導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇控制軟件設(shè)計(jì)論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)的超聲檢測(cè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是在復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)之上結(jié)合了遠(yuǎn)程通信技術(shù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。此系統(tǒng)主要由上位機(jī)、多軸運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械執(zhí)行裝置、限位開(kāi)關(guān)和超聲探頭等組成，其組成框圖如圖1所示。由上位機(jī)LabVIEW控制系統(tǒng)為多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，并由多軸運(yùn)動(dòng)控制器將運(yùn)動(dòng)信號(hào)拆分為步進(jìn)信號(hào)和方向信號(hào)，再將這兩種電機(jī)控制信號(hào)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將其轉(zhuǎn)化為角位移發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)個(gè)步距角，以達(dá)到使步進(jìn)電機(jī)按指令運(yùn)動(dòng)的目的。步進(jìn)電機(jī)上安裝有機(jī)械執(zhí)行裝置，用以固定超聲探頭，機(jī)械執(zhí)行裝置上安有限位開(kāi)關(guān)，以此控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到限位開(kāi)關(guān)的位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)發(fā)出限位信號(hào)到多軸運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器便停止發(fā)出使電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖信號(hào)。在進(jìn)行自動(dòng)超聲檢測(cè)時(shí)，Z軸方向機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)上固定的超聲檢測(cè)探頭能夠在被檢測(cè)物體的表面按照上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，并實(shí)時(shí)向PC機(jī)返回探頭的位置信息，并將數(shù)據(jù)采集卡采集的超聲信號(hào)與探頭返回的位置信息建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終通過(guò)上位機(jī)的圖像處理系統(tǒng)形成超聲檢測(cè)圖像，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的超聲檢測(cè)。

2多軸運(yùn)動(dòng)控制器的方案設(shè)計(jì)

多軸運(yùn)動(dòng)控制器可以通過(guò)遠(yuǎn)程以太網(wǎng)通信的方式接收上位機(jī)的控制信號(hào)，向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)以完成對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。采用ARM9處理器S3C2440搭建硬件平臺(tái)，配有DM9000A以太網(wǎng)通信芯片使硬件平臺(tái)具備遠(yuǎn)程通信的功能。在Linux操作平臺(tái)上進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)，并采用UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間的遠(yuǎn)程通信［3］。

2．1多軸運(yùn)動(dòng)控制器硬件電路設(shè)計(jì)

本文采用ARM9處理器S3C2440設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制器的硬件電路部分，并采用DM9000A網(wǎng)絡(luò)接口控制器設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制器的以太網(wǎng)接口。運(yùn)動(dòng)控制器硬件整體框圖如圖2所示。運(yùn)動(dòng)控制器選用ARM9處理器作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的插補(bǔ)等多軸運(yùn)動(dòng)控制算法。選用DM9000A以太網(wǎng)控制芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)LabVIEW與運(yùn)動(dòng)控制器之間的遠(yuǎn)程通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。為了解決步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控芯片信號(hào)匹配的問(wèn)題，本文采用光耦器件設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)把主控芯片輸出的3．3V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換至5V電壓信號(hào)后輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，同時(shí)負(fù)責(zé)把限位開(kāi)關(guān)發(fā)出的24V限位信號(hào)轉(zhuǎn)換至3．3V輸入到主控芯片中。此外，電路中還搭載了用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展存儲(chǔ)器、以及用于調(diào)試的JTAG接口電路和RS232串口電路。

2．2多軸運(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)

本課題所用的限位開(kāi)關(guān)為位置可調(diào)的限位開(kāi)關(guān)，每個(gè)軸有2個(gè)限位開(kāi)關(guān)，在每次超聲檢測(cè)前，把每個(gè)限位開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)到被測(cè)工件的邊緣處，從而使探頭移動(dòng)的范圍即為工件所在范圍。故此設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的軟件時(shí)便可將限位開(kāi)關(guān)做為邊界條件，以此來(lái)設(shè)計(jì)探頭的運(yùn)動(dòng)范圍。其運(yùn)動(dòng)控制流程:首先系統(tǒng)初始化，通過(guò)上微機(jī)控制界面人工控制探頭到被測(cè)工件的起點(diǎn)，然后X軸正向運(yùn)動(dòng)到X軸限位開(kāi)關(guān)處，Y軸正向運(yùn)動(dòng)一個(gè)探頭直徑的長(zhǎng)度，X軸再反向運(yùn)動(dòng)到X軸另一側(cè)的限位開(kāi)關(guān)處，之后Y軸繼續(xù)正向運(yùn)動(dòng)一個(gè)探頭直徑的長(zhǎng)度，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)直至探頭到達(dá)Y軸的限位開(kāi)關(guān)處，檢測(cè)結(jié)束，探頭復(fù)位。運(yùn)動(dòng)控制軟件流程圖如圖3所示。

3多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)的自動(dòng)超聲檢測(cè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是以LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，使用圖形G語(yǔ)言進(jìn)行編寫的，主要包括多軸運(yùn)動(dòng)控制軟件和以太網(wǎng)通信軟件。Lab-VIEW是一款上位機(jī)軟件，其主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，具有良好的人機(jī)交互界面［4］。LabVIEW軟件中有專門的UDP通信函數(shù)提供給用戶使用，用戶無(wú)需過(guò)多考慮網(wǎng)絡(luò)的底層實(shí)現(xiàn)，就可以直接調(diào)用UDP模塊中已經(jīng)的VI來(lái)完成通信軟件的編寫，因此編程者不必了解UDP的細(xì)節(jié)，而采用較少的代碼就可以完成通信任務(wù)，以便快速的編寫出具有遠(yuǎn)程通信功能的上位機(jī)控制軟件［5］。上位機(jī)LabVIEW軟件的遠(yuǎn)程通信模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊相互協(xié)調(diào)配合，共同構(gòu)成了超聲檢測(cè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。

3．1運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件部分主要由運(yùn)動(dòng)方式選擇、探頭位置坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)控制等模塊組成，可完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的選擇，運(yùn)動(dòng)參數(shù)、控制指令的設(shè)定以及探頭位置信息讀取等工作。運(yùn)動(dòng)方式選擇模塊可根據(jù)實(shí)際需要完成相對(duì)運(yùn)動(dòng)或是絕對(duì)運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式的選擇，并會(huì)依照選擇的既定運(yùn)動(dòng)模式將X、Y、Z三軸的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)輸出在相應(yīng)顯示欄中，以便進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)核對(duì)以及設(shè)定;運(yùn)動(dòng)控制模塊可依照檢測(cè)規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的控制，包括:設(shè)定相對(duì)原點(diǎn)、運(yùn)行、復(fù)位、以及退出等相關(guān)操作。相對(duì)原點(diǎn)設(shè)定可以將探頭任意當(dāng)前位置設(shè)為新的原點(diǎn)，并以原點(diǎn)作為下一個(gè)運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)，即為探頭位置坐標(biāo)的相對(duì)零點(diǎn)，并將此刻相對(duì)原點(diǎn)的絕對(duì)位置坐標(biāo)值在文本框中顯示出來(lái)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

3．2以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信模塊采用無(wú)連接的UDP通信協(xié)議，通過(guò)定義多軸運(yùn)動(dòng)控制器與上位機(jī)LabVIEW的以太網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信。具體設(shè)計(jì)如下:首先使用“UDPOpenConnection”打開(kāi)UDP鏈接，使用“UDPWrite”節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器端相應(yīng)的端口發(fā)送命令信息，然后使用“UDPRead”節(jié)點(diǎn)讀取服務(wù)器端發(fā)送來(lái)的有效回波數(shù)據(jù)，用于后期處理，最后應(yīng)用“UDPCloseConnection”節(jié)點(diǎn)關(guān)閉連接［6］。以太網(wǎng)通信模塊的程序框圖如圖5所示。

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、上位機(jī)控制軟件和自主研發(fā)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成。在上位機(jī)的用戶控制界面中，首先輸入以太網(wǎng)的IP地址并選擇運(yùn)動(dòng)方式，然后根據(jù)用戶的檢測(cè)需求設(shè)定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離，點(diǎn)擊運(yùn)行后探頭即按所設(shè)定運(yùn)行。探頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還可以選擇設(shè)定當(dāng)前位置為原點(diǎn)，探頭即按照新的原點(diǎn)重新開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在探頭運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)顯示探頭當(dāng)前所在位置坐標(biāo)。模擬開(kāi)關(guān)發(fā)送選通超聲探頭信號(hào)并發(fā)送脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲探頭發(fā)射超聲波，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，存儲(chǔ)完成后向ARM發(fā)送信號(hào)，ARM接收到采集完成信號(hào)將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)向上位機(jī)發(fā)送。上位機(jī)的LabVIEW用戶控制界面如圖6所示。

