控制器设计 控制器设计论文（精编3篇）

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控制器设计论文1

（1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450047；2.郑州大学西亚斯国际学院，河南郑州450000）

关键词 ：非线性鲁棒控制；直升机控制系统；鲁棒性；控制器

中图分类号：TN108+.4 ?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0098?03

收稿日期：2015?01?28

0 引言

直升机作为一个非线性、多变量、强耦合不稳定对象，其控制问题一直以来都受到业内普遍关注。直升机因其固有的复杂气动特性等问题，难以对其精确建模，并且其运行环境复杂多变，飞行模态各异，很大程度上加大了控制器设计的难度。

近年来，各种古典或是现代控制算法在直升机特别是无人直升机飞行控制器中得以有效应用。以目前直升机飞控中研究较多的H∞ 鲁棒控制为例，文献[1]以UH?60A 黑鹰直升机前飞情况下的28 阶线性方程为标称模型，利用H∞ 回路成型技术设计了直升机双回路飞行控制系统，获得了良好的通道间解耦效果。在计算机仿真基础上按照ADS233E 标准对飞行性能进行了评估。文献[2]介绍了直升机定点悬停状态下鲁棒控制器的设计方法，以伺服补偿器和镇定补偿器为重点进行详细叙述，并通过仿真验证了直升机悬停鲁棒控制的有效性。文献[3]将经典控制理论结合H∞ 回路成型法，给出直升机飞控系统内回路工程设计的具体策略。通过仿真验证了设计策略的有效性。文献[4]在Bell205直升机非线性模型基础上进行线性化，然后基于线性化后的数学模型设计H∞ 鲁棒控制器，最后通过仿真及实际飞行测试验证了鲁棒控制器的有效性，满足旋翼机驾驶品质要求ADS233。除H∞ 鲁棒控制算法之外，基于H∞ 鲁棒控制理论并密切结合控制工程实际提出的定量反馈理论，以及非线性控制领域中涉及较多的动态逆等控制算法均在直升机特别是无人直升机飞控中得以应用。

鉴于无人直升机难以精确建模等实际问题，如何寻求一种不依赖被控对象精确数学模型，并且具有较强抗干扰能力的控制算法成为关键。本文将Tornambe型非线性鲁棒控制器引入到无人直升机飞行控制器设计中，Tornambe型非线性鲁棒控制器具有不依赖被控对象精确数学模型，强鲁棒性，并且参数整定方便快捷等优点。仿真结果表明，该Tornambe 型非线性鲁棒控制器可以较好地解决通道间解耦问题，并且在具有较强外部扰动情况下依然具有良好的控制品质。

1 Tornambe 型非线性鲁棒控制器

Tornambe 型非线性鲁棒控制器由意大利学者首先提出。在其论文中详细论述了Tornambe 型非线性控制器的设计，并同时对其稳定性进行了证明[5?6]。该控制器不依赖精确的被控对象模型，其内部所包含的积分环节可以补偿系统各种未知因素的干扰，具有很强的鲁棒性。

Tornambe型非线性控制器考虑系统状态变量的不可测、对象模型的不确定性和系统外部扰动等各种未知因素，由输出变量的组合构造出观测器，用观测器观测系统扩张状态变量，并通过观测器包含的积分环节补偿系统的各种未知扰动。

控制器算法

Tornambe型非线性鲁棒控制器算法简述如下。对于一类单输入单输出仿射非线性系统：

对于高阶系统，其预期动态特性参数的选取依此类推。

对于控制器中参数kr - 1，有kr - 1 = σ(b(z,w)) μ，μ 值的选取决定了控制系统的稳定性。根据李雅普诺夫第二稳定性判据可以证明，存在常数μ* > 0 ，当μ > μ* 时控制器与被控对象构成的闭环系统是渐进稳定的。

控制器参数整定

从上节中的算法表达式可以看出，Tornambe型非线性鲁棒控制器需要整定的参数有hi 和ki，其中i 由系统相对阶数决定，hi 则由预期动态决定，因此，预期动态一旦选定，可整定的控制器参数就仅剩ki。对于2 阶系统，确定预期动态后，待整定的参数为k0 和k1，为分析k值对控制系统的影响规律，进行被控对象参数摄动情况下的Monte?Carlo试验，试验结果如图1，图2所示。

