1．1控制系统总体结构
为了满足废墟灾难环境中的控制需求，设计了蛇形机器人控制系统。控制系统上层是监控系统，通过ZigBee无线模块给主控系统发送控制蛇步态的指令，如蜿蜒、蠕动、翻滚、分体等。主控系统的音视频信息和惯导、温度、湿度、压力、有害气体等传感器信息分别通过1．2G无线收发模块和ZigBee模块传输给监控系统显示。主控模块通过ZigBee无线模块与从控系统进行通信，以控制其实现相关的步态。
1．1．1主控系统
主控系统主要由ARM核微处理器STM32、无线通信模块以及传感器组成。主控系统通过无线模块接收监控系统的控制指令，并根据指令决定搜救机器人的运动步态、运动方向以及到达目标的位置;传感器收集灾难环境中音视频、温度、湿度、有毒气体以及红外测距信息，微处理器根据测距信息选择合适的运动步态，并将控制指令通过无线模块发送给从控系统去执行。
1．1．2从控系统
从控系统使用了和主控制器一样的高速ARM处理器，可同时控制18路PWM舵机。从控系统通过ZigBee无线模块从主控制系统获得控制指令，通过PWM信号控制关节机构运动。
1．2步态控制
Serpenoid曲线用来规划蛇形机器人的运动轨迹，并确定搜救机器人的驱动函数。
2实验平台
2．1蛇形机器人简介
该机器人具有如下几个特点:1)采用3D打印而成，既缩短了加工周期又节约了成本;2)通过ADAMS软件仿真，进行了机械结构设计，直线长度为2m，具有6个正交关节和1个分体机构，腿部具有变形机构，可以进行站立、卧倒、蜿蜒、蠕动、分体、翻滚等步态;3)机器人采用6V，4500mAh的电池供电，确保机器人能够连续运动0．5h以上。
2．2平台搭建
按照前文所述，搭建了柔性变形蛇形机器人控制系统的整套硬件电路。
3实验结果
3．1通信实验
蛇形机器人上位机监控界面，上位机通过远程监控搜救机器人自主移动、翻越障碍物、爬坡等实验，通过无线模块实时传输机器人所处环境的各种传感器信息，并能综合各种环境信息通过无线模块控制机器人运动。实验验证了蛇形机器人控制系统可实现多信息的实时准确无线通信，能够满足复杂搜救环境的通信需求。
3．2移动性能实验
经过多次实验，不断地调试分别实现了自主柔性变形蛇形机器人蜿蜒、蠕动、分体、翻滚等平面和立体运动步态，运动平稳，曲线平滑，蜿蜒运动速度可达0．5m/s。通过穿越狭小空间、翻越障碍物、爬坡等试验，验证了蛇形机器人在不同的环境中，具有良好的多步态运动稳定性和自主移动性能。蛇形机器人在模拟灾难场景中的各种运动步态。
4结束语
基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(资助号:2001101026)
作者简介:朱进(1980―),女,辽宁锦州人,硕士研究生,研究方向:大系统的分散控制及鲁棒控制(E-mail:)｡ 文章编号:1003-6199(2007)01-0014-04
摘要:考虑一类非线性关联大系统的可靠控制器设计问题,该系统具有常时滞､参数不确定性､非线性扰动和传感器故障｡其中参数不确定性满足匹配条件,非线性扰动满足范数有界条件,传感器具有部分失效的模型｡本文的目的是设计无记忆分散控制器来镇定该系统｡通过解线性矩阵不等式获得此控制器,使得当传感器器发生故障时被控系统能够保持渐近稳定｡最后通过仿真的例子,验证该状态反馈控制器的可行性｡
关键词:容错控制;控制器;关联系统;传感器故障
中图分类号:TP273文献标识码:A
1引言
可靠控制是将系统部件可能发生的故障考虑在控制器设计过程中,可使所设计的控制系统无论是否出现故障都能保持一定的性能指标｡由于元器件质量,环境变化等各种因素,执行器和传感器失效是实际工程系统经常遇到的问题｡近年来,不确定系统的容错控制问题的研究取得了一些成果[1-4]｡文献[1]-[4]均是对具有离散故障模型的系统进行研究,即将部件输出分为正常和中断两种情况,部件无故障时将输出信号增益设为1;部件发生故障时将输出信号增益设为0｡而执行器或传感器通常会出现部分失效的情况｡文献[5]和文献[6]虽然考虑了传感器的部分失效,但仅是对单个系统进行研究,而随着科学技术的发展,系统的构成越来越复杂,出现了各种结构的大系统,如动力系统､通讯系统､社会系统､经济系统等｡因而,研究关联系统的完整性设计显得尤为重要,并且关联大系统的分散控制不仅可从理论上简化复杂问题,而且实现起来也经济､可靠｡
本文针对具有传感器部分失效的模型,研究了不确定非线性关联大系统的可靠状态反馈控制器的设计方法｡利用线性矩阵不等式,给出了控制器的求解方法,此控制器使得闭环系统无论是否发生故障仍能保证渐近稳定｡
2问题描述
考虑不确定非线性关联系统的故障模型:
是第i个子系统在时刻的状态向量;ufi(t)∈Rqi是考虑第i个子系统在时刻的控制输入向量;φi(t)是连续的向量初值函数;d为时滞常数;是具有适当维数的常数矩阵;(t)是反映第i个子系统模型中时变参数不确定性的不确定实值矩阵｡假定系统(1)中的参数不确定性ΔAi(t)､ΔAid(t)和非线性扰动 fi(xi(t))分别满足以下条件:计算技术与自动化2007年3月第26卷第1期朱进等:具有传感器故障的非线性关联大系统的可靠控制
3主要结果
定理1对于系统(6)如果存在正定矩阵X,Y,使得由Schur补性质可知(10)式等价于(7)式,即定理1成立｡
4例子
考虑具有执行器故障的不确定关联系统(1),其中进行仿真,结果见图可以看出两个子系统渐近稳定,说明本文所设计的分散控制器是可行的,可以达到预期的目的｡
5结论
本文讨论了一类具有状态时滞､参数不确定性和未知非线性扰动的不确定非线性关联大系统的状态反馈可靠控制问题｡把传感器可能发生的故障考虑在控制器的设计过程中,通过求解线性矩阵不等式,从而得到分散无记忆可靠控制器,使得闭环系统无论是否发生故障都保持渐近稳定｡
图1 失效时第一个子系统的状态响应
【关键词】滑模变结构控制;抖振;倒立摆系统;伺服系统。
目 录
摘 要 1
Abstract 2
1 绪论 5
1.1 滑模变结构控制理论的介绍 5
1.1.1 滑模变结构控制理论的起源和背景 5
1.1.2 滑模变结构控制研究的发展历史和现状 5
1.1.3 滑模变结构控制理论的特点 8
1.2 目前滑模控制设计中存在的问题 9
1.2.1 滑模控制器的设计要求 9
1.2.2 计算机实现滑模控制算法存在的问题 10
1.3 本论文的研究意义及研究内容 10
1.3.1 研究意义 10
1.3.2 研究内容 11
2滑模变结构控制的基础理论 12
2.1 滑模变结构控制系统的基本原理与设计方法 12
2.1.1滑模变结构控制的基本概念 12
2.1.2 滑动模态的数学描述 14
2.1.3 滑动模态的存在和到达条件 15
2.1.4 滑模控制系统的设计过程 16
2.2.1 抖振问题 17
2.2.2 抖振的解决办法 18
2.3 本章小结 19
3滑模控制在低速摩擦伺服系统中的应用 20
3.1 引言 20
3.2 低速摩擦伺服系统的主要问题 20
3.3 伺服系统描述 20
3.4 滑模控制器设计 21
3.5 仿真实例 23
3.5.1 PD控制 23
3.5.2 滑模控制 24
3.6本章小结 28
