器。
(10)实时运行控制器，不断调整以达到最佳性能。
3、模糊控制应用与前景展望
作为人工智能的一种新研究领域，模糊控制吸收借鉴了传统设计方法和其他新技术的精华，在诸多领域取得了长足的进展．在新型的电力电子和自动控制系统中，有些专家在线性功放的加设条件下，把模糊控制应用于为基础的伺服电机控制中，在把模糊控制系统与PID及模型参考自适应控制（MRAC）进行比较后证明了模糊控制方法的优越性．另有专家开发了应用于矢量控制感应电机传动系统的模糊自适应控制器，其控制方框图如图1所示：
模糊控制作为一项正在发展的新技术，目前在大多数专家还把主要精力放在应用系统研究上，并取得了相当的成果，但在理论研究和系统分析上还是相对落后的，以至于一些学者质疑其理论依据和有效性．鉴于此可以明确得知：模糊控制理论和实践的结合仍有待于进一步探索．其发展前景是十分诱人的，而且在近年来，其理论研究也取得了显著进展．在近四十年的发展进程中，模糊控制也有一些局限性：(1)控制精度低，性能不高，稳定性较差；(2)理论体系不完整；(3)自适应能力低．对于这些弱点，模糊控制与一些其他新技术，比如神经网络（NN），遗传算法相结合，向更高层次的应用发展拓展了巨大的空间。
4、结语
模糊控制作为一门综合应用范例，在全球信息化浪潮的推动下，在未来的几十年中，必将对经济的迅猛发展注入新的活力，有专家认为，下一代工控的基础是模糊控制，神经网络，混沌理论为支柱的人工智能．随着模糊控制理论研究的日益完善和深入，应用范围的日益扩大和配套IC的研发制造，模糊控制将给工控领域的发展开辟光明的应用前景，同时也给各领域的研究人员提出了更重大的任务。
作者简介
一、控制理论
我国内部控制规范建设：刘玉廷论述了《规范》的制定背景、总体思路、形成过程和主要内容，并就内部控制与会计控制的关系、会计控制规范与其他相关会计法规的关系、规范的试行等问题做了说明。强调了《内部会计控制规范》作为《会计法》的配套规章，是解决当前一些单位内部管理松弛、控制弱化的重要举措，是从源头上治理腐败的一项制度安排，是适应我国加入WTO的客观要求，是新形势下加强单位内部会计监督的里程碑。
内部控制理论发展：吴水澎、陈汉文、邵贤弟从控制论原理出发，对内部控制做了多层面的理解；在研究了内部控制理论的最新进展，即COSO报告出台的背景、具体内容及创新特点之后，提出该报告对构建我国企业内部控制综合框架的启发和借鉴意义体现在五个方面：即完善企业的控制环境、进行全面的风险评估、设立良好的控制活动、加强信息流动与沟通、加强企业的内部监督；同时，建议有关部门和团体制定企业内部控制准则或指南，为企业内部控制建设提供一个框架和参考。扬胜雄从经济学、管理学、审计学等相关理论研究入手，提出内部控制研究只有运用丰富的公司治理理论并以管理控制口径来定位，才能取得突破性的进展，并形成有效指导内部控制实务的理论成果。
二、控制要素
内部控制的公司治理与组织结构研究上：杨有红、胡燕在指出内部控制系统局限性的克服不仅仅依靠系统本身的完善，还信赖于公司治理于内部控制两者间的无缝对接。公司治理与内部控制都产生于委托关系，但两者委托的层次不同。两者实现的同源性与产生背景的差异是对接的基础，公司治理规范的创新是对接的途径。
内部控制框架的建设上：阎达五、杨有红指出内部控制框架与公司治理机制的关系是内部管理监控系统与制度环境的关系。在现代企业制度的公司治理机制下，公司作为自负盈亏、自我发展的经济组织，以管理监控为己任的内部控制的目的必须要拓展到保证公司政策的贯彻和公司管理目标的实现上，采取双管齐下和分两步的战略建立内部控制框架。从我国目前企业管理的现状看，内部控制建设上一步到位地完全达到COSO委员会的理想框架的是不太可能的。因此，应该抓住关键因素，有步骤、分重点地构建内部控制体系。
会计控制方面：阎达五、宋建波指出现代企业是以所有权和经营权相分离为主要特征的，而拥有所有权的所有者和经营权的经营者都是企业的控制主体，两者统称为双元控制主体。现代企业双元控制主体的存在，体现了企业中“控制与被控制”关系的特征：这种相互依存、对立统一的两个控制主体，为实施会计控制提出了更新、更高的要求，加强会计控制是实施现代企业制度的根本保证。在加强会计控制、约束双方行为、提倡“协调”作为会计控制的基本目标，设计和实施、激励与约束并重的控制方法和体制。田培源指出内部会计控制是企业内部控制制度的核心，应从以下方面入手解决内部会计控制问题：提高企业领导对内部会计控制管理的重视程度；要建立良好的内部控制环境；健全内部会计控制制度体系；对会计人员实施工作目标控制以及及时反馈与调整，确保控制适时性等。
