关键词：IC卡单片机保险柜
随着社会的进步和为民生活水平的提高，为们出差、旅游和度假的机会日益增加。在宾馆、饭店等居住场所都需要一保险柜来保存贵重物品和易失物品，即便在家里，也往往需要有一个地方来保存一些单据等物品。传统的手段已不能满足人们对其安全性和灵活性要求，把应用愈来愈广泛的IC卡技术应用到保险柜上，可以充分满足这方面的需求。例如，根据客户要求，可以给每个房间配备一个带有IC卡电子门锁的保险柜供他们存放物品；待客人走后，可以灵活地对保险柜的密码进行重新设置，更换IC卡。下面对我们自行设计的加密型IC卡保险柜的核心部件--控制器件一详细的介绍。
一、控制器的硬件设计
本系统的主要任务是完成对IC卡的识别和控制，因此，首先介绍一下所选用的IC卡。
1.SLE4442加密IC卡简介
目前市场上的IC卡种类较多，比较有代表性的有ATMEL公司的AT系列和SIEMENS公司的SLE系列。我们根据用户的要求和市场的供给情况选用了SIEMENS公司设计的SLE4442卡。此卡的特点是：
（1）卡内有2K位的存储容量和完全独立的可编程逻辑代码存储器（PSC）；
（2）多存储器结构，其中包括256×8位EEPROM，32×1位PROM的4×8位EEPROM型加密存储器；
（3）串行口满足ISO7816同步传递协议；
（4）每一字节的擦除/写入时间为2.5ms；
（5）存储器可擦除1000次以上，数据可保存10年以上。
SLE4442型IC卡的触点排列及功能如图1所示。
SLE4442芯片的传送协议包括4种模式。
（1）复位和复位响应
复位可在操作期间任何时候进行。在复位响应期间，任何开始和停止条件均被禁止。复位与复位响应时序如图2所示。
（2）命令方式
每个命令由起始条件、1个3字节长的命令和停止条件构成。命令方式时序如图3所示。
起始条件：CLK处于高状态H期间，I/O的下降沿。
停止条件：CLK处于高状态H期间，I/O的上升沿。
（3）输出数据方式
在这种试上，IC卡发送数据至接口设备IFD。在CLK上第一个下降沿后，I/O上第一位有辩效，最后一个数据位之后，需要一个额外的时钟脉冲，以设置I/O处于高状态，同时准备IC卡接收新的命令。在这种方式下，任何开始和停止条件均被禁止。输出数据方式时序如图4所示。
（4）处理方式
在第一个CLK的下降沿，将I/O线从高状态H切换至低状态L并开始处理，直到低状态L的I/O被设置成高状态H结束。在这种方式下，任何开始和停止条件均被禁止。处理方式时序如图5所示。
SLE4442卡共有7个命令，每个命令包括3个字节，其命令格式及功能如表1所列。
表1SLE4442命令
字节1控制字节字节2地址字节字节3数据字节操作
B7B6B5B4B3B2B1B0A7A0D7D0
00110000地址无效读/从给定的字节地址至用户存储器结束
00111000地址输入数据编程输入地址对应的用户存储区
00110100无效无效读保护存储器
00111100地址无效写保护存储器中的保护位
00110001地址无效读保密存储器
00111001地址输入数据写/编程输入址对应的保密存储器
00110011地址输入数据比较可编程密码PSC字节
这里只介绍比较可编程密码PSC命令的使用。比较过程由4个步骤组成：
①写错误计数器EC（至少1位）。地址0。密码比较结果将在错误计数器中反馈，3次密码出错IC卡被阻塞。
②比较PSC字节1，地址1。写完错误计数器之后，以不同的命令格式送入3个密码字节。密码比较成功，将通过刷新错误计数器来识别，然后施加上操作电压，就可以对所有存储器进行读写操作了。
③比较PSC字节2，地址2。
④比较PSC字节3，地址3。
芯片在出厂时可根据用户的专门要求将可编程加密代码（PSC）存储器中编入一个专用代码。这样在使用时，就必须合法地得到这个代码，从而防止非法窃用或伪造卡片。
2.系统组成及工作原理
本系统的硬件主要由单片机、串行EEPROM、电磁阀和IC卡读/写插座组成。具体电路如图6所示。