4 台车式倒立摆的滑模控制 29
4.1 引言 29
4.2台车式倒立摆模型及其原理 29
4.2.1 台式倒立摆模型 29
4.2.2台车式倒立摆原理 29
4.3 滑模控制器设计 30
4.3.1 切换函数设计 30
4.3.2 控制律的设计 32
4.4 仿真实例 33
4.4.1 常值切换控制律仿真 33
4.5 本章小结 36
5 滑模变结构控制在机器人中的应用 38
5.1 引言 38
5.2 机器人控制的主要问题 38
5.3 机器人的数学模型 39
5.4 基于滤波的机器人滑模控制 40
5.4.1 引言 40
5.4.2 基于滤波的机器人滑模控制 41
5.4.3仿真实例 44
5.5 本章小结 46
6 总结与展望 47
参考文献 49
致 谢 50
附录 51
1. 滑模控制在低速摩擦伺服系统中的应用 51
1) 控制器S函数：chap1.m 51
2) 被控对象S函数：chap1plant.m 52
3) 作图程序:chap1plot.m 55
2.台式倒立摆的滑模控制 56
1)主程序chap2.m 56
2)控制子程序chap2eq.m 58
3.滑模变结构控制在机器人中的应用 59
关键词：嵌入式系统；嵌入式微控制器；理论教学；实践教学；教学模式
随着科技发展和社会需求的推动，信息技术进入到以嵌入式系统为代表的后PC时代，嵌入式技术已经成为21世纪最有生命力的高新技术之一，培养精通嵌入式技术的人才成为世界各国计算机教育工作的重点。
嵌入式微控制器是嵌入式系统的核心控制单元，开展嵌入式微控制器教学是嵌入式系统教育的关键组成部分。美国IEEE和ACM两大学术组织于2004年的计算机工程教学计划（Computer Engineering 2004，简称CE2004），明确规定了嵌入式系统课程中应包含的嵌入式微控制器的具体教学内容Ⅲ。事实上，从早期的单片机类课程，到如今基于32位ARM嵌入式处理器系统的相关课程，都是围绕嵌入式微控制器开展教学工作的，在世界各大高校都受到高度重视。
工程管理与信息技术学院是中科院研究生院的二级学院，主要培养软件工程、计算机技术、电子与通信工程、控制工程等领域的工程硕士研究生。学院从2003年开始开设嵌入式系统工程专业，经过几年的努力，逐步建立起系统的嵌入式方向课程体系。嵌入式微控制器原理与应用作为其中一门核心课程，在该课程体系中占有重要的地位。下面从教学目标、教学模式、教学内容、实践教学、考核方式等几方面对该课程进行详细阐述，并在最后讨论课程的实施效果和改进方向。
1 课程教学目标和教学模式
1.1教学目标的制订
嵌入式微控制器原理与应用课程主要教学对象是软件工程、计算机技术、电子与通信工程、控制工程等专业的工程硕士。与传统的工学硕士相比，工程硕士培养更加注重锻炼其工程实践和解决实际工程问题的能力，这要求教师既要讲解基础理论知识，又要将理论与实践结合，围绕具体工程问题开展教学内容。此外，中科院工程硕士的学生生源具有本科专业跨度大、工作经历和素质能力差异大等特点。为适应这一特点，我们在制订课程教学目标时要统筹兼顾，对于基础较差的同学和经验丰富的同学要差别对待，制订差异化的教学目标。
在充分考虑上述因素的基础上，嵌入式微控制器原理与应用课程的教学目标制订为：学生通过本课程的学习，掌握一种嵌入式处理器体系结构，精通1-2种基于该体系结构的嵌入式微控制器及其接口设计技术，深刻理解嵌入式软件开发流程，能够熟练地选择、使用嵌入式软件和工具完成嵌入式硬件系统的驱动和应用软件设计。
教师在实施上述教学目标时，对于基础较差的学生要求精通一种嵌入式微控制器即可；对经验丰富的学生则要求在课程学习的基础上，用对比学习的方法自主学习另外一种嵌入式微控制器。该教学目标体现了对学生的区别对待，能满足不同层次学生的需求。教学目标没有对硬件电路设计作太多要求，符合中科院嵌入式系统方向工程硕士研究生的生源特点和实际需求。教学目标中“能够熟练选择、使用嵌入式软件和工具完成嵌入式硬件系统的驱动和应用软件设计”是一种能力要求，体现了对工程设计能力的重视，符合工程硕士培养目标。
1.2教学模式的设计
国内各大高校在嵌入式系统相关课程的教学工作上已经进行了大量有益的探索和实践，在教学模式上也已经基本达成共识，即嵌入式系统教学应该采取理论教学和实践教学相结合的教学模式。
我们在开展嵌入式微控制器原理与应用课程的教学工作时，采取了“课堂理论讲解、课堂实验练习、综合实验设计、工程项目设计和多层次考核”的教学模式。与大多数高校课堂实验采取观察性和验证性实验不同，本课程课堂实验则采取设计性实验，每一个实验都是一个小型的开发项目，需要学生灵活运用从课堂上学到的理论知识分析实验要求，编程完成实验项目。综合实验设计要求学生在完成所有基础课堂实验后，按照需求分析、软件设计、实现和测试等软件开发流程，在开发板上完成一个小型嵌入式软件的开发。工程项目设计则是让学生选择一种微控制器，完成一个实际工业嵌入式产品的分析和设计报告。这3种层次的实践环节相互结合，充分锻炼和提高了学生的实践能力。
2 基础理论教学
CE2004首次将嵌入式系统作为一个知识领域纳入到计算机工程知识体系中，并详细规定嵌入式系统包含的10个知识单元以及每个知识单元包含的知识点。参考CE2004的规定，并结合本课程制定的教学目标，嵌入式微控制器原理和应用课程的理论教学内容共包括5个知识单元。
知识单元1是嵌入式系统历史和概述。知识点包括嵌入式系统历史、定义、组成、开发特点、设计过程、应用领域和发展趋势等。知识单元1主要目的是使学生建立对于嵌入式系统的全方位认识，了解嵌入式系统的过去、现在和未来。
知识单元2是嵌入式处理器。知识点包括嵌入式处理器的组成、嵌入式处理器的类型（从集成程度、处理器位数、体系结构和生产公司等4个不同分类标准分别讲解）、ARM处理器的发展（历史、分类和应用）。知识单元2主要目的是使学生掌握嵌入式处理器的组成原理，充分认识嵌入式系统领域中应用处理器的多样性，避免“只见树木、不见森林”。
知识单元3是典型的嵌入式处理器体系结构，我们选择ARM体系结构进行讲解。主要知识点包括ARM处理器寄存器模型、ARM处理器编程模型、ARM处理器异常中断处理、ARM处理器存储模型、ARM处理器指令编码和指令系统、ARM汇编语言编程、ARM汇编与C混合编程、ARM开发工具（汇编器、编译器、连接器和调试器）。知识单元3囊括了CC2004里嵌入式微控制器、嵌入式编程和嵌入式工具等3个知识单元的多个知识点。
知识单元4是嵌入式微控制器组成及接口，我们以三星S3C2440微控制器为例进行讲解。知识点包括微控制器结构、内存控制器、中断控制器、时钟体系、电源管理、DMA控制器以及各种外设控制器。在这些知识点中，内存控制器、中断控制器、时钟体系、电源管理、DMA控制器是重点讲解内容，对于其他各种外设控制器主要讲解基本原理和应用思路，而具体使用细节则要求学生课下通过学习芯片手册掌握。熟练阅读芯片手册是掌握嵌入式系统开发特别是底层编程的基础，因此这个学习单元的教材就是芯片手册。对于学有余力的同学，我们要求其在学习S3C2440微控制器的同时，在课下自行学习ATMEL AT91SAM9G45微控制器，并比较其与$3C2440的异同之处。这样做的目的是满足不同层次学生需求，实现差异化教学。