5結(jié)束語(yǔ)

篇2

關(guān)鍵詞：毛巾劍桿織機(jī)；Cortex-M3；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

引言

劍桿毛巾織機(jī)以其靈活多變、適應(yīng)性廣、技術(shù)發(fā)展成熟而深受毛巾生產(chǎn)企業(yè)的青睞。當(dāng)前劍桿毛巾織機(jī)逐步替代了老舊的有梭織機(jī)，成為了毛巾織造行業(yè)的主流設(shè)備。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)劍桿毛巾織機(jī)在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下得到了巨大的發(fā)展，但是遍布江浙地區(qū)的中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的自主研發(fā)能力普遍還很弱，現(xiàn)有的劍桿毛巾織機(jī)產(chǎn)品大多數(shù)是在測(cè)繪國(guó)外中低檔產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，高性能與新機(jī)型的研發(fā)能力以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)能力普遍不足，而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，需要不斷更新和開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。因此，在完成機(jī)械部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能控制系統(tǒng)，逐漸成為國(guó)內(nèi)中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點(diǎn)。

文章以劍桿毛巾織機(jī)樣機(jī)（如圖1所示）為控制對(duì)象，在分析毛巾織造工藝的基礎(chǔ)上，提出了一套以ARM技術(shù)為核心的新型毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并制作樣機(jī)。文章的研究成果將在合作單位首先試用并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣，有利于推動(dòng)紹興以及浙江地區(qū)中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的升級(jí)換代，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 劍桿毛巾織機(jī)樣機(jī)

1 硬件設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)以ARM技術(shù)為核心，采用的主控芯片為L(zhǎng)PC1766。硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程為：首先，根據(jù)控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，完成電路原理圖設(shè)計(jì)，并計(jì)算相關(guān)電路參數(shù)，采購(gòu)電路元器件。其次，對(duì)關(guān)鍵電路模塊進(jìn)行功能仿真或制作實(shí)物電路論證電路設(shè)計(jì)的合理性與可靠性。最后，繪制電路PCB板圖，重點(diǎn)考慮電路布局與電路板抗干擾性能。在拿到PCB樣板后，焊接控制系統(tǒng)電路板。其核心電路如下所述：

1.1 主控制板硬件電路設(shè)計(jì)

主控制板硬件電路設(shè)計(jì)包括：LPC1766芯片供電模塊、電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘電路、USB輸入輸出接口、19264液晶顯示屏控制電路、掉電復(fù)位保護(hù)電路、劍桿毛巾織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)量輸入模塊、起毛伺服控制器接口、鍵盤接口電路以及電子多臂龍頭控制板、伺服電機(jī)連接控制板與8色選緯控制板的接口等電路模塊的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與制作調(diào)試工作。其中液晶顯示電路如圖2所示。

1.2 卷取伺服電機(jī)連接控制板設(shè)計(jì)

卷取伺服電機(jī)連接控制板主要解決主控制板與卷取系統(tǒng)的伺服電機(jī)控制器之間的通信問(wèn)題，具有獨(dú)立的控制芯片STCF1104。該連接控制板與主控制板之間的通信采用RS232實(shí)現(xiàn)。卷取伺服電機(jī)連接控制板與伺服控制器之間需要實(shí)現(xiàn)伺服使能信號(hào)、伺服硬件異常報(bào)警信號(hào)、伺服系統(tǒng)定位完成、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與脈沖數(shù)等信息的讀取與設(shè)置。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)的軟件將以實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件管理系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其設(shè)計(jì)流程如下：

（1）在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)：首先，進(jìn)性詳細(xì)的市場(chǎng)調(diào)研，分析市場(chǎng)上主流的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)（包括平布與毛巾織機(jī)）的功能特點(diǎn)，借鑒其好的設(shè)計(jì)思想，使其為我所用，并設(shè)法改進(jìn)其不足之處，確保設(shè)計(jì)的劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)符合當(dāng)前的技術(shù)潮流，并具有自己的特色。其次，與合作單位的機(jī)械部件設(shè)計(jì)人員進(jìn)行充分的交流，在深刻領(lǐng)會(huì)其整機(jī)設(shè)計(jì)思想、織機(jī)控制要求與控制系統(tǒng)制造成本要求后撰寫劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)用戶需求分析報(bào)告與總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告，并提交合作單位審核通過(guò)。確保項(xiàng)目研究成果能在合作單位使用推廣，并被市場(chǎng)接受。

（2）控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)：首先，詳細(xì)分析毛巾織造工藝流程，理清劍桿毛巾織機(jī)控制信息點(diǎn)、研究織機(jī)動(dòng)作時(shí)序，確立控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)與控制信息間的邏輯關(guān)系。其次，根據(jù)用戶需求分析報(bào)告，對(duì)總體方案進(jìn)行細(xì)化，提出各個(gè)控制模塊與相關(guān)控制算法的具體實(shí)現(xiàn)方案，并完成關(guān)鍵芯片與外購(gòu)部件的選型工作。

（3）控制系統(tǒng)軟件編寫：首先，選擇合適的軟件開(kāi)發(fā)工具，建立嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，并完成嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件系統(tǒng)在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系統(tǒng)所有控制信息之間的邏輯關(guān)系，編寫控制系統(tǒng)軟件流程圖與狀態(tài)向量圖。再次，對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行模塊劃分，編寫各個(gè)子函數(shù)的輸入輸出接口，并設(shè)計(jì)控制信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型與控制算法。最后，項(xiàng)目組軟件編寫人員通過(guò)分工合作完成軟件代碼編寫與調(diào)試。

（4）劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試：在完成控制系統(tǒng)硬件電路制作與控制軟件設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證各項(xiàng)控制功能是否完備、織機(jī)動(dòng)作流程控制是否合理、各個(gè)控制模塊工作是否穩(wěn)定。通過(guò)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設(shè)計(jì)中的缺陷與錯(cuò)誤。

（5）劍桿毛巾織機(jī)整機(jī)調(diào)試：在完成控制系統(tǒng)軟硬件調(diào)試后，將劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)安裝到合作單位提供的樣機(jī)上進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證劍桿毛巾織機(jī)的整機(jī)功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、能否正確合理完成毛巾布料制造全部工藝流程與安全性要求。通過(guò)整機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設(shè)計(jì)中的缺陷與錯(cuò)誤，使得設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

控制系統(tǒng)軟件具體的開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)完成的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)了電子送經(jīng)、伺服卷取功能模塊。由變頻器、交流電機(jī)與接近式張力傳感器組成的電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了毛巾織造過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定的經(jīng)紗張力控制，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，又具有成本優(yōu)勢(shì)。伺服卷取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變緯密織造、毛巾須長(zhǎng)停車自走、定位停車后自動(dòng)補(bǔ)償消除停車擋等功能，并簡(jiǎn)化了機(jī)械零部件設(shè)計(jì)，如取消緯密齒等。（2）在不增加硬件設(shè)備情況下，設(shè)計(jì)了軟件自動(dòng)尋緯算法，能提高布面拼擋效果，而且將減輕擋車工的勞動(dòng)強(qiáng)度與操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服電機(jī)控制起毛凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)了毛巾織物起毛高度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)任意變化，能夠?qū)崿F(xiàn)波浪型花紋編織。（4）劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II構(gòu)建，改變了傳統(tǒng)織機(jī)控制系統(tǒng)軟件普遍采用的前后臺(tái)模式，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，也有利于提高劍桿毛巾織造工藝。

參考文獻(xiàn)

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篇3

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)以太網(wǎng)； EtherCAT；DSP；MPC5200；主站軟件

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）16-3678-04

將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是分布式控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線具有刷新周期短，數(shù)據(jù)傳輸容量大，數(shù)據(jù)傳輸效率高，同步性能高等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)有EtherCAT技術(shù)、EtherNet/IPIP技術(shù)、Ethernet Powerlink技術(shù)、Modbus/TCP技術(shù)等[1-3]。

EtherCAT是由德國(guó)Beckhoff 自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)，該總線具有高速和高數(shù)據(jù)有效率的特點(diǎn)，在硬件實(shí)現(xiàn)上具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、接線簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，為今后實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，更是今后實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)的首選[4]。

