控制器設計論文
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控制器設計論文范文第1篇
關鍵詞：PCI總線接口控制器S5933甚高速紅外控制器HHH（1,13）編解碼
PCI（PeripheralComponentInterconnect）局部總線[1]是一種高性能、32位或64位地址數據多路復用的同步總線。它的用途是在高度集成的外設控制器件、擴展卡和處理器/存儲器系統之間提供一種內部的連接機構，它規定了互連機構的協議、機械以及設備配置空間。PCI局部總線因具有極小延遲時間、支持線性突發數據傳輸、兼容性能以及系統能進行全自動配置等特點受到業界青睞。PCI總線規范2.1版本還定義了由32位數據總線擴充為64位總線的方法，使總線寬度擴展，并對32位和64位PCI局部總線外設做到向前和向后兼容。
目前微機之間的紅外通信是基于IRDA-1.1標準的紅外無線串行SIR通信，參考文獻[2]給出了基于ISA總線的紅外無線串行通信卡的設計及實現，該通信卡的數據速率為9.6kbps～115.2kbps，工作距離0～3m。但由于RS-232端口的最高數據速率上限為115.2kbps，不能滿足IRDA-1.4規范甚高速紅外VFIR16Mbps速率要求，所以使用了PCI同步總線擴展外設的方法設計甚高速紅外控制器。雖然ISA總線的傳輸速率能滿足甚高速紅外控制器設計要求，但目前許多微機系統已經逐漸淘汰ISA/EISA標準總線。原因是高速微處理器和低速ISA總線之間不同步，造成擴展外設只能通過一個慢速且狹窄的瓶頸發送和接收數據，使CPU高性能受到嚴重影響。
1HHH（1,13）編解碼
2001年5月，紅外無線數據協會IRDA了紅外串行物理層規范IRDA-1.4[4]；它與前期的物理層規范的主要區別在于增加甚高速紅外VFIR16Mbps數據速率的編解碼技術和幀結構，而其它如視角范圍、發射器最小（大）光功率和接收器靈敏度等規范基于相同。紅外串行物理層規范IRDA-1.4規定數據速率小于4Mbps采用RZI（歸零反轉）調制，最大脈沖寬度是位周期的3/16或1/4；數據速率4Mbps采用4PPM（脈沖位置調制）；數據速率16Mbps采用HHH（1,13）碼。
IRDA提出的VFIR編解碼技術-HHH（1,13）碼是碼率為2/3，（d,k）=(1,13)的RLL（run-length-limited）碼；它是一種功率消耗和頻帶利用率相對折中的高效編碼，其中參數d、k分別表示在兩個''''1''''之間最小和最大的''''0''''的數目，參數d決定接收信號中有無碼間干擾ISI，參數k決定接收器能否從接收序列中恢復時鐘。HHH(1,13)碼的帶寬效率使數據通信能夠選擇成本很低、上升/下降時間為19ns的LED。功率效率避免了LED的熱問題，它能保證1m距離范圍內保持鏈接。1m距離16Mbps鏈路可達到過去4Mbps鏈路的驅動電流和功耗。HHH（1,13）碼和4PPM碼（用于4Mbps）的顯著區別是HHH(1,13)碼決不允許一個紅外脈沖緊跟前一個紅外脈沖，脈沖之間應該保持一個chip時間差。由于光電管工作區域內有少量載流子的慢輻射，使LED或光電二極光表現出拖尾效應，HHH（1,13）碼能夠兼容拖尾效應，從而允許在chip時間周期內脈沖的擴展。
雖然HHH（1,13）碼的設計過程比較復雜，但IRDA-1.4標準已經詳細給出了編譯碼邏輯方程和電路，所以實現起來比較容易。筆者使用AlteraMAX+plusII進行邏輯功能仿真，并用GW48EDA實驗系統進行硬件偽真，驗證HHH（1,13）碼編譯碼電路設計的正確性。
2甚高速紅外VFIR控制器的硬件設計
由于PCI總線規定了嚴格的電氣特性，開發PCI總線的應用具有很大難度，因此使用AMCC（AppliedMicroCorporation）公司推出的PCI接口控制器S5933實現紅外控制器PCI總線接口規范[5]。甚高速紅外VFIR控制器原理框圖如圖1所示。選用Altera公司的FLEX10K系列現場可編程門陣列器件實現S5933與紅外TX/RXFIFO、寄存器的傳輸控制和邏輯時序以及紅外接口控制邏輯和紅外收發器接口功能模塊（CRC校驗、編解碼以及串/并轉換）。甚高速紅外VFIR控制器工作原理如下：首先由AMCCS5933外部非易失性串行EEPROMAT24C02下載PCI配置空間，然后主機通過直通（PassThru）寄存器數據訪問方式向紅外接口控制寄存器寫控制命令[3]。紅外接口控制邏輯根據控制命令發出控制信號，使整個紅外控制器處于準備狀態。當上層協議發出數據發送事件時，紅外接口控制邏輯發出消息，通知主機啟動S5933總線主控讀操作，把上層數據寫到外部紅外TXFIFO數據緩沖器；同時紅外接口控制邏輯根據TXFIFO狀態把TXFIFO的數據發送到紅外收發器接口，進行鎖存、并/串轉換、CRC校驗和編碼，最后通過VFIR收發器發送數據。同理VFIR收發器接收到的數據經過譯碼、CRC校驗、串/并轉換和鎖存，寫入RXFIFO數據緩沖器。紅外接口控制邏輯觸發上層協議發出數據接收事件接收數據，主機啟動S5933總線主控寫操作向上層協議遞交數據，數據傳輸完成上層協議發回消息，通知數據接收完成。下面重點分析S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組訪問控制邏輯以及紅外接口控制邏輯和紅外接發器接口功能。
2.1紅外TX/RXFIFO與紅外控制寄存器組控制邏輯
AMCCS5933支持3個物理總線接口：PCI總線接口、擴充總線接口和非易失性EEPROM總線接口。非易失性EEPROM用于映射PCI的配置空間及設備BIOS的初始化；擴充總線可以與外設設備互連。主機和外設之間可以利用S5933的郵箱寄存器、FIFO寄存器、直通寄存器（Pass-Thru）數據傳輸方式雙向傳輸數據。
