控制器设计论文

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控制器设计论文范文第1篇

关键词：PCI总线接口控制器S5933甚高速红外控制器HHH（1,13）编解码

PCI（PeripheralComponentInterconnect）局部总线[1]是一种高性能、32位或64位地址数据多路复用的同步总线。它的用途是在高度集成的外设控制器件、扩展卡和处理器/存储器系统之间提供一种内部的连接机构，它规定了互连机构的协议、机械以及设备配置空间。PCI局部总线因具有极小延迟时间、支持线性突发数据传输、兼容性能以及系统能进行全自动配置等特点受到业界青睐。PCI总线规范2.1版本还定义了由32位数据总线扩充为64位总线的方法，使总线宽度扩展，并对32位和64位PCI局部总线外设做到向前和向后兼容。

目前微机之间的红外通信是基于IRDA-1.1标准的红外无线串行SIR通信，参考文献[2]给出了基于ISA总线的红外无线串行通信卡的设计及实现，该通信卡的数据速率为9.6kbps～115.2kbps，工作距离0～3m。但由于RS-232端口的最高数据速率上限为115.2kbps，不能满足IRDA-1.4规范甚高速红外VFIR16Mbps速率要求，所以使用了PCI同步总线扩展外设的方法设计甚高速红外控制器。虽然ISA总线的传输速率能满足甚高速红外控制器设计要求，但目前许多微机系统已经逐渐淘汰ISA/EISA标准总线。原因是高速微处理器和低速ISA总线之间不同步，造成扩展外设只能通过一个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据，使CPU高性能受到严重影响。

1HHH（1,13）编解码

2001年5月，红外无线数据协会IRDA了红外串行物理层规范IRDA-1.4[4]；它与前期的物理层规范的主要区别在于增加甚高速红外VFIR16Mbps数据速率的编解码技术和帧结构，而其它如视角范围、发射器最小（大）光功率和接收器灵敏度等规范基于相同。红外串行物理层规范IRDA-1.4规定数据速率小于4Mbps采用RZI（归零反转）调制，最大脉冲宽度是位周期的3/16或1/4；数据速率4Mbps采用4PPM（脉冲位置调制）；数据速率16Mbps采用HHH（1,13）码。

IRDA提出的VFIR编解码技术-HHH（1,13）码是码率为2/3，（d,k）=(1,13)的RLL（run-length-limited）码；它是一种功率消耗和频带利用率相对折中的高效编码，其中参数d、k分别表示在两个''''1''''之间最小和最大的''''0''''的数目，参数d决定接收信号中有无码间干扰ISI，参数k决定接收器能否从接收序列中恢复时钟。HHH(1,13)码的带宽效率使数据通信能够选择成本很低、上升/下降时间为19ns的LED。功率效率避免了LED的热问题，它能保证1m距离范围内保持链接。1m距离16Mbps链路可达到过去4Mbps链路的驱动电流和功耗。HHH（1,13）码和4PPM码（用于4Mbps）的显著区别是HHH(1,13)码决不允许一个红外脉冲紧跟前一个红外脉冲，脉冲之间应该保持一个chip时间差。由于光电管工作区域内有少量载流子的慢辐射，使LED或光电二极光表现出拖尾效应，HHH（1,13）码能够兼容拖尾效应，从而允许在chip时间周期内脉冲的扩展。

虽然HHH（1,13）码的设计过程比较复杂，但IRDA-1.4标准已经详细给出了编译码逻辑方程和电路，所以实现起来比较容易。笔者使用AlteraMAX+plusII进行逻辑功能仿真，并用GW48EDA实验系统进行硬件伪真，验证HHH（1,13）码编译码电路设计的正确性。

2甚高速红外VFIR控制器的硬件设计

由于PCI总线规定了严格的电气特性，开发PCI总线的应用具有很大难度，因此使用AMCC（AppliedMicroCorporation）公司推出的PCI接口控制器S5933实现红外控制器PCI总线接口规范[5]。甚高速红外VFIR控制器原理框图如图1所示。选用Altera公司的FLEX10K系列现场可编程门阵列器件实现S5933与红外TX/RXFIFO、寄存器的传输控制和逻辑时序以及红外接口控制逻辑和红外收发器接口功能模块（CRC校验、编解码以及串/并转换）。甚高速红外VFIR控制器工作原理如下：首先由AMCCS5933外部非易失性串行EEPROMAT24C02下载PCI配置空间，然后主机通过直通（PassThru）寄存器数据访问方式向红外接口控制寄存器写控制命令[3]。红外接口控制逻辑根据控制命令发出控制信号，使整个红外控制器处于准备状态。当上层协议发出数据发送事件时，红外接口控制逻辑发出消息，通知主机启动S5933总线主控读操作，把上层数据写到外部红外TXFIFO数据缓冲器；同时红外接口控制逻辑根据TXFIFO状态把TXFIFO的数据发送到红外收发器接口，进行锁存、并/串转换、CRC校验和编码，最后通过VFIR收发器发送数据。同理VFIR收发器接收到的数据经过译码、CRC校验、串/并转换和锁存，写入RXFIFO数据缓冲器。红外接口控制逻辑触发上层协议发出数据接收事件接收数据，主机启动S5933总线主控写操作向上层协议递交数据，数据传输完成上层协议发回消息，通知数据接收完成。下面重点分析S5933与红外TX/RXFIFO、红外寄存器组访问控制逻辑以及红外接口控制逻辑和红外接发器接口功能。