1 Ethercat總線的工作原理與相關(guān)協(xié)議[5-6]

1.1 Ethercat總線的工作原理

2 主站的硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP單元

核心器件采用TMS320C6455[9]，該器件TI公司推出的高速信號(hào)處理器，最高工作頻率為1.2GHz，該模塊主要電路包括時(shí)鐘、復(fù)位、JTAG調(diào)試接口、存儲(chǔ)器、通信電路、模擬量接收電路等組成。DSP主要用于復(fù)雜的實(shí)時(shí)信號(hào)處理（如：數(shù)控系統(tǒng)多軸的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)算法、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法），并將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)FPGA傳送到PowerPC控制的EtherCAT總線上。存儲(chǔ)器電路主要包括DDR2存儲(chǔ)器以及FLASH存儲(chǔ)器和DSP的接口，DDR2存儲(chǔ)器用于存放數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)運(yùn)行程序和系統(tǒng)重要參數(shù)。模擬量接收電路在FPGA控制下，將外部輸入的模擬信號(hào)數(shù)字化后送入DSP，用于數(shù)據(jù)信號(hào)處理。通信電路主要為千兆以太網(wǎng)接口電路，DSP內(nèi)部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通過(guò)外部擴(kuò)展PHY芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，千兆網(wǎng)主要用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和調(diào)試使用。

2.2 FPGA單元

在設(shè)計(jì)中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件內(nèi)部有39600個(gè)LE 資源，有1兆位的RAM，可提供三百多個(gè)輸入輸出 引腳，芯片內(nèi)部集成了一百多個(gè)個(gè)乘法器和4 個(gè)PLL 鎖相環(huán)，滿足硬件設(shè)計(jì)需求。FPGA用于實(shí)現(xiàn)DSP和PowerPC的雙向數(shù)據(jù)交換，PowerPC將接收到的EtherCAT總線上各控制單元的信息通過(guò)FPGA傳送到DSP內(nèi)部，DSP通過(guò)FPGA可以將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到EtherCAT總線上各單元。另外，F(xiàn)PGA還用于邏輯控制，實(shí)現(xiàn)模擬量輸入輸出信息、開(kāi)關(guān)量輸入輸出信息與DSP、PowerPC的無(wú)縫連接。

2.3 PowerPC （MPC5200B）單元

主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，該器件為Freescale 公司推出的32位高性能處理器，器件主頻工作頻率為400MHz，為了提高程序運(yùn)算速度，器件內(nèi)核分別帶有16K字節(jié)的程序、數(shù)據(jù)高速緩存，帶有一個(gè)雙精度浮點(diǎn)處理單元。對(duì)于外部關(guān)鍵信號(hào)，片內(nèi)帶有標(biāo)準(zhǔn)中斷管理單元。為了實(shí)現(xiàn)器件與外部通信，MPC5200B片內(nèi)集成一路100M的以太網(wǎng)控制器，兩路CAN總線控制器，多路串行口控制器。該單元由MPC5200B、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG 調(diào)試接口、通信接口電路、存儲(chǔ)器接口電路以及對(duì)外擴(kuò)展接口電路等組成。該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理接口以及主站協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)，并提供相應(yīng)的控制軟件。

2.4 電源單元

2.5 通信單元

在設(shè)計(jì)中為了考慮硬件的兼容性，采用了多種通信接口，在DSP上掛接一路1000M的以太網(wǎng)，用于DSP系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)設(shè)置，在PowerPC上掛接一路100M以太網(wǎng)接口，六路串行接口（分別為2個(gè)RS232口、兩個(gè)RS485口、2個(gè)CAN接口）。1000M的以太網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT總線物理接口，RS232口用于實(shí)現(xiàn)與PC通信，RS485口和CAN接口可以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備接口，滿足系統(tǒng)通用性要求。

3 主站軟件設(shè)計(jì)

EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC兩個(gè)運(yùn)行程序，DSP程序主要功能是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，PowerPC程序功能為實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的通信和設(shè)備的控制。DSP運(yùn)行的軟件主要為算法研究，由于篇幅所限，文章著重詳述在PowerPC硬件平臺(tái)下，EtherCAT協(xié)議和控制軟件在Linux操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。

3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站軟件功能

在PowerPC下運(yùn)行的EtherCAT 主站軟件主要包含如下功能：首先，完成系統(tǒng)主站硬件的初始化，軟件能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；其次，主站軟件通過(guò)發(fā)送命令要對(duì)EtherCAT 系統(tǒng)以及各個(gè)從站進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)主站與各從站之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換，實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議解析和轉(zhuǎn)發(fā)；再次，主站軟件可支持在線下載、實(shí)時(shí)更新。軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化編程，底層軟件提供硬件驅(qū)動(dòng)，中間層軟件為上層應(yīng)用軟件和底層軟件提供接口，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用軟件與驅(qū)動(dòng)軟件隔離。

3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站軟件具體實(shí)現(xiàn)

EtherCAT初始化完成后，在Linux內(nèi)新建兩個(gè)內(nèi)核定時(shí)器，一個(gè)用于完成周期性數(shù)據(jù)通信，另一個(gè)用于輪詢非周期性任務(wù)，也就是狀態(tài)機(jī)處理任務(wù)。周期性數(shù)據(jù)通信定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)最高，定時(shí)器運(yùn)行周期通過(guò)配置軟件設(shè)置，非周期任務(wù)查詢定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)較低，周期可定為50毫秒。

初始化和配置完成后，啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀，并檢查返回的數(shù)據(jù)幀，對(duì)返回的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，獲取從站的數(shù)據(jù)交給DSP處理，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將新的輸出命令發(fā)給PowerPC，PowerPC繼續(xù)發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀。

4 結(jié)論

采用基于DSP和PowerPC的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了EtherCAT總線主站相關(guān)協(xié)議，通過(guò)測(cè)試可知， 主站周期性的向各從站（測(cè)試時(shí)，從站數(shù)量為3）發(fā)送EtherCAT 數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包數(shù)量為1518字節(jié)），各從站接收到自己的數(shù)據(jù)包，再向主站返回相應(yīng)信息，EtherCAT總線延時(shí)時(shí)間為3.02μS，可以看出主站設(shè)計(jì)滿足實(shí)時(shí)性要求。

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可編程序控制器簡(jiǎn)稱PLC，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的控制系統(tǒng)，專門用于工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)。它的主要特點(diǎn)是可靠性高、使用方便、體積小、重量輕、編程簡(jiǎn)單易學(xué)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，利用PLC技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作。它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。

本論文以項(xiàng)目教學(xué)法的方式探索步進(jìn)電機(jī)的PLC控制轉(zhuǎn)速方法。本設(shè)計(jì)控制要求如下：按下啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電機(jī)以100Hz的基準(zhǔn)頻率正轉(zhuǎn)。按一次加速按鈕，頻率以50Hz遞增，最多加速5次；按一次減速按鈕，頻率以25Hz遞減，最多減速4次。加速時(shí)為正轉(zhuǎn)，減速時(shí)為反轉(zhuǎn)。按下停止按鈕，步進(jìn)電機(jī)立即停止運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)置為1，電流設(shè)置為1.5A。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)硬件部分由上位機(jī)、PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、負(fù)載等組成。上位機(jī)是計(jì)算機(jī)，作為控制面板、人機(jī)交互界面和控制軟件編制環(huán)境，通過(guò)與PLC的通信，實(shí)現(xiàn)操作監(jiān)控功能；PLC發(fā)出脈沖信號(hào)、方向信號(hào)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 控制系統(tǒng)的硬件。

1.2.1 PLC。使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)該保證PLC具有高速脈沖輸出功能。通過(guò)選擇具有高速脈沖輸出功能或?qū)Ｓ眠\(yùn)動(dòng)控制功能的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中，采用的是三菱系列FX2N-32MT型的晶體管輸出型PLC。在PLC的選型上，必須采用晶體管輸出型PLC，若使用繼電器型的PLC，則高速脈沖的輸出很難達(dá)到控制要求。

1.2.2 步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜力矩、電流三大要素組成。根據(jù)負(fù)載的控制精度要求選擇步距角大小，根據(jù)負(fù)載的大小確定靜力矩，靜力矩一經(jīng)確定，根據(jù)電機(jī)矩頻特性曲線來(lái)判斷電機(jī)的電流。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。

1.2.2.1 步距角的選擇。步進(jìn)電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。

1.2.2.2 靜力矩的選擇。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）兩種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2～3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。

