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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇控制系統(tǒng)仿真，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
線性最優(yōu)控制理論線性最優(yōu)勵磁控制器仿真
0引言
在線性最優(yōu)控制理論中應用同步發(fā)電機勵磁控制的設計已引起了廣泛重視，它突破了古典控制理論單輸入、單輸出控制的局限，實現(xiàn)了全狀態(tài)量反饋的最優(yōu)勵磁控制。線性最優(yōu)勵磁控制器( LOEC)可以使遠距離輸電系統(tǒng)的靜穩(wěn)定極限大為提高，同時改善了系統(tǒng)遭受小擾動時的阻尼特性。
1線性最優(yōu)控制理論基礎
1.1線性最優(yōu)控制原理
線性最優(yōu)控制理論是現(xiàn)代控制理論中一個發(fā)展比較完善、應用較為廣泛的重要分支，其研究的中心問題是選擇最優(yōu)控制規(guī)律，以使得控制系統(tǒng)在特定指標條件下的性能為最優(yōu)。
2線性最優(yōu)勵磁控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
比較精確的同步發(fā)電機的數(shù)學模型是七階帕克(Park)模型，其中定子繞組二階、阻尼繞組二階、轉子運動方程二階、轉子繞組一階。由于定子繞組和轉子繞組的時間常數(shù)相對轉子繞組的減小，其動態(tài)過程衰減速度較快，在適時控制中可以忽略。為了容易實現(xiàn)并滿足實時控制的要求，建立線性最優(yōu)勵磁控制系統(tǒng)的數(shù)學模型時通常進行如下簡化：
(1)忽略同步發(fā)電機的次暫態(tài)過程；
(2)忽略同步發(fā)電機定子回路及輸電線路的電阻；
(3)不計轉速變化對電磁過程的影響，近似用恒定阻尼系數(shù)D來反映機械阻尼轉矩的影響。簡化后，同步發(fā)電機可用三階狀態(tài)方程來描述。如果采用勵磁機則需要再增加一階方程，對于快速勵磁系統(tǒng)，則采用三階發(fā)電機狀態(tài)方程即可。下面，將以單機無窮大系統(tǒng)為例設計其全狀態(tài)量反饋的最優(yōu)控制器。
3線性最優(yōu)勵磁控制器的設計及仿真結果分析
A和B是由網(wǎng)絡參數(shù)和運行點所確定的系數(shù)矩陣。實際程序中選擇教材175頁例題所用數(shù)據(jù)進行仿真，仿真運行結果是：系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且是完全可控、完全可觀的。
仿真所得曲線如下：
從仿真結果可以看出,對于一般的擾動,最優(yōu)勵磁控制具備了良好的電壓性能,并且表現(xiàn)了良好的動態(tài)特性。同時值得指出的是,線性最優(yōu)勵磁控制具有全狀態(tài)量反饋,能夠保證系統(tǒng)在過渡過程中各狀態(tài)量對其穩(wěn)態(tài)值的誤差平方的積分最小,所以對系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)攝動不敏感,其控制效果不受振蕩頻率的影響。
參考文獻：
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關鍵詞：PLC；仿真控制系統(tǒng)；以太網(wǎng)
中圖分類號：TP2
文獻標識碼A
文章編號2095-6363（2017）04-0072-02
運載火箭系統(tǒng)中，地面測試發(fā)射控制系統(tǒng)（以下簡稱測發(fā)控系統(tǒng)）用于完成對運載火箭各分系統(tǒng)測試、總檢查、射前檢查和發(fā)射控制任務，直接關系到最終發(fā)射任務的成敗，考核測發(fā)控系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要，這就需要一套模擬箭上設備的仿真控制系統(tǒng)來完成對測發(fā)控系統(tǒng)的考核測試。近年來，運載火箭發(fā)射任務密度越來越高，原有的仿真控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)測試短進度、高效率的要求。高集成度、高智能化是當前仿真控制系統(tǒng)最為重要的系統(tǒng)性能指標。本文將介紹PLC技術在仿真控制系統(tǒng)中的應用。
1.系統(tǒng)組成及功能
1.1系統(tǒng)組成
PLC作為一種通用的工業(yè)控制器，它必須能夠在各種不同的工業(yè)環(huán)境中正常工作。對工作環(huán)境的要求較低，抗外部干擾能力強，平均無故障工作時間（MTBF）長是PLC在各行業(yè)得到廣泛應用的重要原因之一。
仿真控制系統(tǒng)由信號調(diào)理單元、PLC和工業(yè)計算機組成。信號調(diào)理單元由繼電器控制板和時序信號板組成，是仿真控制系統(tǒng)與地面測發(fā)控系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，一方面將地面測發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號隔離轉換成與PLC接口相匹配的信號，另一方面將PLC的輸出信號隔離轉換成與箭地接口相一致的信號供測發(fā)控系統(tǒng)測量。PLC通過以太網(wǎng)與工業(yè)計算機（即上位機）連接，用戶可通過上位機軟件實時監(jiān)視PLC的運行狀態(tài)。
1.2系統(tǒng)功能
仿真控制系統(tǒng)主要模擬火箭的供配電系統(tǒng)和時序指令系統(tǒng)，供配電仿真系統(tǒng)模擬火箭供配電邏輯，考核驗證地面測發(fā)控系統(tǒng)對箭的供配電功能。時序仿真系統(tǒng)模擬火箭時序指令，考核驗證地面測發(fā)控系統(tǒng)的時序指令測試功能。
2.系統(tǒng)硬件設計
2.1供配電仿真硬件設計
由繼電器隔離電路完成供配電指令信號與PLC輸入模塊的隔離，確保仿真系統(tǒng)PLC與地面測發(fā)控系統(tǒng)相對獨立，保證系統(tǒng)工作的可靠性。PLC輸出模塊驅(qū)動繼電器控制電路，輸出相應的配電指示信號。
2.2時序仿真硬件設計
時序仿真系統(tǒng)通過繼電器隔離電路接收觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號為時序系統(tǒng)的時間零點，PLC從零點開始計時，在規(guī)定的時刻輸出脈沖信號，并經(jīng)時序信號電路轉換成與系統(tǒng)信號相匹配的信號。
3.系統(tǒng)軟件設計
仿真系統(tǒng)軟件分為PLC軟件和上位機軟件，上位機與PLC之間采用以太網(wǎng)的UDP通訊協(xié)議。UDP通訊協(xié)議是基于網(wǎng)絡OSI模型的傳輸層的，UDP協(xié)議又稱用戶數(shù)據(jù)幀協(xié)議，是用于計算機/工作站、網(wǎng)絡鏈接的PLC之間數(shù)據(jù)傳輸，其特點是可以進行高速傳輸，但不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴７抡嫦到y(tǒng)PLC則使用了UDP通訊協(xié)議高速傳輸?shù)膬?yōu)點，保證了上位機對PLC的實時監(jiān)控。
仿真系統(tǒng)PLC將當前的工作狀態(tài)通過UDP方式發(fā)送給上位機，上位機軟件接收UDP數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包的信息顯示在軟件面板上，達到實時監(jiān)控PLC的目的；同時上位C也可以通過以太網(wǎng)通訊向PLC發(fā)送控制指令，PLC接收到控制指令后執(zhí)行相應的輸出操作。
4.系統(tǒng)擴展應用
該系統(tǒng)還可以通過以太網(wǎng)光端機連接到遠程控制計算機，實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)視，即使不在現(xiàn)場也可以實時了解系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)。
關鍵詞：暖通部件模型庫；暖通部件圖形繪制模塊；仿真驅(qū)動模塊
中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1695-02
Develop the Simulation Platform about HVAC Control System
DING Cheng-lin1, XU Wei-sheng2
(1.School of Software Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: The simulation platform about HVAC control system is developed to join the system flow chart with the simulations of all function parts of the HVAC system. It can directly and visually show what components a HAVC system is made up of and the system’s feasibility and performance. The HAVC control system simulation platform is mainly composed of following three modules: HAVC functional parts’ models, the function of drawing, and the function of running simulation system.