2.1红外TX/RXFIFO与红外控制寄存器组控制逻辑

AMCCS5933支持3个物理总线接口：PCI总线接口、扩充总线接口和非易失性EEPROM总线接口。非易失性EEPROM用于映射PCI的配置空间及设备BIOS的初始化；扩充总线可以与外设设备互连。主机和外设之间可以利用S5933的邮箱寄存器、FIFO寄存器、直通寄存器（Pass-Thru）数据传输方式双向传输数据。

红外寄存器组包括红外接口控制寄存器和状态寄存器。本文中甚高速红外控制利用S5933直通寄存器单周期数据传送向红外接口控制寄存器写控制字，由Pass-Thru逻辑控制电路把地址和数据分离开，直通地址寄存器（APTA）经374锁存并译码，选通红外接口控制寄存器，同时把直通数据寄存器（PTDA）的低字写入红外控制器；该接口控制寄存器的数据宽度为16位，包括红外控制器始能、工作模式（UART、SIR、MIR、FIR、VFIR）的设置，接收或发送数据的选择以及满足SIR模式下多波特率的分频数。红外接口控制寄存器结构定义如图2。

同理使用直通寄存器方式获取红外接口状态寄存器的状态。红外接口状态寄存器结构定义如图3。

为满足高速数据传输，利用S5933FIFO寄存器总线主控方式下的同步猝发（Burst）操作（DMA传送）完成主机与红外TX/RXFIFO的数据传输。PCI接口首先初始化S5933作为总线主控设备，然后由PCI接口向主控读/写地址寄存器（MRAR/MWAR）写入要访问的PCI存储空间地址，向主控读/写计数器（MRTC/MWTC）写入要传输的字节数。S5933提供了4个专用引脚RDFIFO#、WRFIFO#、RDEMPY#和WREULL#控制内部FIFO与外部FIFO的数据传输接口逻辑。接收/发送FIFO的数据宽度都是32位，分别由4片8位数据总线的IDT72220FFO数据位扩展实现。该FIFO既为PCI接口提供数据缓冲，又为红外收发器接口提供访问数据。S5933与红外TX/RXFIFO、红外寄存器组的数据访问控制逻辑如图4。

2.2红外接口控制逻辑

根据红外接口控制寄存器控制字，红外接口控制逻辑实现外部RX/TXFIFO与红外收发器接口之间的数据传输和逻辑时序。它的工作原理如下：根据控制字，首先启动红外收发器接口CRC校验、编解码器和可编程时钟（RX/TXFIFO读/写时钟RCLK、WCLK和编解码时钟fclock），然后根据控制字的TX/RX位决定是接收还是发送数据。发送数据时，TXFIFO缓冲器不为空，TXFIFO的EF信号就触发红外接口控制逻辑发TXFIFO读操作信号ENR#，读取TXFIFO的数据（数据宽度32位）传给红外收发器接口进行CRC校验、编码以及并/串转换。同理当甚高速红外控制器接收数据时，红外收发器接收到的数据经过译码、串/并转换（数据宽度32位），然后触发红外接口控制逻辑发出红外接收FIFO的写操作信号ENW#，把接收数据写入红外接收FIFO。当RXFIFO写满后，触发控制逻辑发出S5933FIFO写信号WRFIFO#，上层协议启动PCI接口初始化S5933为同步主控写操作实现红外接收FIFO到主机内存的数据传畀。另外红外接口逻辑还实现红外接口状态寄存器状态的配置，以方便上层协议了解红外控制器工作状态。

2.3红外收发器接口

红外收发器接口的设计与实现是红外控制器成功的关键。该接口需要实现各种工作模式（SIR、MIR、FIR、VFIR）的编解码器和硬件CRC校验、设计比较复杂。编码器前、译码器后，数据都要进行硬件CRC校验实现差错控制。SIR模式采用RZI（归零反转）编码，信号为高电平，调制为低电平；信号为低电平，调制为高电平脉冲，最大脉冲宽度是位周期的3/16。MIR模式也采用RZI（归零反转）编码，但最大脉冲宽度是位周期的1/4。FIR模式采用4PPM（脉冲位置调制）调制，它的原理是被编码的二进制数据流每两位组合成一个数据码元组（DBP），其占用时间Dt=500ns，再将该数据码元组（DBP）分为4个125ns的时隙（chip），根据码元组的状态，在不同的时隙放置单脉冲。由于PPM通信依赖信号光脉冲在时间上的位置传输信息，所以解调时先保证收发双方时隙同步、帧同步，然后根据脉冲在500ns周期中的位置解调出发送数据。考虑到红外收发器通信距离突然变化引发脉冲宽度扩展，发生码间干扰，导致译码出错，因此根据HiroshiUno提出的新算法[7]简化4PPM译码过程，并通过实验验证该算法比最大似然译码算法结构更简单，功耗更低，而且更容易实现。

VFIR模式采用HHH（1，13）编解码技术。编码器原理：为了正确实现编码，要求在计算内部码字C=(c1,c2,c3)之前，在nT(T表示一个chip时间)时刻到达编码器输入端的输入数据码元组d=(d1,d2)经过3个编码周期（每个编码周期是3T）的延时后进行逻辑计算，得到下一状态矢量值N=(s1,s2,s3)，即与输入数据有关的N出现在（n+9T）时刻；再经过一个编码周期，即（n+12T）时刻，状态N赋给内部状态矢量S=(s1,s2,s3)，同时计算与输入数据码元组d=(d1,d2)有关的内部码字矢量C=(c1,c2,c3)，再经过一个编码周期，内部码字C赋给输出码字矢量Y=(y1,y2,y3)。由此可见16Mbps的数据速率经过编码器变为24Mchip/s编码速率，整个编码过程延时5个编码周期即15个chip。注意编码器初始状态S应设置为（1，0，0）。译码器原理：输入数据R=(r1,r2,r3)经过锁存器延时得到矢量Y4=(y10,y11,y12)，对Y4进行不同的延时得到Y3、Y2及Y1。这里矢量Yi是Y4的4-I次延时（由锁存器实现延时）；对Y4进行或非运算得到Zd，再将Zd进行不同的延时得到Zc和Zb。这里Zc、Zb、Zd是变量，然后将Y4、Y3、Y2、Y1、Zb、Zc、Zd进行逻辑运算、延时分别得到矢量X1=(x1,x2)、X2=(x3,x4)、X3=(x5,x6)；最后将x1、x2经过锁存器得到译码器输出矢量值U=(u1,u2)。整个译码过程延时4个周期即12个chip。可见HHH（1,13）编译码电路比较简单，利用FPGA基于门级描述即可实现，但必须注意锁存器时钟fclock=1/3fchip。VFIR模式增加线性反馈移位寄存器（LFSR）实现加扰和解扰功能提高系统性能，减少误码。