参数ki 主要影响控制系统的性能鲁棒性，增大其值时，控制系统抗干扰能力增强。k0 影响控制系统阶跃响应时间及超调量，其值增大时，上升时间减小，超调量响应增加。

3 控制器设计及仿真

针对已经给出的直升机侧向通道数学模型，设计相应Tornambe型非线性鲁棒控制器。由数学模型可以看出，被控对象为两个通道，需要分别对每一个通道设计相应的控制器，因此该控制系统为分散控制结构形式。另根据微分几何求取相对阶，两个通道相对阶均为2，从而控制器的基本结构就相应确定下来。按照前文所述算法设计分散控制系统，并进行控制系统性能分析。

为分析Tornambe型非线性鲁棒控制系统抗干扰能力，在直升机输出中加入噪声信号，并同PID 控制器对比分析，仿真试验如图3所示。噪声信号幅值±，与控制指令输入幅值相当，通道角速率输出已经基本淹没，该控制器对速率噪声的抑制要好于PID，航向角与倾斜角输出虽然有较大波动，但仍能较好地跟踪输出。

控制系统控制量输入是考核控制系统性能的一个重要指标，在同样噪声信号输入下，进行Tornambe非线性鲁棒控制器与PID控制量对比分析，如图4所示。可以看出控制性能近似时，Tornambe控制量输出幅度变化明显比PID要小，对执行机构的要求放宽很多。

将状态方程表示的被控对象模型转化为用传递函数表示，给出两个主通道间的传递函数方程，可以看出被控对象为5阶系统。

4 结论

Tornambe型非线性鲁棒控制器结构简单易于实现，并且不依赖被控对象的精确数学模型，有着良好的抗干扰能力，鲁棒性很强。基于某型直升机两通道侧向运动数学模型为例，设计Tornambe 型分散非线性鲁棒控制器，并进行计算机仿真验证，同PID 控制相比较，Tor?nambe型非线性鲁棒控制器抗扰动能力较强，并且从控制量上考虑，该控制器对执行机构的要求较为宽松。

参考文献

[1] 王永，汪庆，康卫昌，等。直升机H∞ 回路成形全姿态控制器设计[J].飞行力学，2010，28（3）：43?46．

[2] 唐永哲。直升机鲁棒控制器的设计研究[J].航空学报，1996，17（6）：707?714．

[3] 朱华，杨一栋。 H∞ 回路成形法设计直升机飞控系统[J].计算机仿真，2007，24（7）：63?65．

[4] POSTLETHWAITE I，PREMPAIN E，TURKOGLU E，et al.

Design and flight testing of various H∞ controllers for the Bell205 helicopter [J]. Control Engineering Practice， 2005，13（1）：383?398.

[5] TORNAMBE A. A decentralized controller for the robust stabili?zation of a class of MIMO dynamical systems [J]. Journal of Dy?namic Systems，Measurement，and Control，1994，116（2）：293?304.

[6] TORNAMBE A. Global regulation of a planar robot arm strikinga surface [J]. IEEE Transactions on Automatic Control，1996，41（10）：1517?1521.

[7] 唐永哲。直升机控制系统设计[M].北京：国防工业出版社，2000.

作者简介：李之果（1983—），男，硕士研究生，工程师。研究方向为无人直升机飞行控制。

控制器设计论文2

关键词物联网；空气净化系统；软件设计

0 概述

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

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。

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。

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。

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。

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。

参考文献

[1]刘林茂，李杰。负离子空气净化器展望[J].东北师范大学学报：自然科学，1996（03）.

[2]刘洪亮，侯常春，马蔚，马永民。臭氧宅气净化器对甲醛、苯净化效果的实验研究[J].

[3]闰其年，刘志强，杨景发，张子生。一种光触媒高效空气净化器的实验研究[J].河北大学学报：自然科学版，2011（01）.

控制器设计论文3

关键词：传感器；AD转换；控制器；硬件电路

引言

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。

一、系统设计方案比较说明

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：

(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。

针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

二、工作原理

基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。

工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。

三、硬件设计

液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。

单片机

单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。

传感器

传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。

键盘电路

P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。

液位显示电路

液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。

转换电路及控制输出

AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。

四、软件设计

键盘程序

由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。

值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。

五、结束语

基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。

参考文献：

[1]黄智伟。传感器技术。2002，21（9）：31～33