Key words: HVAC functional parts’ models; the function of drawing; the function of running simulation system
1 引言
在設計一個暖通系統(tǒng)過程中，繪制系統(tǒng)流程圖和對組成系統(tǒng)的每個功能部件，例如冷凝器，壓縮機等進行仿真。由于暖通系統(tǒng)一般過于龐大和復雜，所以很少對系統(tǒng)整體進行仿真。繪制系統(tǒng)流程圖相對比較簡單，可以繪制在紙上，也可以通過畫圖工具，或者專業(yè)的流程圖繪制工具制作。暖通系統(tǒng)的仿真，首先就涉及到建模。但是暖通系統(tǒng)具有嚴重的非線性、時滯性、和非穩(wěn)態(tài)性，給相應的仿真帶來很大的困難。從20世紀60年代起，計算機被引入工程領域，輔助解決工程實際問題。但那時大多數(shù)暖通系統(tǒng)控制研究僅限于如溫度控制這樣的簡單控制環(huán)路。隨著當今計算機技術的迅速發(fā)展，計算和數(shù)據(jù)處理功能大大提高，基于狀態(tài)空間表示的時域分析方法能夠應用于仿真領域。時域分析法適用于分析多變量的非線性時變系統(tǒng), 因而能解決系統(tǒng)仿真中的一些關鍵問題，國際上隨之出現(xiàn)的各類已經(jīng)商業(yè)化的軟件包更是推進了仿真的運用。例如基于CFD的室內(nèi)環(huán)境模擬軟件有Fluent、airpark、Phoenics等，建筑能耗模擬分析軟件有DOE-2、BLAST、EnergyPlus等。
盡管這些軟件使暖通設計，變得更加精確，更加可視化，但依然存在一些不足。流程圖只能靜態(tài)的反映整個系統(tǒng)的組成和運行流程。必須手工把一個或多個部件仿真輸出導入另一個功能部件的仿真作為輸入。 開發(fā)暖通控制系統(tǒng)仿真平臺的目標就是通過把流程圖和每個部件仿真結合在一起，實現(xiàn)一個部件的輸出自動輸入到另一部件，并在流程圖上動態(tài)可視化。
2 暖通控制系統(tǒng)仿真平臺
暖通控制系統(tǒng)仿真平臺是一個將流程圖和仿真程序相結合的平臺，它將流程圖上的每個部件與這個部件的仿真程序相結合，使流程圖上的部件對任何合理的輸入產(chǎn)生正確的輸出。這樣既解決了數(shù)據(jù)從一個部件或多個部件導入另一個部件的問題，也使得流程圖能動態(tài)的顯示系統(tǒng)的運行狀況。
另外，暖通控制系統(tǒng)仿真平臺帶有暖通部件仿真模型庫，其中存儲暖通部件的圖像和仿真程序。當用暖通控制系統(tǒng)仿真平臺進行系統(tǒng)仿真時，對模型庫中存在的部件，可以從模型庫中選擇，無需重新仿真。
3 暖通控制系統(tǒng)仿真平臺框架
暖通控制系統(tǒng)仿真平臺框架分為三個主要模塊：暖通部件模型庫、暖通部件圖形繪制模塊和仿真驅(qū)動模塊。
3.1 暖通部件模型庫
在暖通系統(tǒng)設計中，經(jīng)常會碰到某些部件在過去的一些系統(tǒng)設計中已經(jīng)對其進行了仿真，為了避免重復仿真，設計了暖通部件模型庫。在通過暖通控制系統(tǒng)仿真平臺進行系統(tǒng)仿真時，可以將每個已仿真的部件加入模型庫，供以后設計中重復使用。另外，也可以將整個系統(tǒng)作為一個更大的系統(tǒng)的子系統(tǒng)存入模型庫。
暖通部件模型庫由三部分組成：記錄模型庫中模型的數(shù)據(jù)文件、存儲部件模型序列化后數(shù)據(jù)信息的文件夾和存儲模型庫中仿真部件輸入輸出關系運算單元的文件夾。
3.1.1 對模型庫中所有的部件模型進行記錄管理
記錄模型庫中每個部件仿真模型的方式有很多種，例如文本文件或數(shù)據(jù)庫。如果采用文本文件，涉及到許多格式轉化問題，因此在存儲信息時會存在很多問題，而并不是每臺計算機都裝有數(shù)據(jù)庫，特別是由程序所設定的數(shù)據(jù)庫。綜合各方面的需求，采用了XML技術來保存信息。XML是一種可擴展標記語言，是internet環(huán)境中跨平臺的，依賴于內(nèi)容的技術，它使用一系列簡單的標記描述數(shù)據(jù)，而這些標記可以方便的建立，具有數(shù)據(jù)自描述能力[1]。模型庫中XML文件標記如下：
標記代表模型庫，標記代表模型庫中仿真模型，標記代表仿真模型的名稱，標記代表程序集的集合，其中每個程序集都包含仿真模型的運算程序，標記代表程序集，標記代表程序集的名稱。
3.1.2 存儲部件模型序列化后數(shù)據(jù)信息的文件夾
整個暖通控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)是采用C#編程語言來實現(xiàn)的。設計了一個Part類保存部件模型的相關信息：圖形，運算單元，以及運算單元所在的程序集信息。在將部件模型存入模型庫時，對Part類對象進行序列化[2]，數(shù)據(jù)存入以部件名稱命名的文件，并放置特定文件夾下。
3.1.3 儲模型庫中仿真部件輸入輸出關系運算單元的文件夾
對每個部件的輸入輸出關系的運算邏輯是通過Matlab工具進行仿真。Matlab生成包含運算單元的COM組件。由于在C# 中不能直接使用COM程序，必須使用TlbImp.Exe對其創(chuàng)建Runtime Callable Wrapper（RCW運行庫可調(diào)用的封裝容器）[3]。因此對COM組件及其相關的封裝容器放入一個固定的文件夾以便統(tǒng)一管理和存取。
3.2暖通部件繪制模塊
由于程序主要為仿真而開發(fā)的，所以對每個部件只是繪制示例圖。暖通部件繪制模塊采用二位平面圖，它的主要功能包括：
1) 提供繪制暖通部件示例圖的畫圖功能。例如直線、圓、矩形等。
2) 選取圖形塊作為一個暖通部件，并將其與特定的運算邏輯綁定。選取圖形塊主要涉及將圖形塊的繪制信息存入一個Part類對象并命名，然后利用C# 的類型反射[4]和晚期綁定技術[5]實現(xiàn)圖形塊與COM組件的連接。
3) 將所設計的各個暖通部件模型存入模型庫。
3.3 仿真驅(qū)動模塊
暖通系統(tǒng)雖然是一個連續(xù)的系統(tǒng),但在對其進行仿真時，數(shù)學模型一般采用離散事件系統(tǒng)模型中的時間離散系統(tǒng)模型。離散事件系統(tǒng)模型是指系統(tǒng)中的狀態(tài)變量只在某些離散時刻發(fā)生變化的模型。系統(tǒng)雖然是連續(xù)的，但由于只是在采樣的時刻點上對系統(tǒng)進行研究，才構成了時間離散系統(tǒng)。時間離散系統(tǒng)模型一般用差分方程、離散狀態(tài)方程和脈沖傳遞函數(shù)來描敘[6]。當仿真程序構建完成，就需要一個線程或進程來運行仿真運算程序。通常是給出離散時間點上的一組輸入，然后用一個線程按系統(tǒng)運行流程相似的順序依次運行每個功能部件的仿真函數(shù)。由于流程圖上的某個部件的輸入可能來自多個其他部件，或者它的輸出是多個其他部件的輸入，因此系統(tǒng)的運行流程不是各個功能設備一個接著一個的運行，而是可能存在多個設備同時運行，然后把輸出結果輸入下一個設備。為了在單一線程中反映這種系統(tǒng)行為，必須對流程圖上的所有功能部件的仿真運算單元進行拓撲排序[7]，從而保證任何功能部件在運行前，給與它輸入的功能部件都得到運行。
4 暖通控制系統(tǒng)仿真平臺的實現(xiàn)及測試
暖通控制系統(tǒng)仿真平臺采用C#程序設計語言實現(xiàn)，并根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)案例，對其進行測試。測試表明暖通控制系統(tǒng)仿真平臺達到了開發(fā)此軟件最初目標：通過把流程圖和每個部件仿真結合在一起，實現(xiàn)一個部件的輸出自動輸入到另一部件，并在流程圖上動態(tài)可視化。
5結語
本文詳細描述了暖通控制系統(tǒng)仿真平臺的框架，該平臺綜合利用了暖通系統(tǒng)設計中的流程圖和仿真技術，使整個暖通系統(tǒng)設計工作更加可視化，自動化。
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【關鍵詞】控制系統(tǒng) 聯(lián)合仿真 協(xié)同優(yōu)化
針對機械臂而言，其機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是密切相關的，兩個系統(tǒng)的性能共同決定了機械臂的整體性能，最根本的體現(xiàn)就是在機械臂末端的重復定位精度上。
為了優(yōu)化機械結構以提升機械系統(tǒng)性能指標，滿足設計要求，結構優(yōu)化設計的概念被提出。結構優(yōu)化設計就是在工程設計的過程中，不再局限的依靠設計者給定具體的設計方案，而是結合最優(yōu)化理論的數(shù)學思想，在設計變量的取值范圍內(nèi)尋找最優(yōu)的設計方案，大大縮短了設計周期，提升了設計效率和質(zhì)量。
目前，利用結構優(yōu)化設計方法來完成機器人的結構設計工作被越來越多的設計人員所采用，并取得了大量的研究成果。根據(jù)設計變量的不同，可以將機器人的結構優(yōu)化設計分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化三個層次。
就機械臂而言，其拓撲優(yōu)化設計主要包括兩方面的研究內(nèi)容：
（1）對于機械臂機構，在機器人概念設計初期，在初始設計空間，根據(jù)設計指標，對機器人整體機構形式進行拓撲優(yōu)化設計；
（2）對于機械臂零件，在零件所受載荷確定的情況下，對其拓撲結構進行優(yōu)化設計。拓撲優(yōu)化在優(yōu)化過程中改變拓撲構型的同時也改變了尺寸及形狀參數(shù)，與尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比具有更大的自由度。
結構拓撲優(yōu)化設計由設計變量、約束條件和目標函數(shù)三要素組成。拓撲優(yōu)化是選取結構單元的有無作為設計變量，目的是尋求結構剛度在設計空間的最佳分布形式，達到材料的合理分配，以優(yōu)化結構的某些特性或減輕結構的重量，在產(chǎn)品概念設計階段，尋求產(chǎn)品最優(yōu)的拓撲結構具有重要的意義。
盡管經(jīng)歷了三十多年的研究發(fā)展，拓撲結構優(yōu)化技術已經(jīng)有了長足發(fā)展，也在工程上被越來越多的人所重視和利用起來。但是受到其自身分析求解規(guī)模大、優(yōu)化結果難以識別、拓撲構型難以定量描述或參數(shù)化等問題的限制，使得結構拓撲優(yōu)化技術的應用更多的體現(xiàn)在構件及簡單工況的層面上，較多的應用在概念設計階段。
控制系統(tǒng)是決定機械臂功能和性能的主要因素之一，在一定程度上制約著機器人技術的發(fā)展。它的主要任務就是控制機械臂在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。機械臂控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，直接影響到機械臂的速度、精度與可靠性。而機械臂控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)過程就是優(yōu)化控制系統(tǒng)的一項基本步驟。
目前機器人控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)過程主要依靠工程經(jīng)驗和簡化數(shù)學模型進行調(diào)節(jié)，然后再實物樣機上進行調(diào)試，調(diào)節(jié)流程復雜，調(diào)節(jié)周期長，效率低下。