1.2.2.3 電流的選擇。靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）。

1.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。電機(jī)的相數(shù)、電流的大小是驅(qū)動(dòng)器選擇的決定性因素。在選型中，還要根據(jù)PLC輸出信號(hào)的極性來(lái)決定驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)是共陽(yáng)極或共陰極。為了改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能和提高控制精度，通常通過(guò)選擇帶細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分等級(jí)有2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可達(dá)256倍細(xì)分。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)控制要求和步進(jìn)電機(jī)的特性選擇合適的細(xì)分倍數(shù)，以達(dá)到更高的速度和更大的高速轉(zhuǎn)矩，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高，振動(dòng)更小。如圖2所示。公共端：采用共陽(yáng)極接線方式。將輸入信號(hào)的電源5V正極連接到該端子上。控制信號(hào)低電平有效。脈沖：共陽(yáng)極時(shí)該脈沖下降沿被驅(qū)動(dòng)器解釋為一個(gè)有效脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行一步。方向：該段信號(hào)的高電平和低電平控制步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向。共陽(yáng)極時(shí)該端懸空被等效認(rèn)為輸入高電平。脫機(jī)：該端接受控制機(jī)輸出的高/低電平信號(hào)，共陽(yáng)極低電平時(shí)電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)。A+/A-，B+/B-：該端接兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。DC+/DC-：該端接10V-40V間的直流電源。

1.3 控制系統(tǒng)的連接。本設(shè)計(jì)的相關(guān)硬件連接如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC的I/O地址分配。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置。在驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的PLSY指令中，脈沖的個(gè)數(shù)=360°/步距角，工作的頻率=脈沖個(gè)數(shù)/運(yùn)行時(shí)間。不指定脈沖個(gè)數(shù)，則默認(rèn)為65535個(gè)脈沖。在方向信號(hào)輸入為0時(shí)，默認(rèn)為反轉(zhuǎn)。根據(jù)控制要求，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)置為1，SW1-SW3的設(shè)置為000，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°；電流設(shè)置為1.5A，SW5-SW7的設(shè)置為101。

2.3 梯形圖和指令表。

3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 初始化程序。程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，D0初始值為K100，指定的頻率為100Hz。

3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。按下啟動(dòng)按鈕X0，PLC的Y0脈沖輸出，Y2高電平輸出，步進(jìn)電機(jī)正傳運(yùn)行。

3.3 正傳加速調(diào)整。X2為正傳加速按鈕。當(dāng)按下一次X2時(shí)，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的當(dāng)前頻率的基礎(chǔ)上，以20Hz遞增，于是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。最多加速5次。

3.4 反轉(zhuǎn)減速調(diào)整。X3為反轉(zhuǎn)減速按鈕。當(dāng)按下一次X3時(shí)，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的當(dāng)前頻率的基礎(chǔ)上，以20Hz遞減，于是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。最多減速4次。

本論文采用了PLC控制兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的加減速，方法簡(jiǎn)單，控制方便，可靠性高。本論文中的程序通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物調(diào)試，驗(yàn)證了方法的正確性和可行性。用軟件完成脈沖分配功能，可以減少硬件資源，降低成本，控制的參數(shù)改變方法靈活，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本文著重探索了步進(jìn)電機(jī)的PLC控制的調(diào)速方法，詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的具體控制過(guò)程。文中有不妥之處，懇請(qǐng)斧正。

參考文獻(xiàn)

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采用數(shù)字仿真系統(tǒng)考核和調(diào)試空調(diào)控制裝置，較之在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，可大幅度縮短調(diào)試周期、降低能耗和成本，并易于完成裝置處理意外事故的功能調(diào)試。本文以實(shí)例作了仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，指出實(shí)時(shí)性好的空調(diào)數(shù)字仿真裝置可以獲得很好的仿真效果。

1前言

隨著能源問(wèn)題重要性的日益增加，改革和完善空調(diào)控制系統(tǒng)以降低能耗、提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，日益成為空調(diào)領(lǐng)域的重要課題。近年來(lái)許多復(fù)雜的空調(diào)控制裝置陸續(xù)開(kāi)發(fā)，尤其微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使各種采用微型計(jì)算機(jī)的控制裝置的開(kāi)發(fā)調(diào)試更成為迫切的任務(wù)。但是，控制裝置越復(fù)雜，控制系統(tǒng)智能程度越高，這種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)調(diào)試越困難，原因在于：

（1）空調(diào)系統(tǒng)的主要擾動(dòng)源是一年四季以不同規(guī)律隨機(jī)變化的室外氣象條件和室內(nèi)人員及設(shè)備的散熱、散溫。可靠的智能化控制系統(tǒng)應(yīng)能自如地應(yīng)付各種室內(nèi)外隨機(jī)擾動(dòng)，使被控對(duì)象維持在理想狀態(tài)，這在現(xiàn)場(chǎng)至少需有一年以上的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間方可完成一個(gè)調(diào)試周期，致使研制周期過(guò)長(zhǎng)，難以應(yīng)付市場(chǎng)的變化與需要。若建立專門人工氣候室進(jìn)行此項(xiàng)工作，投資大、能耗高、研制成本劇增，而且還有局限性。

（2）可靠的智能控制系統(tǒng)應(yīng)能妥善處理各種意外事故，諸如停電、停水、火災(zāi)和設(shè)備損壞等，而這類事故常常不便人為地在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室實(shí)現(xiàn)，這就給調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)處理意外事故功能帶來(lái)困難。

鑒于上述原因，控制裝置的考核與調(diào)試已成為突出的矛盾，本文通過(guò)實(shí)例介紹空調(diào)數(shù)字仿真系統(tǒng)在考核與調(diào)試控制裝置上的應(yīng)用。

關(guān)于建筑與空調(diào)系統(tǒng)數(shù)字仿真裝置及其實(shí)時(shí)性的探討，文獻(xiàn)[1]～[3]有詳細(xì)論述。裝置包括硬件和軟件兩部分，用戶可以方便地輸入所要研究的系統(tǒng)，并進(jìn)行輸入、輸出接口定義，然后將被調(diào)試的控制裝置像實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)那樣接入相應(yīng)接口端子，就可進(jìn)行調(diào)試考核工作。

2被調(diào)對(duì)象

2．1現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)及其功能

被考核調(diào)試的控制裝置為DCU-UP-6242型現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)，該機(jī)具有24路數(shù)字量輸入，8路模擬量輸入，16路數(shù)字量輸出和8路模擬量輸出。編程語(yǔ)言為MCS-51單片機(jī)語(yǔ)言，其功能包括：

（1）測(cè)量程序。通過(guò)數(shù)字量輸入通道和模擬量輸入通道可測(cè)出來(lái)自各種變送器的溫度、濕度、風(fēng)量、水流量值以及風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥運(yùn)行狀態(tài)。

（2）控制閥等被控設(shè)備控制量計(jì)算及輸出程序。

（3）時(shí)鐘處理程序。計(jì)時(shí)，以不同周期進(jìn)行參數(shù)測(cè)量與控制。

（4）鍵盤顯示程序。根據(jù)操作人員要求，按鍵顯示相應(yīng)測(cè)量參數(shù)、閥門開(kāi)度，并可進(jìn)行參數(shù)整定與設(shè)備操作。

（5）故障檢查程序。對(duì)溫濕度變送器、閥門調(diào)節(jié)失靈等狀況進(jìn)行檢測(cè)，并給出故障信息。

（6）控制方案程序。實(shí)現(xiàn)用戶控制思想，控制算法，給出控制方案號(hào)及各被控設(shè)備輸出狀態(tài)。

（7）主程序。負(fù)責(zé)上述程序的統(tǒng)一管理，見(jiàn)圖1。

圖1主程序流程圖

2．2空調(diào)系統(tǒng)

被控制的空調(diào)系統(tǒng)為雙風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)，負(fù)擔(dān)兩個(gè)濕濕度參數(shù)要求相同的房間，該空調(diào)系統(tǒng)的處理室有表面式空氣冷卻器、空氣加熱器和噴霧式蒸汽加濕器，可測(cè)量與調(diào)節(jié)設(shè)備為：

（1）室外、房間、混風(fēng)點(diǎn)、表面式空氣冷卻器后，送風(fēng)管等處設(shè)有溫濕度測(cè)點(diǎn)，送風(fēng)管還裝有風(fēng)量測(cè)點(diǎn)，它們均為數(shù)字量信號(hào)。

（2）表面式空氣冷卻器和空氣加熱器通過(guò)三通閥對(duì)冷熱媒進(jìn)行量調(diào)節(jié)，蒸汽加濕器用兩通閥調(diào)節(jié)。

（3）新風(fēng)、排風(fēng)、一次回風(fēng)、二次回風(fēng)和送風(fēng)管上設(shè)有氣動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥。