知识单元5是嵌入式应用编程，知识点包括嵌入式软件体系结构、应用程序映像文件组成、系统启动加载代码等。通过这个知识单元的学习，学生能够了解嵌入应用程序的汇编、编译、连接过程，理解应用程序映像的具体组成以及加载启动的方式，培养为一个裸硬件系统开发完整嵌入式应用软件的能力。
3 实践教学设计
3.1实验平台介绍
目前嵌入式系统的教学实验平台主要有3种类型：基于ARM微控制器的教学平台、基于DSP处理芯片的教学平台和基于FPGA的教学平台。鉴于基于ARM的微控制器在32位嵌入式系统处理器市场中的占有率极高，以ARM微控制器为例讲解嵌入式微控制器的基础理论和应用技术，更能满足市场对于嵌入式工程技术人才的需求，我们选择基于三星$3C2440微控制器（采用ARM920T内核）的嵌入式教学平台。该平台的系统组成结构如图1所示。
在此教学平台结构图中，S3C2440是一款基于ARM920T处理器的嵌入式微控制芯片，内部集成了AHB和APB两条总线，以及连接在总线上的内存控制器、中断控制器、时钟电源管理单元、USB主从控制器、看门狗、定时器、PWM控制器、GPIO控制器、SD/MMC控制器等多种外设控制器。存储器包括64M SDRAM、4M NOR FLASH和64M NAND FLASH；人机接口设备包括640×480像素6寸TFT液晶显示模块、触摸屏、4×5小键盘模块和4个GPIO连接LED显示灯；通信接口及设备包括串口、USB主接口、USB从接口、两个以太网接口、音频输入输出接口和Camera接口等。该实验设备支持多种层次的实验，嵌入式微控制器原理与应用课程的所有实验均在该实验平台上完成。
3.2课堂实验设计
实验在计算机类学科中的作用十分重要，是教学活动的重要环节。根据实验性质区分，我们可以把课堂实验划分为观察性实验、验证性实验和设计性实验等类型。设计性实验要求学生根据实验要求自行设计实验过程，相对于前2种实验更能锻炼学生的设计能力和独立工作能力，因此我们的课堂实验均采用设计性实验类型。
根据理论教学内容，我们共设计了16个课堂实验，这些课堂实验与知识点的对应关系如表1所示。
表1中的16个实验除实验1外，均为设计I生实验。其中，实验4和实验5分别用汇编和c语言驱动GPIO管脚连接的LED灯，学生通过对比掌握汇编和C语言访问外设寄存器的异同；实验6使用查询方式实现定时功能，实验8采用中断方式实现同样功能，学生通过对比掌握IO两种访问方式的异同；实验9主要练习32位微控制器各个模块所需不同时钟频率的产生，以及处理器时钟频率的编程调节，使学生熟练掌握微控制器的时钟体系；实验10～实验16则练习微控制器的主要外设I/O控制器的接口编程技术。
限于课程的课时长度，课堂实验无法包含所有外设控制器，但通过这些典型外设控制器的学习，学生很容易就能触类旁通地掌握其他模块使用方法。
3.3综合实验设计
综合实验要求学生分组合作，综合运用所学知识，利用课下时间设计一个小规模的嵌入式应用软件并在实验平台上完成调试运行。为了吸引学生兴趣，综合实验均采用游戏项目的形式。我们设计了几个游戏项目供学生选择，分别是世界时钟、五子棋、电子菜单、科学计算器、汉诺塔、交通信号控制器、俄罗斯方块等。教师也鼓励学生选择一些常见的其他娱乐游戏作为综合实验设计项目。
学生在完成综合实验项目时，要按照实验项目说明书的要求完成实验设计，撰写的项目文档至少要包含需求分析、软件设计、软件测试、使用说明、运行结果、项目分工、总结讨论等几个方面的内容。通过综合性实验，学生既锻炼了综合设计能力和动手能力，又提高了沟通能力和团队合作能力。
3.4工程项目设计
课堂实验和综合实验相结合的实验方式，很好地锻炼了学生对于特定嵌入式微控制器的实践动手能力。但若要灵活运用所学嵌入式微控制器设计工程项目，学生还需通过具体工程设计实践进行锻炼。嵌入式微控制器原理与应用课程和工程管理与信息技术学院课程体系中的另外一门课程“嵌入式系统分析与设计”相配合（同一学期开设），教师在2门课程结束后布置一个共同的工程项目设计作业，要求学生围绕一个典型的嵌入式系统产品，在尽量采用嵌入式微控制器课程所学微控制器的前提下，给出该产品的详细设计方案。我们在每一学年都给出不同的设计项目，例如近几年的题目分别是IC卡公民身份证系统、税控收款机系统、数字水印技术的应用系统等。
需要指出的是，工程项目设计仅供学有余力、希望在工程项目设计能力上有所提高的学生完成。根据近几年的实际情况来看，约有1/2的学生提交了项目设计说明书，平均长度达到30多页。其中一些非常新颖和有价值的设计方案，可以直接用于工业生产实践。
4 考核方式
为了使考核方式既起到检验学生的知识掌握程度，又能在平时督促学生认真学习的效果，我们采取分段考核和最终考核相结合的方式。具体来说，嵌入式微控制器原理与应用课程一共有4次课堂实验，包含15项设计性实验，每个实验分值在0～2分之间。每次课堂实验结束时，教师检查学生的实验完成情况并打分，这种方式起到了有效督促学生平时认真学习的效果。课程结束后有一次综合理论考试，总分是40分，该考试用于检查学生对嵌入式微控制器基本原理的掌握程度。综合实验要求学生自由组合，在课程理论考试完成后的一个月时间内完成。综合实验提交内容由项目文档和项目程序组成，其中项目文档占15分，项目程序完成情况占15分。学生完成综合实验后与教师约定时间，由教师进行现场检查并打分。工程项目设计作为附加要求，并不统计到最后成绩中，只供有兴趣的同学选择完成，在学生设计过程中，教师给予一定指导。
上述考核方式中，课堂实验、理论考试、综合实验在总成绩中分别占30%、40%、30%。课堂实验和理论考试对每一个学生的考核比较客观直接；综合实验由学生合作完成，打分时教师先给出每一组的分数，组内每个学生的分数根据其具体负责内容和完成情况在组分数基础上微调得到，尽量使分数反映出学生的实际水平。
5 课程评估与分析
中科院研究生院建立了课程网站评估系统，鼓励学生在课程结束后从网上对课程进行评估。评估内容涵盖教学态度、教学内容、教学方式和教学效果等方面，共包含4项7条，每一条评估分值为1～5分。
根据近3年的统计结果来看，每年约有90%的同学参与网上评估，课程评估结果均为优秀（平均分均超过4.6分）。评估结果显示，学生认为课程内容符合嵌入式方向工程硕士培养目标（4.8分）；课程对他们的工作具有较大帮助（4.7分）；课程理论与实践相结合的教学方式得当（4.6分）；课程的考核方式灵活，能从理论和实践2个角度恰当地考核学生对于课程的掌握程度（4.4分）。部分学生认为实验课时较短，应该从16课时提高到20课时；还有一部分学生认为嵌入式微控制器原理与应用课程的课时数偏少，建议从40课时提高到60课时；学生对于实验课内容的安排比较满意（4.6分）。
从学生的评估结果来看，学生对于课程的教学内容选择、教学方式、考核方式等非常满意，课程达到了教学目标的要求。
课题名称： PLC先进控制策略研究与应用
1、选题意义和背景。