機械系統(tǒng)從根本上限制了機械臂末端重復定位精度可以達到的最優(yōu)程度。而關節(jié)伺服控制系統(tǒng)直接決定了機械臂末端的跟隨誤差。兩者綜合作用共同決定了機械臂末端的重復定位精度，兩者不應被單獨割裂開來進行分析。
基于上述論述，本文提出了一種基于Simulink&ADAMS聯(lián)合仿真的機械臂機械結構&控制系統(tǒng)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化研究方法。
1 運動學分析
1.1 正運動學分析
1.1.1 \動學數(shù)學模型的建立
根據(jù)實際的六自由度輕型機械臂構型，建立該機械臂的機構簡圖，并利用標準D-H參數(shù)法建立機械臂的D-H坐標系，如圖1所示。其中機械臂末端的坐標系{O6}的原點與坐標系{O5}的原點重合。對應的機械臂D-H參數(shù)見表1。
2 軌跡規(guī)劃
2.1 工作空間分析
機械臂各關節(jié)均采用了內(nèi)部走線方式，設計的機械臂各關節(jié)均可達到-180°～180°的運動范圍。得到的機械臂工作空間如圖2中綠色包絡面所示。
2.2 笛卡爾空間圓周軌跡規(guī)劃
擬讓機械臂末端在笛卡爾坐標下沿著空間圓周軌跡運動。選取圓周軌跡的圓心為（500，50，400），半徑250mm，空間圓周所在平面的法向量為（0，4，3） 。
經(jīng)上述規(guī)劃得到的圓周軌跡方程為：
經(jīng)校驗，上述規(guī)劃的圓周軌跡在機器人的工作空間內(nèi)，如圖2中紅色圓周曲線即為規(guī)劃的末端工作軌跡。
2.3 關節(jié)空間各關節(jié)軌跡規(guī)劃
將上述在笛卡爾空間中規(guī)劃的圓周軌跡，通過機械臂逆運動學求解方法，轉化成機械臂關節(jié)空間中各關節(jié)的關節(jié)角度軌跡的三次樣條擬合曲線，如圖3-圖8所示，其中0-5s內(nèi)的各關節(jié)運動軌跡曲線是機械臂從初始狀態(tài)運動到軌跡起始點的關節(jié)軌跡曲線。各關節(jié)軌跡的角度插值點見表2所示。
3 關節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化
對于大關節(jié)而言，后續(xù)的機械臂關節(jié)、臂桿、末端執(zhí)行器及工作負載均是其有效負載，是一個與機械臂位置、姿態(tài)及各關節(jié)運動狀態(tài)相關的變量。單純的在Matlab中考慮機械臂的動力學特性比較復雜、計算時間長。利用專業(yè)的動力學建模分析軟件Adams，在Adams中解決機械臂的動力學問題，利用Simulink-Adams聯(lián)合仿真，解決機械臂任務級伺服系統(tǒng)仿真。
將上述優(yōu)化完成的大臂桿模型導入到ADAMS中并建立柔性體，進行Simulink-ADAMS聯(lián)合仿真，如圖9、圖10所示。
4 結果驗證
對比協(xié)同優(yōu)化前后的機器人系統(tǒng)實現(xiàn)相同工作路徑時機械臂末端的位置誤差，驗證協(xié)同優(yōu)化方法對提升機器人末端重復定位精度的有效性
表3中列出了優(yōu)化前后機械臂末端原點最大偏差對比數(shù)據(jù)，各方向上的最大偏差量均有較大幅度的減小，其中主要受力方向―Z方向（即豎直方向）的最大偏差量減小了69.23%。
表明了本文提出的協(xié)同優(yōu)化方法對提升機械臂重復定位精度的有效性。
5 結論
本文提出了一種基于Simulink-Adams聯(lián)合仿真模型的控制系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法。考慮了機械臂機械系統(tǒng)柔性，傳動鏈間隙及關節(jié)傳動鏈剛度等影響因素，使仿真結果更加準確可靠，使得調(diào)節(jié)后的控制參數(shù)更加接近真實最優(yōu)值。協(xié)同優(yōu)化后機械臂末端的重復定位精度有明顯的提升，證明了該方法的有效性，對機械臂的后續(xù)研究更具指導意義。
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作者介
姜迪開（1987-），現(xiàn)為北京精密機電控制設備研究所工程師。
關鍵詞：可編程控制器 PLC 開關邏輯控制 仿真
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0051-02
機械自動化過程離不開傳統(tǒng)的電機拖動和電氣控制系統(tǒng)，而PLC是一種在電氣控制技術和計算機的基礎上開發(fā)出來的智能產(chǎn)品，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業(yè)控制微機。
目前，PLC技術已被廣泛應用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及的工業(yè)控制裝置。被公認為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC，機器人，CAD/CAM）之一。它的應用領域領域已廣泛用于冶金、石油、化工、建材、機械制造電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂各行各業(yè)，隨著性能價格比不斷提高其應用領域?qū)⒉粩鄶U大。
1 課題的提出
PLC技術應用大致分為以下幾個具體方面：
開關量邏輯控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)等。其中開關量控制是最基本、最廣泛的應用領域。它用來取代傳統(tǒng)的繼電接觸控制電路，以實現(xiàn)邏輯控制，順序控制。即可用于單臺電動機的控制，也可用于多機聯(lián)控及自動化流水線等。如下的仿真課題正是開關量邏輯控制的綜合研究。
2 控制要求
控制要求是：
物料小車一處裝料，兩處卸料，且兩處卸料是同一方向，即第二次卸料與第一次卸料沿同一路徑經(jīng)過第一次卸料點后再前進到第二卸料點卸料。
分析：如果是一處裝料，另一處卸料，只要采用行程控制和定時控制即可，但兩處卸料的關鍵和難題是當?shù)诙涡读辖?jīng)過第一次卸料時的行程開關時，應采用兩種方法，一是設法不讓開關動作，這難于辦到；二是開關動作了，但對控制電路或不起作用，我們的仿真方案采用了第二種方法。
3 設計方案
3.1 方案一
PLC輸入與輸出接口 （I/O）：
輸入端口：
輸出端口：
Y0：正傳接觸器線圈
Y1：反傳接觸器線圈
M100：輔助繼電器
T0、T1：時間繼電器
如圖1所示，小車在限位開關X4處裝料，在行程開關X5和X3兩處輪流小在一個工作環(huán)中有兩次右行都要碰到行程開關X5，第一次碰到時停下卸料，第二次碰到時則繼續(xù)前進，因此，應設置一個具有記憶功能的編程元件用它來是第一次還是第二次碰到X5。圖1中M100就起到該作用。當?shù)谝淮闻龅絏5 時，M100接通并自鎖，并在X5兩端，短接了X5，為第二次卸料做好準備。當?shù)诙涡读吓龅絏3又使M100斷電，并為下一個工作循環(huán)做好準備。
仿真過程如下：
仿真通過FX―TRN―BEG―C 來完成。當按下啟動按鈕時開始裝料裝料完畢小車右行到達第一卸料點：
先撞開X5常閉觸點小車停下卸料，卸料畢返回左端。
后撞合X5常開觸點M100得電與X5常閉觸點并聯(lián)的M100常開觸頭閉合為第二次送料碰到X5時控制過程做好準備。
當小車第二次送料再次碰到X5時，小車未停下來，因為M100的常開觸點將X5常閉觸點短接因而使小車越過第一次卸料點到達第二卸料點。從而完成一個循環(huán)周期
3.2 方案二
PLC輸入與輸出接口 （I/O：
輸入端口：
X0：正傳啟動按鈕
X1：反轉啟動按鈕
X2：總停止按鈕
X3、X4、X5：行程開關
輸出端口：
Y0：正傳接觸器線圈
Y1：反傳接觸器線圈
C0：計數(shù)器
T0、T1：時間繼電器
前面提到該控制過程的關鍵是；設法利用一個具有記憶功能的編程元件區(qū)分開小車第一次還是第二次送料。這里改用計數(shù)器C0來完成。把M100常開換成C0常開，X5作為C0的計數(shù)脈沖，只有第二次送料時C0才閉合。仿真結果完全滿意。梯形圖如圖2。
3.3 兩種仿真方案結果對比
兩種仿真方案均運行準確無誤，達到預期控制要求，兩種方案的設計思路較易理解并完成設計，相比之下第二種方案更優(yōu)一些，它用計數(shù)器來分辨第一次還是第二次卸料，因為設定C0 K2，即到第二次卸料時C0的觸點才能動作，并按預定設計完成控制，在思路上很易理解，接受。
4 結語
關于電動機的開關邏輯控制一直是自動化控制的重點，因此對它的仿真控制具有相當重要的實際意義。本文通過對被控對象整定方案的優(yōu)化，仿真結果表明：性能指標完全達到預期效果，程序高效可靠，性能穩(wěn)定。
參考文獻
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[2] 許寥.電氣控制與PLC應用[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.
關鍵字： 交流異步電機； 矢量控制系統(tǒng)； 變頻調(diào)速系統(tǒng)； Simulink仿真； 控制策略
中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0128?03
0 引 言
異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，矢量控制是電機控制系統(tǒng)的一種先進控制方法，由于其交流調(diào)速時的優(yōu)越性被廣泛應用到異步電機調(diào)速系統(tǒng)中。基于Simulink的交流異步電機仿真可以驗證系統(tǒng)設計方案的有效性，在實驗室應用過程中可能遇到系統(tǒng)設計難題。
本文以雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)為研究對象，在Simulink中進行仿真來驗證控制系統(tǒng)的有效性。通過分析仿真結果得到矢量控制系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。
1 矢量控制原理
矢量控制系統(tǒng)，簡稱VC系統(tǒng)，坐標變換是核心思想。矢量控制的基本思想是以產(chǎn)生同樣的旋轉磁動勢為準則，將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流等效成兩相靜止坐標系上的交流電流，在通過坐標旋轉變換將其等效成同步旋轉坐標系上的直流電流，等效過程中實現(xiàn)磁通和轉矩的解耦控制，達到直流電機的控制效果，得到直流電動機的控制量。便可將三相異步電動機等效為直流電動機來控制，獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)接近的動、靜態(tài)性能。
2 基于Simulink的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿
真模型
2.1 系統(tǒng)總體模型
根據(jù)矢量控制系統(tǒng)原理，利用Matlab/Simlink軟件中的電氣系統(tǒng)工具箱SimPowerSystems對系統(tǒng)進行仿真[3]。整體系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。
2.2 仿真模型中主要部分
2.2.1 異步電動機與逆變模塊
異步電動機選用SimPowerSystem模塊庫中的Asynchronous Machine SI Uints，選擇在同步旋轉坐標系的籠式異步電動機數(shù)學模型。模塊的A，B，C是異步電動機定子繞組輸入端，與IGBT逆變器的輸出相連。逆變部分由SimPowerSystem模塊庫中的Power Electronic下的Universal Bridge模塊形成，逆變器的輸入pulse端為PWM控制信號（6路），輸出為三相ABC交流電壓。