紅外寄存器組包括紅外接口控制寄存器和狀態寄存器。本文中甚高速紅外控制利用S5933直通寄存器單周期數據傳送向紅外接口控制寄存器寫控制字，由Pass-Thru邏輯控制電路把地址和數據分離開，直通地址寄存器（APTA）經374鎖存并譯碼，選通紅外接口控制寄存器，同時把直通數據寄存器（PTDA）的低字寫入紅外控制器；該接口控制寄存器的數據寬度為16位，包括紅外控制器始能、工作模式（UART、SIR、MIR、FIR、VFIR）的設置，接收或發送數據的選擇以及滿足SIR模式下多波特率的分頻數。紅外接口控制寄存器結構定義如圖2。
同理使用直通寄存器方式獲取紅外接口狀態寄存器的狀態。紅外接口狀態寄存器結構定義如圖3。
為滿足高速數據傳輸，利用S5933FIFO寄存器總線主控方式下的同步猝發（Burst）操作（DMA傳送）完成主機與紅外TX/RXFIFO的數據傳輸。PCI接口首先初始化S5933作為總線主控設備，然后由PCI接口向主控讀/寫地址寄存器（MRAR/MWAR）寫入要訪問的PCI存儲空間地址，向主控讀/寫計數器（MRTC/MWTC）寫入要傳輸的字節數。S5933提供了4個專用引腳RDFIFO#、WRFIFO#、RDEMPY#和WREULL#控制內部FIFO與外部FIFO的數據傳輸接口邏輯。接收/發送FIFO的數據寬度都是32位，分別由4片8位數據總線的IDT72220FFO數據位擴展實現。該FIFO既為PCI接口提供數據緩沖，又為紅外收發器接口提供訪問數據。S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組的數據訪問控制邏輯如圖4。
2.2紅外接口控制邏輯
根據紅外接口控制寄存器控制字，紅外接口控制邏輯實現外部RX/TXFIFO與紅外收發器接口之間的數據傳輸和邏輯時序。它的工作原理如下：根據控制字，首先啟動紅外收發器接口CRC校驗、編解碼器和可編程時鐘（RX/TXFIFO讀/寫時鐘RCLK、WCLK和編解碼時鐘fclock），然后根據控制字的TX/RX位決定是接收還是發送數據。發送數據時，TXFIFO緩沖器不為空，TXFIFO的EF信號就觸發紅外接口控制邏輯發TXFIFO讀操作信號ENR#，讀取TXFIFO的數據（數據寬度32位）傳給紅外收發器接口進行CRC校驗、編碼以及并/串轉換。同理當甚高速紅外控制器接收數據時，紅外收發器接收到的數據經過譯碼、串/并轉換（數據寬度32位），然后觸發紅外接口控制邏輯發出紅外接收FIFO的寫操作信號ENW#，把接收數據寫入紅外接收FIFO。當RXFIFO寫滿后，觸發控制邏輯發出S5933FIFO寫信號WRFIFO#，上層協議啟動PCI接口初始化S5933為同步主控寫操作實現紅外接收FIFO到主機內存的數據傳畀。另外紅外接口邏輯還實現紅外接口狀態寄存器狀態的配置，以方便上層協議了解紅外控制器工作狀態。
2.3紅外收發器接口
紅外收發器接口的設計與實現是紅外控制器成功的關鍵。該接口需要實現各種工作模式（SIR、MIR、FIR、VFIR）的編解碼器和硬件CRC校驗、設計比較復雜。編碼器前、譯碼器后，數據都要進行硬件CRC校驗實現差錯控制。SIR模式采用RZI（歸零反轉）編碼，信號為高電平，調制為低電平；信號為低電平，調制為高電平脈沖，最大脈沖寬度是位周期的3/16。MIR模式也采用RZI（歸零反轉）編碼，但最大脈沖寬度是位周期的1/4。FIR模式采用4PPM（脈沖位置調制）調制，它的原理是被編碼的二進制數據流每兩位組合成一個數據碼元組（DBP），其占用時間Dt=500ns，再將該數據碼元組（DBP）分為4個125ns的時隙（chip），根據碼元組的狀態，在不同的時隙放置單脈沖。由于PPM通信依賴信號光脈沖在時間上的位置傳輸信息，所以解調時先保證收發雙方時隙同步、幀同步，然后根據脈沖在500ns周期中的位置解調出發送數據。考慮到紅外收發器通信距離突然變化引發脈沖寬度擴展，發生碼間干擾，導致譯碼出錯，因此根據HiroshiUno提出的新算法[7]簡化4PPM譯碼過程，并通過實驗驗證該算法比最大似然譯碼算法結構更簡單，功耗更低，而且更容易實現。
VFIR模式采用HHH（1，13）編解碼技術。編碼器原理：為了正確實現編碼，要求在計算內部碼字C=(c1,c2,c3)之前，在nT(T表示一個chip時間)時刻到達編碼器輸入端的輸入數據碼元組d=(d1,d2)經過3個編碼周期（每個編碼周期是3T）的延時后進行邏輯計算，得到下一狀態矢量值N=(s1,s2,s3)，即與輸入數據有關的N出現在（n+9T）時刻；再經過一個編碼周期，即（n+12T）時刻，狀態N賦給內部狀態矢量S=(s1,s2,s3)，同時計算與輸入數據碼元組d=(d1,d2)有關的內部碼字矢量C=(c1,c2,c3)，再經過一個編碼周期，內部碼字C賦給輸出碼字矢量Y=(y1,y2,y3)。由此可見16Mbps的數據速率經過編碼器變為24Mchip/s編碼速率，整個編碼過程延時5個編碼周期即15個chip。注意編碼器初始狀態S應設置為（1，0，0）。譯碼器原理：輸入數據R=(r1,r2,r3)經過鎖存器延時得到矢量Y4=(y10,y11,y12)，對Y4進行不同的延時得到Y3、Y2及Y1。這里矢量Yi是Y4的4-I次延時（由鎖存器實現延時）；對Y4進行或非運算得到Zd，再將Zd進行不同的延時得到Zc和Zb。這里Zc、Zb、Zd是變量，然后將Y4、Y3、Y2、Y1、Zb、Zc、Zd進行邏輯運算、延時分別得到矢量X1=(x1,x2)、X2=(x3,x4)、X3=(x5,x6)；最后將x1、x2經過鎖存器得到譯碼器輸出矢量值U=(u1,u2)。整個譯碼過程延時4個周期即12個chip。可見HHH（1,13）編譯碼電路比較簡單，利用FPGA基于門級描述即可實現，但必須注意鎖存器時鐘fclock=1/3fchip。VFIR模式增加線性反饋移位寄存器（LFSR）實現加擾和解擾功能提高系統性能，減少誤碼。
圖4S5933與紅外接收/發送FIFO，紅外寄存器組數據訪問控制邏輯圖
3甚高速紅外VFIR控制器的軟件設計
控制器設計論文范文第2篇
