时间：2023-01-18 12:04:23
关键词：CAN_BUS调试系统通信协议
磁悬浮转向架的悬浮由四组电磁铁实现，每组电磁铁都有独立的悬浮控制器，控制该点的悬浮与下落。为了获得最优的控制参数，需要在整个转向架的悬浮过程中通过上位机监视轨道与电磁铁之间的间隙、电磁铁工作电流等状态参数以及悬浮控制器的控制参数，动态地修改控制参数以观察控制效果。
悬浮控制器之间是相互独立的，上位机无法同时监控多个悬浮控制器，因此需要找到合理的通信方式使上位机同时与所有的控制器连接，使它们之间能够实时传递数据。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的多主的异步串行通信网络。由于CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，适合高噪声环境，具有较远的传输距离，在各个领域中得到了广泛应用。CAN通信协议规定通信波特率、每个位周期的取样位置和个数都可以自行设定，这保证了用户在使用过程中的灵活性。选用CAN总线，无论是在抗电磁干扰方面还是在实时性方面都能够满足实验要求。
图1
1调试系统硬件端口的设计
悬浮控制器使用SJA1000作为CAN总线协议转换芯片。SJA1000是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它内建BASICCAN协议，并提供对CAN2．0B协议的支持。通过对片内寄存器的读、写操作，悬浮控制器的核心处理器能够设置CAN总线通信模式，实现数据的发送与接收。它的传输速度很快，位速率可达1Mbit／s，可满足高速大流量实时传输要求。
SJA1000在逻辑上实现了传输数据的编码和解码，若要与物理线路连接，必须借助总线驱动器。PCA82C250是协议控制器与物理链路之间的接口，可以用高达1Mbit／s的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据，它与SJA1000结合才能实现CAN总线通信。
图1为CAN总线接口电路原理图。图中，SJA1000用16MHz的晶振作为基准时钟，数据线AD0～AD7与核心控制器的低八位数据线相连，在CS、RD、WR的控制下可实现芯片寄存器的读写。RX0和TX0与PCA82C250数据输入引脚相连，作为串行数据线。RX1与PCA82C250的参考电压引脚5相连，向PCA82C250输出参考电压。PCA82C250的两根输出数据线之间加上120Ω的终端电阻，用以匹配线路。
上位机通过专用的USBTOCAN转换器实现PC机与CAN总线的连接，市场上有很多这类产品，这里不再详细说明。上位机主要提供人机交互界面，显示状态和控制器参数，并完成参数与程序的下载。
2通信协议构建
DSP控制器上的CAN总线端口要完成两项工作：(1)上传控制器的控制常量和电流、间隙等状态参数，送给检测系统；(2)读取上位机下传的待修改的控制参数，实现参数的在线修改，接收下传的程序文件，实现DSP主程序的在线写入。
在调试过程中，实现多DSP系统的在线联调是很有效的调试手段。这样，上位PC机不但能够采集各控制器的状态参数，还能够对采集的数据进行整理与显示，并能实时调整不同控制器的控制参数，最终实现控制器运行程序的远程下载。
为实现CAN总线的数据传送，需要定义参数包、程序包、命令包三种传送数据包，并分别由0x11、0x22、0x33标示出来。根据数据传送方向的不同，数据包的格式略有差异。考虑到CAN总线上的节点较多，为避免数据传送过程中出现混乱的情况，定义数据发送的基本数据包大小为8个字节，即CAN总线一次传送的最大字节数为8。
2．1下传数据协议
下传数据包括程序、参数、命令三种数据类型。
2．1．1参数数据包格式
上位机需要下传的数据包括控制参数C1、C2、C3及给定间隙与电流，根据修改需要，每个参数都是单独下传的。下传数据包的大小与CAN的最大有效传送字节数一致，为8个字节。第一个字节指出数据包的类型(用Oxll标示)，第二个字节指出参数类型(用0xx7标示)，第三字节至第八字节指出传送的有效数据，对应上面给定参数的参数标示依次为0x17、0x27、0x37、0x47、0x57。图2所示为数据包的一般格式。
2.1.2程序数据包格式
FLASH写入文件较大，一般有几十K字节。控制系统采用的FLASH芯片AT29C010以128字节为基本操作单位。为了适应芯片，可将文件分成128字节的数据段，并为每个数据段标定次序。发送时，标出数据段号及该片数据所处段中的位置即可。控制器接收到128字节后，做一次写入FLASH操作，数据包格式及说明见图3。
2．1．3命令数据包格式
命令数据指出对下传参数的操作，Oxx7+0x44表示对某一参数的修改生效，如：0x17+0x44使能C1，0x27+0x44使能C2，0x37+0x44使能C3。如果修改的参数不能满足控制要求，调试员希望能恢复原来的运行参数，因此定义0x55为修改参数恢复命令，如：0x17+0x55恢复C1，0x27+0x55恢复C2，0x37+0x55恢复C3。0x66+0x66表示将下传数据写入最后的FLASH参数存储区。命令数据包格式如图4所示。
2.2上传数据协议
上传数据包的大小也为8个字节，数据包类型分为参数反馈、命令反馈两种，参数反馈用于上传DSP的实际运行控制参数及间隙、电流等状态信息，命令反馈用于对PC机使能、写入、参数恢复等命令的应答。
上传数据依次为控制参数C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE。数据类型标示依次为0x17、0x27、0x37、0x47、0x57、0x67。由于上位机要同时接收多个控制器上传的数据，所以为了正确区分这些参数，需要给上传的数据包加入端口标示，指出数据包来自哪个总线端口。上传的数据包在前面格式的基础上还要加入对应于各控制器的CAN总线端口号。
上传命令是对总线通信出现异常情况的应答，因为控制器随时将控制参数上传，且参数字节数较少，出错的可能性较低，不需配备应答命令；而上传程序的数据量较大，容易出现错误，必须配备应答命令，指示程序写入过程。
因为控制器是周期性地扫描SJAl000的接收缓冲区，当总线连接的节点较多时，数据量较大，难免会发生数据漏收的情况；而且控制器对外部中断的响应也会影响扫描周期，使接收缓冲区中未来得及读取的数据被新数据冲掉。当控制器发现应接收的数据位置与已接收到的数据位置不符时，控制器发差错命令给上位机，指出应接收的数据段号及位置，上位机接收到这一信息后重发相关数据。发送数据包包含CAN端口字节、命令标示、段号、位置号等信息。通信过程中也可能出现发送数据与接收数据不符的情况，因此有必要引入数据校验算法。控制器将接收到的128字节校验后得到的校验值与接收到的校验值作比较，一致后才将数据写入FLASH；否则反馈回校验值错误信息，上位机重发该段数据。发送数据包包含CAN端口字节、命令标示、段号、重发标示(0x88)等信息。
图5
3通信程序设计流程
3．1控制器通信流程
控制器的通信部分主要在主程序循环中完成。每次主程序循环中，控制器都向调试系统发送当前C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE等信息；一旦接收到调试系统下传的信息，控制器便分析下传信息的性质，对它们分别进行判别与应答。
图5是控制器的通信流程。控制器上电后，程序从FLASH的参数存储区(最后256个字节)读取控制参数值，存人控制参数缓存中，作为参数初值。同时，控制器通过CAN总线接收上位机下传的控制参数，校验后存入控制参数缓存中。一旦接收到参数使能命令，则将缓存中的数据复制给C1、C2、C3等变量，作为实际的工作参数；调试完毕后，在接收到参数写入命令后，将参数写入FLASH的参数存储区，作为永久工作参数。接收到程序数据包后，控制器首先检验数据的次序，保证接收到的数据按次序排列；接着代入校验算法，将计算得到的校验值和接收的校验值作比较，不一致则给上位机反馈校验值错误命令，要求上位机重发该段程序，否则将数据写入FLASH。图中监控信息的发送周期可根据情况确定。
3．2上位机通信流程
上位机是调试员与控制系统的接口，它显示控制器的上传参数，将调试员需要修改的控制参数下传。为完成上述功能，调试界面应包括参数显示窗口、参数输入窗口、命令工具条等，必要的话，还应将状态参数以曲线的形式显示出来。调试人员根据状态曲线调整控制参数。
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
【关键词】电厂运行；机组设备；给水系统；模糊控制器；设计实现
一、自适应模糊PID控制器的设计分析
图1为电厂运行过程中，对于电厂给水系统的加药操作处理过程进行调节控制应用的自适应模糊PID控制器结构示意图。