电路中的单片机AT89C2051是89C51的简化体。20引脚为DIP封装。片内有2K字节闪烁存储器，128字节RAM，15条I/O线，全双工串行口。P1.0、P1.1分别作为片内精确模拟电压比较器的正、负输入端；P1.2作为IC卡的复位端；P1.3、P1.4分别作为IC卡的时钟线与数据线；P3.7作为IC卡工作指示灯的控制端；P1.5作为非法操作的声音报警控制；P3.4作为电磁阀门SW1的控制端。图中的U5是串行EEPROM--AT24C01，它的作用是用来随机存储每个IC卡的密码等；U4为电压比较器，用来监测电源电压：如果电源电压下降至4.5V左右就会产生报警信号。为了使系统更可靠地工作，采用CD4060设计了单片机"看门狗"电路，由4060定时产生一个复位脉冲，对单片机进行复位操作。整个电路设计中，充分考虑了能源的节约问题，所以在IC卡插入前整个电路的大部分芯片没有供电，只有门电路U1工作；当IC卡插入后，由于IC卡座的开关接通，促使门电路U1触发翻转，由T1导通使其他芯片得到供电。如果在使用过程中客人忘记拔出IC卡，电路除了要产生报警信号外，还会在30s（秒）后自动停止供电。
二、控制器的软件设计
该软件包括三部分：
（1）IC卡信息的读取及AT24C01数据的读取；
（2）比较校验数据，修改存储器数据；
（3）各种控制功能的实现，包括门锁开启，声、光报警等操作。
限于篇幅，这里只给出了利用51汇编语言编写的加密IC卡SLE4442的读/写程序，并给出了主程序的流程图，如图7所示。
读子程序
READ：MOVR0，#30H；设置存放IC卡读入数据的首地址为30H
LCALLRESET；调IC卡复位子程序
MOVR2，#10H；读IC卡数据的个数送R2
LCALLSTART；调起始条件子程序
MOVR5，#00110000B；发送读的命令码
LCALLSPOUT；调发送一个字节子程序
MOVR5，#20H；发送IC卡的起始地址
LCALLSPOUT
MOVR5，#00H；将数据00H发送出去
LCALLSPUT
LCALLSTOP；调停止条件子程序
READ1：LCALLSPINC；调数据采集子程序
MOVA，R6
MOV@R0，A
INCR0
DJNZR2，READ1
LCALLPLUSE；调发送脉冲子程序
RET；读IC卡数据子程序结束
写子程序
WRT：LCALLRESET；写IC卡数据子程序开始，调IC卡复位子程序
MOVR2，#10H；写入IC卡的字节个数送R2
MOVR1，#40H；将40H为首地址的内容写入IC卡
MOVR4，#30H；R4中放的是写到IC卡起始地址30H
WRT1：LCALLSTART；调起始条件子程序
MOVR5，#00111000B；发送写的命令码
LCALLSPOUT
MOVA，R4；发出要写入的IC卡地址
MOVR5，A
LCALLSPOUT
MOVA，@R1；写入IC卡数据
MOVR5，A
LCALLSPOUT
LCALLSTOP；调停止条件子程序
LCALLPROCE；调一个编程过程子程序
INCR1；数据指针加1，直到数据写完
INCR4
DJNZR2，WRT1
RET；写子程序结束
PROCE：MOVR3，#0FFH；一个编程过程子程序
PROC1：SETBP1.2
NOP
CLRP1.2
DJNZE3，PROC1
RET
SPINC：MOVR3，#08H；数据采集子程序
SPIN1：CLRP1.2
MOVC，P1.4
MOVA，R6
RLCA
MOVR6，A；读出的一字节内容送R6
SETBP1.2
DJNZR3，SPIN1
RET
SPOUT：MOVR3，#08H；一字节发送子程序
MOVA，R5
SPTC1：CLRP1.2
RLCA
MOVP1.4，C
NOP
SETBP1.2
DJNZR3，SPTC1
RET
START：SETBP1.2；起始条件子程序
NOP
CLRP1.4
NOP
RET
STOP：CLRP1.2；停止条件子程序
NOP
CLRP1.4
NOP
SETBP1.2
CLRC
NOP
SETBP1.2
NOP
CLRP1.2
RET
RESET：SETBP1.3；复位IC卡子程序
NOP
CLRP1.3
NOP
RET
END
保险柜的安全性能是本控制器系统设计的出发点之一，为此，在软件上，将IC卡分为母卡和子卡，母卡由管理人员掌握，子卡由客人掌握。在每次客人走后，将母卡插入保险柜，那么原来的开机子卡宣布作废，这时可以插入一个新的卡形成一个新的子卡。母卡的功能是负责生成新的子卡，而不负责开门，从而确保了保险柜的安全性能。
关键词：鲁棒控制；转子系统；稳定性
【分类号】：TP273
前言
近年来转子振动主动控制得到了广泛的研究，控制理论中的许多方法都应用到转子振动主动控制中，并取得了很多成果。实际转子系统的完整数学描述往往很复杂，阶次较高，作为被控对象的模型转子系统与实际转子系统总是存在着误差，同时转子系统的结构参数如质量、刚度等也存在着不确定性。由于误差的存在往往会降低控制系统的性能，有时还会破坏控制系统的稳定性。因此转子系统振动主动控制器应具有稳定鲁棒性及鲁棒性能[1]。