（4）兩個(gè)房間的送風(fēng)支路上設(shè)有電加熱器可進(jìn)行啟停控制。

3考核調(diào)試

現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的考核調(diào)式是對(duì)控制裝置功能的全面檢驗(yàn)。仿真考核調(diào)試就是利用仿真裝置替代實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)控制裝置的功能進(jìn)行檢驗(yàn)，包括硬件、軟件和功能實(shí)現(xiàn)的思想，并給出相應(yīng)的報(bào)告。

考核調(diào)試方法采用分層推進(jìn)法，即首先孤立地對(duì)各功能進(jìn)行考核，然后進(jìn)行綜合性運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試考核。

3．1系統(tǒng)描述

圖2為整體組成示意圖，首先將被控空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、設(shè)備數(shù)據(jù)等信息輸入模型機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的接口定義；然后將欲考核調(diào)試的控制裝置接入仿真系統(tǒng)，并檢查系統(tǒng)定義與接口的正確性。如果控制裝置有通訊接口，可與實(shí)驗(yàn)接口連接，此接口機(jī)可采集、存儲(chǔ)與顯示控制裝置的運(yùn)行結(jié)果。

圖2硬件組成

3．2功能考核調(diào)試

仿真系統(tǒng)進(jìn)入功能仿真程序，調(diào)試人員可以定義各溫、濕度以及風(fēng)量等參數(shù)值，同時(shí)測(cè)量控制裝置輸出的設(shè)備狀態(tài)，以便對(duì)各功能進(jìn)行單項(xiàng)考核。

（1）測(cè)量功能。仿真系統(tǒng)給出一系列溫度、濕度、風(fēng)量等各種參數(shù)值，檢查控制裝置測(cè)量結(jié)果是否正確。給出測(cè)量硬件、軟件是否正確，以及精度是否達(dá)到要求的考核報(bào)告。

（2）控制閥等設(shè)備的輸出程序。控制裝置給出被控設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，仿真系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，考核此程序功能實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。

（3）鍵盤顯示程序。檢查鍵盤實(shí)現(xiàn)功能是否正確。

（4）故障檢查程序。制造變送器與閥門調(diào)節(jié)的故障信息，檢查控制裝置對(duì)故障發(fā)現(xiàn)與處理的能力。

（5）控制方案程序。仿真系統(tǒng)制造一系列室內(nèi)、室外以及設(shè)備狀態(tài)的信息，檢查控制思想及實(shí)現(xiàn)正確與否，檢查設(shè)備動(dòng)作正確與否，但此時(shí)不檢查調(diào)節(jié)效果。

上述僅考核控制裝置的基本功能，如均達(dá)到要求，可進(jìn)入綜合性仿真試驗(yàn)，否則進(jìn)行修改、完善。

3．3綜合性仿真試驗(yàn)

空調(diào)系統(tǒng)的控制裝置應(yīng)能應(yīng)付作用到空調(diào)系統(tǒng)上的各種形式與變化的擾量，但日以不能進(jìn)行逐日仿真試驗(yàn)，因此，必須確定試驗(yàn)工況。單純從考核調(diào)控制裝置來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)工況的選擇應(yīng)考慮三方面問(wèn)題，即：氣象條件，建筑物的熱慣性；建筑物的使用情況，如人數(shù)、內(nèi)部發(fā)熱量和使用時(shí)間表等。如果為了考核調(diào)試用于某地區(qū)某建筑空調(diào)系統(tǒng)的控制裝置，則應(yīng)確定以下兩方面的試驗(yàn)工況。

（1）為了考查全年運(yùn)行特性，可按不同季節(jié)進(jìn)行綜合性仿真試驗(yàn)。一般可分為冬季嚴(yán)寒期、夏季炎熱期、春季、夏初以及秋季。并確定各季節(jié)的氣象條件。當(dāng)然，為了考核空調(diào)工況分區(qū)及其控制方案的合理性，則應(yīng)根據(jù)工況區(qū)先定氣象條件。一天內(nèi)室外空氣溫度的變化可視為正弦變化：每天的濕度可按恒定值考慮，不同季節(jié)取不同數(shù)值。

（2）對(duì)于建筑物特性及使用情況，應(yīng)編制內(nèi)部矛盾熱濕負(fù)荷時(shí)間表，以便仿真模擬。

4應(yīng)用示例

為了說(shuō)明空調(diào)控制數(shù)字仿真能否用于控制裝置的考核、調(diào)試，以本文第2節(jié)給出的被調(diào)對(duì)象為例，從過(guò)程控制特性和控制精度兩方面，對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

4．1過(guò)程控制特性

為了考核控制軟件在跟蹤控制過(guò)程上的效果，給定如圖3所示的溫度過(guò)程設(shè)定值曲線，并按此設(shè)定要求，在空調(diào)數(shù)字仿真系統(tǒng)中運(yùn)行被控制的空調(diào)系統(tǒng)與被考核的現(xiàn)場(chǎng)控制裝置，其結(jié)果如圖4所示，與在實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)按此設(shè)定曲線控制的結(jié)果（見(jiàn)圖5）相比，可得：

圖3溫度過(guò)程設(shè)定值曲線

圖4仿真溫度過(guò)程曲線

圖5實(shí)測(cè)溫度過(guò)程曲線

（1）仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果十分相近；

（2）基本可以符合溫度過(guò)程設(shè)定曲線要求，便跟蹤效果不理想，控制軟件需進(jìn)一步改進(jìn)。

4．2控制精度

為了探索空調(diào)數(shù)字仿真系統(tǒng)在仿真空調(diào)控制精度上的效果，利用實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)某日逐時(shí)室外氣象數(shù)據(jù)，在仿真系統(tǒng)上仿真運(yùn)行該空調(diào)控制系統(tǒng)。對(duì)比圖6所示的仿真結(jié)果與圖7所增實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：

圖6某日仿真溫度曲線

圖7某日實(shí)測(cè)溫度曲線

（1）仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果十分相近

（2）溫度控制精度為±0.5℃，滿足原軟件設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

上述探討說(shuō)明，實(shí)時(shí)性好的空調(diào)數(shù)字仿真裝置可以很好地模擬實(shí)際空調(diào)控制系統(tǒng)，為現(xiàn)場(chǎng)控制裝置（包括硬件、軟件）的開(kāi)發(fā)與考核調(diào)試開(kāi)辟一條經(jīng)濟(jì)、可靠的途徑。當(dāng)然，通過(guò)仿真試驗(yàn)考核控制裝置的全面性取決于用戶對(duì)控制裝置功能的理解，試驗(yàn)越全面，在實(shí)際環(huán)境中出現(xiàn)的錯(cuò)誤就越少，越節(jié)省人力、物力，應(yīng)用效果越好。

本文的目的在于對(duì)比仿真調(diào)試與實(shí)際應(yīng)用的效果，至于如何評(píng)估、評(píng)價(jià)一個(gè)控制裝置，尚需進(jìn)一步探討。

6參考文獻(xiàn)

1彥啟森等，用于空調(diào)模擬分析的實(shí)時(shí)仿真裝置.制冷學(xué)報(bào)，1987（2）.

篇6

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；LPC2132；無(wú)刷直流電機(jī)；電子差速

1.概述

當(dāng)今石油資源匱乏與環(huán)境保護(hù)的緊迫需求，對(duì)汽車工業(yè)的發(fā)展提出了新的要求，那就是：低噪聲、零排放和節(jié)能等，電動(dòng)汽車正是當(dāng)今汽車工業(yè)籍以解決能源、環(huán)保等問(wèn)題可持續(xù)發(fā)展的最重要途徑，而以輪轂電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車既可以消除傳統(tǒng)傳動(dòng)中的機(jī)械磨損與損耗，提高了傳動(dòng)效率，又具有體積小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，使得提高效率的同時(shí)，車輪空間也能得到有效利用，更有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和現(xiàn)代控制技術(shù)；ARM7系列微處理器，作為32位嵌入式處理器，以其極高性能、低功耗、豐富的片上資源、小體積等特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、手持式計(jì)算機(jī)、汽車等各領(lǐng)域，成為極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和前景的處理器[1]。本設(shè)計(jì)方案基于PHILIPS公司的ARM7TDMI-STM處理器LPC2132，分別控制兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了可靠設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并最終在實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.無(wú)刷直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由轉(zhuǎn)子位置傳感器、電動(dòng)機(jī)本體以及電子開(kāi)關(guān)電路組成。其工作原理如下：由位置傳感器（霍爾傳感器）定時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)此位置信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或截止，從而控制定子繞組通電與斷電，即實(shí)現(xiàn)了電子換向功能，并使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1是三相聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動(dòng)電路，其中，開(kāi)關(guān)管Q1、Q3、Q5采用P溝道MOSFET功率管，柵極為低電平時(shí)MOSFET管導(dǎo)通，VD1、VD3、VD5為相應(yīng)的保護(hù)二極管；開(kāi)關(guān)管Q2、Q4、Q6采用N溝道MOSFET功率管，柵極為高電平時(shí)MOSFET管導(dǎo)通，VD2、VD4、VD6為相應(yīng)的保護(hù)二極管。其中位置傳感器的3個(gè)輸出端通過(guò)特定的邏輯電路控制Q1-Q6開(kāi)關(guān)管工作（導(dǎo)通或截至），其控制方式有兩種：“三三導(dǎo)通方式[2]”與“二二導(dǎo)通方式”。全橋式