在进行自适应模糊PID控制器，也就是模糊控制器的设计过程中，模糊控制的设计实现主要是应用模糊论集以及模糊语言变量、模糊逻辑推理等作为模糊控制器设计的基础理论，从而实现对于模糊控制器中的模糊控制设计实现。也就是说在进行该电厂给水系统运行调节应用的模糊控制器设计中，首先将电厂给水系统的给水操作运行控制经验制定成为一种模糊控制的原则，再将电厂给水系统中的除氧器以及省煤器装置入口处的PH值进行模糊化处理，在此基础上通过模糊控制规则，利用模糊逻辑推理，在推理出模糊输出量的同时，对于模糊输出量进行具体模拟化，转化为模拟数值，最终施加到执行器命令执行端，实现对于电厂给水系统的给水操作进行调节控制实现。根据自适应模糊控制的这一控制实现过程与原理，在进行自适应模糊控制器的设计过程中，主要通过使用二维模糊控制器的装置结构，在对于电厂运行过程中，给水系统的给水水质PH值进行收集的情况下，以误差以及误差变化率作为模糊控制器的输入量，并且在选择好控制量作为模糊控制器的数量变量的情况下，实现对于模糊数值的模拟转化，从而实现对于电厂给水系统的给水操作进行调节控制实现。这样的自适应模糊控制器设计方式，进行电厂给水系统的模糊调节控制装置的设计应用，不仅可以避免设计的复杂性，并且在进行电厂给水系统的给水调节应用中对于给水调节的准确性也比较高。在进行电厂运行调节控制应用的模糊控制器设计过程中，进行设计的核心就是要在对于原有设计经验以及运行结果的总结分析情况下，实现对于模糊控制规则的建立确认。最后，对于电厂运行调节控制应用中的模糊控制器装置的参数校正，可以根据对于不同偏差以及偏差变化率情况的收集分析情况下，通过模糊逻辑推理计算进行校正实现。
二、自适应模糊PID控制器的应用实现
自适应模糊PID控制器在电厂运行中的应用实现，本文主要是以自适应模糊PID控制器装置系统对于电厂给水系统给水运行中加药控制为主，进行设计与应用分析实现的。那么，在应用自适应模糊PID控制器进行电厂给水系统加药操作控制时，首先，需要建立相关的仿真控制系统，在对于自适应PID控制器调节控制原理的仿真设计实现情况下，进行实际调节应用。常用的自适应模糊PID控制器仿真设计应用软件工具为MATLAB，主要是应用该软件系统中的Simulink工具以及Fuzzy两种软件工具进行仿真设计实现。图2分别是在进行自适应模糊PID控制器的系统仿真设计中，对于自适应模糊PID控制器以及模糊控制器、传统PID控制器三种调节控制装置的实际调节控制性能特征的分析比较。
（1）单位阶跃响应变化 （2）阶跃响应变化
根据上图的对比结果可以看出，自适应模糊PID控制器在电厂运行中的控制效果在这三种控制装置中是最好的，且该装置在实际控制中已经实现应用。
总之，本文中所论述的自适应模糊PID控制器是一种针对电厂运行中应用的常规PID控制器的调节控制局限性，进行改进设计应用的PID调节控制装置，它在电厂给水系统的给水调节应用中，不仅具有比较明显的合理性与可行性特征，并且对于给水系统的给水调节控制精准性也比较高，具有一定的应用优势，值得在实际应用中进行推广。
参 考 文 献
[1]王金平，洪军.自适应模糊PID控制在火电厂给水加药中的应用[J].自动化与仪表.2010（5）
（中航工业西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065）
摘要：飞艇体积庞大，易受风干扰，对飞艇设计控制器时除了要满足动态性能指标，还要求具有一定的扰动抑制作用，因此单一的控制方法难以满足要求。充分利用极点配置和H∞ 鲁棒控制方法的优点，将二者综合起来对飞艇进行纵向控制器的设计，内回路通过极点配置使系统达到期望的动态指标，外回路通过设计H∞ 控制器抑制外部扰动，仿真结果表明该综合方法设计的控制器具有良好的动态和鲁棒特性。
关键词 ：飞艇；H∞ 鲁棒控制；极点配置；外部扰动
中图分类号：TN967?34；V249.1 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0021?03
收稿日期：2014?11?27
0 引言飞艇作为一种特殊的飞行器，不论在空中飞行还是悬停，都很容易受外部大气扰动的影响。常规的控制器设计方法要么注重闭环系统的动态性能，要么注重控制器的自适应特性或者控制器参数的鲁棒特性，很难同时兼顾复杂系统的多方面要求。为了给飞艇设计一种良好的控制器，考虑使用一种综合的控制器设计方法。
闭环系统的极点决定了系统的稳定性和响应速度，极点配置可以使闭环系统具有指定的或期望的动态性能。通常情况下，极点配置是通过状态反馈的形式来实现的，在系统完全可观时，直接对状态进行反馈；在某些状态不可观测时，首先设计状态观测器，然后对估计得到的状态进行反馈。H∞ 鲁棒控制是通过对系统的加权评价指标的无穷范数进行优化得到的一种控制器，这种控制器具备对扰动的抑制作用，可以实现渐进的指令跟踪。在控制器设计时，只需要给出模型不确定性或外部干扰的上界，H∞ 控制器就可以将这种不确定性和干扰对系统的影响限制在一个较小的、可以接受的范围内。
本文充分利用极点配置和H∞ 鲁棒控制的优点，将二者结合起来，得到了一种能同时满足动态性能指标和扰动抑制的控制器，该控制器以状态反馈形式的极点配置作为内回路，实现系统对动态特性的要求。以H∞ 作为外回路，实现闭环系统对外部扰动的抑制和对输入指令的跟踪。最后将设计的控制器应用到飞艇纵向进行仿真验证。
1 全状态反馈的极点配置[1]设有线性时不变系统：
定理1 受控系统（1）要通过状态反馈的方法，使闭环系统的极点位于预先规定的位置上，其充分必要条件是系统完全可控。
将原系统通过化为Luenberger 能控规范型来进行极点配置，可以使配置后的系统具有良好的动态响应。
具体步骤为：
式中：x 是状态向量；w ∈ Rq 是外部扰动输入；u 为控制输入；z ∈ Rr 是被控输出信号，也称评价信号；y 是测量输出信号；A，B1，B2，C1，C2，D11，D12，D21，D22 均为适当维数的定常矩阵；K(s) 为待设计的控制器。K(s) 反馈控制器的设计原理要用到w 到z 传递函数的无穷范数值fs = ?T ? wz (s)∞，根据fs 的值有以下不同的定义：
定义1：H∞ 最优控制问题：求解正则实有理函数K(s)，使得闭环系统内部达到稳定，同时使传递函数Hwz (s) 的无穷范数达到最小[2]，即min( fs) = λ0。定义2：H∞ 次优控制问题：对于给定的λ (λ > λ0 )，求解正则实有理函数K(s)，使得闭环系统内部达到稳定，同时使fs < λ。
定义3：H∞ 标准控制问题：对于给定的λ (λ > λ0 )，增广被控对象G(s)，判断是否存在反馈控制器K(s)，使得闭环系统内部达到稳定，同时使fs < 1，如果存在则求之。
定理2 系统（2）存在一个状态反馈控制器使得闭环系统渐近稳定，且满足fs < γ，当且仅当存在一个对称正定阵X 和矩阵Y，使得下面不等式成立[2]：
3 控制器设计
极点配置可以准确地掌握系统的动态性能，H∞ 鲁棒控制能较好地抑制外部扰动，提高对输入信号的跟踪能力。在采用极点配置方法设计内回路的基础上，采用H∞鲁棒控制作为外回路控制器。在参考输入指令yref 下，有一个干扰向量w(t) 作用在被控系统上，除了渐近跟踪要求外，一般还要求w(t) 对系统输出所产生的影响yw (t)，当t ∞ 时也趋于零。综合控制器的原理框图如图2所示。
为了更好地跟踪俯仰角，在性能指标中对应于状态变量θe 的系数选取相对大一些，取c1 = 0.001，c2 = 0.002，c3 = 0.002，c4 = 0.001，c5 = 0.01，c6 = 0.001。求得外环增广控制系统的鲁棒状态反馈阵为：
L =[-0.940 9 1.570 3 19.607 5 42.859 1 -33.857 8 ]
为了验证本文设计的控制器的有效性，将本文设计的综合控制器与常规极点配置得到的控制器进行对比。对飞机在有风干扰和无风干扰两种情况下进行仿真分析，给定俯仰角跟踪指令：θg = 10°，得到不同控制器对应系统的跟踪响应如图3所示。
通过图3可以看出，常规的极点配置方法设计的控制器在无扰动条件下，效果较好，但当存在风干扰时，效果变差，无法达到渐进跟踪给定指令的目的。本文设计的控制器能够很好地跟踪给定的俯仰角，并且没有超调和稳态误差，调节时间也在可以接受的范围之内，在外部有风干扰时，仍然保持了较好的动态性能和跟踪能力，具有良好的鲁棒性。
5 结语
本文讨论了H∞ 鲁棒方法和极点配置在飞艇纵向控制系统设计中的应用，该设计方案以状态反馈形式的极点配置作为内回路来实现系统对动态性能的要求，以H∞ 鲁棒控制器作为外回路来实现对外部干扰的抑制，在有外部风干扰的情况下，该控制器可以有效改善系统的动态性和鲁棒性。
参考文献
[1] 史忠科.线性系统理论[M].北京：科学出版社，2008.