2.2.2 矢量控制模塊
矢量控制模塊的內(nèi)部結構如圖3所示。子模塊輸入角速度給定和實際角速度值求偏差，并送入轉速調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）；磁鏈給定的偏差信號用來作為磁鏈調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入，dq?abc、各計算環(huán)節(jié)及abc?dq實現(xiàn)轉速和磁鏈的解耦控制，pulses generator單元產(chǎn)生脈沖信號控制IGBT逆變器達到變頻調(diào)速的目的。轉子磁鏈相位角和勵磁、轉矩電流計算均根據(jù)矢量控制原理采用Simulink下的Fun模塊設置函數(shù)，本文不再給出它們的具體仿真模型。
2.2.3 脈沖發(fā)生器模塊
脈沖發(fā)生器模塊由滯環(huán)控制器和邏輯非運算器組成。模塊的輸入信號是三相給定電流和三相實測電流，輸出信號是由六路IGBT逆變器逆變來的六相脈沖信號。模塊將給定信號和實際測量信號進行比較，當實測電流小于給定電流且偏差大于滯環(huán)寬度時，輸出為1，逆變器相正向?qū)ǎ撓蜿P斷；當實際電流大于給定電流且偏差小于滯環(huán)寬度時，輸出為0，逆變器相負向?qū)ǎ蜿P斷。采用逆變器通與斷來調(diào)節(jié)逆變器輸出線電壓的頻率，實現(xiàn)變頻調(diào)速。電流滯環(huán)控制器模型如圖4所示。
2.2.4 abc?dq，dq?abc坐標變換模塊
abc?dq變換模塊實現(xiàn)三相定子坐標到[dq]坐標的變換，變換模塊模型如圖5所示；[dq?abc]變換模塊實現(xiàn)[dq]坐標到三相定子坐標的變換，變換模塊仿真模型如圖6所示。采用三相到兩相或兩相到三相變換表達式設置變換模塊中相應的函數(shù)表達式。仿真采用的Simulink/ User?Defined Function/Matlab Fcn模塊實現(xiàn)不同形式的函數(shù)運算。
3 仿真結果及分析
3.1 參數(shù)設置
3.2 仿真分析
通過選擇適當?shù)腜ID參數(shù)，采用不同的PID參數(shù)對電機的空載、負載及正常運行過程進行仿真，本仿真采用試湊的方法完成兩個調(diào)節(jié)器PID參數(shù)選擇[6]。結果得系統(tǒng)響應平穩(wěn)、動靜態(tài)性能都較好，轉速超調(diào)小且穩(wěn)態(tài)誤差小。仿真結果驗證了該建模方法的有效性和正確性。
4 結 語
異步電機矢量控制系統(tǒng)一直都是系統(tǒng)原理和系統(tǒng)設計的重點和難點，基于Simulink的異步電機矢量控制系統(tǒng)模型為設計良好的矢量控制系統(tǒng)提供了完善的系統(tǒng)驗證方法。本文根據(jù)矢量控制原理完成了結構簡明的按轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，經(jīng)過仿真實驗，結果表明該矢量控制系統(tǒng)能有效控制異步電機的啟動和調(diào)速，為驗證異步電機調(diào)速系統(tǒng)設計方案提供了一種有效的解決方法。
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【關鍵詞】半實物仿真 飛行控制 實時性 MATLAB/simulink
1 引言
仿真技術綜合了當代科學技術中多種現(xiàn)代化專業(yè)手段，在科學技術領域起到了極其重要的作用。半實物仿真技術是所有仿真技術中仿真置信度很高的一類，它的應用不僅局限于理論研究，更多被工程設計、開發(fā)測試使用，從早期的航空、航天逐步擴展到今天的軍事、電子、通信、交通、艦船等多種行業(yè)。計算機技術的快速發(fā)展使得半實物仿真的核心――實時仿真計算機的運算能力得到極大提升，從傳統(tǒng)的純數(shù)字仿真逐步向人在環(huán)半實物仿真領域擴展。
傳統(tǒng)物理試驗或飛行試驗驗證直觀、真實，但是費時費力，且驗證不充分，一旦失敗則會造成較大的經(jīng)濟損失，甚至發(fā)生嚴重的事故。純數(shù)字仿真簡單易懂，但難以模擬試驗件的復雜特性，仿真精度不高。半實物仿真結合了實物試驗和數(shù)字仿真的優(yōu)點，將系統(tǒng)中的部分實物引入到計算機仿真系統(tǒng)中，既可以在實驗室條件下對試驗件進行各種狀態(tài)下的測試驗證，又可以保證試驗測試的可靠性和安全性。國內(nèi)外的飛機或飛機部件的供應商在飛機的研發(fā)測試中大都應用了半實物仿真技術。
本文旨在淺述通用的飛行控制系統(tǒng)半實物仿真平臺設計思路，為以后試驗設計提供基礎。
2 系統(tǒng)設計
本文飛行控制系統(tǒng)半實物仿真平臺采用一體化設計，是基于MATLAB/simulink飛行仿真模型的實時仿真系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)半實物仿真平臺的基本架構如圖1所示。系統(tǒng)可分為5個子系統(tǒng)：
（1） 實時仿真系統(tǒng)：為系統(tǒng)的主體部分，完成實時仿真和信號轉換功能，包括仿真主計算機（上位機）、實時仿真計算機（下位機）、信號轉化換算機、信號調(diào)理機箱、接線盒及附件（包括工作臺、機柜、電源、電纜等）。主要進行飛機模型實時解算，信號實時轉換及傳遞。
（2） 綜合控制臺：由仿真測試計算機和仿真測試控制軟件組成，完成實時仿真過程中數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制和數(shù)據(jù)管理等功能，一般放置在近試驗人員的測控間，方便試驗人員實時分析及監(jiān)控數(shù)據(jù)。
（3） 模擬座艙及儀表系統(tǒng)：是仿真中用戶和系統(tǒng)進行交互的設備，使系統(tǒng)支持人在回路的飛行仿真試驗，駕駛員可通過駕駛盤（桿）、腳蹬、油門等對飛機進行操縱控制，并通過虛擬儀表顯示，對飛機的參數(shù)進行監(jiān)控。
（4） 實時網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)：為系統(tǒng)的通訊設備，包括以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)兩種網(wǎng)絡，系統(tǒng)中對實時性要求不高的部分采用以太網(wǎng)傳輸；實時性要求較高的部分采用光纖反射內(nèi)存網(wǎng)通訊。
（5） 簡易視景系統(tǒng)：模擬飛機座艙外的景象，給座艙內(nèi)的駕駛員以足夠的視場角的景象顯示。簡易視景系統(tǒng)一般由圖形生成子系統(tǒng)、投影子系統(tǒng)、音響子系統(tǒng)組成，能接收來自實時仿真計算機傳遞的飛行數(shù)據(jù)，并進行3D顯示。
2.1 實時仿真系統(tǒng)。實時仿真系統(tǒng)為整個半物理仿真平臺的主體部分。本系統(tǒng)構建引入分布式布局思想，設計一對多的分布式模式。采用RTW-xPC作為實時仿真的框架。在半物理仿真系統(tǒng)中，飛機無法以物理部件的形式出現(xiàn)，為保證實時性飛機模型需要運行在實時仿真目標機上。飛控系統(tǒng)中其他部件的實現(xiàn)方式均有物理和數(shù)字兩種方式。當缺少該部件時可借助實時操作系統(tǒng)保證部件模型仿真的實時性，將運行該代碼的仿真目標計算機代替真實部件在半物理仿真系統(tǒng)中的位置。物理信號和數(shù)字信號之間的轉換以及物理部件在系統(tǒng)中的接口均通過信號轉化計算機實現(xiàn)。
飛行仿真模型是實時仿真系統(tǒng)的核心。在仿真主計算機的MATLAB/simulink環(huán)境下完成飛控系統(tǒng)離線和實時仿真模型的搭建，并運行在實時仿真計算機內(nèi)。模型所模擬的部件要與真實物理部件的參數(shù)一致，是對物理部件的分析、抽象而建立，是真實系統(tǒng)的近似模型。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建模型，運用了模塊化的設計思想，便于今后對模型的修改和完善，提高系統(tǒng)的通用性。
2.2 模擬座艙及儀表系統(tǒng)。模擬座艙及儀表系統(tǒng)是半物理仿真平臺中的人機交互設備。模擬座艙采用虛擬現(xiàn)實技術模擬生成飛機在空中的飛行環(huán)境條件，使仿真人員具有身臨其境的“真實”感覺。儀表系統(tǒng)從實時網(wǎng)絡上接收實時仿真計算機發(fā)送來的飛機位置、姿態(tài)等信息，向駕駛員反饋飛機的實時操縱狀態(tài)和飛機飛行狀態(tài)，另一方面采樣駕駛盤（桿）、腳蹬、油門的輸出信號。當駕駛員操縱時，反映設備狀態(tài)的模擬量輸出就發(fā)生改變，模擬信號經(jīng)過采樣濾波處理后，輸出給實時網(wǎng)絡。
虛擬儀表軟件開發(fā)平臺主要采用GL Studio，它可以創(chuàng)建實時的、三維的、照片級的互動圖形界面。GL Studio生成的C++和Open GL源代碼可以單獨運行，也可以嵌入其他視景軟件中使用，且能夠方便的被其他目標優(yōu)化平臺使用。
2.3 簡易視景系統(tǒng)。簡易視景系統(tǒng)一般由視景計算機、投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和視景管理軟件組成。由專門的視景軟件配合硬件在視景柱幕上生成3D景象。音響系統(tǒng)一般包括音響計算機、功放等，模擬飛機飛行中的各種聲音，包括那飛機起飛著陸及正常飛行的氣流聲、發(fā)動機聲、起落架收放聲等。
3 結論
本文提供了一種通用且實時可靠的飛行控制系統(tǒng)半物理仿真平臺設計手段。平臺采用一體化設計原則，可以在線調(diào)參、實時查看試驗及飛行效果，極大地提高了試驗效率。
關鍵詞：離子交換 模糊PID控制 可編程控制器 人機界面 Matlab仿真
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0033-02
Design and Simulation on Technology of Fuzzy PID Controller in Sugar Process
Song Tian1 Wang Qichang2
（1.Wuhan Railway Vocational College of Technology； 2.Wuhan LEADDO Measuring&Control Co.Ltd，Wuhan Hubei，430062，China）
Abstract：Aiming at various shortcomings existing in the traditional refine sugar technology，the fuzzy PID controller in ion exchange is designed utilizing Emerson series PLC.A fuzzy-PID hybrid control system is designed base on combining the fuzzy control theory and method of PID control theory.Through Matlab simulation it is found that the fuzzy PID controller is higher precision；more reliable and good adaptation than the traditional PID controller.