可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而，从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。各个PLC厂家也在其产品中设计了PID模块。虽然PID算法控制有很高的稳定性，但对于一些复杂控制系统，PID控制很难满足控制要求，这也使PLC的发展面临着一种挑战。随着越来越多的PLC产品与IEC1131-3标准兼容，PLC控制系统越来越开放，将先进控制算法嵌入PLC常规控制系统成为可能。本课题从工业控制实际应用角度出发，对PLC的控制功能进行深入的研究和探讨，以提高和扩展PLC控制器的应用水平和应用范围。本课题：PLC先进控制策略的研究与应用，其目的是通过研究使一些先进控制算法在PLC及组态系统上得以实现，并开发相应的应用程序，经过验证后最终应用到工业过程控制中去。
在PLC组态系统中实现先进控制算法，包括预测控制算法和模糊逻辑控制算法，形成具有人工智能的控制模块及网络系统，能大大提高系统的控制水平，改善控制质量。从经济角度来看，目前PLC生产商的一些产品具备先进控制模块，如模糊模块。但它们的价格十分昂贵，且封闭性较强，不适合我国中小型企业的工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术，对于我国中小型企业的工业改造具有很大的意义，既可降低生产成本，又可提高经济效益。
模糊控制与预测控制是智能控制中技术较为成熟的分支，因此，研制和开发出适合工业环境的实时先进控制开发工具，实现模糊控制、预测控制嵌入PLC,与常规控制集成运行，让先进控制从教授、专家手中走出来，实现先进控制的工程化、实用化、转化为社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。
2、论文综述/研究基础。
在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID控制仍广泛应用，即便是在大量采用DCS控制的最现代的工业生产过程中，这类回路仍占总回路80%-90%.这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作的总结和模仿，足以维护一般过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。
然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求[4}0 50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。在工业生产过程中，仍有10%-20%的控制问题采用上述控制策略无法奏效，所涉及的被控过程往往具有强藕合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、生产率和成本等有关指标。随着过程工业日益走向大型化、连续化，对工业生产过程控制的品质提出了更高的要求，控制与经济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要一类合适的先进控制策略。自50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解疆控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法}s}.上述多变量控制策略有其自身的不足之处，工业过程的复杂性使得建立其正确的数学模型比较困难。同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解过去认为是无法求解的问题，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。
整个80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理论体系己基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最有前途的先进控制策略。近年来，人工智能技术有了长足的长进并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最有潜力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检测仪表和控制回路有效性检验中获得成功应用。神经网络则可以为复杂的非线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达确定性和不确定性两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改进以后的控制，也将是先进控制的重要内容。
由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在PC机和UNIX机上实施的。随着DCS功能的不断增强，更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在DCS控制站上实现。国外发达国家几乎所有企业都采用了DCS系统或其它智能化设备来实现对生产过程的控制，并在此基础上通过实施先进控制与优化较大的提升了系统的性能。可以说，高性能控制系统，尤其是DCS系统的普及为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。国外从70年代末就开始了先进控制技术商品化软件的开发及应用，并在DCS的基础上实现先进控制和优化。如爱默生公司的DeltaV和Honeywell公司的TDC3000,其先进控制软件RMPGT和RPID等在现场的实际应用都集中在自己的DCS系统上。传统的PLC由于不支持浮点运算以及先进控制所必须的精确的时间，因此，除了模糊逻辑控制外，其他的先进控制并没有在PLG平台上实现。然而，在过程工业中大多系统使用先进灵活的PLC控制系统，因此1996年Barnes提出了一种基于PC-PLC通讯的混合方式，通过控制网络实现计算机与PLG的通讯，从而实现先进控制。
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4、论文提纲。
第一章前言
1. I论文研究的目的和意义
1. 2论文研究的主要内容及工作简述
1. 3国内外文献综述
I. 3. 1先进控制的发展及现状
1 .3 . 2 PLC在工业控制领域的应用
1.3 . 3 PLC基本控制方法
1. 3. 4 PLC模糊控制器
I. 3. 5 PLC预测控制算法
第二章SIMATIC S7-300 PLC及STEP7系统
2.1 SIMATIC 57-300 PLC系统
2.1.1 S7-300 PLC
2.1.2 S7-300 PLC控制系统
2.2 STEP7系统
2.2.1 STEP7功能及结构
2.2.2组态环境及编程语言
2.2.3基本控制算法的实现二
第三章PLC模糊控制器的研究与实现
3.1模糊控制算法与系统
3.1.1模糊控制理论
3.1.2模糊控制系统
3.1.2.1模糊控制器的组成
3.1.2.2模糊控制算法
3.1.2.3模糊控制器的结构
3.2 PLC模糊控制器设计