驅(qū)動(dòng)下的繞組又分為星形聯(lián)結(jié)和角形聯(lián)結(jié)，其聯(lián)結(jié)方式如圖2所示。

三三導(dǎo)通方式”指的是每次使3個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，在圖1中，各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序?yàn)椋篞1、Q2、Q3--Q2、Q3、Q4--Q3、Q4、Q5--Q4、Q5、Q6--Q5、Q6、Q1--Q6、Q1、Q2。“三三導(dǎo)通方式”在實(shí)際工作時(shí)又可以分為六種控制方式，每隔60°改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個(gè)開(kāi)關(guān)管，每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通180°。在每種狀態(tài)下，其合成轉(zhuǎn)矩的大小都是單相轉(zhuǎn)矩的1.5倍[3]。

在本文中使用三相全橋星形聯(lián)結(jié)，采用“三三導(dǎo)通方式”，驅(qū)動(dòng)電路中MOSFET管的導(dǎo)通或截止由相應(yīng)的軟件來(lái)控制，即根據(jù)位置傳感器的檢測(cè)信號(hào)來(lái)提取相應(yīng)的MOSFET管對(duì)應(yīng)的控制字，并通過(guò)特定的邏輯電路控制MOSFET管，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET管導(dǎo)通或截止控制，

從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)作出換相控制，使電機(jī)能連續(xù)運(yùn)行。[4]電機(jī)方向的控制只是上述功率MOSFET管的導(dǎo)通順序不同，也就是所提取的控制字不同。無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，可以采用PWM（脈寬調(diào)制）方法來(lái)控制電機(jī)的通電電流，在此不做詳細(xì)描述。

3.雙驅(qū)電動(dòng)車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本論文控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是利用一個(gè)CPU控制兩個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，是為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的后輪分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的。在電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)的電機(jī)速度調(diào)節(jié)、正反轉(zhuǎn)控制，開(kāi)始和停止控制等功能。這里采用PHILIPS公司LPC2100系列中的LPC2132[5]作為中央處理器。LPC2132是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，內(nèi)嵌高速64K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器，其寬范圍的串行通信接口和豐富的片內(nèi)資源（如32位定時(shí)器x4個(gè)、PWM通道x6個(gè)、10位8路ADC和10位DAC，另外具有47個(gè)通用I/O口以及9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷源）使其具有強(qiáng)大的處理功能，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力，特別適用于工業(yè)控制。電動(dòng)車智能控制系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，下面給出幾部分功能的硬件設(shè)計(jì)圖。

3.1 電源設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的電源由4塊12V大容量鉛蓄電池串連后提供48V直流電，而系統(tǒng)中的工作電壓還有+3.3V、+5V和+15V，因此采用常用的穩(wěn)壓電源芯片LM7824、LM7815、1117-3.3和1117-5產(chǎn)生所需各組電壓，具有可靠、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。如圖4所示。

3.2 全橋驅(qū)動(dòng)電路的邏輯控制電路

換相控制邏輯包括根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置控制電橋上下橋臂，正確給出繞組通電；通過(guò)對(duì)繞組通電的時(shí)間比例控制速度；對(duì)電橋?qū)嵤┧绤^(qū)保護(hù)，防止燒毀MOSFET和驅(qū)動(dòng)電路。所以設(shè)計(jì)的邏輯控制電路具有以下特點(diǎn)：采用邏輯門電路與RC延時(shí)電路，避免了控制時(shí)出現(xiàn)死區(qū)；另外增加了電機(jī)繞組續(xù)流功能，保護(hù)了控制管。兩個(gè)電機(jī)的電橋邏輯控制電路一樣，這里給出了其中一路，如圖5所示。

3.3 霍爾位置傳感器接口電路

無(wú)刷電機(jī)內(nèi)置的三個(gè)位置傳感器（霍爾）采用5V電源供電，由于電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)的作用以及工作時(shí)的干擾，對(duì)霍爾位置傳感器及其電路的電源要求非常高，[6]這里我們采用獨(dú)立電源供電，此外對(duì)傳感器脈沖檢測(cè)電路進(jìn)行了濾波處理（同時(shí)在軟件中也做了相應(yīng)的處理），以提高抗干擾能力，這里圖6霍爾位置傳感器接口電路僅畫(huà)出其中一路，具體電路如圖6所示。

3.4 電橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖7所示，全橋驅(qū)動(dòng)電路的每一相都由上、下臂組成，這里給出了其中一相的電原理圖。

其中上橋的控制信號(hào)高電平有效，下橋的低控制信號(hào)電平有效。針對(duì)MOSFET的D-S導(dǎo)通時(shí)存在導(dǎo)通電阻Ron，同時(shí)考慮電機(jī)工作電流較大，這里采用專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2103[7]，可以解決死區(qū)保護(hù)等各種問(wèn)題。

限于篇幅，其它接口包括串口通信、模擬采集、油門電路輸入、轉(zhuǎn)彎電壓輸入、過(guò)流采樣、電池電壓采樣等原理圖沒(méi)有一一列出。

4.控制軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的智能控制，本系統(tǒng)中軟件包含以下功能模塊：兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)位置檢測(cè)模塊、電機(jī)換相邏輯控制模塊、速度調(diào)節(jié)模塊（轉(zhuǎn)速采樣、PWM正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、PID控制等）、安全管理模塊、電子差速轉(zhuǎn)彎模塊、串口通信模塊等功能。系統(tǒng)軟件編程采用模塊化結(jié)構(gòu)，以增加調(diào)試的靈活性、修改的方便性、移植的通用性。軟件包括主程序、中斷程序和相應(yīng)的功能子程序[8]。主程序流程圖如圖8所示，主程序主要完成對(duì)控制寄存器、數(shù)據(jù)信息單元的初始化以及對(duì)各模塊的響應(yīng)。程序啟動(dòng)后首先是進(jìn)行初始化，然后對(duì)電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)并進(jìn)入啟動(dòng)模塊以及速度管理模塊，在出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)入安全管理模塊，并通過(guò)串口向外部發(fā)送車輛狀態(tài)信息。下面簡(jiǎn)單介紹下幾個(gè)主要模塊。

4.1 系統(tǒng)初始化

本系統(tǒng)采用11.0592MHz（Fosc）晶體振蕩器，處理器工作頻率為4倍主頻即44.2368MHz；TIMER0的0通道中斷實(shí)現(xiàn)霍爾位置信號(hào)查詢以及軟件定時(shí)，設(shè)置為IRQ中斷，分配為最高中斷優(yōu)先級(jí)，以確保電機(jī)換相最快響應(yīng)；AD轉(zhuǎn)換器頻率設(shè)置在1MHz，由軟件定時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，并采用查詢標(biāo)志位（AD完成標(biāo)志位）方式確定轉(zhuǎn)換結(jié)束并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；在PWM通道0產(chǎn)生0.1ms（相當(dāng)于10KHz）的PWM波，通道2和4在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生占空比可調(diào)的波分別控制兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速；串口以57600的波特率定時(shí)向外發(fā)送電機(jī)相關(guān)信息，1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。

4.2 模擬量采集

油門采樣電壓、驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)流采樣電壓、轉(zhuǎn)彎角度傳感器采樣電壓和電池欠壓采樣電壓通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)4051（8通道選1）切換后輸入片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器（AD0.7通道），其中通道選擇控制信號(hào)由CPU的P1.2～P1.0實(shí)現(xiàn)。由于采樣電阻上的電壓比較小，因此在采樣輸出端和模擬開(kāi)關(guān)間加一級(jí)放大電路，對(duì)采樣電壓進(jìn)行適當(dāng)放大，并用跟隨器隔離，保證系統(tǒng)靈敏、可靠、安全。