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关键词 多变量系统；模糊解耦；模糊控制
中图分类号O1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）79-0122-02
对于多变量系统而言，不同的输入和输出之间难免存在一定的耦合，使用传统的单变量控制系统设计方法很难达到令人满意的控制效果。所以，控制领域的工程人员提出了解耦的思想 [1]，早期的解耦方法主要以全解耦状态空间法和现代频率法为代表[2]，这两种方法均要求建立被控对象的精确数学模型，因此，在应用上受到一定程度的限制。
模糊控制的特点是不依赖于被控对象且对其数学模型要求不高，适用于时变、纯滞后、非线性的控制系统[2]。因此，本文采用模糊规则设计补偿模糊控制器实现对系统的解耦，主控制器设计时也采用的是模糊控制算法，仿真结果表明，该方法达到了良好的解耦效果，使控制系统具有更好的鲁棒稳定性。
1 双模糊解耦控制算法
解耦的本质在于应用各种算法设计一个解耦器，用它来抵消在控制过程中各通道之间所产生的耦合，实现各个单回路控制系统独立工作的目的[3]。本文利用模糊控制器不依赖于被控对象精确数学模型的优点，通过模糊规则实现补偿模糊控制的设计，达到解耦的目的。同时，系统的控制器也采用模糊控制规则来实现，从而构成双模糊解耦控制系统，其结构如图1所示。
2 模糊控制器设计
本文主模糊控制器的设计思路与补偿模糊控制器设计思路类似，故重点介绍补偿模糊控制器的设计。模糊控制器均选用双输入、单输出的二维模糊控制器，输入量为给定量与输出量之差构成的误差信号及其变化，输出控制量为。
2.1 补偿模糊控制器设计
模糊集和均取7个语言值{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，划分为13个等级，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，l，2，3，4，5，6}。隶属函数采用三角线型。
模糊集取7个语言值{IB，IM，IS，ZE，SS，SM，SB}，分别表示{大补，中补，小补，不补，小减，中减，大减}，划分为15个等级，即{5，4，3，2，1，0.5，0.25，0，-0.25，-0.5，-1，-2，-3，-4，-5 }，隶属函数也采用三角线型。
采用Mamdani型推理法[4]，根据操作人员的相关经验和技术知识综合分析后得出控制决策，并制定相应的控制规则表，如表1所示。
本文在进行解模糊[4]时采用的是隶属度加权平均的方法，并应用Matlab中的模糊工具箱完成了这一过程，得出模糊控制查询表，通过查询表中元素可以直接计算出补偿控制量，实现对控制器输出信号的解耦补偿。
2.2 主模糊控制器设计
主模糊控制器的模糊集和的语言值、等级划分及隶属函数均与补偿模糊控制器的相同。模糊集取7个语言值{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，划分为15个等级，即{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，l，2，3， 4，5，6，7}。同样应用Mamdani型推理法，建立模糊控制规则表，计算主模糊控制查询表，实现主控制器的设计。
3 仿真分析
针对压力-流量控制系统，通过对系统阶跃响应曲线的辨识得到其数学模型：
分析可知，该系统严重耦合，必须解耦才可实现压力-流量的独立控制。
采用本文所介绍的双模糊控制方式对压力-流量控制系统进行解耦，应用Matlab/Simulink软件对其进行仿真[5]。
当r1=1，r2=0时，可得如图2所示的仿真结果。
当r1=0，r2=1时，可得如图3所示的仿真结果。
当r1=0，r2发生突变时，在y2的起始段之所以游跳变，是因为没有实现对系统的动态解耦，待这一动态变化的过渡过程结束以后，系统的输出恢复到给定值，实现了对系统的静态解耦。
由仿真结果可知，本文所设计的双模糊控制器基本实现了压力-流量耦合变量间的独立控制，并且具有响应曲线无超调，响应速度快的特点。
4 结论
本文设计了一种以模糊控制器分别作为解耦补偿器和系统控制器的双模糊解耦控制系统，利用Matlab/Simulink建模仿真工具对压力-流量控制系统进行仿真，结果表明，该方法具有动态响应好、上升时间快、超调小的优点。
参考文献
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本文通过对智能控制的发展轨迹和特点进行简单的介绍，对智能控制的技术方法进行了分析，对比了智能控制和传统控制的优缺点，对智能控制在机器人领域的应用进行了分析和探究+提出了智能控制的未来发展方向应该是由多种智能控制模式组成以及把智能控制模式和传统控制相结合的思维方法。
关键词：
智能控制；机器人；应用
1.控制的概述
从20世纪初到今天，控制理论已经由以传递函数为理论基础的传统模式发展到了以状态空间理论为依据的现代模式。到了今天，控制理论经历了由人工智能向自动控制的转变过程，从而形成了智能控制的相关理论。
2.智能控制的发展轨迹和特点
智能控制的理论思想最早被提出时是由人工智能思想和自动控制交叉的思想相融合而得出的一种思想理论，并且把智能控制的系统分为人工控制器为核心的智能控制、人工和机器同时作为核心的智能控制系统、纯机器控制作为核心的智能控制系统。智能控制的理论基础是运筹学的相关理论、人工智能的相关理论以及自动控制理论相结合的一种控制理论学说；智能控制系统是由传统控制理论进化而来，主要利用自主智能机来达到预设目标，从而实现无人操作的目的。智能控制的整套系统结构具有开放式、分级式以及分布式的特点，处理综合信息的能力非常强大。但是智能控制的终极目标却不是高级自动控制，而是优化系统的各个方面。智能控制的服务对象主要是一些非线性和不确定性的研究对象，这种研究对象是主要研究线性结构的传统控制理论无法操作的内容。智能控制在对数学模型的描述以及对符号和相关环境的识别等方面都十分擅长。
3.智能控制的技术方法
智能控制的主要技术方法有神经网络智能控制、模糊网络智能控制以及分层递阶智能控制等。在日常实际操作中，进行智能控制应用时常用的方法是把几种智能控制模式融合在一起来使用。比较典型的智能控制方法有以下几个。（1）模糊智能控制方法。模糊智能控制方法主要是把知识库和模糊模式推理机以及输出量清晰化的模块等进行组合，模糊智能控制的具体方式是，由模糊量的互相转化以及推理，最后得出具体的参数来执行。[1]（2）专家智能控制方法。专家智能控制方法就是把智能控制与传统控制理论相融合的一种典型的智能控制方法。这种方法就是以专家智能控制的理论基础作为依据，对控制方法进行优化。
4.智能控制在机器人领域的应用
机器人领域是智能控制的主要应用研究方向之一，随着科技的迅速发展，机器人领域的科学技术越来越全面。比如，还处于发展阶段的人工智能相关技术以及传感器的相关技术都被应用到了机器人领域当中。我们从动力学的角度上来看，机器人的相关技术特点是非线性的，随时发生变化的，在机器人的控制技术上所追求的是多样的任务，这恰恰就是智能控制的相关优势，所以说智能控制技术是机器人研究领域一个十分关键的组成部分。
（1）机器人的行动控制。有一种由四条连杆和从动滚轮组成腿部的机器人，这种机器人的移动依靠后补两条滚轮来实现，移动方向由滚轮的滚动角度来决定。如果要预设这种机器人的移动路线，面对这种非线性系统组成的机器人，一般的控制器是无法实现对其控制的，此时就要使用智能控制理论中的模糊神经网络自适应控制方法。这种控制模式可以减少机器人的系统误差，并且可以有效地对机器人的移动路线进行控制。[2]
（2）机器人的行动计划。如果在一个十字路口同时进行多个机器人的行动控制，就会涉及机器人的回避和协调问题，在解决这个问题的方法上，智能控制理论为机器人提供了集中式路线设计和分布式行动特点设计等方法。即首先设定每个机器人在不遇到障碍的基础上可以按照预先设计的路径到达设计目的地；其次通过在机器人内部设定一整套规则，采用分布式行动特点设计的方式来让机器人在行动的过程中在可能发生冲突的区域进行避让，从而达到避免机器人碰撞的目的。这个实验结论可以证明智能控制可以完美解决多数机器人一起进行行动时的协调和碰撞问题。
智能控制在现阶段的很多方面都不是特别成熟，在具体方法的应用上局限性也很大，如果把多种智能控制的方法结合在一起，也许是解决这些问题的关键途径。
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论文关键词:网络化系统 控制 保性能 状态反馈
论文摘要:针对大规模、实时性要求较高的集散工业控制环境,建立了闭环控制回路用网络来实现的网络化系统.针对网络化系统,提出了一种多时延系统模型.考虑到模型的不确定因素,推出了无记忆状态反馈、鲁棒保性能控制器的存在条件.给出了如何利用matlab软件进行控制器设计并给出性能优化的方法.仿真结果表明,该控制器有很好的鲁棒性,对所有允许的网络不确定延迟和模型不确定性,具有良好的性能指标,可以用于分散环境下的大型工业控制系统.