OPC作為微軟公司的對象鏈接和嵌入技術應用于過程控制領域，為工業自動化軟件面向對象的開發提供一項統一的標準，解決了應用軟件與各種設備驅動程序之間的通信問題。它把硬件廠商和應用軟件開發商分離開來，為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁，大大提高了雙方的工作效率。應用程序與OPC服務器之間必須有OPC接口，OPC規范提供了兩套標準接口:Custom標準接口和OLE自動化標準接口，通常在系統設計中采用OLE自動化標準接口。OLE自動化標準接口定義了以下3層接口，依次呈包含關系。OPCServer(服務器):OPC啟動服務器，獲得其他對象和服務的起始類，并用于返回OPCGroup類對象。OPCGroup(組):存儲由若干OPCItem組成的Group信息，并返回OPCItem類對象。OPCItem(數據項):存儲具體Item的定義、數據值、狀態值等信息。3層接口的層次關系如圖2所示。
2菇棚溫度控制系統的設計
2．1菇棚的溫度控制原理
寧夏南部山區杏鮑菇生產基地采用大棚式培養方式，作為對杏鮑菇生長起最重要影響的因素，溫度顯得尤為重要［8］。菇棚溫度采用自動記錄儀對溫度進行檢測，利用空調對菇棚溫度進行調節。由于溫度控制系統具有大時變、非線性、滯后性等特點，采用模糊控制非常合適［9－10］。本文對菇棚的溫度進行了控制設計，最終采用模糊PID控制方案，達到對溫度的實時控制，從而將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內。菇棚溫度控制系統的原理如圖3所示。圖3中，虛線框內的部分在工業控制環境中大多由PLC等控制設備完成，而這些設備很難實現模糊PID的控制功能。因此，將虛線框部分在Simulink中實現，把在Simulink中創建的模糊PID控制器直接應用到現場設備中。菇棚實時溫度控制系統原理圖如圖4所示。圖4中，該系統以PCACCESS軟件作為OPC服務器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模塊和OPCRead模塊與Simulink進行數據交換。傳感變送裝置檢測溫度后將電信號傳送給S7－200PLC的模擬量輸入模塊EM231，經過A/D轉換后得出溫度值;PCACCESS軟件從PLC中讀取溫度值，通過OPCRead模塊傳送給Simulink;在Simulink中與設定的溫度值進行比較后，進行模糊PID計算，將結果通過OPCWrite模塊傳送給PCACCESS軟件，經PCACCESS軟件寫入到PLC中，計算分析得出數字量，輸出到模擬量輸出模塊EM232，經D/A轉換為電信號送給溫控裝置(空調)，實現對菇棚溫度的模糊PID控制。
2．2模糊PID控制系統
2．2．1模糊PID控制器的設計菇棚的溫度控制系統是一個復雜的非線性系統，很難建立精確的數學模型，而常規的PID控制則需建立被控對象的精確數學模型，對被控過程的適應性差，算法得不到滿意的控制效果。單純使用模糊控制時，控制精度不高、自適應能力有限，可能存在穩態誤差，引起振蕩［11－12］。因此，本文針對PID控制和模糊控制的各自特點，將兩者結合起來，設計了模糊PID控制器，可以利用模糊控制規則對PID參數進行在線修改，從而實現對菇棚溫度的實時控制，將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內。基于上述分析，將菇棚溫度作為研究對象，E、EC作為模糊控制器的輸入，其中E為設定溫度值與實際溫度值的差值。PID控制器的3個參數KP、KI、KD作為輸出。設輸入變量E、EC和輸出變量的KP、KI、KD語言值的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，誤差E和誤差變化率EC的論域為{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的論域為{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的論域為{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的論域為{－3，－2，－1，0，1，2，3}。為了論域的覆蓋率和調整方便，均采用三角形隸屬函數。根據對系統運行的分析和工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，得出KP、KI、KD的模糊控制規則表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系統的模糊PID控制器的模型，如圖5所示。2．2．2系統的仿真菇棚溫度的傳遞函數采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α為慣性環節時間常數，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，為純滯后時間。設定菇棚溫度值為15℃，常規PID控制器的仿真結果如圖6所示，模糊PID控制器的仿真結果如圖7所示。結果表明，菇棚溫度控制系統采用模糊PID控制器具有超調小、抗干擾能力強等特點，能較好地滿足系統的要求。
3Simulink與S7－200PLC數據交換的實現