Key Words：Ion Exchange；Fuzzy PID Control；PLC；HMI；Matlab Simulation
目前在制糖中，采用離子交換工藝直接生產(chǎn)高質(zhì)量的蔗糖溶液。離子交換的基本原理是利用離子交換器的循環(huán)操作，按照精確規(guī)定的程序反復地進行下去。當一種具有一定離子型的交換樹脂和需要除去一個或多個離子的溶液相接觸時，它們將有效地進行離子交換直到達成平衡為止。此后，如果想把已經(jīng)使用過的樹脂重復利用，那么就必須使它恢復到原來的離子型狀態(tài)，即需用某種溶液來進行處理，使之再生[1]。
由于新型樹脂制造方法的發(fā)展，樹脂的離子交換性能有了很大提高，同時由于計算機應用到自動控制行業(yè)，使制糖生產(chǎn)控制達到了全自動化水平，本文研究就是基于智能控制與模糊控制理論，通過對影響工藝過程控制的重要因素流量的智能控制的系統(tǒng)研究，由PLC控制系統(tǒng)與界面友好的人機接口（HMI）設計實現(xiàn)制糖離子交換模糊控制系統(tǒng)。
1 離子交換原理
1.1 離子交換工藝參數(shù)
（1）流量控制在；（2）進料溫度：40℃～50℃；（3）出料電導率：≤30 us/cm2；（4）透光率：99%；（5）離交后罐pH為 4.5～6.0；（6）失效pH值：陰柱≤4.5。
1.2 離子交換工藝流程
首先啟動離交前泵，離交前罐中的糖液經(jīng)精密過濾器除去雜質(zhì)，經(jīng)PID調(diào)節(jié)其流量控制在 m3/h，然后由離交前板式換熱器，PID調(diào)節(jié)降溫至40 ℃～50 ℃入離交柱，其流量控制在 m3/h。當糖液電導率>30 us/cm2，陰柱pH≤4.5及透光率其中一項不符時，需再生。
本工藝對流量PID調(diào)節(jié)要求比較多，它控制著各種溶液的進出，在離子交換再生過生中需要對各種再生液進行良好的控制，以使樹脂保持良好的交換能力，生產(chǎn)出合格的糖液。
由于流量的控制具有高度非線性、時變、無法建立精確的數(shù)學模型等特點，參數(shù)固定的常規(guī)的PID控制方法不能對反應的變化做快速的、精確的反應，在控制過程中易發(fā)生振蕩現(xiàn)象，很難對系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制。
模糊控制器的優(yōu)點：不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，易于對不確定性系統(tǒng)進行控制；易于控制，易于掌握的較理想的非線性控制器，是一種語言控制器。抗干擾能力強，響應速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。
模糊控制器的缺點：不具有積分環(huán)節(jié)，在變量分級不夠多的情況下，常常在平衡點附近會有小的震蕩現(xiàn)象或存在穩(wěn)態(tài)余差。
PID控制在平衡點附近的小范圍調(diào)節(jié)效果是較理想的，其積分作用可最終消除余差。在實際控制過程中，把以上兩種控制技術結合起來，就可以構成兼有這兩者優(yōu)點的模糊PID控制器。
2 系統(tǒng)設計
制糖離子交換系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)與界面友好的人機接口（HMI）實現(xiàn)，操作工人可以通過對人機友好界面的控制實現(xiàn)人機對話功能，并可以調(diào)看系統(tǒng)的主控畫面、報警、曲線等，在需要時可以對參數(shù)進行設置調(diào)整。
系統(tǒng)主要分為下位機控制系統(tǒng)和上位機控制系統(tǒng)兩部分。下位機主要負責對整個系統(tǒng)進行編程，對數(shù)據(jù)進行處理并傳給上位機輸出。上位機可以直接控制整個系統(tǒng)的流程，對參數(shù)進行設置等，但不對數(shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)采用愛默生（Emerson）PLC作為下位機編程平臺，上位機觸摸屏eView MT506L來進行組態(tài)實現(xiàn)，工程文件的編寫在Easybuilder 500組態(tài)軟件上完成。
2.1 下位機軟件設計
控制系統(tǒng)程序的基本功能為：選擇數(shù)據(jù)通道、對系統(tǒng)采樣進行A/D轉換、對系統(tǒng)控制量進行D/A轉換、控制閥門輸出、發(fā)送及接收通訊數(shù)據(jù)等。其基本流程是：PLC先選擇通道，對采樣進行A/D轉換和流量值進行計算，將采樣得到的流量傳輸給觸摸屏，觸摸屏返回設定的流量，經(jīng)過模糊推理，實時調(diào)節(jié)三個動態(tài)PID參數(shù)，最后輸出控制量，控制量經(jīng)過D/A轉換后發(fā)送給比例控制閥，以實現(xiàn)對閥門的控制。根據(jù)制糖離子交換系統(tǒng)的要求，下位機的要設計的主要功能如下：（1）對流量進行實時采集；（2）計算PID控制算法，實現(xiàn)實時控制功能；（3）實現(xiàn)與上位機進行通訊；（4）對系統(tǒng)產(chǎn)生的故障信號進行檢測、處理與報警。
2.1.1 硬件選型
根據(jù)制糖離子交換所需選擇合適的PLC，選擇Emerson系列PLC，其具體型號和數(shù)量如下：EC20-4040BRA，EC20-8AD， EC20-4AD，EC20-4AM各一個，EC20-1616ERA所需要數(shù)量為3個。
2.1.2 PLC軟件設計
PLC程序控制主要負責對數(shù)據(jù)采集、比例閥的控制、故障報警等功能。PLC程序可以單獨對PID實現(xiàn)實時控制。
在PLC控制系統(tǒng)中，PLC就相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的控制器。它對過程變量的實測值和設定值之間的誤差信號進行運算，稱為控制算法。在制糖離子交換系統(tǒng)控制中由于數(shù)學模型難于建立，運用控制理論分析要耗費很大的財力和人力，且生產(chǎn)中不具備做大量實驗的條件，因此，在制糖離子交換系統(tǒng)過程控制中應用PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制器的控制算法是由微機的程序?qū)崿F(xiàn)的。這種程序一般包括兩個部分，一個是計算機離線計算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運算；另一個是PLC在模糊控制過程中在線計算相應變量（誤差、誤差變化），并將它們模糊量化處理，查找查詢表后再作輸出處理的程序。由于在線計算查詢表使得PLC程序過大，程序執(zhí)行周期太長，嚴重影響實際控制效果和運行人員的操作靈敏度，所以本次設計采用離線計算查詢表的方法。
2.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)人機界面（HMI）設計
上位機人機界面系統(tǒng)要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、流程畫面監(jiān)控，與下位機通信等功能。本系統(tǒng)采用觸摸屏eView MT506L來進行組態(tài)實現(xiàn)，工程文件的編寫在Easybuilder 500組態(tài)軟件上完成。
監(jiān)控界面設計及功能。
本設計中，觸摸屏的主要作用是與下層的PLC通訊，獲取過程數(shù)據(jù)，顯示流量、報警畫面、歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢等。
3 模糊PID控制系統(tǒng)仿真研究
3.1 常規(guī)PID設計
3.2 模糊-PID控制仿真方案
要使流量控制在 m3/h之間，將流量T=9設為初始值，仿真時間取50 s，參數(shù)初始值分別設為=9、=0.4、=1。確定MATLAB仿真設計圖如圖1。
3.3 仿真結果分析
仿真結果如圖2，3所示。圖2是傳統(tǒng)PID控制的仿真曲線，圖3是模糊-PID控制的仿真曲線。
兩條曲線比較結果表明：傳統(tǒng)PID控制方式與模糊控制PID相比，超調(diào)量比較大，且系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間比較長，傳統(tǒng)PID控制方式參數(shù)不能改變，而模糊-PID控制具有抗參數(shù)變化的魯棒性。模糊-PID比傳統(tǒng)PID對系統(tǒng)的控制有更高的精度，并且有更好的控制效果。
所以，將模糊控制算法與PID控制原理相結合相互補償?shù)姆椒ǎ哂锌刂凭雀撸煽啃院茫€(wěn)定所需時間短，適應性好的優(yōu)點。
4 結語
本文根據(jù)離子交換原理，基于PID算法、模糊控制理論，從制糖工藝離子交換的實際需求，將模糊控制PID算法設計運用于制糖工藝自動控制系統(tǒng)中，具有控制精度高，可靠性好，穩(wěn)定所需時間短，適應性好的優(yōu)點。
參考文獻
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關鍵詞：車輛工程；控制系統(tǒng)；仿真技術；教學改革
中圖分類號：G642.4文獻標志碼：A文章編號：1002-2589（2015）23-0142-02
由于電子控制技術在車輛工程中的應用發(fā)展十分迅速[1]，車載控制系統(tǒng)已成為車輛工程學科里一個重要的研究方向。現(xiàn)代汽車的電控系統(tǒng)數(shù)量一般為幾十個，而高檔汽車已高達上百個，電控系統(tǒng)控制器的開發(fā)對控制系統(tǒng)理論在具體工程中的應用提出了很高的要求。在車輛工程專業(yè)教學中，“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程作為本科生的培養(yǎng)內(nèi)容極為必要[2]。通過本課程的學習，使學生掌握控制系統(tǒng)設計的基本思路和方法，培養(yǎng)學生成為具有分析問題和解決問題能力的創(chuàng)新性人才。本文以安徽工程大學車輛工程專業(yè)“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程改革為例，介紹教學改革實踐中的一些體會和有益經(jīng)驗，與同行分享。
一、課程分析
1.課程現(xiàn)狀分析
“控制系統(tǒng)與仿真技術”作為車輛工程學科一門專業(yè)選修課，是學生走向科研院所或汽車企業(yè)應該掌握的一門課程，安排在第三學年的第二學期，總學時為32學時。本課程僅安排4個學時的實驗，其中控制系統(tǒng)的MATLAB建模和SIMULINK仿真分別為2個學時。“控制系統(tǒng)與仿真技術”原屬于自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，教學以理論講解為主，側重于數(shù)理公式的推導。這種教學無法培養(yǎng)學生的動手能力，不利于學生理解控制系統(tǒng)的理論本質(zhì)，對于MATLAB軟件的一些函數(shù)和命令，學生只能依靠死記硬背，降低了學習的積極性，影響教學效果。
“理論力學”和“控制工程基礎”等作為前續(xù)課程，學生在學習“控制系統(tǒng)與仿真技術”時已掌握了一定的理論知識，但這些知識點對學生來說是相互孤立的，缺乏對知識體系結構的系統(tǒng)性認識，對具體的理論應用不知所措。“控制系統(tǒng)與仿真技術”教學中對理論過多的講解也會造成教授內(nèi)容的重復，降低了講課效率，不能充分發(fā)揮學生學習的主動性。教學方法采用單一的任務驅(qū)動教學法，在任務訓練的后期，任務小組內(nèi)部容易出現(xiàn)少數(shù)學生具有依賴思想，導致抄襲現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。具體任務主要為傳統(tǒng)控制理論的數(shù)字仿真分析，對汽車各種電控系統(tǒng)的工程背景基本沒有涉及，這不利于學生了解本領域的科技進展，任務訓練難以實現(xiàn)應用MATLAB解決實際工程問題。
2.課程定位目標