3.2.1 PLC模糊控制器结构
3.2.2模糊控制器离线部分设计
3.2.2.1模糊控制器离线部分算法设计内容
3.2.2.2基于MATLAB模糊逻辑工具箱的设计
3.2.3 STEP7实现模糊控制器设计
3.2.3.1模糊算法流程图
3.2.3.2模糊算法的功能块
3.2.4 PLC模糊控制器的仿真验证
3.2.4.1仿真系统的建立
3.2.4.2仿真结果验证
第四章PLC预测控制器的研究与实现
4.1广义预测控制算法
4.1.1单值广义预测控制
4.1.2单值广义预测控制律计算
4.2 PLC单值广义预测控制器的设计与实现
4.2.1单值广义预测算法的实现步骤
4.2.2单值广义预测控制器的设计
4.3单值广义预测控制器的仿真验证
4.3.1仿真模型的建立
4.3.2仿真结果分析比较
第五章基于PLC的空调性能检测实验室计算机控制系统
5.1工艺流程与控制方案
5.1.1工艺过程简述
5.1.2控制要求
5.1.3控制方案设计
5.2控制系统结构及配置
5.3监控系统组态设计
5.4 57-300 PLC控制系统设计
5.4.1硬件系统组态
5.4.2 PLC控制程序设计
5、论文的理论依据、研究方法、研究内容。
目前，PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面。但在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制。许多PLC开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。
但从长远角度看，对于一些复杂的控制系统，PID很难满足控制要求，这就需要把先进的控制算法嵌入到PLC的设计中。本课题以此为主要研究内容。
工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多地深入到控制领域，但由于PLC的编程目前还限于低级语言(如梯形图)，所以，给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。SIEMENS在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，因此，本课题首先是通过对控制算法的研究与改进和对STEP?功能的开发，使先进控制策略在S7-300 PLC上得以较好的实现。本论文重点研究基于PLC的模糊控制器的实现，这一领域目前研究的比较多，因此在总结前人研究方法的基础上，设计出一个基于PLC的通用的模糊控制器，并使其固化在STEP7软件中。此外，对于PLC预测控制虽已有一些研究，但都仅限于理论方面，尚未给出PLC上实现的实例。本课题也想在此方面有所创新，开发出基于PLC的预测控制实现技术。
本论文第一章简要介绍了课题的来源背景、主要内容、目的意义以及国外相关工作的研究状况等。
第二章介绍了SIMATIC S7-300 PLC的主要特点，系统组成及控制系统的配置与实现，同时介绍了STEP?软件的功能及结构，组态环境，以及一些基本算法的实现方法。
第三章重点阐述了模糊控制的基本理论、模糊控制算法、模糊控制器的结构及设计方法。提出了基于PLC的模糊控制器的实现方法，即采用MATLAB离线设计，PLC在线查询的方式。给出了STEP?实现模糊算法的流程图及部分程序。
最后建立一个过程仿真系统，对PLC模糊控制器进行仿真验证。
第四章介绍了预测控制的基本理论，重点阐述了广义预测控制算法，并结合PLC的特点，提出了基于PLC的单值广义预测控制器的设计方法，给出了STEP7实现单值广义预测算法的步骤与流程图。最后建立一个二阶大滞后的对象模型，构成仿真控制系统，与PID控制进行比较分析，验证PLC预测控制器的有效性。
第五章是作者在研究生期间参加的某空调性能检测实验室基于PLC实现的计算机控制系统，从系统控制方案的设计、系统配置和硬件构成、监控系统的设计等几个方面分别进行了详细的论述。
第六章结论与体会，总结自己在课题研究和项目研究的过程中的一些体会和心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事项，改进方法。
6、研究条件和可能存在的问题。
I.尽快建立样板工程，把己经取得的研究成果应用到工程实际过程中，通过实践检验，发现问题以便不断改进和提高。
2. PLC预测控制器目前只应用了简单的单值广义预测算法，有其自身的局限性，如控制精度不高。目前，应用较为成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC控制器作为今后研究的一个重点。
3.对于PLC模糊控制器的改进，主要是在算法上，为了提高控制效果，单纯的模糊算法是不足的，改进型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以开发PLC模糊PID控制器。
4.进一步挖掘STEP?软件的功能，开发过程对象仿真模块，给出基于PLC建立仿真系统的方法和步骤，为工业实阮应用缩短调试时间，保证系统的可靠性。
7、预期的结果。
1.通过对先进控制各种算法的分析比较，对先进控制理论有了进一步认识，从中学到了不少解决问题的方法，理解了传统控制方法与先进控制方法的区别。
2.基于PLC实现先进控制与基于PC实现先进控制相比较，最重要的一个优势在于PLC实现先进控制不需要通讯协议，而基于PC实现先进控制，在系统设计和运行之前必须正确的配置PC与PLC之间的通讯协议，因此可以降低系统得开发时间。其次，在系统运行时，在下位机上完成先进控制算法比在上位机完成更具有实时性。在可靠性方面，由于基于PC实现先进控制，现场的数据和信号要经过通讯传给上位机，这难免会出现数据的丢失和信号的误差，从而使系统的控制精度下降，而基于PLC实现先进控制避免了这类现象的发生。
3.西门子57-300 PLC功能强、处理速度快、模块化结构易于扩展，被广泛的应用于自动化控制系统中;其相应开发软件STEP7采用模块化编程方法，提供多种编程语言，丰富的功能模块，能实现较为复杂的功能和算法。因此二者结合 起来，为先进控制的设计与开发提供了很好的软硬件平台。
4. PLC模糊控制器采用MTALAB离线设计和PLC在线查表的方法，把复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成，得到模糊控制量查询表供PLC在线调用。此方法将复杂琐碎的模糊控制系统的开发工作变得简单明了，大大缩短了开发周期，同时也提高的PLC控制的实时性，是目前被广泛采用且效果良好的PLC模糊控制器的设计方法。
5. PLC单值广义预测控制器采用简单实用的单值广义预测控制算法，它需要调整参数少、在线计算时间短，可适用于PLC类控制采样周期较短的快速动态过程系统。仿真结果表明：PLC单值广义预测控制器保持了预测控制的性能，控制效果较PID控制有很大改善，同时具有计算量小，响应迅速的优点。
8、论文写作进度安排。
20XX.05-20XX.06 开论文会议
20XX.06-20XX.07 确定论文题目
20XX.07-20XX.02 提交开题报告初稿