图4S5933与红外接收/发送FIFO，红外寄存器组数据访问控制逻辑图

3甚高速红外VFIR控制器的软件设计

控制器设计论文范文第2篇

OPC作为微软公司的对象链接和嵌入技术应用于过程控制领域，为工业自动化软件面向对象的开发提供一项统一的标准，解决了应用软件与各种设备驱动程序之间的通信问题。它把硬件厂商和应用软件开发商分离开来，为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，大大提高了双方的工作效率。应用程序与OPC服务器之间必须有OPC接口，OPC规范提供了两套标准接口:Custom标准接口和OLE自动化标准接口，通常在系统设计中采用OLE自动化标准接口。OLE自动化标准接口定义了以下3层接口，依次呈包含关系。OPCServer(服务器):OPC启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回OPCGroup类对象。OPCGroup(组):存储由若干OPCItem组成的Group信息，并返回OPCItem类对象。OPCItem(数据项):存储具体Item的定义、数据值、状态值等信息。3层接口的层次关系如图2所示。

2菇棚温度控制系统的设计

2．1菇棚的温度控制原理

宁夏南部山区杏鲍菇生产基地采用大棚式培养方式，作为对杏鲍菇生长起最重要影响的因素，温度显得尤为重要［8］。菇棚温度采用自动记录仪对温度进行检测，利用空调对菇棚温度进行调节。由于温度控制系统具有大时变、非线性、滞后性等特点，采用模糊控制非常合适［9－10］。本文对菇棚的温度进行了控制设计，最终采用模糊PID控制方案，达到对温度的实时控制，从而将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。菇棚温度控制系统的原理如图3所示。图3中，虚线框内的部分在工业控制环境中大多由PLC等控制设备完成，而这些设备很难实现模糊PID的控制功能。因此，将虚线框部分在Simulink中实现，把在Simulink中创建的模糊PID控制器直接应用到现场设备中。菇棚实时温度控制系统原理图如图4所示。图4中，该系统以PCACCESS软件作为OPC服务器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模块和OPCRead模块与Simulink进行数据交换。传感变送装置检测温度后将电信号传送给S7－200PLC的模拟量输入模块EM231，经过A/D转换后得出温度值;PCACCESS软件从PLC中读取温度值，通过OPCRead模块传送给Simulink;在Simulink中与设定的温度值进行比较后，进行模糊PID计算，将结果通过OPCWrite模块传送给PCACCESS软件，经PCACCESS软件写入到PLC中，计算分析得出数字量，输出到模拟量输出模块EM232，经D/A转换为电信号送给温控装置(空调)，实现对菇棚温度的模糊PID控制。

2．2模糊PID控制系统

2．2．1模糊PID控制器的设计菇棚的温度控制系统是一个复杂的非线性系统，很难建立精确的数学模型，而常规的PID控制则需建立被控对象的精确数学模型，对被控过程的适应性差，算法得不到满意的控制效果。单纯使用模糊控制时，控制精度不高、自适应能力有限，可能存在稳态误差，引起振荡［11－12］。因此，本文针对PID控制和模糊控制的各自特点，将两者结合起来，设计了模糊PID控制器，可以利用模糊控制规则对PID参数进行在线修改，从而实现对菇棚温度的实时控制，将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。基于上述分析，将菇棚温度作为研究对象，E、EC作为模糊控制器的输入，其中E为设定温度值与实际温度值的差值。PID控制器的3个参数KP、KI、KD作为输出。设输入变量E、EC和输出变量的KP、KI、KD语言值的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，误差E和误差变化率EC的论域为{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的论域为{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的论域为{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的论域为{－3，－2，－1，0，1，2，3}。为了论域的覆盖率和调整方便，均采用三角形隶属函数。根据对系统运行的分析和工程设计人员的技术知识和实际操作经验，得出KP、KI、KD的模糊控制规则表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系统的模糊PID控制器的模型，如图5所示。2．2．2系统的仿真菇棚温度的传递函数采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α为惯性环节时间常数，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，为纯滞后时间。设定菇棚温度值为15℃，常规PID控制器的仿真结果如图6所示，模糊PID控制器的仿真结果如图7所示。结果表明，菇棚温度控制系统采用模糊PID控制器具有超调小、抗干扰能力强等特点，能较好地满足系统的要求。