PCACCESS軟件是專用于S7－200PLC的OPC服務器軟件，它向作為客戶機的MATLAB/OPC客戶端提供數據信息。在菇棚溫度控制系統中，模糊PID控制器的輸出值和反饋值就是Simulink與S7－200PLC進行交換的數據。實現數據交換的具體步驟如下:1)打開軟件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，單擊右鍵設置“PC/PG”接口，本文選用“PC/PPI(cable)”。然后，右鍵單擊“MicroWin(USB)”進入“新PLC”，添加監控S7－200PLC，本文默認名稱為“NewPLC”。右鍵單擊所添加的新PLC的名稱，進入“NewItem”添加變量，本文為輸出值“wendu1”和反饋值“wendu2”，設置完成，如圖8所示。PCACCESS軟件自帶OPC客戶測試端，客戶可以將創建的條目拖入測設中心進行測試，觀察通信質量，如圖9所示。測試后的通信質量為“好”。2)打開MATLAB，在工作空間輸入命令“opctool”后，將彈出OPCTool工具箱的窗口，在該窗口的MAT-LABOPCClients對話框下單擊右鍵，進入“AddClient”添加客戶端，用戶名默認“localhost”，ServerID選擇“S7200．OPCServer”;與PCACCESS軟件連接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加組和項，把在PCACCESS軟件中創建的兩個變量“wendu1”和“wendu2”添加到項中，操作完成后結果如圖10所示。3)新建Simulink文件，導入模糊PID控制器模型，調用OPCWrite模塊、OPCRead模塊和OPCConfigura-tion模塊，設置OPCWrite模塊和OPCRead模塊的屬性，把OPC工作組中的變量“wendu1”添加到OPCWrite模塊中，把變量“wendu2”添加到OPCRead模塊中，設置完成后兩個模塊與控制器相連，如圖11所示。這樣，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID實時溫度控制系統的設計就完成了。
4結論
控制器設計論文范文第3篇
1．1被控對象分析
蒸發器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發器上部進入蒸發器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發器頂部排出，濃縮液從蒸發器底部排出；濃縮液濃度不能在線測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設閥門V1203；從蒸發器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設閥門V1105；換熱后的過熱蒸汽變為冷凝水排出。蒸發器為真空操作，蒸發器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。
1．2工藝流程分析蒸發器的工藝流程可以具體描述為：
1）打開稀液流量閥V1201，向蒸發器E1201注入稀液，并使蒸發器液位穩定在80％左右。
2）打開過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發器通入過熱蒸汽，使蒸發器溫度達到108℃，并保持穩定。
3）待濃縮液濃度達到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續出料，使濃縮液流量達到4．63kg／s，并保持流量平穩。
2系統總體方案設計
2．1控制要求與技術指標
（1）控制要求
基礎過程控制（BPCS）的任務是保證蒸發器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據工藝要求可以將BPCS的控制任務分解為：建立蒸發器液位、提升蒸發器溫度、蒸發器提升負荷運行、濃縮液濃度控制、蒸發器溫度控制、蒸發器液位控制、濃縮液流量控制。
（2）系統安全要求
現代過程控制系統包括基本過程控制系統(BPCS)和安全儀表系統（SIS）。蒸發過程可能會出現蒸發器內壓力過大而引起事故，因此SIS系統的設計非常重要。
2．2控制系統總體方案設計
考慮到安全可靠和經濟適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與PCS7BOX構成冗余結構，兩個CPU同時具有基礎控制系統（BPCS）和安全控制系統（SIS）的功能，正常運行狀態下PCS7BOX執行BPCS功能，PLCS7416－2F執行SIS功能。BPCS系統和SIS系統共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統DCS和SIS之間復雜的數據處理，節省了成本與安裝費用，系統中備件品種少，經濟性好，并且可以互為代用，便于維護。BPCS系統與SIS系統之間的通信連接采用光纖實現，使系統的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互獨立，冗余系統的存在與否不影響控制系統的正常運行。用PROFINET工業以太網擴展此系統，使此系統一方面可與管理系統對接，另一方面具有了良好的可擴展性，能方便地實現監控功能，同時使此系統的維護也變得更加方便。
3控制系統硬件設計與實現
3．1儀表供配電設計
為保證供電的安全和可靠，設計供電系統時，應按照用電儀表的電壓等級和電源類型進行設計。本方案采用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設置在底層的各二級供電箱供電，并在第二級供電系統中同樣設置總供電箱、分供電箱。供電系統可采用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。
3．2輸入／輸出模塊配置
BPCS和SIS的輸入／輸出模塊配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統的基礎上。確定了BPCS所需配置的I／O點數后，即可進行輸入／輸出模塊的選擇。本方案選擇西門子公司的分布式I／O產品ET200M。
3．3系統控制柜設計
接下來是系統控制柜的設計，包括主控制柜和分控制柜的設計，確定控制柜以及輸入輸出模塊后，繪制系統輸入輸出模塊的接線原理圖。
3．4系統組態