20XX.02-20XX.06 提交论文初稿
本软件系统的核心是微控制器（STM32F103R—ARM-based 32-bit MCU），本论文以该微控制器为中心单元，而电源控制模块、电机控制模块、紫外灯控制模块、LED显示模块、负离子控制模块、触摸按键模块以及空气质量检测传感器模块和WIFI模块组成的空气净化系统的运行将全部以该微控制器为核心，因此构成了智能可远程控制的空气净化系统。本论文针对空气净化器控制系统的研究采用了多传感器数据采集模块的集成，实现了空气净化器的数据采集和工作状态的自动调整等功能；同时，研究集成了将无线通信模块WIFI模块与空气净化器结合，实现了空气净化器的远程控制和物联网化，实现了真正的无线互联。
1 总体设计
1）本论文所研究的空气净化器控制系统的软件程序主要包括了系统初始化程序、电机控制程序、紫外灯和负离子控制程序、LED显示和触摸按键控制程序、传感器数据采集程序和无线WIFI通信程序等各功能模块的程序设计。针对本设计采用的STM32F103R微控制器的实现包括了中断、查询、A/D转换、GPIO、SDIO、UART等功能。
2）根据控制系统的功能需求分析，本文描述的空气净化器对于软件程序的需求可分为以下几个部分：系统初始化程序、电机驱动程序、紫外灯和负离子控制程序、LED显示和触摸按键程序、传感器数据采集程序、无线WIFI通信程序设计。
其中，紫外灯、负离子、LED显示为微控制器的控制程序，电机、WIFI模块为微控制器的驱动程序；传感器数据采集和触摸按键为微控制器的参数输入程序。各个部分都是紧密相关，每个功能模块对于程序的整体设计都是非常重要的，都是通过STM32F103R微控制器程序，才能使得空气净化器控制系统运行起来。
根据程序总体设计，各模块处理子程序依赖于主程序的调度，共同完成控制系统的功能。系统根据功能需要，在初始打开空气净化器电源时，直流电机、紫外灯、负离子、传感器、WIFI模块等均不工作，只有当电源按键或者无线WIFI模块通过远程打开电源开关时，空气净化器控制系统才启动工作。
2 系统初始化程序设计
系统初始化程序主要针对本系统的系统参数进行初始化，包含了STM32F103R微控制器的初始化程序、I/O口的配置、程序各参数、变量、标志位的设定、系统默认运行参数的设定、默认显示程序运行等。默然上电后系统初始化过程中，空气净化器的电机、紫外灯、负离子等负载并不工作，设备的LED显示模块显示默认的参数和配置。
3 空气净化系统的各个模块的软件设计
3.1 电机驱动程序设计
本论文研究中使用的是无刷直流电机，电机的驱动是利用微控制器输出PWM调压来实现电机的速度变化。在电机的运行过程中，需要根据空气净化器的工作状态来调整电机的转动速度。
3.2 紫外灯和负离子控制程序设计
紫外灯管的驱动是利用低电平导通信号的输出来实现的，输出驱动信号的引脚为PB4；负离子发生器的驱动同样是利用低电平导通信号的输出来实现的，输出驱动信号的引脚为PB4。
3.3 LED显示和触摸按键控制程序设计
本文描述的空气净化器显示模块的显示内容主要有：定时时间指示、灯光指示、工作模式指示、空气质量指示、杀菌等指示、PM指示等数据。主要来自按键的更改和数据采集对于的数据变化。
按键的控制程序主要是进行外部中断的处理过程，空气净化器控制系统的按键主要有六个，包括了电源开关Kl、工作模式选择K2、负离子/紫外灯键K3、定时设置K4、电机风速调节键K5以及空气质量指示灯光键K6。同时按住定时键和电机风速键启到过滤网的状态复位功能，按键的程序设计主要是通过中断来实现的，当发生按键操作的时候，单片机引脚将根据信号进行程序处理。程序对于按键的触发信号判断为串行流程，依次判断每个按键的操作指令，执行相应的子程序。
3.4 传感器数据采集程序设计
根据电路原理图和实际工作过程，设计出空气质量传感器和粉尘传感器的数据采集程序，系统启动后，控制信号中断程序开始工作，并且ADC使能打开，检测系统开始工作。由传感器特性分析可知，传感器在数据采集过程中，在控制信号作用下开始采集数据，实时检测室内空气污染状况。为了得到实用数据，需要对室内空气质量进行大量测试和实验，最后得出想要的数据结果。
3.5 无线WIFI通信程序设计
根据实际应用，无线WIFI通信部分需要将当前空气净化器的状态值（空气质量、工作模式、风速、PM指数、定时状态等等）传输到服务器端，并且能够将服务器端发送来的控制命令成功接收，以实现能够远程控制空气净化器的工作状态，系统启动后，首先对WIFI模块进行初始化，包括SDIO设备枚举，加载设备固件等操作，然后扫描WIFI网络，扫描结束后，根据配置的WIFI账号和密码进行关联网络，关联成功后进行IP、子网掩码、网关等的设置，接着就是建立TCP SOCKET的客户端，具体工作有绑定本地及服务端的IP和端口。最后就是从服务端接收数据，判断是否为获取设备状态或者控制设备的命令，进行相应的操作。
4 结束语
本论文主要研究和探讨了室内空气净化系统的软件设计，而本文对物联网空气净化器控制系统的研究还是一个开始，结合目前新技术的发展，需要深入研究的方向还有很多，而本文所说明的空气净化系统的软件设计，还存在很多的不足，还有者许许多多可以改进的地方，这都将随着我们对未来空气净化器一步一步的深入研究，不断地改造创新与发展，以后一定会使其在该领域越来越完善，而技术也一定会越来越成熟。
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【关键词】鲁棒；控制；绝对稳定
A Control Simulation For Uncertain linear system of robust h-infinity output feedback
ZHANG Da-lei LI Yuan-yuan LIU Qian
（1.Qinhuangdao Insititute of Technology Hebei Qinhuangdao 066100；
2.Ziehl-Abegg Mechanical and Electrical Equipment Limited Company Zhongguo Shanghai 201605)
【Abstract】For a class of quadratic constraint integral structural uncertain system design, this paper proposes a new robust h-infinity control scheme. Mainly from has designated interference suppression ability the uncertainty of the absolute stability control system to, by adding extra uncertainty, constitutes a new uncertain systems, and then on this new system design which isunconditionally stable h-infinity controller.