安徽工程大學車輛工程專業(yè)為安徽省首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”建設專業(yè)，“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術人才[3]。在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”引導下，車輛工程專業(yè)的培養(yǎng)目標定為：培養(yǎng)德智體全面發(fā)展、基礎扎實、誠信實干、綜合素質(zhì)高、實踐能力強、具有創(chuàng)新精神，從事車輛及其零部件設計、制造、實驗研究以及車輛經(jīng)營管理等領域的高級應用型專門人才。上述培養(yǎng)目標迫使我們必須改革傳統(tǒng)的教學方法，積極探索富有活力、促進學生全面發(fā)展的新型課堂教學方法，激發(fā)學生的內(nèi)在潛能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程能力。
在廣泛調(diào)研的基礎上，制定了車輛工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，對專業(yè)課程進行了調(diào)整，新開設了“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程。由于車輛工程專業(yè)學科交叉明顯，機械、電子、液壓、控制等課程均有涉及，“控制系統(tǒng)與仿真設計”課程在整個培養(yǎng)體系中的定位如圖1所示。由圖1可知，在培養(yǎng)體系中，汽車的各種電子控制系統(tǒng)，如電控燃油噴射系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、電控轉向系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)、電控懸架系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、電控自動變速器和防抱死制動系統(tǒng)等為具體的工程應用。汽車系統(tǒng)動力學、汽車設計、汽車構造、汽車理論、汽車電子、傳感器技術和控制工程基礎等為基礎理論課程。“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程作為基礎理論到工程應用的橋梁，在整個培養(yǎng)體系中具有重要意義。
二、課程教學改革措施
1.課程內(nèi)容優(yōu)化
根據(jù)“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程的培養(yǎng)目標，對教學內(nèi)容進行整合優(yōu)化，將教學內(nèi)容劃分為理論教學與實踐教學兩部分。理論教學部分主要完成基本知識點的講解，以汽車中涉及的動力學系統(tǒng)為分析對象，以汽車電子控制系統(tǒng)的設計方法為設計案例，突出課程特色。實踐教學是課程學習的重要內(nèi)容，在內(nèi)容設置上力求做到理論聯(lián)系實際，重視工程概念在實際問題中的應用，提高學生的工程意識和工程實踐能力。
“控制系統(tǒng)與仿真技術”教材目前主要側重于MATLAB介紹和控制理論的數(shù)字仿真等內(nèi)容，系統(tǒng)地以車輛為研究對象講解如何設計控制系統(tǒng)的教學案例非常少，適合于車輛工程專業(yè)學生及工程技術人員閱讀的教材不多。在本次教學改革實踐中，增加了汽車中相關控制系統(tǒng)的設計與應用，以車輛工程專業(yè)教師的科研成果為基礎，編排了適合車輛工程專業(yè)學生閱讀的教材，其中以汽車電控轉向系統(tǒng)、電機調(diào)速控制以及自適應巡航控制系統(tǒng)為主要教學案例，在后續(xù)教學中繼續(xù)增加相應的內(nèi)容。在教材內(nèi)容修訂上，應盡量避免與其他相關課程知識點的重合。
設計工程項目時需遵循三個原則：融合相關教學內(nèi)容涉及的知識點，并充分覆蓋教學內(nèi)容；緊跟汽車技術的發(fā)展方向，應具有較強的時效性；實施過程中所遇到的問題難度適中，易于激發(fā)學生學習的積極性。工程項目分解成實際案例需要與實踐教學內(nèi)容相結合，案例在功能上具有一定的完備性，且各案例之間保持一定的漸進性，逐步引導學生，避免產(chǎn)生抵觸情緒。實際案例的篩選應以較為成熟的控制系統(tǒng)或具有代表性的控制方法為案例。實際案例討論與分析完畢后，根據(jù)學生反饋的學習效果，指導學生將實際案例歸納綜合成相應的具體任務，將具體任務進一步分解，讓每個小組成員都承擔一定的具體任務。2.教學方法設計
案例教學法是一種以案例為基礎的教學方法，融合相關知識點于實際案例中。案例中設置的問題為一種兩難問題，沒有某一特定的解決方案[4]。教師在教學中作為設計者和激勵者的角色，積極引導學生解決問題，培養(yǎng)學生主動分析和解決問題的能力。項目教學法是以項目為主線、學生為主體、教學為主導的教學方法。學生在教師的指導下負責信息的收集、方案的設計、項目的實施。項目需要小組成員的通力合作完成，這有利于增強學生的團隊精神，提高學生的自主創(chuàng)新能力。而任務驅(qū)動教學法是以解決問題、完成任務為主的多維互動式的教學方法。學生結合自己的具體任務模塊，構建知識體系，有利于激發(fā)學生的學習興趣。
由上述三種教學方法的分析可知，三種方法在發(fā)揮學生主觀能動性和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力等方面各有所側重點[5]。在當前實踐教學中，上述三種教學方法取得了良好的教學效果，但基本上以一種教學方法為主，過分依賴教學方法中所設計的單一項目、案例或任務，影響了教學效果。為此，建立了一種基于項目案例任務驅(qū)動的“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程實踐教學方法，其教學過程如圖2所示。由圖2可知，該教學方法結合“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程，融合三種教學方法為一體，以工程項目為主導、實際案例為引導，用具體任務驅(qū)動學生構建車輛工程學科的知識體系結構。
三、課程教學改革實踐
1.課程教學實施
“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程具有明顯的實踐性和綜合性的特點，特別注重應用能力的培養(yǎng)，因此課程安排理論教學20學時，實踐教學12學時。整個課程安排在第8周至第15周，授課在每周的星期二和星期四進行，每次連續(xù)兩個課時。實踐教學安排3個工程項目，分別安排在第10周、12周和14周。理論教學安排在第8周、9周、11周、13周和15周，授課期間加入實際案例討論，周四課后安排具體任務。
教師在工程項目的設計上，突出工程背景，結合自己的相關科研成果，加強實踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性和綜合性。本課程的工程項目應用MATLAB軟件開展訓練，MATLAB是仿真軟件中易學、功能強大的一款，成為“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程項目訓練的首選工具。為加深學生對控制系統(tǒng)、仿真技術的概念，本課程通過讓學生參觀相關的汽車電控系統(tǒng)，如電控轉向系統(tǒng)平臺、自適應巡航控制系統(tǒng)模擬器等。在教學手段上，合理使用多媒體課件講課，為了加強學生對理論知識的理解，還可以穿插些圖片、幻燈片等。在教學過程中，注重課外創(chuàng)新活動與課堂實踐教學的結合，鼓勵學生積極參加一些控制系統(tǒng)設計類的項目和競賽[6]，如大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目和飛思卡爾智能汽車競賽等。
2.課程教學效果
采用文獻[7]中的教學效果綜合評價模型對教改的教學效果進行實證研究。評價指標為個人興趣K1、職業(yè)發(fā)展K2、能力培養(yǎng)K3、教學效率K4、學習方法K5、行業(yè)經(jīng)驗K6和適應能力K7。個人興趣為教學方法對激發(fā)學生學習興趣、求知欲，調(diào)動學生積極性的評價。職業(yè)發(fā)展為教學方法對增進學生團隊合作與溝通，對學生職業(yè)發(fā)展的導向性及學生是否提出新觀點的評價。能力培養(yǎng)為教學方法對培養(yǎng)學生分析問題、解決問題，以及創(chuàng)造能力的評價。教學效率為學生掌握相關專業(yè)知識和考核指標的科學性與合理性的評價。學習方法為學生在課堂上對“控制系統(tǒng)與仿真技術”課程學習方法的掌握程度的評價。行業(yè)經(jīng)驗為教學方法對學生獲得實務與行業(yè)經(jīng)驗的評價。適應能力為教學方法培養(yǎng)學生滿足社會人才需求適合程度的評價。教學效果綜合評價模型中評價指標的權重表如表1所示。
傳統(tǒng)教學和實施教改后的教學效果評價指標如圖3所示。由圖3可知，7個評價指標在實施教改后均有不同程度的提高，其中行業(yè)經(jīng)驗提高最快，增幅為21.7%。綜合評價值由2.4662提高為2.8994，這說明教改的實施提高了學生學習的自覺性，提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，激發(fā)了創(chuàng)新意識，調(diào)動了學生獲取知識的積極性和主動性，從而為學生撰寫畢業(yè)論文以及畢業(yè)后走上工作崗位運用仿真技術打下了堅實的基礎。
關鍵詞：叉車自動變速器；控制系統(tǒng)；換擋規(guī)律；快速原型
中圖分類號：U469.79 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0010-07
Performance Simulation and Test Research of Forklift
Truck’s Automatic Transmission Control System Base on dSPACE
ZHANG Bing-li1，HU Fu-jian1，DONG Yan-wen1，DING Mei-ling2
（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009， China；
2.Heifei Changhe Automobile Co.，LTD，Hefei 230009，China）
Abstract: By matching the parameters of the Forklift Truck’s engine and hydraulic converter，we can make up the power shift curve. The power shifting schedule basing on the speed and throttle angle is built by using zone value as the input of shift logical model.According to the solenoid valves’ operating principle and the shifting executing components’ working logic， the solenoid valves control model is built. On dSPACE platform， the real-time simulation test of AT control system in Forklift Truck was performed. The test results verify that the models of transmission and the research can provide reference for the development of automatic transmission controller in Forklift Truck.
Key words: forklift truck’s transmission；control system；shifting schedule；rapid control prototyping
叉車的使用環(huán)境和目的與普通汽車不同，其工作環(huán)境復雜、惡劣，而且車輛負載變化范圍很大，需要駕駛員頻繁操作換擋以滿足整車動力性能的要求，不僅勞動強度大，而且難以保證行駛經(jīng)濟性［1］。叉車上采用自動變速技術具有以下優(yōu)點［2］：①減輕駕駛員的勞動強度，提高安全性；②改善車輛的燃油經(jīng)濟性；③降低了傳動系的動載荷，延長了零部件的使用壽命；④可以使發(fā)動機工作在良好的工作狀態(tài)，從而改善車輛的排放性能，有利于保護環(huán)境。