4.3 PID控制

PID控制算法比較普遍，這里直接給出離散PID表達(dá)式[9]：

5.實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

本文基于LPC2132設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車后兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)兩組PWM占空比值，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)輪轂電機(jī)的同時(shí)調(diào)速。通過(guò)智能控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退、自動(dòng)巡航、轉(zhuǎn)向燈指示、電子差速等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整車控制效果良好，已經(jīng)達(dá)到實(shí)用指標(biāo)。

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篇7

關(guān)鍵詞：互聯(lián)；歷史；現(xiàn)狀；方法；影響；見(jiàn)解aaaaa

中圖分類號(hào)：G353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1.引言

隨著福建電網(wǎng)與華東電網(wǎng)、山東電網(wǎng)與華北電網(wǎng)、川渝電網(wǎng)與華中電網(wǎng)等的連接，以及交直流特高壓的發(fā)展，全國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)工程在逐步推進(jìn)。截止到2011年底，除臺(tái)灣地區(qū)外，我國(guó)各省級(jí)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交直流互聯(lián)，全國(guó)互聯(lián)格局基本形成。并形成了華北-華中、華東、東北、西北、南方5個(gè)同步電網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置、提高電網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)效益、推進(jìn)跨省區(qū)之間的電力交易等電網(wǎng)互聯(lián)的優(yōu)勢(shì)日益明顯。

眾所周知，電力系統(tǒng)中負(fù)荷在時(shí)刻發(fā)生著變化，導(dǎo)致系統(tǒng)中的頻率和電壓也在時(shí)刻發(fā)生著變化。在互聯(lián)電網(wǎng)中，區(qū)域負(fù)荷的變化不僅影響本區(qū)域，而且還影響相鄰區(qū)域內(nèi)頻率的變化以及聯(lián)絡(luò)線上的功率。電網(wǎng)互聯(lián)加大了穩(wěn)定破壞事故連鎖反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限和暫態(tài)穩(wěn)定極限等很容易受到破壞，也加大了系統(tǒng)頻率、電壓和潮流控制的難度。

綜上所述，聯(lián)絡(luò)線控制策略的研究一方面而言有很強(qiáng)的理論意義，具有一定的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。從另一方面而言有廣泛的實(shí)踐和社會(huì)意義，具有一定的可實(shí)施性。

課題研究?jī)?nèi)容主要包括：頻率一、二、三次調(diào)節(jié)，AGC控制的基本原理，獨(dú)立控制區(qū)的基本概念，互聯(lián)電網(wǎng)多區(qū)域控制策略的應(yīng)用與配合，電力系統(tǒng)調(diào)頻與自動(dòng)發(fā)電控制的控制策略及控制性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組組合、優(yōu)化調(diào)度等。

本綜述廣泛選取了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)被EI 收錄的優(yōu)秀資料文獻(xiàn)以及部分已出版的經(jīng)典教材。文獻(xiàn)主要包括近幾年國(guó)內(nèi)核心期刊（電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電網(wǎng)技術(shù)等）學(xué)術(shù)論文，博士碩士學(xué)位論文，國(guó)外包括IEEE Transaction on Power Systems、IEEE Transaction on Energy Conversion、IEEE Transaction on Evolutionary Commutation等優(yōu)秀期刊論文。同時(shí)還引用了一些成文的標(biāo)準(zhǔn)和電子公告等。

2.正文

2.1研究歷史

電力系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)根據(jù)其周期長(zhǎng)短和幅值大小可分為三類。A類，負(fù)荷的波動(dòng)周期在10s以內(nèi)，導(dǎo)致的頻率變化在0.025Hz以下。B類，負(fù)荷波動(dòng)周期在10s至2-3min，導(dǎo)致的頻率變化在0.05-0.5Hz之間，主要由沖擊負(fù)荷變動(dòng)引起。C類，負(fù)荷波動(dòng)周期在2-3min至10-20min之間，主要由生產(chǎn)、生活及氣象變化引起。

區(qū)域控制誤差（ACE）是根據(jù)電力系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)荷、發(fā)電功率和頻率等因素形成的偏差值，反映了區(qū)域內(nèi)的發(fā)電與負(fù)荷的平衡情況。自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）是現(xiàn)代電網(wǎng)控制的一項(xiàng)基本和重要功能，是調(diào)節(jié)B類負(fù)荷的主要手段，其基本目標(biāo)包括：1）發(fā)電功率與負(fù)荷平衡；2）保持系統(tǒng)頻率為額定值；3）使凈區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率與計(jì)劃相等；4）最小化區(qū)域運(yùn)行成本。

互聯(lián)電網(wǎng)多區(qū)域控制策略的主要模式包括：定頻率控制模式（FFC）,區(qū)域控制偏差計(jì)算公式，ACE=B×f，因此只要區(qū)域頻率與額定值出現(xiàn)偏差，該區(qū)域內(nèi)機(jī)組就參與調(diào)節(jié)；定交換功率控制模式（CNIC），此時(shí)ACE=Pt，聯(lián)絡(luò)線功率與計(jì)劃值出現(xiàn)偏差，區(qū)域內(nèi)機(jī)組就需要調(diào)節(jié)；聯(lián)絡(luò)線功率頻率偏差控制（TBC），此時(shí)的ACE=Pt +B×f，該種區(qū)域控制偏差能夠近似反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的供需平衡。

AGC控制考核標(biāo)準(zhǔn)：A1/A2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，A1標(biāo)準(zhǔn)要求在任何一個(gè)10min間隔內(nèi)，ACE必須過(guò)零。A2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ACE的控制限制，即ACE的10min平均值要小于規(guī)定的Ld；CPS1/CPS2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，CPS1標(biāo)準(zhǔn)是指控制區(qū)在一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)（如一年）內(nèi)，其區(qū)域控制偏差應(yīng)滿足式（2-1）的要求。CPS2標(biāo)準(zhǔn)是指在一個(gè)時(shí)段內(nèi)（如1h），控制區(qū)ACE的10min平均值，必須控制在特殊的限制L10內(nèi)。

（2-1）

頻率調(diào)節(jié)的方法大致分為比例、積分、微分三類。比例和微分的手段不能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)頻率無(wú)差調(diào)節(jié)。現(xiàn)在更多的機(jī)組采用比例積分的方法來(lái)完成調(diào)節(jié)。

2.2研究現(xiàn)狀

聯(lián)絡(luò)線控制策略的目標(biāo)就是使區(qū)域控制偏差恢復(fù)到零，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要手段就是自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）。AGC是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功功率平衡、維持系統(tǒng)頻率在額定值附近以及聯(lián)絡(luò)線交換計(jì)劃的有效手段。

2.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外AGC研究工作起步較早，隨著電力市場(chǎng)化的逐步深入，AGC研究工作趨于成熟。國(guó)外對(duì)于AGC控制策略的研究工作主要有以下幾方面的特點(diǎn)：

1）NERC(The North American Electric Reliability Corporation)于年提出了A1\A2聯(lián)絡(luò)線控制標(biāo)準(zhǔn)。A1標(biāo)準(zhǔn)要求在任何一個(gè)10min間隔內(nèi)，ACE必須過(guò)零。A2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ACE的控制限制，即ACE的10min平均值要小于規(guī)定的Ld。其合格指標(biāo)為：A1≥100%，A2≥90%。

2）NERC(The North American Electric Reliability Corporation)于1996年提出了CPS1\CPS2聯(lián)絡(luò)線控制標(biāo)準(zhǔn)。CPS 標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)各控制區(qū)以頻率質(zhì)量為控制目標(biāo), 鼓勵(lì)各控制區(qū)之間的相互支援, 以發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí), CPS 標(biāo)準(zhǔn)不要求ACE 過(guò)0值, 減少了AGC 機(jī)組的不必要調(diào)節(jié)。

3）在傳統(tǒng)的比例積分（PI）、比例積分微分（PID)控制器的基礎(chǔ)上提出了多種新的控制方法。如FL（fuzzy logic controller）控制器、ANN(artificial neural network controller)控制器、FO（fractional order controller）控制器、GF(genetic fuzzy controller)控制器等。這些新的方法策略都在某種程度上提高了聯(lián)絡(luò)線的控制效果。

4）研究了多種新的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)手段對(duì)控制效果的影響。如BES（battery energy storage）技術(shù)、SMES(super magnetic energy storage)技術(shù)、CES(capacitive energy storage)技術(shù)、V2G(vehicle-to-grid)技術(shù)等。這些手段的運(yùn)用很大程度上改善了聯(lián)絡(luò)線的控制效果。