在SIMATICManager中完成系統組態。系統硬件組態如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統的硬件組態，右邊是SIS系統的硬件組態。通信網絡的組態如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通信模塊；AS400F和IM153－2FO則是SIS的CPU和ET200M通信模塊。
4控制系統軟件設計與實現
4．1控制程序總體設計
根據程序的功能以及程序執行情況，控制程序可以被劃分為3個部分：
1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執行一次，通過該組織塊可以實現初始化操作。
2）主程序OB1。OB1由操作系統不斷地循環調用。通過OB1可以進行系統常規處理，轉換系統的運行狀態，比如更新程序中的標志，并進行相應處理。
3）循環中斷OB35。循環中斷組織塊按照設定的時間間隔執行中斷程序。在循環中斷中完成模擬量采集、數字濾波、PID運算，最后是控制量輸出。
4．2控制程序設計與實現
（1）S7CFC編程語言
CFC（ContinuousFunctionChart，連續功能圖）用圖形的方式連接程序庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到復雜的閉環和開環控制等領域。編程的時候將需要的功能塊復制到圖中并用線連接起來即可。定時中斷程序即采用CFC來編寫。
（2）定時中斷的整體結構
在定時中斷中進行模擬量采集、數字濾波、PID運算以及控制信號輸出，同時實現參數超限時的報警和停車。程序的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據現場調試情況來確定。
4．3推理程序設計與實現
經過分析，可以看出被控對象的特點是多回路、多參數、強耦合。因此控制策略為：將復雜大系統分解成相對獨立的簡單子系統進行處理，控制律力求簡單實用。其中，根據對被控對象的分析，發現濃縮液濃度不可在線測量。為了實現濃度的準確控制，采用了推理控制策略，利用可實時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，通過推理運算實現濃度的間接控制。推理控制算法采用SCL（類似于C語言）進行編程，并將其編譯成模塊，供CFC編程調用。BPCS部分主要采用連續功能圖CFC實現。
4．4系統安全SIS設計
作為保證生產安全的重要措施，安全控制系統主要包含安全儀表和信號報警兩部分。大多數工業生產過程要求安全儀表系統和信號報警遵循失效安全原則，使工業設備在發生故障的時候轉入預定義的安全狀態。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯鎖等安全控制。緊急停車聯鎖在蒸發器裝置的機械設備故障、某些過程參數越限、系統自身故障或稀液進料中斷時，對系統實施緊急停車。緊急停車聯鎖能自動產生一系列預先定義的動作，使工藝裝置和人員處于安全狀態。
4．5系統監控設計
控制系統使用西門子WinCC組態軟件對操作員站進行了組態，實現對蒸發器的實時控制及調整、系統運行監控與管理。WinCC使生產過程的狀態能夠以文字、圖像、曲線和報警等多種形式清晰地表達出來，同時能夠記錄生產過程中發生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態可打印的報表。
5系統運行與驗證控制
控制器設計論文范文第4篇
關鍵詞：內部控制存在問題制度建設
現代企業管理架構的核心內容是內部控制,其同時也是企業持續發展的制度保證。企業內部控制是一個系統工程,內部控制是企業最基礎性的工作,也是企業賴以生存和發展的有效管理工具,涉及企業管理的方方面面。《企業內部控制基本規范》自2009年7月1日起在上市公司范圍內施行,鼓勵非上市的其他大中型企業執行。這是我國繼實施與國際接軌的企業會計準則和審計準則之后,在會計審計領域推出的又一與國際接軌的重大改革舉措。這就充分說明企業內部控制制度建設的迫切性。
一、內部控制的涵義
內部控制作為一種管理思想和實踐活動,在古埃及、古羅馬的國庫管理和中國西周時代的預算管理中就已存在。內部控制是指單位治理層、管理層及其員工共同實施的、旨在實現控制目標的過程。內部控制的目標是合理保證企業經營管理合法合規、資產安全、財務報告及相關信息真實完整,提高經營效率和效果,促進企業實現發展戰略。
二、我國企業內部控制存在的問題
1.對內部控制認識不完整。目前一些企業特別是國有企業對內部控制的認識存在兩種傾向值得注意:一是一部分人習慣于甚至滿足于傳統的經營管理方式,認為只要能夠規范化操作就行,不必考慮是否先進。二是雖然大家意識到改革的必要性,但是容易片面強調改革組織結構的重要性,忽視了控制方式的跟進和強化,這就使企業的改革同微觀治理機制相脫離。不論是維持傳統的經營管理方式,還是片面以改革取代控制的觀念,對企業的發展都是不利的,這些認識上的偏差都將阻礙著內控的發展和完善。
2.內部控制的整體框架不完整。為了保證控制目標的實現,企業必須制定控制政策及程序,并予以執行,管理層必須確保其辨認并用以處理風險的行為已經有效落實。目前,由于對內部控制概念認識混亂,因而對內部控制應包括哪些內容、應如何構建、各種要素有哪些聯系等也認識不一,各企業內部控制的構建也是千差萬別。
3.內部控制執行不力。我國現有內部控制只注重制度的文字編寫環節,嚴重忽略了如何執行制度、判斷和報告制度執行的狀況、矯正制度執行的偏差等方面。企業內部控制制度執行情況評價、報告等也鮮有實施。我國企業內部控制活動中最大的一個薄弱環節就是考核獎懲機制不夠健全、有效。計劃可能是好的,但由于沒有人認真地去考核、去檢查,再好的制度都難以發揮出它應有的作用。而且,整個內部控制的過程必須施以恰當的監督,并通過監督活動在必要時對其加以修正。由于管理體制和管理方式的問題,我國企業內部控制的監督很薄弱,管理控制的方法不夠先進,內部審計機構沒有起到應有的作用。另外,很多企業的內部審計工作僅僅是審核會計賬目,而在內部稽查、評價內部控制制度是否完善和企業內各組織機構執行指定職能的效率等方面,也未能充分發揮應有的作用。