财务控制方面：汤谷良从“财务管理”而非“公司理财”的角度出发，要对财务控制进行重新定义，强调与传统体制相比，财务管理已经游离于财政管理而独立于政府，财务管理的微观性是基本属性。认为财务控制必须在委托理论的指导下，立足于现代企业制度和法人治理结构的要求。在财务控制的再造上，要求财务控制的主体、目标、客体和方式的重新定义，强调具体实施方式系统架构之间的融合。刘亚莉、杨兴全分析了财务报告内部控制与内部会计控制的差异，指出财务报告内部控制评价是独立审计理念的创新，是提高资本市场信息质量的重要举措。文章介绍了美国财务报告内部控制审计理论与实践的发展，并针对我国现状提出了从制定相关法规、加强对管理层监管和处罚等几点建议以改进我国内部控制。
内部控制评价方面：厦门大学林朝华、唐予华介绍了国际流行的内部控制评审的最新理念：内部控制自我评估（CSA），它克服了以往内部控制评审仅仅由审计师执行的缺陷，将管理者与操作员工引入参与自己所涉及的内部控制的评估，检查和评价内部控制效率与效果的流程的方法，为实现企业目标提供一定程度的合理保证。王立勇运用可靠性理论和数理统计方法来构建内部控制系统评价的数学分析模型，利用该模型可计算程序的可靠度和系统可靠度，从而判断内部控制的效果。通过敏感性分析得到结构重要性和可靠度重要性，据此判断程序可靠性对系统可靠性的影响程度，为内部控制系统改进提供支持。
三、内部控制实践与设计
吴水澎、陈汉文、邵贤弟运用COSO报告的标准与评价方法，从控制环境、风险评估、控制活动、信息与沟通、监督等五个方面对郑州亚细亚集团内部控制失败案例进行系统分析，从中引发改进我国企业内部控制的几点思考，即由权威部门制定内部控制标准体系，并对企业内部控制审计做出强制性安排，做到二者并举。
南京大学会计学系课题组做了有关中国企业货币资金内部控制情况的调查报告。主要围绕企业实务中现金开支审批权的分配、现金开支审批权限的划分和内部银行制度等三个货币资金内部控制实务问题。结果表明，加强我国企业货币资金内部控制制度，关键是建立货币资金控制的规范流程及重点控制环节，必须重视货币开支审批权的制度建设，同时考虑我国企业不完善的治理结构现状。
清华大学于增彪从亚新科集团的内控现场得到启发，认为内控设计应从实务出发，指出COSO只强调评价而忽略设计与执行的缺陷，并对内部控制概念进行扩展，认为它是最优化、最理性的作业标准程序。在设计上，提出建立组织、流程、项目为一体的三维立体内部控制框架。
张谏忠、吴轶伦介绍了内部控制自我评估（CSA）的构成，以及在宝钢运用的成功经验。笔者得出内部控制自我评价在实践中还可以和其他管理工作结合开展的启发，即与风险评估工具结合、与信息化管理结合、与兼并收购业务中的公司重组结合、与招募客座审计师结合。
摘 要：本文追寻控制理论的发展过程，首先简单回顾了经典控制理论的产生、发展，接着引出了现代控制理论及并介绍了其发展概况，并通过两者之间的简单对比，彰显现代控制理论的不同之处。最后，对现代控制理论的发展方向提出了一些预见。
关键词：经典控制理论；现代控制理论；发展趋势
一.经典控制理论的产生、发展与局限
维纳曾定义，控制论是“关于在动物和机器中控制和通信的科学”。
在20世纪30到40年代，奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理论的初步形成奠定了基础；二战后，又经过众多学者的努力，在总结了以往的实践和关于反馈理论、频率响应理论并加以发展的基础上，形成了较为完整的自动控制系统设计的频率法理论。1948年又提出了根轨迹法。至此，自动控制理论发展的第一阶段基本完成。这种建立在频率法和根轨迹法基础上的理论，通常被称为经典控制理论。
经典控制理论以拉氏变换为数学工具，以单输入――单输出的线性定常系统为主要的研究对象。将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。通常是采用反控制，构成所谓闭环控制系统。它有以下几个特点：
第一，经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；出描述方式，这就从本质上忽略了系统结构的内在特性，也不能处理输入和输出皆大于1的系统。实际上，大多数工程对象都是多输入――多输出系统，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果；