目前國內(nèi)使用的多數(shù)是手動擋叉車，只有少量進口的自動擋叉車，并且其自動變速器控制規(guī)律多數(shù)采用的是基于車速或發(fā)動機轉速的單參數(shù)控制，這種控制模式無論油門開度處于何種位置，換擋點總是保持不變。但是考慮到叉車的實際使用工況，主要是保持車輛的動力性，對于不同的油門開度，車輛的最佳動力性換擋點也應不同，所以如果直接使用單參數(shù)控制規(guī)律來控制，往往無法解決叉車對動力性的要求。
本文主要針對合力5~10 t叉車，叉車性能參數(shù)如表1所示，采用車速和油門開度兩參數(shù)控制，建立動力性換擋規(guī)律。利用dSPACE的V型開發(fā)模式對叉車自動變速器控制系統(tǒng)進行圖形化建模和仿真，并且完成叉車自動變速器控制系統(tǒng)快速原型實驗。
1 換擋規(guī)律的建立
液力變矩器對發(fā)動機輸入特性和叉車主要輸出特性有很大影響。叉車的動力性在很大程度上取決于發(fā)動機與液力變矩器的共同工作是否良好，一臺性能良好的發(fā)動機與一臺性能良好的液力變矩器如果匹配不當，并不能使叉車獲得良好性能。因此，要想提高液力傳動叉車的動力性能，除了提高液力變矩器本身的性能外，還要實現(xiàn)最佳匹配。為此，必須研究發(fā)動機與液力變矩器的輸入特性、共同工作范圍及輸出特性。
最理想的匹配是發(fā)動機與液力變矩器共同工作時，充分利用發(fā)動機工作區(qū)段，以滿足叉車的需要，必須滿足以下三點要求：
（1）在液力變矩器的整個工作范圍（或高效范圍）內(nèi)，應能充分利用發(fā)動機的最大有效功率。這樣可以獲得較大的輸出功率，以提高車輛的平均行駛速度。因而希望液力變矩器高效區(qū)范圍處于發(fā)動機最大功率點附近。
（2）為使叉車具有良好的經(jīng)濟性，希望發(fā)動機與液力變矩器共同工作范圍處于發(fā)動機低燃油消耗率區(qū)段。
（3）為使車輛具有良好的起步性能，希望低速比工況下的泵輪負荷拋物線位于發(fā)動機最大轉矩點附近。
1.1 發(fā)動機與液力變矩器聯(lián)合輸入
發(fā)動機與液力變矩器合理匹配就是在一定油門開度下，發(fā)動機處在最大平均功率與液力變矩器最大效率工況下共同工作，此時的工作點為最佳工作點。而共同工作的輸入特性就是在不同油門開度和不同轉速情況下發(fā)動機的輸出特性與不同速比下泵輪扭矩特性的組合，兩種特性的交點即為共同工作點。其共同工作的必要條件是：
Me=Mb，Ne=Nb（1）
根據(jù)提供的發(fā)動機實驗數(shù)據(jù)和液力變矩器的原始特性數(shù)據(jù)，利用Matlab的M文件將聯(lián)合輸入相關公式［3］編寫成程序，并且利用多項式擬合命令polyfit，對液力變矩器的輸入特性和發(fā)動機扭矩特性進行5次多項式擬合，交點為對應工況穩(wěn)定工作點，即可得到發(fā)動機和液力變矩器共同工作特性，擬合結果如圖1所示。
1.2 發(fā)動機與液力變矩器聯(lián)合輸出
共同工作的輸出特性是發(fā)動機與液力變矩器共同工作時，渦輪輸出扭矩、輸出功率和發(fā)動機轉速等與渦輪轉速之間的關系［2，3］。共同工作的輸出特性是進行叉車牽引計算的基礎，因此，為使叉車獲得良好的動力性與經(jīng)濟性，共同工作的輸出特性必須滿足在共同工作輸出特性高效區(qū)工作范圍或整個工作范圍內(nèi)，應保證獲得最高平均輸出功率。
根據(jù)共同工作時的輸入特性即可按照公式［3］推導出發(fā)動機和液力變矩器共同工作的輸出特性，如圖2所示以渦輪轉速為橫坐標，渦輪轉矩為縱坐標建立的聯(lián)合工作輸出特性圖。
1.3 最佳動力性換擋規(guī)律
最佳動力性換擋規(guī)律是根據(jù)發(fā)動機與液力變矩器聯(lián)合工作輸出特性，將渦輪轉速和渦輪轉矩按照車輛不同擋位的傳動比轉換成車速和驅(qū)動力的曲線（見圖3），并且計算各擋位驅(qū)動力的交點，以此交點作為動力性換擋點，最終將各換擋點連接起來作為換擋曲線［4］，其中左側兩條換擋曲線為倒擋時的換擋曲線，右側兩條換擋曲線為前進時的換擋曲線，如圖4所示。
2 建立自動變速器控制模型
本文利用Matlab/Simulink對叉車自動變速器控制系統(tǒng)進行建模［4］，建立的模型如圖5所示，包括數(shù)據(jù)采集模型和控制策略模型，其中N為空擋，F(xiàn)1為前進一擋，F(xiàn)2為前進二擋，R1為倒一擋，R2為倒二擋。
2.1 數(shù)據(jù)采集模型
本文采取的是基于兩參數(shù)的換擋控制規(guī)律，主要控制參數(shù)為車速、油門開度，利用車速和油門開度建立動力換擋曲線。在快速原型階段利用dSPACE自帶的接口與車輛上的傳感器連接，采集相應的數(shù)據(jù)，主要采集車速、油門開度、前進和后退的撥桿信號，采集模型如圖6所示。
2.2 控制策略模型
自動變速器自動換擋過程是從傳感器采集當前車輛運行狀態(tài)信息，通過TCU進行運算和判斷，若符合換擋條件，則TCU向執(zhí)行機構發(fā)出執(zhí)行換擋信號，執(zhí)行機構進行相應的動作實現(xiàn)自動換擋。
本文制定的控制策略模型是模擬實際叉車的動作狀態(tài)建立的，實際使用中駕駛員通過操作撥桿給TCU信號，由TCU檢測撥桿信號并識別車輛目前的運轉狀態(tài)（前進擋、空擋、倒擋），并且根據(jù)車輛的狀態(tài)參數(shù)（車速、油門等）判斷目前車輛的擋位，然后觸發(fā)相應的電磁閥動作，從而實現(xiàn)對車輛的操控。根據(jù)這一思想，本文制定的控制策略模型利用撥桿的信號判斷車輛是處于前進擋、空擋還是倒擋狀態(tài)，從而觸發(fā)相應的前進擋、空擋和倒擋控制模塊，并按照各模塊中制定的換擋規(guī)律進行換擋，輸出合理的擋位，控制策略模型如圖7所示。
2.2.1 換擋邏輯輸入?yún)?shù)
本文依據(jù)車速和油門開度建立的兩參數(shù)換擋模型，模型的自動換擋功能是通過換擋邏輯模型來實現(xiàn)的，并且利用車速和油門兩參數(shù)將輸入的車輛運行狀態(tài)信息劃分為兩個區(qū)域，作為自動變速器換擋模型中換擋邏輯模塊的輸入量。在此針對前進控制模型加以說明，如圖8所示。
2.2.2 換擋邏輯模型
以駕駛員的實際操作行為為依據(jù)，建立換擋邏輯模塊如圖9所示，通過將實際車輛的運行狀態(tài)與換擋規(guī)律中預設的換擋時刻的車輛狀態(tài)相比較，從而決定應該升擋、降擋還是保持當前擋位。
換擋邏輯模塊采用Stateflow［5］建立。模塊采用兩個并行的狀態(tài)圖：擋位轉移狀態(tài)圖（shift）和擋位控制狀態(tài)圖（shift_control）。在shift狀態(tài)圖中，有兩個擋位狀態(tài)，定義了upshift和downshift兩個狀態(tài)轉移事件作為擋位變換的條件。shift_control狀態(tài)圖包含有三個狀態(tài)：擋位保持（steady），升擋（upshifting）和降擋（downshifting）。當shift_control被激活后，無條件轉移激活steady，然后通過判斷狀態(tài)轉移條件是否滿足，如果滿足則激活upshifting或者downshifting狀態(tài)；如果不滿足條件，則維持steady狀態(tài)。
2.3 自動變速器控制模型離線仿真
進行自動變速器控制模型離線仿真是實現(xiàn)控制快速原型的基礎。自動變速器控制模型離線仿真采用的輸入信號是根據(jù)實際車輛運行狀況采集的數(shù)據(jù)，主要輸入量為車速、油門開度和撥桿信號。其中撥桿信號直接輸入常值，如前進擋為1，后退擋為0；實驗輸入的油門開度、車速以及換擋結果如圖10所示。
從0~20 s模擬叉車執(zhí)行裝載、倒車等動作，隨著油門開度變化，車速不斷變化，對應擋位也發(fā)生變化，在6 s左右擋位升為2擋，但由于車速變化迅速，很快降為1擋；從20 s到36 s模擬的是車輛平路加速行駛后滑行直到停車，在此階段，隨著油門開度的增加，車速迅速上升，在23 s擋位升為2擋，之后油門將為0，叉車處于滑行狀態(tài)，車速不斷減小，在38 s左右擋位降為1擋；從36 s到44 s車輛處于舉升階段，雖然油門開度不斷增加，但是車速很小，所以擋位維持1擋不變，這與實際操作是相符的。
綜合實驗結果分析得出，所建立的基于油門開度和車速的兩參數(shù)控制規(guī)律基本實現(xiàn)自動換擋的功能，但是模型的實際控制效果還有待在快速原型實驗中來驗證。
3 自動變速器控制系統(tǒng)快速原型
3.1 電磁閥動作邏輯
本實驗的執(zhí)行原件動作是由電磁閥來控制的，實驗車輛具有空擋、兩個前進擋和兩個后退擋，通過三個開關閥和一個節(jié)流閥控制。不同擋位時各電磁閥動作狀態(tài)如表2所示。其中需要注意的是在空擋狀態(tài)所有的電磁閥均不工作；擋位開關閥上電為2擋，不上電為1擋；節(jié)流閥為常開閥，在1擋和2擋之間進行切換時，先延遲，后上電延遲，再斷電，目的是為了降低換擋瞬間的油壓波動，降低換擋沖擊。
3.2 電磁閥模型
將建立的自動變速器控制模型編譯到dSPACE中，模擬TCU控制自動變速器的運行，圖11給出了對應的電磁閥模型和實現(xiàn)dSPACE與電磁閥驅(qū)動芯片之間連接的RTI接口。
3.3 快速原型實驗
自動變速器控制規(guī)律快速原型實驗是進行硬件在環(huán)實驗的基礎，在快速原型實驗中，dSPACE用來模擬車輛的TCU控制單元，在這個階段主要是處理兩個問題，一是對建立的自動變速器進行在線驗證，另一方面對換擋曲線進行調(diào)整，使換擋時刻符合車輛的實際運行工況和駕駛員的操作習慣。
3.3.1 快速原型實驗流程
快速原型實驗流程如圖12所示，首先利用PC機將自動換擋控制模型（含電磁閥模型）編譯下載到dSPACE中，并且將電磁閥驅(qū)動程序下載到電磁閥驅(qū)動電路中；dSPACE根據(jù)從實車上采集到的傳感器信號執(zhí)行控制策略，并將電磁閥控制信號輸入到電磁閥驅(qū)動電路，根據(jù)預先存儲于驅(qū)動電路中的電磁閥驅(qū)動程序?qū)τ蒬SPACE傳來的控制信號進行處理，最終向?qū)嵻嚿系碾姶砰y輸入電磁閥動作信號，電磁閥接收到控制信號后，作出相應的動作，實現(xiàn)自動換擋。這樣就形成了快速原型控制［6-8］，實物如圖13所示。
3.3.2 快速原型實驗仿真結果分析
快速原型實驗主要分為兩部分：一是叉車正常（平路）行駛實驗；二是叉車在特殊工況行駛實驗，如急加速急減速工況。快速原型實驗過程中，利用ControlDesk綜合實驗和測試平臺對仿真實驗進行數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控。采集的數(shù)據(jù)主要有油門、車速和擋位。
3.3.2.1 正常行駛實驗
本實驗主要目的是為了驗證車輛在正常行駛過程中能否嚴格按照換擋規(guī)律進行換擋，實驗曲線圖如圖14所示。
從0 s到10 s叉車啟動為空擋N，10 s開始叉車掛前進擋，叉車以前進一擋F1向前行駛，車速不斷升高，在30 s左右車速達到與此刻油門開度相對應的換擋點，擋位升為前進二擋F2，在40 s油門開度降低，但是車速始終高于與油門開度對應的換擋車速，所以叉車始終保持以F2向前行駛。
可以證明叉車在正常行駛時自動變速器嚴格按照換擋規(guī)律中的換擋點進行換擋，基本實現(xiàn)自動換擋功能。
3.3.2.2 特殊工況實驗
特殊工況實驗主要是驗證處于急加速急減速工況中的叉車能否按照換擋規(guī)律正確換擋，實驗曲線圖如圖15所示。
從0 s到7 s叉車啟動為空擋N，7 s叉車掛倒擋，迅速加大油門開度，7 s到17 s叉車以倒一擋R1行駛，在17 s車速達到與此刻油門開度相對應的換擋點，擋位升為倒二擋R2，之后在很短的時間里，叉車由于車速降到對應的降擋點以下，擋位由R2換為R1，并且迅速帶制動停車并掛前進擋，急加速讓車速迅速提高，在34 s左右擋位由F1換為F2，并且保持不變，53 s左右車速迅速降低到降擋點之下，擋位換為F1，之后油門開度急速增大，車速隨之升高，擋位換為F2。
根據(jù)上述分析叉車在特殊工況中可以按照制定的換擋策略動作，所以上述制定的換擋策略對叉車特殊行駛工況也是適用的。
4 結論
本文對叉車的發(fā)動機與液力變矩器的性能進行匹配，建立基于車速和油門的自動變速器最佳動力性控制模型，并基于dSPACE對控制模型進行快速原型實驗，實驗結果表明：所建立的控制系統(tǒng)模型正確，能夠?qū)崿F(xiàn)自動換擋，效果良好，為開發(fā)叉車自動變速器控制器提供了參考。