3Simulink与S7－200PLC数据交换的实现

PCACCESS软件是专用于S7－200PLC的OPC服务器软件，它向作为客户机的MATLAB/OPC客户端提供数据信息。在菇棚温度控制系统中，模糊PID控制器的输出值和反馈值就是Simulink与S7－200PLC进行交换的数据。实现数据交换的具体步骤如下:1)打开软件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，单击右键设置“PC/PG”接口，本文选用“PC/PPI(cable)”。然后，右键单击“MicroWin(USB)”进入“新PLC”，添加监控S7－200PLC，本文默认名称为“NewPLC”。右键单击所添加的新PLC的名称，进入“NewItem”添加变量，本文为输出值“wendu1”和反馈值“wendu2”，设置完成，如图8所示。PCACCESS软件自带OPC客户测试端，客户可以将创建的条目拖入测设中心进行测试，观察通信质量，如图9所示。测试后的通信质量为“好”。2)打开MATLAB，在工作空间输入命令“opctool”后，将弹出OPCTool工具箱的窗口，在该窗口的MAT-LABOPCClients对话框下单击右键，进入“AddClient”添加客户端，用户名默认“localhost”，ServerID选择“S7200．OPCServer”;与PCACCESS软件连接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加组和项，把在PCACCESS软件中创建的两个变量“wendu1”和“wendu2”添加到项中，操作完成后结果如图10所示。3)新建Simulink文件，导入模糊PID控制器模型，调用OPCWrite模块、OPCRead模块和OPCConfigura-tion模块，设置OPCWrite模块和OPCRead模块的属性，把OPC工作组中的变量“wendu1”添加到OPCWrite模块中，把变量“wendu2”添加到OPCRead模块中，设置完成后两个模块与控制器相连，如图11所示。这样，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID实时温度控制系统的设计就完成了。

4结论

控制器设计论文范文第3篇

1．1被控对象分析

蒸发器的示意所示，其工作流程大致可描述为：待浓缩的稀液从蒸发器上部进入蒸发器E1201，吸收过热蒸汽提供的热量，稀液中的水分变成二次蒸汽从蒸发器顶部排出，浓缩液从蒸发器底部排出；浓缩液浓度不能在线测量；稀液流量为F1201，稀液管线上设阀门V1201；浓缩液流量为F1202，浓缩液管线上设阀门V1202；二次蒸汽流量为F1203，二次蒸汽管线上设阀门V1203；从蒸发器中部通入满足工艺要求的过热蒸汽，蒸汽流量为F1105，过热蒸汽管线上设阀门V1105；换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。蒸发器为真空操作，蒸发器液位为L1201，温度为T1201，压力为P1201。

1．2工艺流程分析蒸发器的工艺流程可以具体描述为：

1）打开稀液流量阀V1201，向蒸发器E1201注入稀液，并使蒸发器液位稳定在80％左右。

2）打开过热蒸汽流量阀V1105和二次蒸汽流量阀V1203，向蒸发器通入过热蒸汽，使蒸发器温度达到108℃，并保持稳定。

3）待浓缩液浓度达到7．5％时，开启浓缩液流量阀V1202，开始连续出料，使浓缩液流量达到4．63kg／s，并保持流量平稳。

2系统总体方案设计

2．1控制要求与技术指标

（1）控制要求

基础过程控制（BPCS）的任务是保证蒸发器温度、浓缩液浓度以及浓缩液流量均符合工艺要求。根据工艺要求可以将BPCS的控制任务分解为：建立蒸发器液位、提升蒸发器温度、蒸发器提升负荷运行、浓缩液浓度控制、蒸发器温度控制、蒸发器液位控制、浓缩液流量控制。

（2）系统安全要求

现代过程控制系统包括基本过程控制系统(BPCS)和安全仪表系统（SIS）。蒸发过程可能会出现蒸发器内压力过大而引起事故，因此SIS系统的设计非常重要。

2．2控制系统总体方案设计

考虑到安全可靠和经济适用的同时兼顾，本方案选择了西门子的PLCS7416－2F，与PCS7BOX构成冗余结构，两个CPU同时具有基础控制系统（BPCS）和安全控制系统（SIS）的功能，正常运行状态下PCS7BOX执行BPCS功能，PLCS7416－2F执行SIS功能。BPCS系统和SIS系统共用一个工程师站和一个操作员站，这样避免了传统DCS和SIS之间复杂的数据处理，节省了成本与安装费用，系统中备件品种少，经济性好，并且可以互为代用，便于维护。BPCS系统与SIS系统之间的通信连接采用光纤实现，使系统的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互独立，冗余系统的存在与否不影响控制系统的正常运行。用PROFINET工业以太网扩展此系统，使此系统一方面可与管理系统对接，另一方面具有了良好的可扩展性，能方便地实现监控功能，同时使此系统的维护也变得更加方便。

3控制系统硬件设计与实现

3．1仪表供配电设计

为保证供电的安全和可靠，设计供电系统时，应按照用电仪表的电压等级和电源类型进行设计。本方案采用二级供电方式，由第一级总供电箱直接向设置在底层的各二级供电箱供电，并在第二级供电系统中同样设置总供电箱、分供电箱。供电系统可采用多回路供电的配电方式，将各分供电箱分别接到总供电箱上的各组端子上，这样在灵活分配用电负荷的同时能够分散端子故障所带来的影响。

3．2输入／输出模块配置

BPCS和SIS的输入／输出模块配置相类似，以BPCS为例，在分析控制系统的基础上。确定了BPCS所需配置的I／O点数后，即可进行输入／输出模块的选择。本方案选择西门子公司的分布式I／O产品ET200M。

3．3系统控制柜设计

接下来是系统控制柜的设计，包括主控制柜和分控制柜的设计，确定控制柜以及输入输出模块后，绘制系统输入输出模块的接线原理图。

3．4系统组态

在SIMATICManager中完成系统组态。系统硬件组态如图3上半部分所示，左边是BPCS系统的硬件组态，右边是SIS系统的硬件组态。通信网络的组态如图3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均挂接在PROFIBUS总线上。PCS7BOX和IM153－2分别是BPCS的CPU和ET200M通信模块；AS400F和IM153－2FO则是SIS的CPU和ET200M通信模块。