网络化系统作为一门交叉学科,既涵盖控制又关联网络.因此在系统设计时,应该综合考虑控制和网络的因素.网络的引入将给系统带来延迟,同时,系统的模型会具有不确定性因素.依照这个宗旨,本文针对带有不确定性模型结构的网络化控制系统,建立了多延迟系统模型,证明了其无记忆状态反馈保性能控制器(guaranteed cost control)存在且使系统稳定的充分条件,并给出了该控制器设计和性能优化的方法.仿真结果表明,对带有不确定性模型结构的网络化控制系统,该控制器具有很好的鲁棒性.
1 多延迟模型的建立
本文所研究的网络化控制系统如图1所示,其中,传感器为时间驱动,且采样周期定常,设为h.控制器和执行器均为事件驱动.系统中,用s和a分别表示信号从传感器到控制器、控制器到执行器之间的网络传输延迟,并且假设控制对象(plant)的全部状态采样值用一个包传输.
假设系统中延迟s和a是定常的,并且小于两个采样周期.因为系统中延迟和周期采样的影响,系统模型将被转换为
由于环境的复杂、器件的老化和非线性等因素,在实际的网络化系统建摸中,系统具有不确定性.因此,本文将考虑具有不确定性因素的网络化系统模型
模型(2)中,假定控制向量为范数有界,且具有以下形式:
式中:d,ej为反映不确定结构的常数矩阵;而f为满足条件ftf≤i的未知不确定矩阵,其元素lebesgue可测且有界.系统的性能指标定义为
本文研究的问题是对具有模型(2)的网络化控制系统,设计一个无记忆状态反馈控制器
c(k) =kx(k), (5)
使得对所有允许的不确定性,该网络化控制系统是渐进稳定的,且性能指标值满足j≤j*,其中j*是某个确定的常数.通常称具有这样性质的控制器(式(5))是不确定网络化控制系统(式(2))和性能指标(式(4))的保性能控制.
2 保性能控制设计和优化
文献[1~4]中,采用增广状态法,建立起了滞离散网络化控制系统的无时滞的离散模型,然后应用一般的线性二次型规则设计的方法,给出了一种状态反馈控制律.这种方法使系统状态维数增加并给计算带来了一定的困难.同时,将使设计出的的控制器不仅依赖当前的状态,而且还依赖以前的状态.因此,本文针对模型不确定网络化控制系统(式(2)),设计一无记忆状态反馈保性能控制器.在以下主要结论的导出中,要用到文献[3]中的一个引理.引理1[3] 给定适当维数的矩阵x,d和e,其中x是对称的,则x+dfe+etftdt<0.对所有满足ftf≤i的矩阵f成立,当且仅当存在一个常数ε>0时,使得
定理1 对于系统(2)和性能指标(4),若存在矩阵k,对称正定矩阵p,s和t,使得对所有允许的不确定性,矩阵不等式
证明 若存在对称正定矩阵p,s,t和矩阵k,使得对所有允许的不确定性,矩阵不等式(6)成立.系统(2)中,取控制律c(k)=kx(k),则导出闭环系统为
x(k+1) =acx(k)+b1kx(k-1)+b2kx(k-2). (7)
选取一个李雅普诺夫函数
则v(k)是正定的,沿闭环系统(7)的任意轨线,v(k)的前向差分是
若条件式(6)成立,则对所有允许的不确定性,有根据李雅普诺夫稳定性理论,网络化控制系统(7)是渐进稳定的.进而由不等式(9)可得式(10)两边对k从0到∞求和,并利用系统的稳定性可得kx(k)是系统的一个保性能控制律.定理得证.下面以lmi的形式给出该保性能控制器构造的方法.矩阵不等式(6)可以写成
式中ω4=-p+ktsk+kttk+q+ktrk,根据矩阵的schur补性质,代入ac,b1和b2的表达式,再利用引理1可得三角阵
再利用matlab的lmi工具箱,可解出具有最优性能的无记忆鲁棒状态反馈控制器.
3 仿真结果
考虑如下控制系统:
不失一般性,不妨假设传感器采样周期h为10 ms,时延s和a均为8 ms.q=diag{1,1},r=0.3,d=[0.1 0.1]t,e=0.1,e0=0.1,e1=0.1,e2=0.2,根据前面的讨论,通过matlab的lmi工具箱可以构造出的最优性能鲁棒控制器为
c(k) = [0.112 1-0.126 1]x(k).
闭环系统性能指标的最优上界为112.254 1.仿真结果表明,该无记忆状态反馈保性能控制律,对允许的网络延迟和模型不确定性,确实具有良好的性能.
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Control Experiments Teaching Research Based on Virtual *
LI Xiaoru， LIU Jianguo
（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093）
Abstract Single curriculum for the relevant status quo， plug-in， verify and control experiment Experiment-based monitoring and control and other experimental teaching Currently， in order to improve student interest in learning， in close connection with practical application， better achieve the objectives of experimental teaching in the experimental teaching process， according to the characteristics of the students the basics， arrange appropriate experiments， individualized. Around the "multidisciplinary， in close connection with the practical application" principle， this paper presents the experimental and control based on LabVIEW virtual instrument teaching methods， the sensor technology and motion control combined on a single platform.