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關鍵詞：仿真軟件；透平機械；控制系統(tǒng)
透平機械控制是熱能與動力工程專業(yè)本科生專業(yè)課程，理論性和應用性較強。Simulink是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)，離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)，單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。在多年的教學過程中，筆者結合學生學習效果反饋，發(fā)現(xiàn)在課堂中融入Simulink仿真軟件教學能取得較好的效果。
下面結合教學實例對Simulink仿真軟件教學進行分析：
課程主要內(nèi)容：分析透平機械控制系統(tǒng)元件的故障，對控制系統(tǒng)性能的影響。
把握各種控制規(guī)律是透平機械控制的任務，要由復雜的控制系統(tǒng)完成，由于實際應用的透平機械控制系統(tǒng)結構種類繁多，通常在教學過程中以幾種典型的控制系統(tǒng)為例進行分析。本教學實例首先分別是建立測量元件、比較放大元件、執(zhí)行元件以及控制對象的數(shù)學模型，通過Simulink仿真工具箱建立透平機械控制系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示，仿真結果如圖2曲線0所示。
一、杠桿故障分析與故障仿真
反饋杠桿不靈活、卡塞或變形會導致反饋裝置的遲緩率過大，反饋時間常數(shù)增大，造成轉速波動，調(diào)節(jié)時間變長。圖2中線1為杠桿故障導致反饋延遲的仿真曲線。故障狀態(tài)下，系統(tǒng)超調(diào)量增加，轉速波動嚴重。
二、調(diào)節(jié)彈簧故障分析與故障仿真
彈簧疲勞失效是透平機械轉速控制系統(tǒng)的常見故障，彈性減弱甚至完全失去。在彈簧彈性減弱時反饋裝置的反饋時間常數(shù)會增大。圖中2線2為調(diào)節(jié)彈簧彈性減弱的曲線，調(diào)節(jié)時間加長，達不到所要求的設定轉速。
三、錯油門滑閥卡死故障分析與故障仿真
透平機械的工作條件比較復雜，易導致液壓油路的污染，使錯油門中摻雜大量的污染顆粒，這些顆粒會導致錯油門滑閥卡死。卡死以后就會使轉速控制系統(tǒng)的液壓放大與反饋環(huán)節(jié)失去作用。圖2線3為錯油門滑閥卡死工況（液壓放大與反饋環(huán)節(jié)失效）的仿真曲線。錯油門滑閥卡死時轉速穩(wěn)定在某一轉速狀態(tài)，達不到設定轉速值。
四、錯油門滑閥節(jié)流口堵塞故障分析與故障仿真
由于長時間工作，錯油門中的油可能會被外界的雜質(zhì)或部件間的磨損掉下鐵屑污染，而這些雜質(zhì)與鐵屑可能會堆積在錯油門滑閥節(jié)流口處，使節(jié)流口的周向?qū)挾茸冃 ９?jié)流口的周向?qū)挾茸冃е乱簤悍糯笃鞯脑鲆嫦禂?shù)減小，這種故障會造成液壓放大器對輸入信號的放大程度減小，使油動機的反應變緩，整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間加長。線4為錯油門滑閥節(jié)流口堵塞的曲線。故障曲線15秒仍未達到設定轉速，并且出現(xiàn)了小頻率的轉速波動。
五、錯油門出液壓油泄漏故障分析與故障仿真
錯油門處液壓油泄漏后，會導致進入錯油門的油壓力降低，進而使通過錯油門滑閥節(jié)流口的液壓油流速降低，流速降低以后，液壓放大器的增益系數(shù)變小，故障現(xiàn)象與錯油門滑閥節(jié)流口堵塞相似。如果油壓繼續(xù)降低，直到無法推動油動機動作，則會使之后的放大反饋環(huán)節(jié)失效，故障現(xiàn)象與錯油門滑閥卡死相似。
通過透平機械控制系統(tǒng)各元件故障分析，構建故障模型，融合Matlab軟件中Simulink仿真工具，可以非常直觀地使學生了解透平機械控制系統(tǒng)建模、仿真的過程。將Simulink仿真軟件應用于透平機械控制的本科生教學過程中， 有助于學生理解，必將有利于取得較好的教學效果。
關鍵詞：MATLAB Proteus 自動控制原理教學
中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.037
《自動控制原理》是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課。[1][2]該課程理論性強、控制模型抽象，學生學習理解難度較大，其中，“控制系統(tǒng)的校正與設計”這部分內(nèi)容表現(xiàn)尤為突出。為了激發(fā)學生對這部分內(nèi)容的學習興趣，采用MATLAB和Proteus軟件進行實際電路建模和輸出結果仿真，可以極大地幫助學生對該知識點的理解和掌握。本文將針對MATLAB和Proteus軟件在《自動控制原理》教學中的應用進行一些探索，并給出實際的應用例子。
1 MATLAB和Proteus軟件簡介
MATLAB軟件是目前使用最為廣泛且功能最為強大的仿真軟件之一，其內(nèi)部的工具箱Simulink和SimPowerSystems可以方便地實現(xiàn)一般電子電路的設計與仿真。[3]然而，在教學中，由于MATLAB軟件中沒有集成運算放大器、單片機等模塊，就給建立相關電路模型帶來極大的不便。為了彌補這一缺陷，可以采用Labcenter公司開發(fā)的Proteus軟件實現(xiàn)這一功能，以實現(xiàn)兩種軟件之間的優(yōu)勢互補，從而使教學效果達到最好。Proteus可以實現(xiàn)模擬電路、數(shù)字電路、單片機電路及電力電子電路的設計與仿真，功能非常強大。[4][5]采用Proteus軟件對電路進行設計和仿真時，只需按照實際電路連接相應的元器件即可，而且可以通過示波器直接觀察輸出響應波形，操作非常方便。 另一方面，由于MATLAB軟件兼容Proteus軟件的輸出仿真數(shù)據(jù)，這樣就有利于兩種軟件的數(shù)據(jù)交換，以達到互補使用的功效。
2 MATLAB和Proteus用于“控制系統(tǒng)的校正與設計”教學實例
“控制系統(tǒng)的校正與設計”章節(jié)是《自動控制原理》課程教學中的一個重要內(nèi)容，也是一個學生難以理解和掌握的知識點。采用MATLAB和Proteus軟件可以使這部分教學內(nèi)容更具體、更形象，從而幫助學生對這一教學難點的理解。下面就以一個簡單的例子，具體分析MATLAB和Proteus軟件分別在該章節(jié)教學中的應用情況。
首先設校正前和校正后的系統(tǒng)結構分別如圖1和圖2所示，其中傳遞函數(shù)為串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡。
圖1校正前控制系統(tǒng)結構圖 圖2校正后控制系統(tǒng)結構圖
為了研究串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡對系統(tǒng)動態(tài)性能的改善情況，同時分析MATLAB軟件和Proteus軟件在仿真研究中各自的優(yōu)缺點，下面將分別采用兩種軟件對圖1和圖2所示系統(tǒng)進行研究。
2.1 采用MATLAB軟件進行建模和仿真分析
在MATLAB的Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。為了便于觀察校正網(wǎng)絡對系統(tǒng)性能指標的改善情況，分別將校正前系統(tǒng)（圖3上半部分）和校正后系統(tǒng)（圖3下半部分）的階躍響應送入同一個示波器中進行觀察。
圖3 MATLAB環(huán)境下系統(tǒng)的仿真模型
仿真模型建立后，就可以進行仿真分析，仿真結果如圖4所示。從圖4中可以清楚的看出：采用串聯(lián)超前校正后的系統(tǒng)，其參數(shù)上升時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量均比校正前系統(tǒng)大為減小，即串聯(lián)超前校正很大程度上改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。
圖4 MATLAB環(huán)境下系統(tǒng)的階躍響應對比圖
從上述的建模過程可以看出，通過MATALB的Simulink環(huán)境，可以讓學生清楚觀察到控制系統(tǒng)校正前和校正后模型上的差別，從而加深對串聯(lián)超前校正結構和傳遞函數(shù)的理解。同時，仿真結果也可以讓學生直觀地觀察并得出結論：串聯(lián)超前校正的作用是改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，即對控制系統(tǒng)上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等性能指標的改善。
另一方面，從圖3中系統(tǒng)的MATLAB模型可以看出，MATLAB軟件雖然能夠方便地建立整個系統(tǒng)的控制模型，然而并不能讓學生形象地了解這些模型所對應的具體電路，造成學生對內(nèi)容似懂非懂的情況，這是造成學生學習該節(jié)時理解困難的重要原因。下面將采用Proteus軟件對同樣內(nèi)容進行仿真分析。
2.2 采用Proteus軟件進行建模和仿真分析
基于MATLAB軟件的建模和仿真分析可以較好地幫助學生理解具有校正環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)結構。然而，學生仍然對校正網(wǎng)絡的具體電路知之甚少，為了使校正網(wǎng)絡具體化，激發(fā)學生對這部分內(nèi)容的學習興趣，可以采用Proteus軟件建立實際電路模型，使學生從抽象的校正網(wǎng)絡傳遞函數(shù)中解脫出來。在Proteus環(huán)境下建立圖3所示模型的具體電路如圖5所示。
圖5 Proteus環(huán)境下與圖3對應系統(tǒng)的仿真模型
從圖5中可以清楚地觀察由R18、R19、R20和C5構成的超前校正網(wǎng)絡電路結構，從而揭開學生對串聯(lián)超前網(wǎng)絡的神秘面紗。同時，通過圖5的電路模型，也可以讓學生了解到比較器、積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的具體電路構成，降低學生的理解難度。
同理，在Proteus環(huán)境下建立控制系統(tǒng)模型后，就可以通過階躍響應來觀察校正網(wǎng)絡對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能改善情況。為了與MATLAB環(huán)境下的仿真結果進行對比，把輸入電壓設置為1伏，輸入電壓的時間設置為在0.1秒時。仿真后的階躍響應曲線對比圖如圖6所示。從圖6中可以清楚地看出，校正后控制系統(tǒng)的動態(tài)性能比校正前大為改善，而且與圖4的輸出仿真結果相差不大。在考慮實際系統(tǒng)的慣性、時滯后和非線性的情況下，可以認為圖4和圖6的仿真結果基本相同。
較正前后所缺響應曲線對比圖
圖6 Proteus環(huán)境下系統(tǒng)的階躍響應對比圖
從MATLAB和Proteus兩種軟件對同一個控制系統(tǒng)的建模仿真過程，可以看出這兩個軟件各自的使用特點，為我們今后對它們的合理應用提供了指導思想。另外，從圖4和圖6的仿真結果可以看出，采用MATLAB軟件的理想模型和采用Proteus軟件的實際模型所得出的仿真結果有一定的出入，但是考慮實際電路的非線性、慣性和時滯等因素后，可以認為它們所得出的結論相同。這種結果既反映了理論模型與實際電路的區(qū)別，又為學生理解理論模型與實際應用模型之間的關系提供了較好的案例。
3 結論
本文以《自動控制原理》課程中“控制系統(tǒng)的校正與設計”章節(jié)的教學為研究對象，將MATALB和Proteus軟件應用于輔助教學，不僅可以將抽象的傳遞函數(shù)模型和串聯(lián)校正網(wǎng)絡具體化，從而加深學生對該章節(jié)理論知識的理解，而且通過軟件的仿真結果可以使學生充分理解串聯(lián)超前校正對改善控制系統(tǒng)動態(tài)性能的作用，從而增強學生對該知識點的學習興趣。
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