4控制系统软件设计与实现

4．1控制程序总体设计

根据程序的功能以及程序执行情况，控制程序可以被划分为3个部分：

1）启动组织块OB100。OB100在PLC启动时执行一次，通过该组织块可以实现初始化操作。

2）主程序OB1。OB1由操作系统不断地循环调用。通过OB1可以进行系统常规处理，转换系统的运行状态，比如更新程序中的标志，并进行相应处理。

3）循环中断OB35。循环中断组织块按照设定的时间间隔执行中断程序。在循环中断中完成模拟量采集、数字滤波、PID运算，最后是控制量输出。

4．2控制程序设计与实现

（1）S7CFC编程语言

CFC（ContinuousFunctionChart，连续功能图）用图形的方式连接程序库中的各种功能块，包括从简单的逻辑操作到复杂的闭环和开环控制等领域。编程的时候将需要的功能块复制到图中并用线连接起来即可。定时中断程序即采用CFC来编写。

（2）定时中断的整体结构

在定时中断中进行模拟量采集、数字滤波、PID运算以及控制信号输出，同时实现参数超限时的报警和停车。程序的控制单元主要有：温度控制、液位控制、浓度控制等。不同被控量所需定时中断的时间间隔均不相同，定时时间要根据现场调试情况来确定。

4．3推理程序设计与实现

经过分析，可以看出被控对象的特点是多回路、多参数、强耦合。因此控制策略为：将复杂大系统分解成相对独立的简单子系统进行处理，控制律力求简单实用。其中，根据对被控对象的分析，发现浓缩液浓度不可在线测量。为了实现浓度的准确控制，采用了推理控制策略，利用可实时测得的稀液流量、浓缩液流量以及二次蒸汽流量，通过推理运算实现浓度的间接控制。推理控制算法采用SCL（类似于C语言）进行编程，并将其编译成模块，供CFC编程调用。BPCS部分主要采用连续功能图CFC实现。

4．4系统安全SIS设计

作为保证生产安全的重要措施，安全控制系统主要包含安全仪表和信号报警两部分。大多数工业生产过程要求安全仪表系统和信号报警遵循失效安全原则，使工业设备在发生故障的时候转入预定义的安全状态。在本方案中，包括了报警指示、紧急停车联锁等安全控制。紧急停车联锁在蒸发器装置的机械设备故障、某些过程参数越限、系统自身故障或稀液进料中断时，对系统实施紧急停车。紧急停车联锁能自动产生一系列预先定义的动作，使工艺装置和人员处于安全状态。

4．5系统监控设计

控制系统使用西门子WinCC组态软件对操作员站进行了组态，实现对蒸发器的实时控制及调整、系统运行监控与管理。WinCC使生产过程的状态能够以文字、图像、曲线和报警等多种形式清晰地表达出来，同时能够记录生产过程中发生的事件，供历史查询使用，还可以组态可打印的报表。

5系统运行与验证控制

控制器设计论文范文第4篇

关键词：内部控制存在问题制度建设

现代企业管理架构的核心内容是内部控制,其同时也是企业持续发展的制度保证。企业内部控制是一个系统工程,内部控制是企业最基础性的工作,也是企业赖以生存和发展的有效管理工具,涉及企业管理的方方面面。《企业内部控制基本规范》自2009年7月1日起在上市公司范围内施行,鼓励非上市的其他大中型企业执行。这是我国继实施与国际接轨的企业会计准则和审计准则之后,在会计审计领域推出的又一与国际接轨的重大改革举措。这就充分说明企业内部控制制度建设的迫切性。

一、内部控制的涵义

内部控制作为一种管理思想和实践活动,在古埃及、古罗马的国库管理和中国西周时代的预算管理中就已存在。内部控制是指单位治理层、管理层及其员工共同实施的、旨在实现控制目标的过程。内部控制的目标是合理保证企业经营管理合法合规、资产安全、财务报告及相关信息真实完整,提高经营效率和效果,促进企业实现发展战略。

二、我国企业内部控制存在的问题

1.对内部控制认识不完整。目前一些企业特别是国有企业对内部控制的认识存在两种倾向值得注意:一是一部分人习惯于甚至满足于传统的经营管理方式,认为只要能够规范化操作就行,不必考虑是否先进。二是虽然大家意识到改革的必要性,但是容易片面强调改革组织结构的重要性,忽视了控制方式的跟进和强化,这就使企业的改革同微观治理机制相脱离。不论是维持传统的经营管理方式,还是片面以改革取代控制的观念,对企业的发展都是不利的,这些认识上的偏差都将阻碍着内控的发展和完善。

2.内部控制的整体框架不完整。为了保证控制目标的实现,企业必须制定控制政策及程序,并予以执行,管理层必须确保其辨认并用以处理风险的行为已经有效落实。目前,由于对内部控制概念认识混乱,因而对内部控制应包括哪些内容、应如何构建、各种要素有哪些联系等也认识不一,各企业内部控制的构建也是千差万别。

3.内部控制执行不力。我国现有内部控制只注重制度的文字编写环节,严重忽略了如何执行制度、判断和报告制度执行的状况、矫正制度执行的偏差等方面。企业内部控制制度执行情况评价、报告等也鲜有实施。我国企业内部控制活动中最大的一个薄弱环节就是考核奖惩机制不够健全、有效。计划可能是好的,但由于没有人认真地去考核、去检查,再好的制度都难以发挥出它应有的作用。而且,整个内部控制的过程必须施以恰当的监督,并通过监督活动在必要时对其加以修正。由于管理体制和管理方式的问题,我国企业内部控制的监督很薄弱,管理控制的方法不够先进,内部审计机构没有起到应有的作用。另外,很多企业的内部审计工作仅仅是审核会计账目,而在内部稽查、评价内部控制制度是否完善和企业内各组织机构执行指定职能的效率等方面,也未能充分发挥应有的作用。