4.法人治理結構不完善,內控組織虛位。規范的公司法人治理結構,關鍵要看董事會能否充分發揮作用,但在我國現階段,公司的法人治理結構不夠完善,甚至是有形無實。有不少國有企業在改革過程中,一味地“放權讓利”,致使原廠長負責制的領導班子現在既是經理層又進入董事會,董事會成員和經理成員高度重疊,致使企業權責不清,加強內部控制的受益主體模糊。這種責權不分的公司治理結構,導致所有者對經營者不能實施控制,作為代表公司股東的控制主體———董事會也就形同虛設。同時,很多公司要么沒有內部審計機構,要么建立的內部審計機構不能發揮有效的監督作用。
5.缺乏風險意識,缺乏內控動力。由于社會經濟環境的變化,企業間競爭越來越激烈,企業經營風險不斷提高,然而,從我國企業的現狀來看,企業的風險意識并沒有提到應有的高度,還停留在計劃經濟條件下賣方市場的水平上,沒有形成風險意識,更缺乏有效的風險管理機制。
三、我國企業內部控制的建設
第一,充分發揮政府部門的主導作用,完善企業的控制環境。由于我國市場經濟剛剛起步,只有十來年的歷史,同西方幾百年的市場經濟相比,自我完善能力較弱,企業對政府依賴性較強,因此政府要充分發揮對能動作用和主導作用,為企業內部控制建設營造良好的環境。
完善我國社會主義市場經濟競爭機制,加快現代企業產權制度改革。真正實現產權明晰、權責清楚、管理科學、政企分開的現代企業制度,從產權制度上保證內部控制制度有效建立,有明確的內部控制主體和控制目標。控制主體解決了由誰進行內部控制的問題,而控制目標則解決了為什么要進行控制的問題。只有在控制主體及其控制目標明確的情況下,才能實施有效控制。要有先進的管理控制方法和高素質的管理人才,管理控制方法是作為管理層對其他人的授權使用情況直接控制和對整個企業活動實行監督的一種方法,包括很多內容,如制定企業各項管理制度、編制各項計劃、業績與計劃考評、調查與糾正偏離期望值的差異等,這些方法對于不同規模和不同復雜程度的企業均十分重要。
推動適合我國國情的內部控制理論研究。西方內部控制整體框架理論較為完善,其權威性得到世界公認,我們可以充分借鑒。但畢竟我國是社會主義市場經濟,不能不考慮國有企業的公有制性質,尤其是我國內控制度具有的用來堵塞國有資產流失漏洞、遏制領導干部、規避盈利或非盈利組織經營風險、制止虛假會計信息流入社會(包括企業主管部門)等功能要給予充分考慮。選擇和設計適合中國特點的治理模式,以防企業內部控制中忽視了國家利益,給國家造成損失,推動我國企業內部控制標準規范和評價體系的研究制定。
第二,加強內部控制的監督與評審。評審與監督是經營管理部門對內控的管理監督、內審監察部門對內控的再監督與再評價活動的總稱。要確保內部控制制度被切實地執行且執行的效果良好,內部控制過程就必須被施以恰當的監督。監督評審可以是持續性的或分別單獨的,也可以是兩者結合起來的。主要應關注監督評審程序的合理性、對內控缺陷的報告和對政策程序的調整等,要不斷地在日常工作中監督評審內控的總體效果,對主要風險的監督評審應當是企業日常活動中不可或缺的一部分。對內控系統應當進行有效和全面的內部審計,內審作為內控系統監督評審的一部分,內審部門及其人員要具備相應的獨立性、良好的職業操守和專業勝任能力。遵循風險導向原則、一致性原則、公允性原則、獨立性原則、成本效益等原則對企業內控的有效性進行評價。根據評價分析發現內控存在的缺陷,確保內部控制體系有效運行;提高風險管理水平,為實現企業發展戰略和經營目標提供保障;確保企業各項活動的合法合規性;為企業的風險管理提供信息服務和決策支持。
第三,加強信息傳遞和溝通。信息與溝通是企業及時、準確收集、傳遞與內部控制相關的的信息,確保信息在企業內部、企業外部之間進行有效溝通,是實施內部控制的重要條件。信息與傳遞就是向企業內各級主管部門(人員)、其他相關人員,以及企業外的有關部門(人員)及時提供信息,通過信息交流,使企業內部員工能夠清楚地了解企業的內部控制制度,知道其所承擔的責任,并及時取得和交換他們在執行、管理和控制企業經營過程中所需的信息,以減少由于信息不溝通導致的企業經營成本和社會監督成本的提高。有效的內控系統需要充分的和全面的內部財務、經營等方面的數據,以及關于外部市場與決策相關的事件和條件的信息。這些信息應當安全可靠、及時、可獲,并能以前后一致的形式規范地提供使用。有效的內控需要建立可靠的信息系統,涵蓋公司的全部重要活動。有效的內控系統需要有效的交流渠道,對企業的各級管理者和員工進行內部控制培訓,重視員工的繼續教育,提升員工素質,讓他們清楚自己在內部控制體系中的地位、作用和責任。這樣才能為內部控制的實施提供思想保證。加強信息傳遞者和使用者的知識儲備,建立完善的信息與溝通制度,確保信息及時溝通,才能更好地為企業服務,促進企業內部控制有效運行。
第四,強化外部監督與約束機制。一是要發揮政府在內部控制建設方面的作用。在管理者內部控制觀念普遍淡薄的情況下,為推動企業有效實施內控規范,政府有關部門應對企業建立與實施內部控制的情況進行監督檢察,規范企業建立健全內部控制制度并使之有效實施。同時要加大執行力度,對不能加強企業自身內部控制、違反法律法規導致企業目標沒有實現的,應依法追究管理者的責任。二是通過中介機構,依據獨立審計準則,對照內部控制評價標準體系,站在公正的立場上對企業內部控制的有效性進行審計,并出具內部控制審計報告,及時發現企業有失“公允”及其他不當的行為,幫助企業加以糾正。
一個企業的成敗在很大程度上取決于其內部控制制度的完善,建立和完善內部控制是企業在市場經濟下必然而且必需的選擇。企業必須制定一套較為完善合理可行的內部控制制度,并使之得到很好地貫徹實施,否則將使制度流于形式。在我國現實國情下,內部控制的建設不是短期內就能完成的,需要政府、企業、社會各方面共同努力,使我國企業的內部控制制度建設得以很好的貫徹,以促進我國企業的良好健康發展。
參考文獻:
[1]企業內部控制若干問題探析.中華會計網校會計文苑.2006.