【Key words】Robust h-infinity；Control；Isunconditionally stable
工程上所建立的系统数学模型和控制系统中，在不同程度上都存在着某种不确定的因素，诸如模型参数、输入、测量误差等是未知的或不能精确地确定的等。建立系统被控对象的准确数学模型通常是不可能的，而大部分控制策略的设计又离不开系统的模型，所以在数学模型中存在某种不确定性的条件下，设计一个合适的控制器以确保系统的响应具有理想的性能，在控制论领域已经引起了广泛的关注，并且成为了研究的热点。而在控制系统中引入不确定性的数学模型可以更真实地描述出实际控制过程，并能反映系统的参数摄动和外部扰动。正因如此，研究不确定系统的鲁棒稳定性和鲁棒控制问题无论在理论上还是在实际应用中，都有很重要的意义。
积分二次约束(IQC)方法起源于绝对稳定性问题的研究，特别是在利用S-过程研究非线性控制系统稳定性时，从输入输出的角度刻划非线性不确定性时引入一种积分二次不等式约束。Safonov则用反馈环路中两个算子的图的分划来对其结论作几何性解释。在过去的一段时间内，鲁棒控制领域出现和发展了大量的方法，它们中的大部分可纳入IQC的框架。因而用IQC来分析和解决控制问题成为一种重要方法。近几年，IQC方法还被广泛应用于系统鲁棒性分析。Megretski和Rantzer通过引入非因果乘子，拓广了IQC的原始描述。将基于小增益描迷的结构及非结构不确定性以及基于无源性描述的不确定性有机地结合起来，从而刻划了几乎所有现代鲁棒分析中的不确定性模式，在此基础上给出了系统鲁棒稳定性的频域判据。Megretski和Rantzer给出了一个判定系统反馈连接的稳定性的基本定理，并将以往的大量结果纳入其中。Megretski的工作使得IQC方法受到广泛关注和研究。
在系统控制过程中，控制器本身的稳定与否直接影响到整个系统，即使有些控制器表面看来可以使系统达到稳定或具有指定的功能，但是实际上，控制器的不稳定使整个系统都无法正常的工作运行。本课题所研究的新型鲁棒H∞控制方法解决了控制器不稳定导致系统无法实现绝对稳定的问题。通过对一类具有积分二次约束结构不确定性的系统设计状态反馈控制器，我们体现出了一个重要的思想就是，向不确定系统中引入新的不确定性。这个过程中，通过对原系统设计状态反馈控制器，通过状态反馈增益矩阵，对系统进行扩展，引入新的不确定性，再通过证明，对于新系统设计的输出反馈控制器同样适用于原系统。设计这样通过中间的转换，便保证了所设计的控制器自身。
由于我们的研究重点是集中在H∞控制问题上的，我们选取的这个例子的系统是一个线性时不变系统，而不是不确定系统，但是这并不会对该系统的H∞控制问题带来影响，得到的结论其实是一致的。
1.建立系统数学模型
该例子是一个混合灵敏度S/KS问题，图1为控制系统结构图。
图1中对象的传递函数为
图1 控制系统结构图
P(s)=■
权函数为
W1(s)=■,W2(s)=0.2
其中，W1(s)为灵敏度权函数；W2(s)为加性不确定性权函数，反映了对加性不确定性的鲁棒稳定性要求，也可以看为对控制信号u的幅值的约束。
H∞最优控制问题，需要求取
γopt=■■■
接下来使用matlab软件编写程序，建立系统空间模型，设置系统内各项参数。得到如下描述系统的状态方程组：
x(t)=46 -25.3125 -33.5938 -23.4375 016 0 0 0 00 4 0 0 00 0 2 0 01 -0.0625 -0.3906 0.1953 -1 x(t)+00001w(t)+10000u(t)
z(t)+0 0 0 0 10 0 0 0 0x(t)＋00．2u(t)
y(t)＝［1 －0．0625 －0．3906 0．1953 0］x(t)＋u(t)
同时，可得到系统广义对象的状态空间方程组：
G（s）=G11 G12G21 G22=A B1 B2C1 D11 D12C2 D21 D22
其中
A46 -25.3125 -33.5938 -23.4375 016 0 0 0 00 4 0 0 00 0 2 0 01 -0.0625 -0.3906 0.1953 -1
B1=00001,B2=10000,C1=0 0 0 0 10 0 0 0 0,
C2=［1 －0．0625 －0．3906 0．1953 0］
D11=0,D1200．2,D21=1,D22=0
2.状态反馈控制器设计
当γ≥γopt＝34．24时，对系统所设计的H∞控制器都是不稳定的。现在，我们令γ＝42．4，■＝0．34，求取状态反馈控制器，带入各项参数，得到Riccati方程的解
X＝4．0001 1．0002 0．3132 0．0008 01．0002 9．6278 9．4556 5．8561 －0．03130．3132 9．4556 9．4093 5．8740 00．0008 5．8561 5．8740 3．7063 0．0977 0 －0．0313 0 0．977 0．5001
状态反馈控制器为
K＝［－100．0017 －25．0059 －7．8302 －0．0203 0］
使用得到的状态反馈控制器进行simulink仿真，得到各状态的阶跃响应曲线上可以看出，系统的相应特性比较好，能快速的回到平衡状态。
3.输出反馈控制器设计
3.1绝对稳定输出反馈控制器设计
以上我们已经设计出了状态反馈控制器，接下来是系统输出反馈控制器的设计。依据各项参数编写程序，通过matlab计算。这其中已经包括了对原系统的扩展，对新系统的广义对象进行 算子移除处理和求取输出反馈控制器这三个步骤。设计得到的输出反馈控制器传递函数为
k＝■
零极点表达式为
■
并得到γopt＝0．9724。
3.2常规H∞控制输出反馈控制器
直接对系统设计状态反馈控制器，同样使用matlab软件编写程序，设计得到的输出反馈控制器传递函数为
k＝■
零极点表达式为
■
并得到γopt＝34．26。
下图是采用绝对稳定输反馈控制器和常规输出反馈控制器时系统的开环Nyquist曲线。
图2 Nyquist曲线
（右侧为本课题方法，左侧为一般方法）
3.3两种方法对比
将上两小节的各条特性曲线及Nyquist曲线进行对比可以看出，两条Nyquist曲线离-1点的距离差不多，所以鲁棒性也差不多。从阶跃响应曲线和频率特性曲线来看，两个设计结果也没有太大的区别，但是，用本文提出的新的方法设计的输出反馈控制器自身是稳定的，保证了闭环系统的绝对稳定和具有指定的扰动抑制能力。但是用常规的方法设计的控制器是不稳定的，这是在工程设计中所不允许的，而且工程上这样的控制器也根本无法实现，所以这个控制器是不可用的。这就体现出了本课题所研究的H∞控制方法的优越性，利用这种方法可以保证设计的输出反馈控制器自身是稳定的，并能使系统达到绝对稳定并且具有指定的扰动抑制能力。
4.结论
本文通过一个实例应用所研究的一种新型鲁棒H∞控制方法，设计出一个自身稳定的输出反馈控制器，能够使系统达到绝对稳定并且具有指定的扰动抑制能力。该实例给出了从建立数学模型到设计输出法反馈控制器的全部过程和结果，并与使用一般H∞控制方法所设计的控制器进行比较。通过控制器传递函数和灵敏度等特性曲线的对比和分析，体现出了本课题鲁棒H∞控制方法的优越性。
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系统总结了当前电压型可逆变流器控制策略的发展概况，并对其详细分类研究。在比较各种控制方案优缺点的基础上最终确定了以电流d-q变换结合滑模控制作为本课题的控制策略。
详细阐述了电压型可逆变流器的数学模型，包括通用数学模型、d-q变换大信号数学模型、以及d-q变换小信号数学模型。根据d-q变换大信号数学模型建立了系统的电流环。结合d-q变换小信号数学模型设计了电压环以及电压环的滑模控制器。
确定了电压空间矢量(svpwm)作为开关控制策略。详细阐述了其基本原理。基于matlab对其进行了仿真研究。针对可逆变流器使用常规的pid控制对系统参数变化的较为敏感性，电压环采用了滑模变结构控制以期得到改善。基于matlab仿真软件完成了系统的忽略高次谐波、不忽略高次谐波下的spwm、svpwm的闭环系统仿真。
针对单片机控制系统的计算速度慢，实时性控制较差，因此本课题采用ti公司的数字信号处理器tms320f240来控制系统，以期提高计算速度。
根据本课题的控制方案，设计了系统软件流程，编写了系统的电流电压双闭环程序。基于tms320f240发出开关频率fs =900hz的空间矢量波形。理论上的分析结合实践过程完成了系统的开环和闭环实验，验证了控制方案的可行性。
本课题获得河北省教委科技基金支持，是国家自然科学基金的后续课题，对解决电网谐波污染，提倡绿色用电有着重大的经济价值和理论上的指导意义。
关键词 功率因数校正；可逆变流器；滑模变结构控制；空间矢量；数字信号处理器
abstract
development survey of control strategy of voltage type reversible converter is summarized systematically. control strategy is studied in detail. direct current d-q change and sliding mode controls are regarded as control strategy of this paper on the basis of comparing of advantages and disadvantages varieties of control strategy.