4.法人治理结构不完善,内控组织虚位。规范的公司法人治理结构,关键要看董事会能否充分发挥作用,但在我国现阶段,公司的法人治理结构不够完善,甚至是有形无实。有不少国有企业在改革过程中,一味地“放权让利”,致使原厂长负责制的领导班子现在既是经理层又进入董事会,董事会成员和经理成员高度重叠,致使企业权责不清,加强内部控制的受益主体模糊。这种责权不分的公司治理结构,导致所有者对经营者不能实施控制,作为代表公司股东的控制主体———董事会也就形同虚设。同时,很多公司要么没有内部审计机构,要么建立的内部审计机构不能发挥有效的监督作用。

5.缺乏风险意识,缺乏内控动力。由于社会经济环境的变化,企业间竞争越来越激烈,企业经营风险不断提高,然而,从我国企业的现状来看,企业的风险意识并没有提到应有的高度,还停留在计划经济条件下卖方市场的水平上,没有形成风险意识,更缺乏有效的风险管理机制。

三、我国企业内部控制的建设

第一,充分发挥政府部门的主导作用,完善企业的控制环境。由于我国市场经济刚刚起步,只有十来年的历史,同西方几百年的市场经济相比,自我完善能力较弱,企业对政府依赖性较强,因此政府要充分发挥对能动作用和主导作用,为企业内部控制建设营造良好的环境。

完善我国社会主义市场经济竞争机制,加快现代企业产权制度改革。真正实现产权明晰、权责清楚、管理科学、政企分开的现代企业制度,从产权制度上保证内部控制制度有效建立,有明确的内部控制主体和控制目标。控制主体解决了由谁进行内部控制的问题,而控制目标则解决了为什么要进行控制的问题。只有在控制主体及其控制目标明确的情况下,才能实施有效控制。要有先进的管理控制方法和高素质的管理人才,管理控制方法是作为管理层对其他人的授权使用情况直接控制和对整个企业活动实行监督的一种方法,包括很多内容,如制定企业各项管理制度、编制各项计划、业绩与计划考评、调查与纠正偏离期望值的差异等,这些方法对于不同规模和不同复杂程度的企业均十分重要。

推动适合我国国情的内部控制理论研究。西方内部控制整体框架理论较为完善,其权威性得到世界公认,我们可以充分借鉴。但毕竟我国是社会主义市场经济,不能不考虑国有企业的公有制性质,尤其是我国内控制度具有的用来堵塞国有资产流失漏洞、遏制领导干部、规避盈利或非盈利组织经营风险、制止虚假会计信息流入社会(包括企业主管部门)等功能要给予充分考虑。选择和设计适合中国特点的治理模式,以防企业内部控制中忽视了国家利益,给国家造成损失,推动我国企业内部控制标准规范和评价体系的研究制定。

第二,加强内部控制的监督与评审。评审与监督是经营管理部门对内控的管理监督、内审监察部门对内控的再监督与再评价活动的总称。要确保内部控制制度被切实地执行且执行的效果良好,内部控制过程就必须被施以恰当的监督。监督评审可以是持续性的或分别单独的,也可以是两者结合起来的。主要应关注监督评审程序的合理性、对内控缺陷的报告和对政策程序的调整等,要不断地在日常工作中监督评审内控的总体效果,对主要风险的监督评审应当是企业日常活动中不可或缺的一部分。对内控系统应当进行有效和全面的内部审计,内审作为内控系统监督评审的一部分,内审部门及其人员要具备相应的独立性、良好的职业操守和专业胜任能力。遵循风险导向原则、一致性原则、公允性原则、独立性原则、成本效益等原则对企业内控的有效性进行评价。根据评价分析发现内控存在的缺陷,确保内部控制体系有效运行;提高风险管理水平,为实现企业发展战略和经营目标提供保障;确保企业各项活动的合法合规性;为企业的风险管理提供信息服务和决策支持。

第三,加强信息传递和沟通。信息与沟通是企业及时、准确收集、传递与内部控制相关的的信息,确保信息在企业内部、企业外部之间进行有效沟通,是实施内部控制的重要条件。信息与传递就是向企业内各级主管部门(人员)、其他相关人员,以及企业外的有关部门(人员)及时提供信息,通过信息交流,使企业内部员工能够清楚地了解企业的内部控制制度,知道其所承担的责任,并及时取得和交换他们在执行、管理和控制企业经营过程中所需的信息,以减少由于信息不沟通导致的企业经营成本和社会监督成本的提高。有效的内控系统需要充分的和全面的内部财务、经营等方面的数据,以及关于外部市场与决策相关的事件和条件的信息。这些信息应当安全可靠、及时、可获,并能以前后一致的形式规范地提供使用。有效的内控需要建立可靠的信息系统,涵盖公司的全部重要活动。有效的内控系统需要有效的交流渠道,对企业的各级管理者和员工进行内部控制培训,重视员工的继续教育,提升员工素质,让他们清楚自己在内部控制体系中的地位、作用和责任。这样才能为内部控制的实施提供思想保证。加强信息传递者和使用者的知识储备,建立完善的信息与沟通制度,确保信息及时沟通,才能更好地为企业服务,促进企业内部控制有效运行。