Key words sensor; virtual instruments; teaching methods; multidisciplinary
0 前言
测试测量与控制技术，简称测控，简短的两个字包含了从信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制的全过程。测控技术涉及多个学科领域，如计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器技术、信号分析与处理、工程测试技术等。测控技术系列课程教学改革的重要目标之一就是将传统的“老师为主体的验证性实验教学模式”改为“学生为主体的结合实际应用的设计、分析实验模式”，重点培养提出问题、研究问题、解决问题的能力，提高学生的学习兴趣和创新能力，培养适应社会需求的人才。整个实验包括从基础的计算机系统、传感器信号获取、信号分析和处理，到反馈控制的一体化整体解决方案。虚拟仪器（virtual instrumention）是一种图形化编程语言，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，在测量和自动化领域得到广泛应用，而且对传统的实验教学方法产生了很大影响，虚拟仪器的应用越来越广泛，将虚拟仪器技术应用于教育教学是虚拟仪器应用的不断拓展和教育教学发展的必然要求，本文以虚拟仪器为开发环境，构建了基于运动控制的传感器实验教学平台。
1 基于LabVIEW的测控实验建设思路
由于微电子、计算机、软件和网络技术的发展，使新的测试理论、测试方法以及仪器结构不断发展成熟，基于LabVIEW虚拟仪器的测控技术创新实验教学逐步形成新的发展趋势，以计算机为核心，由强大的测试应用软件支持，具有模块化、互换性、资源复用性，同时可方便、经济地组建自动测试系统，测控技术实验具有以下特点：
（1）个性化的功能仪器：本实验系统采用虚拟仪器将各种不同的仪器硬件连接到计算机上，运用计算机高速的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机结合起来完成特定的功能，利用该技术，可替代传统测量仪器，如频谱仪、示波器等。
（2）多学科技术交叉融合：测控技术是多学科技术交叉融合的典型技术，信息论、控制论、系统论是测控专业的理论基础，信息技术、测控技术、系统网络技术是测控专业的基本技术，多学科交叉与多系统集成是测控专业的显著特点。
（3）紧密联系实际，提高学生兴趣，随着生产技术的发展需要，测控技术从最初的控制单个设备到控制整个过程及系统，特别是在当今现代科技领域的尖端技术中，测控技术起着至关重要的作用。
（4）内容上由简到难、循序渐进：按照“基础原理验证性实验、设计性实验、综合性实验、创新性实验”的思路来逐步提高学生学习动手能力，让学生从原理到实际应用来逐步学习和认识，最后有机会进行创造性的综合实验。
（5）便于扩展：虚拟仪器的软硬件系统可以方便进行重新组合和设计，灵活运用。就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件升级即可改进整个系统。在利用最新技术的时候，把它们集成到现有的测量设备中，最终以极少的成本改进现有的实验设施。
3 虚拟测控实验系统整体内容
整个实验系统包括虚拟仪器软件和测控系统硬件。虚拟仪器采用LabVIEW图形化开发环境，具有界面友好、易于掌握、编程灵活、设计效率高等优点，硬件平台包括数据采集卡、各类实验用传感器、信号调理电路及各种相关实验器材。传感器的输出信号由数据采集卡采集，经由信号调理电路对信号进行放大和滤波，使其与数据采集卡中的A/D转换器相匹配并提供足够的驱动。另外，还包含驱动控制模块、电机，工业对象等，根据不同的实验内容，采用不同的工业模组，仿真工业测试环境，培养学生掌握测试测量和电机控制的实验技能，让学生在自由创新的空间形成正确的、科学的思想，测控系统总体框图如图1所示。
图1中的测控对象可以是运动机械对象，如伺服电机、步进电机等，可以是运动对象的位移、速度、加速度等参量，也可以是过程参数，传感器是检测装置，能感受被测量的信息，是自动检测和控制的首要环节，将待测参数值按一定规律变换成为电信号或其他信号输出;调理电路就是信息处理电路，将待测信号转化为标准电信号，以便数据采集卡或控制器接收，这部分既可作为传感器原理的一部分，也可作为信号处理的一部分;分析主要指采用LabVIEW提供的丰富的函数库，将数据采集到的标准数字信号，对其进行分析、处理;显示采用虚拟仪器图形化的软件面板替代常规的传统仪器面板，同样具有实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。
4 实验模块设计
4.1 运动控制实验模块设计
本实验采用TS-ICD-5A智能控制器，被控对象为1000线的伺服电机。开始实验之前，学生必须仔细阅读智能控制与驱动模块软硬件说明书，掌握电机控制线和电源线与控制器的连接方式，模拟量、数字量怎么接入控制器，驱动器的设置、运动编程、实际物理单位和以编码器表示的内部编程的计算机单位的转换、存储器映射等相关知识点，工程文件配置包含电机参数、编码器线数、控制模式以及相应控制参数信息，然后使用LabVIEW调用智能控制与数字伺服驱动模块动态链接库，可以检测各类电机参数，发送电机运动控制指令，读取编码器、I/O通道、AD通道的反馈，轻松实现电机的开环、半闭环、全闭环控制以及相关信号检测，编制LabVIEW程序，图2所示的运动控制虚拟面板为简单的电机控制实验前面板。
4.2 传感器实验模块设计
以测控电路原理实验和虚拟仪器仿真实验为主，结合理论知识，让学生自己动手搭建相对应的仪器与电路，使其扎实地掌握测控系统中涉及的基础知识点，以模块化工业对象为载体，设计了光电开关传感器、电涡流传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、磁电传感器等各种工业标准传感器实验。图3显示了本实验模块提供的一种磁电转速传感器测量原理。传感器实验模块以验证性实验为主，将工程测试与传感器、信号与系统、虚拟仪器等课程的教学与实验紧密结合，理论联系实际。
4.3 综合实验模块设计
在掌握以上的知识后，教师对现有对象提出新的设计思路或要求，让学生重新设计或改装实验对象，得到期望的实验结果。例如，学生可以整合运动控制实验和传感器实验的对象开发综合测控对象。锻炼三个方面的能力。（1）学习运动控制原理，伺服电机的调速特性，运动控制卡的接线，电机的各种参数设置，运动模式。（2）学习各种传感器的基本原理，实用范围，以及在各种测试条件下不同传感器的选型方法。（3）学习数据采集的相关知识，包含硬件连线和软件采集。
关键词：超超临界，直流锅炉，给水控制
0 引言
火电站直流锅炉给水控制系统主要用来满足机组运行需要，以维持燃烧稳定及保证锅炉经济安全运行。论文参考网。天津北疆发电厂2×1000MW机组锅炉为超超临界直流循环锅炉，给水控制系统设计包括锅炉运行所需燃料所对应的给水以及由中性点温度控制偏置维持锅炉干态运行的控制系统,本文对给水控制系统各部分进行分析论述，并给出控制功能的DCS实现。
1给水控制的特点
直流锅炉不同于汽包锅炉，由于带有汽包，主汽温度扰动不大，直流锅炉不带有汽包，煤量与给水偏差过大会直接影响主汽温度变化过大，极大地增加了锅炉爆管的可能性，在锅炉干态运行的条件下，给水控制的任务就是要保持进入分离器的蒸汽具有合适的过热度。一方面要维持分离器的干态运行，防止其返回湿态；另一方面又要控制好分离器出口蒸汽的过热度，以防止过热器超温。当机组工况发生变化，尤其是给水流量或燃烧率等扰动时，锅炉的蒸发段和过热段受热面将随之发生变化，可能引起蒸汽温度剧烈变化，危及机组安全运行。因此，研究直流锅炉变工况时汽温特性，改善控制策略，对于机组的经济运行提出了更高的要求。