mathematics mode is set forth detailedly, including; current general mathematics mode; d-q change large signal mathematics model and d-q change small signal mathematics model. the system current loop is established according to d-q change large signal mathematics model. the voltage loop and its smc are designed according to d-q change small signal mathematics model.
space vector pwm is regarded as switch control strategy .its essential principle is set forth detailedly and is simulated based on matlab. voltage loop adopts variable structure control with sliding mode in order to improve with regard to conventional pid control, which is sensitive to system parameter. close loop system simulation of spwm and svpwm is completed with neglecting high harmonics and without neglecting high harmonics based on matlab.
because calculation speed of single chip microprocessor is slow and it realizes timing control poorly, digital signal processor tms320f240 of ti company is adopted to improve the calculation speed.
flowchart of system software is designed according to control strategy of this paper. the double close loop program of current and voltage is complied. svpwm wave of switch frequency (900hz) is emitted based on tms320f240.open loop experimentation and close experimentation is completed according to theory analysis and practice process, validating feasibility of control strategy.
this paper obtains the sustainment of science and technology fund of committee of education in province hebei and is the follow-up task of nature science fund of country and has the important value of economy and the guidance significance of theory.
keywords power factor correction; reversible converter; variable structure control with sliding mode; space vector; digital signal processor
目 录
摘要……………………………………………………………………………ⅰ
abstract……………………………………………………………………ⅱ
第1章 绪论…………………………………………………………………1
1.1 功率因数校正技术的发展概况………………………………………1
1.1.1 单个三相pfc电路………………………………………………2
1.1.2 电流断续状态下三相单开关变换器……………………………3
1.1.3 电流断续状态下的三相升压变换器……………………………4
1.1.4 电流连续状态下三相升压变换器………………………………4
1.1.5 三相降压整流器…………………………………………………5
1.2 电压型可逆变流器的开关控制策略…………………………………5
1.3 电压型可逆变流器的控制方案………………………………………6
1.3.1 间接电流控制……………………………………………………6
1.3.2 直接电流控制……………………………………………………7
1.4 可逆变流器控制策略的新发展………………………………………9
1.4.1 单周控制…………………………………………………………10
1.4.2 占空比控制………………………………………………………10
1.4.3 基于lyapunov非线性大信号方法控制………………………10
1.4.4 神经网络和模糊逻辑控制………………………………………10
1.4.5 双电流控制………………………………………………………11
1.4.6 输出直流电压的优化前馈补偿控制……………………………11
1.5 本课题工作…………………………………………………………11
第2章 可逆变流器控制方案及数学模型…………………………13
2.1 可逆变流器数学模型概述…………………………………………13
2.2 系统数学模型的建立………………………………………………13
2.2.1 系统通用数学模型的建立………………………………………14
2.2.2 系统d-q数学模型的建立………………………………………16
2.2.3 系统小信号数学模型……………………………………………18
2.3 系统的控制方案……………………………………………………21
2.4 变流器电流环的设计………………………………………………22
2.5 滑模变结构控制理论………………………………………………25
2.5.1 滑模变结构控制的基本问题……………………………………26
2.5.2 滑模变结构控制的基本策略……………………………………26
2.5.3 滑模变结构控制系统的动态品质………………………………27
2.6 滑模控制器及电压环的设计………………………………………28
2.6.1 广义控制对象的确定……………………………………………28
2.6.2 滑模控制器的改进………………………………………………32
2.7 本章小结……………………………………………………………36
第3章 系统仿真研究……………………………………………………37
3.1 空间矢量pwm(svpwm)的基本原理……………………………37
3.2 空间矢量的工作模式和时间的计算………………………………38
3.3 空间矢量调制比及其对系统的影响………………………………42
3.4 空间矢量的matlab仿真………………………………………43
3.5 控制系统仿真研究………………………………………………45
3.5.1 不忽略高次谐波下的总系统spwm仿真……………………49
3.5.2 不忽略高次谐波下的总系统空间矢量仿真……………………50
3.6 本章小结……………………………………………………………52
第4章 基于dsp软件实现……………………………………………53
4.1 tms320f240的结构与汇编原理……………………………………53
4.2 tms320f240的中断结构……………………………………………54
4.3 tms320f240的定点运算……………………………………………55
4.4 系统控制的硬件和软件设计………………………………………56
4.4.1 系统硬件设计……………………………………………………57
4.4.2 系统软件设计……………………………………………………58
4.5 本章小结……………………………………………………………60
第5章 系统实验…………………………………………………………61
5.1 开环实验……………………………………………………………62
5.2 闭环实验……………………………………………………………64
5.2.1 电流闭环实验……………………………………………………64
5.2.2 电压闭环实验……………………………………………………67
5.3 实验注意事项………………………………………………………69
5.4 本章小结……………………………………………………………69
结论……………………………………………………………………………71
参考文献………………………………………………………………………72
攻读硕士学位期间所发表的论文……………………………………………77