第四,强化外部监督与约束机制。一是要发挥政府在内部控制建设方面的作用。在管理者内部控制观念普遍淡薄的情况下,为推动企业有效实施内控规范,政府有关部门应对企业建立与实施内部控制的情况进行监督检察,规范企业建立健全内部控制制度并使之有效实施。同时要加大执行力度,对不能加强企业自身内部控制、违反法律法规导致企业目标没有实现的,应依法追究管理者的责任。二是通过中介机构,依据独立审计准则,对照内部控制评价标准体系,站在公正的立场上对企业内部控制的有效性进行审计,并出具内部控制审计报告,及时发现企业有失“公允”及其他不当的行为,帮助企业加以纠正。

一个企业的成败在很大程度上取决于其内部控制制度的完善,建立和完善内部控制是企业在市场经济下必然而且必需的选择。企业必须制定一套较为完善合理可行的内部控制制度,并使之得到很好地贯彻实施,否则将使制度流于形式。在我国现实国情下,内部控制的建设不是短期内就能完成的,需要政府、企业、社会各方面共同努力,使我国企业的内部控制制度建设得以很好的贯彻,以促进我国企业的良好健康发展。

参考文献:

[1]企业内部控制若干问题探析.中华会计网校会计文苑.2006.

[2]彭君翔.我国企业内部控制建设中存在的问题及其成因分析.2007.

控制器设计论文范文第5篇

论文关键词：MATLAB，BP神经网络，污水处理，溶解氧

 

0、引言

近年来，环境污染日益严重，淡水资源日益匮乏，如何将污水处理后排放或加以利用，已经成为世界各国政府关注的大事。活性污泥法是目前大多数城市污水生活处理厂广泛采用的污水处理工艺，其基本流程包括粗格栅及提升泵房、细格栅及沉砂池、配水计量井、CASS反应池、计量井、接触消毒池等，处理工艺图如图1所示。在曝气作用下机电一体化论文，CASS反应池中的污水得到足够的溶解氧并使存活在活性污泥上的微生物分解可溶性有机物，经过一系列的生化反应，使污水得到净化[1]。

图1 污水处理工艺图

1、控制策略分析与控制器设计

1.1 控制策略分析

CASS反应池中溶解氧浓度的高低直接影响着有机物的去除效率，也就相应的影响了出水水质。如果溶解氧浓度过低，供氧不足，会使微生物代谢活动受影响，微生物净化功能降低，使生化反应不够充分，出水水质达不到标准；如果溶解氧浓度过高，氧的转移效率降低，动力费用增加。曝气池中影响溶解氧浓度的因素众多，主要有进水水质化验值(BOD，COD，TP，TN机电一体化论文，SS)和进水流量等免费论文。所以，在污水处理过程中不同工况下都能够对溶解氧浓度进行快速有效的控制，对整个污水处理过程具有重大的现实意义[2]。

由于对溶解氧浓度的控制是一个大时滞、非线性、多变量的系统，溶解氧浓度数学模型难以建立，所以对溶解氧浓度的传统控制方式存在着控制精度不够高，实时性不够好等缺点。基于规则的传统模糊控制虽取得了比传统PID控制方法好的控制效果，但是，由于缺乏自学习能力，不能在线调整控制规则，自适应能力差，使系统的鲁棒性受到限制。神经网络控制是将神经网络在相应的控制系统结构中作为控制器或辨识器，由于神经网络是从微观结构与功能上通过对人脑神经系统的模拟而建立起来的一类模型，具有模拟人的部分智能的特性，使神经控制能对变化的环境具有自适应性，且成为基本上不依赖于数学模型的一类控制机电一体化论文，所以它在控制系统中的应用具有多样性和灵活性。

1.2 BP网络控制器设计

BP网络是一种多层前馈神经网络，由输入层、隐含层和输出层组成。层与层之间采用全互连方式，同一层之间不存在相互连接，隐含层可以有一个或多个[3]。构造一个BP网络需要确定其处理单元――神经元的特性和网络拓扑结构。神经元是神经网络最基本的处理单元，隐含层中的神经元采用S型变换函数，输出层的神经元可采用S型或线性变换函数。图2所示即为一个典型的三层BP网络结构。

图2 典型三层BP网络结构

设上图BP网络输入层有M个节点，输出层有L个节点，而且隐含层只有一层，具有N个节点。一般情况下N>M>L。设输入层神经节点的输出为ai（i=1，2，……，M）；隐含层节点的输出为aj（j=1，2，……，N）；输出层神经节点的输出为yk（k=1机电一体化论文，2，……，L）；神经网络的输出向量为ym；期望输出向量为yp免费论文。则：

（1）输入层第i个节点的输入为

式中xi（i=1,2，……，M）为网络的输入，θi为第i个节点的阈值。

（2）隐含层的第j个节点输入为

式中wij和θj分别为隐含层的权值和第j个节点的阈值。

（3）输出层第k个节点的输入为

1.3 BP网络学习算法的步骤

（1）初始化：置所有的加权系数为最小的随机数。

（2）提供训练集：给出顺序赋值的输入向量和期望的输出向量。

（3）基数按实际输出：计算隐含层和输出层各神经元的输出。

（4）计算期望值与实际输出的误差。

（5）调整输出层的加权系数。

（6）调整隐含层的加权系数。

（7）返回步骤（3），直到误差满足要求为止。

2、BP网络控制器的MATLAB实现

2.1 BP网络模型的建立与训练

由于待处理的污水组成成分复杂，对溶解氧浓度的影响并不是一两个因素，根据污水的主要污染物组成的特点，我们选取了最具代表性和普遍意义，具有关键控制作用的几个进水参数，即选取进水的BOD5、COD、SS、TN、TP以及进水流量作为输入层的输入节点，输出节点即为溶解氧浓度。