在汽包锅炉中给水流量的变化，仅影响汽包水位，而在燃料量变化时又仅仅改变蒸汽压力和流量，因此锅炉给水量、燃料量、汽温控制等都是相对独立的，亦即：给水→水位；燃料→产汽量及汽压；喷水→汽温。在直流锅炉中，由于没有汽包，蒸发与过热受热面之间没有固定的分界线，当给水量或燃料量变化时都会引起蒸发量、汽温和汽压的同步变化，相互有牵制，关系密切，这样给控制系统的设计和调整增加了灵活性，也增添了复杂性。随着超超临界机组蒸汽压力的升高，直流锅炉中间点汽温（通常取启动分离器出口汽温）和过热器出口汽温控制点的温度变动惯性增加（亦即比热增加），时间常数和延迟时间相应增大，在燃料或给水量扰动时，超超临界锅炉的蒸汽温度变化具有更大惯性。
在超超临界机组起动和低负荷（小于最低直流负荷）运行期间，必须投入启动系统，因此也增加了锅炉启动系统对控制的要求。对于直流炉来讲，为了确保水冷壁在低负荷时有效的冷却，通过水冷壁的流量不能小于某个值，即最低直流负荷。当机组启动和停炉时，启动系统投入使用，由于启动系统要经历不同的运行状态（湿态和干态），故须采用不同的控制方式（湿态和干态）且能平稳自动地切换。
在锅炉点火以前，循环泵启动系统投运；分离器水位由控制锅炉母管给水流量来实现。此时给水旁路调节阀控制分离器水位，循环泵出口调节阀控制给水流量，并有循环泵进出口差压保护回路。锅炉点火后，省煤器入口的给水流量保持在某个最小常数值；当燃料量逐渐增加时，随之产生的蒸汽量也增加，从分离器下降管返回的水量逐渐减小，锅炉给水流量逐渐增加，以保证省煤器入口的给水流量保持在某个最小常数值，分离器入口湿蒸汽的焓值增加。当分离器入口蒸汽逐渐达到饱和状态，蒸汽流入分离器，此时没有水可分离，锅炉给水流量等于省煤器入口的给水流量，但仍保持在某个最小常数值。此时给水调节切换到给水流量控制。随着燃烧率继续增加，在分离器中的蒸汽慢慢地过热。分离器出口实际温度仍低于设定值（由锅炉主控指令经函数发生器产生），温度控制还未起作用。所以此时增加的燃烧率不是用来产生新的蒸汽，而是用来提高直流锅炉运行方式所需的蒸汽蓄热。当分离器出口的蒸汽温度达到设定值，进一步增加燃烧率，给水量也相应增加，锅炉开始由定压运行转入滑压运行。汽温信号通过选大器，温度控制系统投入运行，分离器出口的蒸汽温度由“煤水比”控制。当锅炉主蒸汽流量增加至40%BMCR，锅炉转入干态运行。在干态自动方式时，循环泵自动停，随即暖管系统投入运行，启动系统暖管调节阀控制分离器下降管水位。
从以上几点可知，超超临界锅炉给水系统更难于控制，情况更复杂了一些。在规定的运行工况下，必须维持某些比例常数，而在变工况下必须使这些比例按一定规律变化，而在启动和低负荷时，要求更大幅度地改变这些比例，以得到宽范围领域的自动控制。为此，必须设计更完善的给水闭环控制系统，在启动工况更多的采用变参数变定值技术，所有控制功能应在前馈技术的基础上完成，并连续地校正控制系统的增益。
2给水控制系统的工作原理
给水控制的总体思路是以燃水比为基础，利用分离器出口蒸汽焓值和一级过热器两端的温度变化进行修正，计算得到总的给水量需求。实现这一思路的方法为考虑省煤器出口到分离器出口这一段的焓值变化，计算出这一段总的焓增和单位工质的焓增，从而计算出给水量的需求。根据锅炉主控指令以及锅炉设计参数计算出一级过热器入口单位工质设计焓值和省煤器出口单位工质设计焓值，两者相减得到设计单位工质焓增。根据锅炉主控指令以及锅炉设计参数计算出相应锅炉负荷下设计蒸汽流量和减温喷水流量，两者相减得到设计给水流量需求。设计单位工质焓增和设计给水流量需求两者的乘积即为设计总焓增。以上计算均考虑其蓄热迟延时间。利用饱和温度变化率乘以水冷壁管的金属质量的热容量来计算得到金属部件所吸收的热量，设计总焓增减去金属部件所吸收的热量得到设计有效焓增。
饱和温度按照IFC-97 公式计算：
为减少计算负荷，分离器出口过热蒸汽的焓采用下面的简单拟合公式：
h = 2022.7 +1.6675T + 2.9593×10−4T2 −1.2690×109 P / T2.7984 −1.0185×1023 P2 / T8.3077
（适用范围：0～40MPa，273.15～1073.15K），省煤器出口不饱和水的焓采用下式拟合：
h = 130.06 + 0.947711× t1.2521 + P × (0.7234 − 9.2384×10−10 × t3.6606 )
（适用范围：10～40MPa，160～250℃）。
其中：h —— 焓，KJ/Kg
P，p —— 压力，MPa
P* —— 基准压力，MPa
T —— 温度，K（℃＋273）
T* —— 基准温度，1K
t —— 温度，℃
3给水控制系统的DCS实现
由锅炉主控指令以及锅炉设计参数计算出分离器出口单位工质设计焓值，同时考虑一级过热减温要求分离器出口增减的蒸汽焓，得到分离器出口蒸汽焓设定值，实现方式是利用T 控制器。论文参考网。T 控制器设定值为根据一级减温器出口温度和设计温降推算出一级减温器前温度（原理类似一级减温主回路设定值的生成），测量值端为实际的一级减温器前温度，若设定值比实测值大，说明一级减温器前温度偏低，需增加分离器出口蒸汽焓。论文参考网。经过一级过热减温器两端的温度降修正的分离器出口蒸汽焓设定值进入焓值调节器与实际的蒸汽焓进行偏差运算，输出作为省煤器出口到分离器出口单位工质焓增的修正值。修正的分离器出口蒸汽焓设定值减去省煤器出口实际焓值得到省煤器出口到分离器出口单位工质焓增的基本值，基本值与修正值之和作为单位工质在此段内的最终焓增。为防止焓值调节器工作时低于本生点，需对焓值调节器的输出进行限制，同时也利用省煤器流量裕度对T调节器输出进行限制，两者限制值随锅炉负荷变化而变化。将焓值控制器的输出送到锅炉主控回路中作为其前馈，以减少燃料和给水间的影响。为保证给水流量总是超过本生流量和循环流量，对给水流量设定进行最小值限制。防止储水箱水位和给水控制系统间的相互影响，将循环水流量的实际微分信号引入到给水流量需求生成回路中，当循环水流量呈增加趋势时，适当减少给水流量需求，这样就可减少两者间的影响，当锅炉停运或循环水调节阀关闭时，取消此前馈信号。本设计方案对锅炉侧采用水跟煤的控制方案，即用燃料量校正主汽压力的稳态偏差，燃料量改变时，根据一个函数发生器改变给水流量设定值，以粗调水煤比，用主给水流量校正中间点温度的稳态偏差。逻辑原理如下图
下列情况下锅炉给水主控强制手动：
汽水分离器出口温度坏质量
锅炉给水流量信号故障
小汽机均手动
电泵耦合器投自动
在实现给水控制的系统中，Ovation系统是EMERSON公司开发的一套集过程控制和企业管理一体的新一代集散控制系统(DCS)，功能强大。系统主要功能块新型PID控制器，功能如图4所示。
图4：新型功能块示意图
此功能块与传统PID控制算法相比有如下特点:对微分作用的算法做了改进;在串级组态方式时，当遇到限制值时，禁止增加和禁止减少信号，防止主回路出现积分饱和;显著提高了控制器在饱和状态时对控制偏差信号方向突然变化的响应时间，既可执行无相互影响的PID控制算法，也可执行有相互影响的经典的PID控制算法;具有快速饱和恢复选择的功能等。形成的给水控制逻辑如下图：
4给水控制系统运行中的问题及改进措施
给水控制系统在电泵与汽泵负荷转移以及并泵过程中容易引起给水流量大幅波动。由于直流锅炉不象汽包炉那样有汽包缓冲，给水流量的波动会直接影响汽温、汽压和负荷的稳定。为了稳定机组的运行，切换过程必须十分缓慢地进行，运行人员劳动强度较大。这主要是控制系统自动分配转速控制指令的结果。为此，可对系统进行两点改进：一是以泵出口压力和给水母管压力的差值作为逻辑信号。当其差值大于零时，泵就开始带负荷。当差压小于零时,泵未带负荷，限制器VL起作用,其转速指令的变化对处于自动状态的泵指令基本不产生影响,运行人员可以较快地手动调整待并泵的转速,使之较快地带上负荷。处于自动状态的给水泵能在不受手动泵转速变化干扰的条件下控制好给水流量。一旦泵出口逆止门开启，泵带上负荷，限制器就不起限制作用，运行泵分享调节器输出的自动控制指令，共同完成给水调节任务。二是在取消限制作用的瞬间，对副调节器的输出进行一次跟踪计算。跟踪计算就是要使副调节器的输出指令与和取消限制之前的各泵实际转速指令相适应，以防止取消限制器可能产生的扰动。
总之，超超临界机组与相同容量的亚临界汽包炉相比，自动化系统的规模，即所需的自动控制和仪表装置大致相同，但超超临界锅炉的给水控制更为复杂一些，要求自控设计人员与锅炉设计人员配合，了解直流锅炉运行特点，运用更先进的控制理论和更完美的控制策略。