[2]彭君翔.我國企業內部控制建設中存在的問題及其成因分析.2007.
控制器設計論文范文第5篇
論文關鍵詞：MATLAB，BP神經網絡，污水處理，溶解氧
0、引言
近年來，環境污染日益嚴重，淡水資源日益匱乏，如何將污水處理后排放或加以利用，已經成為世界各國政府關注的大事。活性污泥法是目前大多數城市污水生活處理廠廣泛采用的污水處理工藝，其基本流程包括粗格柵及提升泵房、細格柵及沉砂池、配水計量井、CASS反應池、計量井、接觸消毒池等，處理工藝圖如圖1所示。在曝氣作用下機電一體化論文，CASS反應池中的污水得到足夠的溶解氧并使存活在活性污泥上的微生物分解可溶性有機物，經過一系列的生化反應，使污水得到凈化[1]。
圖1 污水處理工藝圖
1、控制策略分析與控制器設計
1.1 控制策略分析
CASS反應池中溶解氧濃度的高低直接影響著有機物的去除效率，也就相應的影響了出水水質。如果溶解氧濃度過低，供氧不足，會使微生物代謝活動受影響，微生物凈化功能降低，使生化反應不夠充分，出水水質達不到標準；如果溶解氧濃度過高，氧的轉移效率降低，動力費用增加。曝氣池中影響溶解氧濃度的因素眾多，主要有進水水質化驗值(BOD，COD，TP，TN機電一體化論文，SS)和進水流量等免費論文。所以，在污水處理過程中不同工況下都能夠對溶解氧濃度進行快速有效的控制，對整個污水處理過程具有重大的現實意義[2]。
由于對溶解氧濃度的控制是一個大時滯、非線性、多變量的系統，溶解氧濃度數學模型難以建立，所以對溶解氧濃度的傳統控制方式存在著控制精度不夠高，實時性不夠好等缺點。基于規則的傳統模糊控制雖取得了比傳統PID控制方法好的控制效果，但是，由于缺乏自學習能力，不能在線調整控制規則，自適應能力差，使系統的魯棒性受到限制。神經網絡控制是將神經網絡在相應的控制系統結構中作為控制器或辨識器，由于神經網絡是從微觀結構與功能上通過對人腦神經系統的模擬而建立起來的一類模型，具有模擬人的部分智能的特性，使神經控制能對變化的環境具有自適應性，且成為基本上不依賴于數學模型的一類控制機電一體化論文，所以它在控制系統中的應用具有多樣性和靈活性。
1.2 BP網絡控制器設計
BP網絡是一種多層前饋神經網絡，由輸入層、隱含層和輸出層組成。層與層之間采用全互連方式，同一層之間不存在相互連接，隱含層可以有一個或多個[3]。構造一個BP網絡需要確定其處理單元――神經元的特性和網絡拓撲結構。神經元是神經網絡最基本的處理單元，隱含層中的神經元采用S型變換函數，輸出層的神經元可采用S型或線性變換函數。圖2所示即為一個典型的三層BP網絡結構。
圖2 典型三層BP網絡結構
設上圖BP網絡輸入層有M個節點，輸出層有L個節點，而且隱含層只有一層，具有N個節點。一般情況下N>M>L。設輸入層神經節點的輸出為ai（i=1，2，……，M）；隱含層節點的輸出為aj（j=1，2，……，N）；輸出層神經節點的輸出為yk（k=1機電一體化論文，2，……，L）；神經網絡的輸出向量為ym；期望輸出向量為yp免費論文。則：
（1）輸入層第i個節點的輸入為
式中xi（i=1,2，……，M）為網絡的輸入，θi為第i個節點的閾值。
（2）隱含層的第j個節點輸入為
式中wij和θj分別為隱含層的權值和第j個節點的閾值。
（3）輸出層第k個節點的輸入為
1.3 BP網絡學習算法的步驟
（1）初始化：置所有的加權系數為最小的隨機數。
（2）提供訓練集：給出順序賦值的輸入向量和期望的輸出向量。
（3）基數按實際輸出：計算隱含層和輸出層各神經元的輸出。
（4）計算期望值與實際輸出的誤差。
（5）調整輸出層的加權系數。
（6）調整隱含層的加權系數。
（7）返回步驟（3），直到誤差滿足要求為止。
2、BP網絡控制器的MATLAB實現
2.1 BP網絡模型的建立與訓練
由于待處理的污水組成成分復雜，對溶解氧濃度的影響并不是一兩個因素，根據污水的主要污染物組成的特點，我們選取了最具代表性和普遍意義，具有關鍵控制作用的幾個進水參數，即選取進水的BOD5、COD、SS、TN、TP以及進水流量作為輸入層的輸入節點，輸出節點即為溶解氧濃度。
通常隱含層的數目及隱含層神經元數目決定著神經網絡的運算速度、存儲空間和收斂性質。太多或太少的隱含層都會導致神經網絡的收斂性變差，這是因為過少的隱含層處理單元數目不足以反映輸入變量間的交互作用，因而誤差較大機電一體化論文，而數目過多，雖然可以達到更小的誤差值，但因網絡較復雜，從而收斂較慢[6]免費論文。有研究表明，當隱含層為1―2層時，網絡的收斂性最佳。本系統采用1層隱含層。
首先確定BP網絡訓練的樣本數據，本文對BP神經網絡控制器進行訓練和檢驗的數據，是采用某污水處理廠一個月中每天中午十二點的采樣數據，其中5號、10號、15號、20號、25號、30號這6天的數據進行驗證網絡的輸出，其它24天的數據進行對神經網絡的訓練。