1.鲁棒控制的基本思想
鲁棒控制器设计问题，就是根据给定的标称模型∑0和不确定性集合∑的某一描述，基于鲁棒性分析得到的结果来设计一个控制器C，使得（∑0，∑）和C构成的系统都满足期望的要求。
2.H∞控制理论
所谓H∞控制，就是用H∞范数作为目标函数的最优或次优控制。通过对鲁棒控制理论的了解可知，许多鲁棒稳定或鲁棒性能准则均可以用适当的传递函数的H∞范数约束条件来描述。因此，对于线性系统来讲，许多鲁棒控制系统的设计问题，都可以转化为求使得闭环系统满足期望的H∞范数条件的控制器的问题[3]。
3.2转子系统鲁棒控制计算机仿真
利用本章所讲述的控制器设计方法，结合算例，分析控制方案，并利用MATLAB编程计算该单盘转子系统的状态方程和控制器状态方程。在左支承处增设可控锥形挤压油膜阻尼器，利用可控挤压油膜阻尼器轴承产生的非线性油膜力主动逼近线性转子系统的H∞控制力，从而实现用可控挤压油膜阻尼器轴承主动控制转子系统振动的目标。本文应用Simulink建立转子系统标准H∞控制仿真模型。
本文以H∞次优控制器的状态方程为依据建立的控制器仿真模型。对该系统结构参数存在扰动的情况下，引入内部反馈环的概念，进行扩阶后，形成新的结构参数不确定系统的状态方程。输入w 即为施加在m2上的不平衡力与传感器噪声之和。通过对质点m1振动幅度的期望值与输出的观测值y进行比较，重新进入反馈系统。以此使m1振动幅值最终达到期望值constant。
4结论
本文利用 控制理论对刚度参数扰动的转子支撑系统进行次优控制器设计。并结合MATLAB软件中的Simulink工具箱对本文设计的控制器进行仿真。并对本文所采用的单盘转子模型进行了鲁棒 控制仿真。模拟单盘转子在不平衡力的作用下，通过临界转速时的振动控制情况。在对受控前后的输出信号图像的比较后发现，受控后输出信号幅值比受控前的输出信号幅值小很多。
参考文献
[1]顾家柳. 转子系统振动主动控制的目的及对策.振动与冲击， 1993， 2： 1～ 7
[2]梅生伟，申铁龙，刘康志编著.现代鲁棒控制理论与应用.清华大学出版社.2003，9：61～64
[3]梁智权.具有油膜轴承的柔性转子系统振动主动控制.西南交通大学学报.2002，11：16～19
【项目名称】自动化专业控制原理类系列课程改革。项目编号：JG2012010387
概况
迄今为止，相当多的模糊神经网络都是结合控制问题，特别是倒摆控制问题提出的。随着倒立摆系统的控制研究的不断深入，倒立摆系统的种类也由单级倒立摆发展为多种形式的倒立摆。随着控制理论的不断向前发展，越来越多的理论被成功运用于倒立摆系统的控制：如线性控制方法、基于神经网络理论以及模糊逻辑与神经网络相结合的控制方法等等。
模糊控制原理概述
模糊控制系统的组成：
模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，其框图如下：
模糊控制器的结构设计：
模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。究竟选择哪些变量作为模糊控制器的信息量，还必须深入研究手动控制中，人如何获取、输出信息，因为模糊控制器的控制规则归根到底还是模拟人脑的思维方式。
目前广泛设计和应用的二维模糊控制器，本论文采用二维控制器。
倒立摆系统的简单模型
复杂系统的模型往往要经过一些简化或是提取才能运用现代的理论和工具进行分析、设计。倒立摆是比较复杂的系统，在此只对其理想情况的简化模型进行研究。
图3中给出了一个简化的倒立摆系统，滑车可以沿轨道运动。
图3 小车控制及运动示意图
其中：M—小车的质量；m—倒立摆的质量；F—加给小车的外力；
2l—倒立摆的长度； —摆与垂直线的交角。
倒立摆系统的分析设计与实现：
由于小车倒立摆系统具有高阶次、不稳定、非线性、强耦合的特点，只有采取有效的控制方式才能稳定控制，因此本文采用一种典型的模糊控制中的推理方法——Takagi-Sugeno模糊推理方法（简称T-S）。此倒摆系统为非线性系统，为了运用线性系统理论和模糊控制中的Takagi-Sugeno模型进行控制器的分析和设计，可以考虑将其先进行局部线性化，使之成为若干子系统，再将这若干子系统进行模糊综合。
实验的仿真结果：