本文研究并论述了一种一种基于步进电机的航标灯器设计方案，本方案中采用步进电机直接驱动航标灯器旋转，对提高航标灯器在运转过程中的稳定性水平有确切价值。
【关键词】航标灯器 步进电机 稳定性
当前航标灯器应用领域中关键器件的国产化程度比较有限，干线灯塔所采用的航标灯器大多自国外进口且使用时间较长，不同程度上存在智能化程度低、功耗大、老化严重等问题，并且也不符合节能减排的应用需求，对新时期航变管理的现代化实现是非常不利的。本文即根据此背景，提出一种基于步进电机的航标灯器设计方案，本方案中采用步进电机直接驱动航标灯器旋转，对提高航标灯器在运转过程中的稳定性水平有确切价值。
1 机械结构
整套航标灯器机械结构如下图所示（见图1）。结合图1：该航标灯器外形尺寸为1000.0mm×1500.0mm，航标灯体与航标灯器控制器采用分离式设计、灯器结构下部为驱动模块，主要装置包括：步进电机、控制信号线接线排、电机驱动器、防尘罩、以及机械传动结构等；灯器结构上部则为光学模块；灯器结构中心部位配置换泡机以及安装灯泡，透镜以及透镜支架等。系统机械结构中选用电机为空心轴式步进电机，将步进电机固定于穿过航标灯器轴心的中心支杆，带动旋轴执行旋转动作。在航标灯器正常运转过程中，航标灯器控制器对步进电机产生驱动作用力，使其按照预定转速运转，为六面透镜提供转动驱动力，产生预定灯质的闪光导航信号，发挥航标管理功能。
2 旋转方式设计
现阶段可用于航标灯器旋转的模式众多。如何确保航标旋转灯器运转的连续性与稳定性是旋转方式设计中必须高度重视的课题之一。分析认为，航标灯器的旋转具有一定特殊性：
（1）对航标灯器运转稳定性要求高，要求确保航标灯器所产生灯质能够始终符合预设标准。
（2）对航标灯器运转持久性要求高，应当在满足灯质要求的前提下尽可能延长维护间隔时间。
（3）对航标灯器运转转速要求高，应当在满足灯质要求的前提下尽可能保持航标灯器的稳定低速运转。
满足上述特点，航标灯器的旋转驱动方式主要实现途径有以下三种：
（1）步进电机驱动。目前，步进电机驱动航标灯器旋转驱动方式在国外航标灯器管理领域中应用较为广泛。
（2）伺服电机直接驱动。如英国PRB系列以及西班牙BGA系列灯器均采用此种驱动方式。
（3）步进电机+同步带驱动传动。如美国TRB-400灯器即采用此种驱动方式。
结合实践应用经验来看，上述三种旋转驱动方式均可基本满足航标灯器的运转需求，但同时也存在一定的局限性，如步进电机驱动方案下航标灯器运转平稳性较差，转动一周周期内的即时速度不够均匀，会对航标灯器灯质质量产生影响；伺服电机直接驱动方案下虽然可提高航标灯器的旋转稳定性，转速精确，但驱动部分相对复杂，后期维护管理存在较大难度；而步进电机+同步带驱动传动方案则具有控制方便、转速精确的优势，但由于需要合并同步带传输，因此整套旋转结构复杂，同步带在后期使用中存在的老化问题也必须引起重视。
参考上述多种旋转驱动方式的运行经验认为步进电机驱动航标灯器旋转具有稳定性高、控制简单的特点，故在本方案设计中选用步进电机驱动方案。该驱动模式下，最关键性的问题时对旋转传动装置进行设计，在发挥步进电机优势的同时，起到简化机械传动结构的理想效果。在步进电机的多种传动方式下，考虑到维护方便性，加工成本低廉，以及传动适用范围等因素，本方案中采取联轴器直接驱动方式，通过联轴器将动力直接传递给执行部件，以驱动步进电机为航标灯器的稳定运转提供动力。
3 升降频控制设计
在航标灯器采用步进电机驱动的过程中，步进电机升降频的控制主要可采用如下三种方式实现：
第一是直线升降频控制。
第二是指数曲线升降频控制。
第三是抛物线升降频控制。
对于第一种控制方式而言，步进电机驱动下以恒定加速度进行升降操作，平稳性好，近似于步进电机的加减速过程运动规律，虽然加速时间长，但软件实现难度低，多建议应用于速度变化较大的快速定位方式；
对于第二种控制方式而言，步进电机驱动下根据其矩频特性进行控制，可最大限度利用步进电机有效转矩作用率，具有良好的快速响应能力，升降频时间段。但本方案下若速度变化快则会对升降频平衡性产生影响影响，故多建议应用于跟踪响应要求较高的切削加工工况中；
对于第三种控制方式而言，其将上述两种控制方式综合一体，利用步进电机在低速运转工况下的有效转矩作用力，以缩短升降速时间，同时也具有指数曲线升降频控制模式下的跟踪优势，应用潜力大。本设计方案中根据航标灯器控制系统特点，采用直线升降频控制方案，以避免步进电机出现过冲或失步问题，提高稳定性。
根据上述分析，实际设计时保留一定的预留量，灯器控制系统在程序设计中每次起动时，初始转速确定为每圈180.0s，起动过程中按照0.006rad/s?。由于航标灯器在实际运行中容易受到各种不确定外来因素的影响，程序中设计了智能化自动跟踪功能，具体实现流程如图2所示。
4 结束语
以上研究中根据航标灯器运转的特点以及在航标管理领域中的条件限制，将步进电机直接驱动方式引入航标灯器设计领域，为航标灯器控制系统的设计提供了重要依据。在本设计方案作用下，步进电机直接驱动航标灯器运转，结构设计简单，运转稳定可靠，控制方便快捷，有广泛应用价值，并且对航标灯器的国产化开发有良好促进作用。
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关键词：模糊控制 直流电机 MATLAB
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0109-04
直流电动机具有起动转矩大、控制性能较优等特点，在几点产品中应用广泛[1，2]。目前直流电机多采用传统的PID控制，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，被广泛应用于工业过程控制中[3]。但PID控制适合于可建立精确数学模型的确定性控制系统，但实际的工业过程控制系统中存在很多非线性或时变的不确定因素，使得PID控制器的参数整定过程十分繁琐，控制效果也往往因此而受影响。近些年来，随着现代控制理论、智能控制和计算机技术的飞速发展，出现了很多新型的控制系统，模糊控制就是其中之一[4，5]。模糊控制器不需要掌握控制对象的精确数学模型，而是根据人工控制规则组织控制决策表，再由控制规则表决定控制量的大小[6，7]。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰、参数未知等系统具有良好的控制效果[8～10]。
本文将模糊控制应用到直流电动机调速系统中，并通过MATLAB仿真，对基于模糊PID和传统PID的控制系统作了对比分析研究。
1 控制系统模型
1.1 系统结构
基于模糊PID的直流电机双环控制系统结构如（图1）所示，主要由模糊控制器、电流PI控制器、驱动电路、直流电动机及转速、电流反馈装置构成。
1.2 直流电动机数学模型
2 模糊PID控制器设计
2.1 模糊控制
模糊理论早于20世纪60年代，美国加州大学的L.A.Zadeh教授就提出[4，5]。模糊控制作为目前最具实际意义的智能控制方法之一，以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础。
模糊控制的基本原理框图。它的核心部分为模糊控制器，如中点划线框中部分所示，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。
实现一步模糊控制算法的过程描述如下：首先获取被控制量的精确值，将此量与给定值比较得到误差信号，一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号的精确量进行模糊化变成模糊量。误差的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差的模糊语言集合的一个子集（一个模糊矢量），再由误差和模糊控制规则（模糊算子）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量。
2.2 基于模糊控制的转速调节器设计
本文直流电机控制系统中，外环转速调节器采用模糊PID控制器，内环电流调节器依然采用传统PI控制器。