通常隐含层的数目及隐含层神经元数目决定着神经网络的运算速度、存储空间和收敛性质。太多或太少的隐含层都会导致神经网络的收敛性变差，这是因为过少的隐含层处理单元数目不足以反映输入变量间的交互作用，因而误差较大机电一体化论文，而数目过多，虽然可以达到更小的误差值，但因网络较复杂，从而收敛较慢[6]免费论文。有研究表明，当隐含层为1―2层时，网络的收敛性最佳。本系统采用1层隐含层。

首先确定BP网络训练的样本数据，本文对BP神经网络控制器进行训练和检验的数据，是采用某污水处理厂一个月中每天中午十二点的采样数据，其中5号、10号、15号、20号、25号、30号这6天的数据进行验证网络的输出，其它24天的数据进行对神经网络的训练。

其次建立网络并对网络进行训练。首先将训练数据和检测数据导入到工作空间，生成p1和t向量用来训练网络；生成p2向量和test_target向量，用来通过仿真检测网络的性能。然后通过命令生成一个隐含层包含5个神经元，输出层包含1个神经元的BP网络；第一层传递函数是tansig()，第二层传递函数是线性的，训练函数选取为traingd()。设置好训练次数、误差精度、学习率等参数机电一体化论文，开始训练网络。MATLAB中部分程序代码如下所示：

net = newff(minmax(p1),[5,1],{‘tansig’,’purelin’},’traingd’);%生成一个BP网络

net.trainParam.show= 20; %每隔20次显示一次

net.trainParam.lr= 0.01; %学习率设为0.01

net.trainParam.mc= 0.9; %动量因子设为0.9

net.trainParam.epochs= 100; %最大训练次数设为100

net.trainParam.goal= 1e-2; %训练要求精度设为0.01

[net,tr] = train(net,p1,t); %开始训练网络

网络训练过程如图3所示，从图中可以看到，网络训练在20个步长之后就将误差训练到小于0.01了。

图3 网络的训练过程

2.2 仿真结果分析

网络训练完毕，然后通过仿真验证，验证之后得出的实际值、网络输出值和误差的数据对比如图4所示。从图中我们可以看到，网络的仿真检测输出和实际输出之间的误差很小，说明设计的BP网络控制器性能稳定，能够满足实际应用的性能要求，对溶解氧浓度的控制能够起到比较精确的控制效果。

图4 实际值、网络输出值和误差值的对比

3、控制系统实现

3.1 硬件系统设计

根据工艺要求，甘肃靖远污水处理厂采用三个控制站，针对CASS池部分的控制站使用的PLC是AB系列的Logix 5561；模拟量输入模块为1756-IF16，采集现场BOD5、COD、SS、TN、TP以及进水流量等传感器数据；模拟量输出模块为1756-OF8，输出给定鼓风机变频器的频率大小。

3.2 软件系统设计

一般的污水处理控制系统都是采用PLC和上位组态软件来进行控制的，而PLC和上位组态软件编程方式的局限性，使得它们不能进行神经网络控制算法的编写机电一体化论文，只能实现一些简单的控制方法；MATLAB能很容易的实现神经网络的算法编写，但是不能够进行组态免费论文。如何将MATLAB和PLC结合起来实现BP神经网络对溶解氧浓度的控制是本系统的关键所在，这就要用到OPC协议来实现上位机中的MATLAB与下位机PLC之间的数据交换，才能将MATLAB中设计好的BP神经网络控制器用到系统中。在本系统中，我们将PLC采集来的BOD5、COD、SS、TN、TP以及进水流量等现场数据，通过OPC协议送入到MATLAB工作空间，经过MATLAB中的BP神经网络控制器处理，得出鼓风机变频器需要的频率大小，然后将结果再通过OPC协议送回到PLC，经过模拟量输出给到变频器，通过调节鼓风机频率的大小来调节鼓风量的大小，最终调节CASS池中溶解氧浓度的大小。PLC与MATLAB通过OPC协议进行数据交换的部分m程序如下所示：

da = opcda (‘localhost’,‘RSLinx OPC Server’); %建立OPC数据访问对象模型

connect(da); %连接到服务器

grp = addgroup (da); %建立组对象模型

item1 = additem (grp,‘[plc]temp1’); %建立数据项模型

r = read (item1); %读item1数据结构，并把值赋给data

data = r.value;

item2 = additem (grp,’[plc]temp2’);

write (item2,0); %向item2中写入数据0

disconnect (da); %断开OPC连接

delet (da); %删除OPC数据访问对象

3.3 上位组态监控设计

本控制系统上位组态软件采用组态王。在组态王设计的监控操作画面中,可以实现手动/自动切换、给定值输入、参数输入、数据显示、画面切换等功能，使操作人员很容易的对控制系统进行操作和管理。另外，利用组态王还可以完成监视器显示所需的现场设备监控画面机电一体化论文，如系统状态图、硬件报警、工艺报警、模拟量趋势、对比趋势、操作日志、报表输出等，可直观、动态地显示出现场各部位重要参数的变化。图5所示为CASS池监控画面：

图5CASS池组态监控画面

4、结束语

本文通过对污水处理CASS池中溶解氧浓度控制要求的深入分析，对比阐述了传统控制方法的局限性以及BP神经网络的优越性，通过在MATLAB环境下设计BP神经网络控制器，并对其进行训练仿真，得出合理的BP网络控制器。最后通过OPC协议进行MATLAB与PLC之间的数据交换，将MATLAB环境下的BP神经网络运用到实际的污水处理控制系统中，通过实际运行观察，控制效果非常理想，降低了成本，提高了效率。

参考文献：

[1]胡玉玲，曹建国，乔俊飞.活性污泥污水处理系统的模糊神经网络控制[J].系统仿真学报，

2005，17（10）：2541-2544.