第二，经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。虽然这种设计方法具有实用等很多优点，但是，在推理上却是不能令人满意的，效果也不是最佳的。
综上所述，经典控制理论的最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出，完成镇定任务。经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时变系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。当把这种理论推广到更为复杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，即便对这些极简单的对象、对象描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展――对经典理的精确化、数学化及理论化。
二.现代控制理论的五个分支
I.线性系统理论，性系统理论是现代控制理论的基础，也是现代控制理论中理论最完善、技术上较成熟，应用也是最广泛的部分。主要研究线性系统在输入作用下状态运动过程的规律和改变这些规律的可能性与措施；建立和揭示系统的结构性质、动态行为和性能之间的关系。线性系统理论主要包括系统的状态空间描述、能控性、能观测性和稳定性分析，状态反馈、状态观测器及补偿的理论和设计方法等内容。
II.最优控制理论，在给定约束条件和性能指标下，寻找使系统性能指标最佳的控制规律。主要方法有变分法、极大值原理、动态规划等。其中极大值原理是现代控制理论的核心（使系统的性能指标达到最优――最小或最大）。一般而言，最优化方式有离线静态优化方式和在线动态优化方式，而最优化问题的求解方法大致可分为四类：解析法、数值解法（直接法）、解析与数值相结合的寻优方法、网络最优化方法。
优化方法的新进展包括：一，在线优化方法，基于对象数学模型的离线优化方法。含局部参数最优化和整体最优化设计方法、预测控制中的滚动优化算法、稳态递阶控制、系统优化和参数估计的集成研究方法.。二，智能优化方法，含神经网络优化方法、遗传算法、模糊优化方法、模糊优化方法。
最优控制理论的应用领域十分广泛，如时间最短、能耗最小、线性二次型指标最优、跟踪问题、调节问题和伺服机构问题等。但它在理论上还有不完善的地方，其中两个重要的问题就是优化算法中的鲁棒性问题和最优化算法的简化和实用性问题。
III.自适应控制。在控制系统中，控制器能自动适应内外部参数、外部环境变化，自动调整控制作用，使系统达到一定意义下的最优。有模型参考自适应控制与自校正自适应控制之分。
自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。
IV.系统辨识。根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型。通过辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输入和输出预测系统输出的未来演变，以及设计控制器。对系统进行分析的主要问题是根据输入时间函数和系统的特性来确定输出信号。对系统进行控制的主要问题是根据系统的特性设计控制输入，使输出满足预先规定的要求。而系统辨识所研究的问题恰好是这些问题的逆问题。
V.最佳滤波理论，亦称为最佳估计理论。当系统受到环境或负载干扰时，其不确定性可以用概率和统计的方法进行描述和处理。也就是在系统数学模型已经建立的基础上，利用被噪声等污染的系统输入输出的量测数据，通过统计方法获得有用信号的最优估计。经典的维纳滤波理论阐述的是对平稳随机过程按均方意义的最佳滤波，而现代的卡尔曼滤波理论用状态空间法设计最佳滤波器。克服了前者的局限性，适用于非平稳过程并在很多领域中得到广泛应用，成为现代控制理论的基石。
三. 现代控制理论与经典控制理的差异
现代控制理论基于经典控制理论，两者之间存在的关联与差别的发展中，扩大了控制理论所能解决问题的范畴。根据自动控系统的目标――认识与改进控制系统来说，主要在研究对象、数学模型及基本方法、应用领域来讨论上，存在着不同之处。前两者在上述论述中，已有阐述。在应用领域上，现代控制理论是经典控制理的进步与补充，但由于现代控制理论的发展晚，而经典控制理论的趋于成熟，因此按作者的观点，两者在相应的领域仍有不可替代的作用。
参考文献：
[1] 郑应平.充满魅力的现代控制理论[J].自动化博览2003（5）