从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精密。但是维数越高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这是目前人们广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在。
（1）确定输入与输出变量的模糊子集和论域及其隶属度。
（2）设计模糊推理关系，确定模糊控制规则，以明确模糊关系矩阵。
（3）模糊决策，确定输出量在其论域上的模糊矢量。
（4）模糊判决，即将控制量去模糊化，得到确定的输出变量，进而得到相应的控制表。
3 系统仿真与分析
为分析模糊控制器控制性能，本文针对直流电机控制系统，利用模糊控制技术设计转速调节器，电流调节器依然采用传统PI控制，用MATLAB/Simulink仿真工具进行了系统仿真。并和传统内外环均采用PID控制的系统指标进行了比较。
仿真用相关参数为：直流电动机额定电压220 V，额定电流8.7 A，额定转速1500 r/min，
Ce为0.132 Vmin/r，允许过载倍数1.6；晶闸管装置放大系数60；R为5.26欧，Tl为 0.021 s，Tm为0.16 s。
直流电机及其控制系统MATLAB/Simulink仿真模型如（图4）所示。
为分析模糊控制系统的性能，建立了直流电机PID控制系统仿真模型，从系统超调量、启动快速性、抗负载扰动能力及鲁棒性等几个方面进行了比较分析。
（1）系统超量、启动快速性及抗负载扰动能力分析。为分析系统抗扰动能力，在仿真过程中，5 s时，设定系统负载突然增加到额定负载的1.5倍。仿真结果如（图5、6）所示。
模糊控制系统输出几乎没有出现转速超调，而传统PID控制系统转速超调量约为26.7%。其次，传统PID控制系统启动快速性要好于模糊PID控制系统。另外，在图5中，在5秒时，由于负载变化，转速出现了明显波动，并伴随一个恢复过程；而模糊控制系统中，转速没有明显变化，说明模糊控制系统有更强的抗负载扰动能力。
（2）系统鲁棒性分析。鲁棒性分析主要模拟控制系统适应控制对象参数变化的能力。仿真过程中，设定9秒时将电枢回路电阻5.26欧改变为8欧，以模拟系统参数的变化。转速输出波形如（图7、8）所示。
可以看出传统PID转速输出波形在9 s后出现了变化，且后续出现发散现象，转速极不稳定，而模糊PID波形基本没有什么变化，说明其鲁棒性要优于传统的控制系统。
4 结论
本文搭建了基于模糊PID控制的直流电机控制系统，给出模糊PID控制器设计过程，并利用MATLAB/Simulink软件对模糊PID与传统PID控制系统进行了仿真和系统性能比较研究。从仿真结果可以看出，模糊PID控制系统具有超调量小、鲁棒性和抗负载扰动能力有较强的优点。由于模糊PID的设计比较简单，容易实现，控制效果也更出色，可在实际工程中进一步推广应用。
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教师指导和学生设计制作
每一届的毕业设计环节中，指导教师和学生之间的搭配都是一个双向选择的过程。一个优秀的毕业设计成果是需要师生通力合作的，而其中的重点仍然是以学生为主。毕竟毕业设计的最终目的是让学生学会运用所学知识，提升职业素质，达到学生能够适应社会工作的竞争环境的目的。“材料自动分拣系统”的指导过程大概分为三部分：一是硬件设备的选择；二是简单控制系统的安装和调试，三是整个系统的综合调试。
1．硬件设备的选择
在选择硬件设备时，往往要面临的问题是，系统中哪些功能是可以设计的，哪些功能是可以直接应用成品的。笔者指导学生选择硬件的原则是优先选择工程中实际应用的设备或元器件，如果我们能够选择到合适的成品元器件，就可以节省一部分时间。以电源设计为例，电源设计是一个复杂而又简单的问题，如果学生毕业以后想从事微电子行业，设计一个电源是很好的选择。一个好的电源设计是很复杂的问题，主电路设计并不难，难点是相关保护电路、稳压电路的设计。本设计中直接采用了模块化电源。再如传感器，现代工业中成型的传感器产品很多，应用也很广泛，本设计中部分传感器采用了欧姆龙产品。在这个选择的过程中，学生需要对整个系统进行认真甄别，想办法利用现有的一些资源，如实验室现有设备，选择最合适的一些元器件。对于实验室没有的，就需要查找相关资料，这个过程也是学生学习的过程，尤其是学生进入各种专业网站和论坛，对学生的知识面的扩展和专业知识的自主更新有很大的促进作用。
2．简单控制系统的安装和调试
实际上，一个最简系统的工作过程是将一个控制信号输入给控制器，然后控制器输出一个信号实现一个动作。如果一名学生能够对最简系统完全理解掌握，就可以对其进行有效扩展。如本设计中检测环节的传感器，最简单的可以采用一个红外接近开关，复杂一些的可以采用光纤传感器，如想再扩展，可以引入扫码器等。控制器可以采用PLC或单片机等，若三菱的PLC会用了，西门子的PLC也就基本没有问题了；执行器可以控制一个简单的继电器，复杂一些的就可以控制电动阀。调试过程一定是基于对简单系统的完整理解进行的，很多时候学生迈不开理论进入实践的步伐，原因就是都卡在了这里。在学生完美地掌握了系统的原理后，根据每条线路、每条程序应该对现实系统产生的影响状态，用相关仪器仪表进行调试，只有这样才能保证系统的硬件成功。在简单系统的设计与调试过程中，我们看见了很多的方向，这就给学生对所掌握的专业知识提供了很多的可能，对学生整体专业知识和基础知识的自主更新提供了充足的引导作用和吸引作用，在主观上引起学生对自身知识技能进行自主更新。
3．整个系统的综合调试
整个系统的综合调试是建立在系统的硬件全部选择完毕并正确安装之后进行的。在调试过程中，要充分利用上位计算机的监控功能，做到明白一步、编程一步、写入一步、执行一步、观察输出，利用相关仪器仪表检测电压信号、气压信号，对电路进行调整，直到输出正确，然后再进行下一步的调试。综观整个调试过程，由于学生对系统的基本原理和运行情况已经深入了解，所以侧重点实际上是仪器仪表的使用。通过安装、调试的过程，让学生立足于常见仪器仪表的使用，并对一些先进仪器仪表，如压力变送器、3型电动调节阀、3型控制器等，进行适当的引导性扩充，引导学生学习阅读产品说明书，消除对陌生设备的恐惧感，从而适应对陌生领域知识的自主更新。
形成论文，进行答辩及竞赛
学生毕业以后，除应具有优秀的专业素质以外，还应具有向其它行业扩展知识技能的能力。通过调查往届毕业生得知，很多学生毕业以后，由于各种各样的原因，从事了不同行业的工作，所以在毕业设计环节的最后阶段，应该指导学生学会对其它陌生知识领域的探索精神，并利用自主更新的能力去适应新知识、新环境。
首先在形成论文方面。所有的毕业生均学过计算机基础课程，也熟悉基础办公软件Word及Excel，但综合几年来学生的论文情况来看，大部分的学生对论文的画图和排版都很头疼。在这个熟悉的陌生环境下，如果学生能够独立完成论文的文本工作，那么该学生毕业后从事需要文本技能方面的工作时就会得心应手。这类知识的自主更新一般很容易，一是技术比较熟悉，二是查找资料方便，三是可以互相探讨。所以形成论文的文本制作过程，是一个很好的向陌生知识领域扩展的过渡过程。
其次是答辩和竞赛方面。我系每年学生的毕业设计答辩的时候要求必须制作幻灯片。这样要求的主要原因是由于一些电路图等无法用语言直接描述。而学院组织的院级毕业设计竞赛对幻灯片的要求就更高了，所以若想在竞赛中取得好成绩，除了毕业设计产品自身需要好以外，还必须配备有足够优秀的幻灯片去展示和包装毕业设计产品。对于幻灯片的制作，对学生的基本要求：一是要少文字、多表格、多图片；二是要对硬件调试过程制作一个电子像册，以此来展示整个调试的过程；三是若有条件对硬件演示进行摄像，可以制作视频短片，以方便竞赛的时候，在做毕业设计硬件演示时提供给距离较远的评委观看；四是若还有时间和精力，可以考虑制作一个简单的三维动画展示。在该课题最终参加竞赛的8分钟幻灯片里面，有视频短片11部、三维动画20秒、高清晰图片27张、像册36秒，非常完美地展现了整个设计过程，再配合学生的现场表现和硬件的现场演示，获得了第一名的好成绩。