其次建立網絡并對網絡進行訓練。首先將訓練數據和檢測數據導入到工作空間，生成p1和t向量用來訓練網絡；生成p2向量和test_target向量，用來通過仿真檢測網絡的性能。然后通過命令生成一個隱含層包含5個神經元，輸出層包含1個神經元的BP網絡；第一層傳遞函數是tansig()，第二層傳遞函數是線性的，訓練函數選取為traingd()。設置好訓練次數、誤差精度、學習率等參數機電一體化論文，開始訓練網絡。MATLAB中部分程序代碼如下所示：
net = newff(minmax(p1),[5,1],{‘tansig’,’purelin’},’traingd’);%生成一個BP網絡
net.trainParam.show= 20; %每隔20次顯示一次
net.trainParam.lr= 0.01; %學習率設為0.01
net.trainParam.mc= 0.9; %動量因子設為0.9
net.trainParam.epochs= 100; %最大訓練次數設為100
net.trainParam.goal= 1e-2; %訓練要求精度設為0.01
[net,tr] = train(net,p1,t); %開始訓練網絡
網絡訓練過程如圖3所示，從圖中可以看到，網絡訓練在20個步長之后就將誤差訓練到小于0.01了。
圖3 網絡的訓練過程
2.2 仿真結果分析
網絡訓練完畢，然后通過仿真驗證，驗證之后得出的實際值、網絡輸出值和誤差的數據對比如圖4所示。從圖中我們可以看到，網絡的仿真檢測輸出和實際輸出之間的誤差很小，說明設計的BP網絡控制器性能穩定，能夠滿足實際應用的性能要求，對溶解氧濃度的控制能夠起到比較精確的控制效果。
圖4 實際值、網絡輸出值和誤差值的對比
3、控制系統實現
3.1 硬件系統設計
根據工藝要求，甘肅靖遠污水處理廠采用三個控制站，針對CASS池部分的控制站使用的PLC是AB系列的Logix 5561；模擬量輸入模塊為1756-IF16，采集現場BOD5、COD、SS、TN、TP以及進水流量等傳感器數據；模擬量輸出模塊為1756-OF8，輸出給定鼓風機變頻器的頻率大小。
3.2 軟件系統設計
一般的污水處理控制系統都是采用PLC和上位組態軟件來進行控制的，而PLC和上位組態軟件編程方式的局限性，使得它們不能進行神經網絡控制算法的編寫機電一體化論文，只能實現一些簡單的控制方法；MATLAB能很容易的實現神經網絡的算法編寫，但是不能夠進行組態免費論文。如何將MATLAB和PLC結合起來實現BP神經網絡對溶解氧濃度的控制是本系統的關鍵所在，這就要用到OPC協議來實現上位機中的MATLAB與下位機PLC之間的數據交換，才能將MATLAB中設計好的BP神經網絡控制器用到系統中。在本系統中，我們將PLC采集來的BOD5、COD、SS、TN、TP以及進水流量等現場數據，通過OPC協議送入到MATLAB工作空間，經過MATLAB中的BP神經網絡控制器處理，得出鼓風機變頻器需要的頻率大小，然后將結果再通過OPC協議送回到PLC，經過模擬量輸出給到變頻器，通過調節鼓風機頻率的大小來調節鼓風量的大小，最終調節CASS池中溶解氧濃度的大小。PLC與MATLAB通過OPC協議進行數據交換的部分m程序如下所示：
da = opcda (‘localhost’,‘RSLinx OPC Server’); %建立OPC數據訪問對象模型
connect(da); %連接到服務器
grp = addgroup (da); %建立組對象模型
item1 = additem (grp,‘[plc]temp1’); %建立數據項模型
r = read (item1); %讀item1數據結構，并把值賦給data
data = r.value;
item2 = additem (grp,’[plc]temp2’);
write (item2,0); %向item2中寫入數據0
disconnect (da); %斷開OPC連接
delet (da); %刪除OPC數據訪問對象
3.3 上位組態監控設計
本控制系統上位組態軟件采用組態王。在組態王設計的監控操作畫面中,可以實現手動/自動切換、給定值輸入、參數輸入、數據顯示、畫面切換等功能，使操作人員很容易的對控制系統進行操作和管理。另外，利用組態王還可以完成監視器顯示所需的現場設備監控畫面機電一體化論文，如系統狀態圖、硬件報警、工藝報警、模擬量趨勢、對比趨勢、操作日志、報表輸出等，可直觀、動態地顯示出現場各部位重要參數的變化。圖5所示為CASS池監控畫面：
圖5CASS池組態監控畫面
4、結束語
本文通過對污水處理CASS池中溶解氧濃度控制要求的深入分析，對比闡述了傳統控制方法的局限性以及BP神經網絡的優越性，通過在MATLAB環境下設計BP神經網絡控制器，并對其進行訓練仿真，得出合理的BP網絡控制器。最后通過OPC協議進行MATLAB與PLC之間的數據交換，將MATLAB環境下的BP神經網絡運用到實際的污水處理控制系統中，通過實際運行觀察，控制效果非常理想，降低了成本，提高了效率。
參考文獻：
[1]胡玉玲，曹建國，喬俊飛.活性污泥污水處理系統的模糊神經網絡控制[J].系統仿真學報，
2005，17（10）：2541-2544.