5）研究提出了不同的比例積分系數(shù)對(duì)控制效果的影響。研究提出了了頻率響應(yīng)系數(shù)與系統(tǒng)自然頻率響應(yīng)系數(shù)大小關(guān)系給控制效果所帶來(lái)的影響。研究對(duì)比了AGC不同計(jì)算、控制周期給控制效果所產(chǎn)生的影響。

6）研究出了多種仿真方法。如單個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)及兩個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)和三個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)的負(fù)荷-頻率調(diào)節(jié)過(guò)程的仿真方法、考慮機(jī)組出力上升下降速率約束的調(diào)節(jié)仿真方法、考慮不同機(jī)組類型（非再熱型、再熱型、水電機(jī)組）的仿真方法等。這些仿真方法清晰形象地戰(zhàn)象了機(jī)組的調(diào)節(jié)過(guò)程和系統(tǒng)頻率的恢復(fù)過(guò)程。

2.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)AGC工作起始于1957年，近幾年來(lái)，隨著華北與東北、華東與福建、華中與川渝的聯(lián)合，我國(guó)逐步實(shí)現(xiàn)了以三峽電力系統(tǒng)為中心的統(tǒng)一聯(lián)合電網(wǎng)。并且我國(guó)交直流特高壓電網(wǎng)飛速發(fā)展，AGC的控制研究再次成為大電網(wǎng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)于AGC的控制策略研究方面主要有以下幾方面的特點(diǎn)：

1）特高壓聯(lián)絡(luò)線投入運(yùn)行以后，提出了一套完整的、適應(yīng)特高壓聯(lián)絡(luò)線功率控制的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)控制策略,簡(jiǎn)稱T策略。這一控制策略以各省級(jí)電網(wǎng)有功功率的就地平衡為基礎(chǔ), 實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)電網(wǎng)各控制區(qū)在緊急情況下對(duì)特高壓聯(lián)絡(luò)線功率恢復(fù)的相互支援，該種控制策略已應(yīng)用到我國(guó)首條華北華高壓聯(lián)絡(luò)線的控制上。

2）根據(jù)機(jī)組的性能差異，提出了機(jī)組協(xié)調(diào)控制、區(qū)域分層控制的控制策略。提出性能優(yōu)良的機(jī)組參與ACE調(diào)解，并經(jīng)過(guò)計(jì)算得出分層機(jī)組容量以及需要參與調(diào)節(jié)的機(jī)組數(shù)量，并提出AGC軟件調(diào)整算法。通過(guò)具體實(shí)際物理電網(wǎng)證明該種策略的合理性和可行性。

3）根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)采用統(tǒng)一調(diào)度、分級(jí)管理、分層控制的原則，結(jié)合自身電網(wǎng)的特殊性，研究出多種控制區(qū)分級(jí)、分區(qū)協(xié)調(diào)控制的策略。這些策略的實(shí)施很好地抑制了聯(lián)絡(luò)線的功率大幅度波動(dòng)、提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頻率質(zhì)量。更好地體現(xiàn)了聯(lián)合電力系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4）綜合考慮了備用跟蹤的遺漏、機(jī)組配合和風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)等因素的影響下，建立了AGC容量需求模型，從而在該模型下使得計(jì)算出的AGC容量需求更加符合客觀實(shí)際。為AGC的調(diào)節(jié)控制提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

5）AGC分配的主要策略：按備用容量分配和按調(diào)節(jié)速率分配。按備用容量分配的方法可以有效地避免出現(xiàn)一部分機(jī)組調(diào)節(jié)已達(dá)到上下限，而另一部分機(jī)組還有調(diào)節(jié)容量。按調(diào)節(jié)速率分配的方法體現(xiàn)了不同性能機(jī)組之間的配合。

6）AGC軟件設(shè)計(jì)：CC-2000電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，是有中國(guó)電力科學(xué)研究院和原東北電業(yè)管理局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)際先進(jìn)水平的軟件系統(tǒng)。1996 年在東北電網(wǎng)正式投入運(yùn)行，十年來(lái)廣泛應(yīng)用于國(guó)家電力調(diào)度中心、華北電網(wǎng)、東北電網(wǎng)、北京、天津、遼寧、黑龍江、貴州、甘肅、內(nèi)蒙古等 70 多個(gè)省、自治區(qū)、直轄市和地市電力調(diào)度中心。

7）AGC控制策略仿真技術(shù)：傳統(tǒng)意義上，一般用MATLAB/Simulink來(lái)完成聯(lián)合系統(tǒng)區(qū)域調(diào)節(jié)控制過(guò)程的仿真。中國(guó)電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所最近研究出PSD-FDS電力系統(tǒng)全過(guò)程仿真程序，該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)AGC控制過(guò)程的仿真，通過(guò)合理性分析和一些簡(jiǎn)單的對(duì)比分析表明了仿真計(jì)算結(jié)果的合理性。

2.3研究存在的問(wèn)題

雖然歷經(jīng)大半個(gè)世紀(jì)，相關(guān)從業(yè)者做出了大量的研究工作，并取得了很多的成果，電網(wǎng)運(yùn)行地更加堅(jiān)強(qiáng)、更加智能。但是，就“從人類實(shí)踐活動(dòng)中產(chǎn)生，又服務(wù)于改善人類的生存條件”而言，當(dāng)前研究存在以下問(wèn)題：

1）隨著大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)以及交直流特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，至今還沒(méi)有一套合理的聯(lián)絡(luò)線控制考核標(biāo)準(zhǔn)體系。現(xiàn)有的考核標(biāo)準(zhǔn)要求各控制區(qū)就地平衡，由于新能源的波動(dòng)性很強(qiáng)，所以各控制區(qū)就需要有足夠的備用容量，否則就很難更大規(guī)模的接入新能源。

2）當(dāng)前聯(lián)絡(luò)線控制策略的核心之一就是各控制區(qū)就地平衡原則，該種控制策略并沒(méi)有很好的體現(xiàn)出區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的優(yōu)勢(shì)，不利于資源在整個(gè)控制區(qū)內(nèi)的優(yōu)化配置。未來(lái)的研究將會(huì)逐步打破分省、分區(qū)平衡控制的模式。

3）當(dāng)前研究重點(diǎn)放在區(qū)域總調(diào)節(jié)功率的生成、AGC調(diào)節(jié)功率的分配上。下一步研究更需要側(cè)重機(jī)組快慢組合協(xié)調(diào)、分級(jí)分區(qū)協(xié)調(diào)控制、區(qū)域控制性能安全約束以及市場(chǎng)因素協(xié)調(diào)控制方面。

4）AGC容量計(jì)算方法過(guò)于單一，大多是按負(fù)荷變化、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等來(lái)確定。這種方法難以兼顧電力市場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性要求，而且系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)在很多時(shí)候都難以滿足控制的基本要求。

5）超前負(fù)荷預(yù)測(cè)研究工作存在嚴(yán)重缺陷，致使當(dāng)前AGC控制策略主要以滯后控制為主，超前控制應(yīng)用較少。滯后控制會(huì)增大機(jī)組調(diào)節(jié)的頻率和調(diào)節(jié)幅度，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6）對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)程、機(jī)電暫態(tài)過(guò)程、電磁暫態(tài)過(guò)程的仿真，國(guó)內(nèi)外已有相對(duì)成熟的程序，例如。但是，相對(duì)而言，當(dāng)前缺乏專門針對(duì)互聯(lián)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)仿真軟件的研究。

3.結(jié)論

縱觀聯(lián)絡(luò)線控制策略的研究歷史和現(xiàn)狀，當(dāng)前的理論和技術(shù)很好的保證了各獨(dú)立控制區(qū)“自負(fù)盈虧、就地平衡”的原則，同時(shí)也確保了系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。并且對(duì)互聯(lián)電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào)控制做了一些試探性的研究，做到“一方有難，八方支援”，并取得了一定研究成果，理論研究得到了很好的實(shí)際驗(yàn)證。但是，這些就并沒(méi)有形成具體統(tǒng)一的理論，也不能任意的應(yīng)用到任何一種互聯(lián)電網(wǎng)。這在某些程度上影響了很多電網(wǎng)的運(yùn)行效果。

機(jī)組的控制手段方面，雖然有大量的研究表明改進(jìn)的方法可以提高機(jī)組的調(diào)節(jié)性能，但是每一種具體的方法都存在其局限性，一般會(huì)受到某些條件的制約。而且大部分是采用數(shù)字仿真的條件下驗(yàn)證理論研究的合理性，很少通過(guò)實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組來(lái)得以驗(yàn)證。

課題研究秉承繼往開(kāi)來(lái)的精神，在前人研究的基礎(chǔ)上不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、勇于創(chuàng)新，為科學(xué)理論研究和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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