根据设计的模糊逻辑控制系统，在控制程序中，分别实现了用于倒立摆建模的T-S模糊系统“model.fis”及用于控制的T-S型模糊控制器“tc.fis”，通过运用matlab软件工具得出仿真结果如图4所示：
图4 摆角的状态响应
从上面的仿真结果可以看出倒立摆的摆角和角速度在较短的时间就趋于零平衡点，控制器的输出在较短的时间趋于零达到平衡，说明设计的模糊控制器能很好地实现倒立摆系统控制的要求。
倒立摆系统作为典型的非线性、多变量、不稳定系统，是研究控制理论的理想实验手段。本文围绕倒立摆系统，采用模糊控制理论研究了倒立摆系统的控制问题，并用MATLAB进行了倒立摆的模糊控制系统的仿真研究。仿真结果表明倒立摆控制系统稳定、动态跟踪能力很好，成功实现了倒立摆实物系统的模糊控制。
（作者单位：哈尔滨石油学院）
[1]李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004
[2]章卫国.模糊控制理论与应用[M].西安：西北工业大学出版社，2004
[3]瞿 亮.基于MATLAB的控制系统计算机仿真[M].北京：北京交通大学出版社，2006
[关键词]测控技术与仪器 毕业设计 创新人才培养
一、测控技术与仪器专业创新型人才培养目标
随着信息技术的飞速发展，仪器仪表的内涵发生了很大改变，无论其自身结构还是功能用途都体现出综合化、系统化特征，微型化、集成化、远程化和虚拟化成为以计算机为核心的现代测控技术的一个发展趋势。
南京邮电大学测控技术与仪器专业始建于1977年，专业名初始设立为电信仪表，1978年更名为电子测量与仪器专业，1999年根据教指委指导意见，更名为测控技术与仪器专业。我们根据社会、经济发展和创新型国家建设目标对人才培养培养提出的要求，按照南京邮电大学提出的“将学校建设成特色鲜明，在信息科学和技术领域国内一流、国际有影响的教学研究型大学”的建设目标，在对比研究国内外一流大学“测控技术与仪器”专业建设的特点和经验的基础上，将人才培养目标定位在培养“高层次、复合型、创新性、多样化”的创新人才，培养学生德、智、体、美全面发展，知识、能力相互协调，具有较好的人文社会科学背景、扎实的自然科学基础、知识面广、较强的实践能力与创新意识，掌握检测与过程控制及相关学科领域的基础知识和基本技能，具备以电子信息技术及计算机应用技术为基础，从事仪器与测控系统设计等方面的专业能力，为国民经济、国防建设、教育科研等部门服务的应用型高级工程技术人才[1]。
南京邮电大学测控技术与仪器专业具有合理健全的师资队伍，一直致力于教学、科研综合实力的提高，不断更新教学硬件，完善实验教学环境。长期以来，本专业立足于自身特点，依托南京邮电大学通信与信息学科平台，经过30多年的发展，已经发展成为具有信息、通信与网络特点的测控技术与仪器特色学科专业，并已成为江苏省品牌专业，经过品牌专业建设，已经形成“网络测控技术”、“智能仪器仪表与自动化装置”与“网络机器人”等专业特色。
二、测控技术与仪器专业本科毕业设计的特点及存在的问题
本科毕业设计是本科学习阶段的总结， 既是培训体系中重要的一环， 又是对培训体系效果的检验。根据测控技术与仪器专业创新型人才培养目标，其教育学生的最终任务是使学生成为合格的工程技术人才，使学生毕业后具有解决实际工程问题、设计研发新产品的能力。鉴于该专业的上述培养目标和任务，其本科毕业设计有如下主要特点：
（1）培养学生综合运用知识的能力
测控技术与仪器专业本科毕业设计同其它专业毕业设计一样，作为本科教学中的最后一个环节，不能局限于某一门或某几门专业课程，它是对以前所学知识的综合应用，其涉及到的知识涵盖了本科阶段所学习的通识教育、专业教育、综合教育等。对该专业的学生来说，要做好毕设课题，学生必须熟练掌握电子电路、传感器、嵌入式系统、光学、机械等方面的知识，并具有灵活运用上述专业知识的能力[2][3]。
（2）强化学生动手实践的能力
测控技术与仪器专业是一门对学生动手实践能力有较高要求的专业，特别是随着电子信息技术的发展，该专业不仅要求学生具有扎实的理论基础知识，还需具备较强的动手解决实际问题的能力。该专业对学生动手实践能力的培养贯穿于整个本科阶段学习的各个环节，包括工科基础实践能力、学科基础实践能力、专业基础实践能力和专业工程实践能力等[2]。毕业设计作为学生在校期间最后一个重要的综合性实践教学环节，特别是对于测控技术与仪器专业的学生来讲，其毕业设计的课题大多为硬件和软件相结合的项目，同日常生活实践结合较为紧密，在完成毕设课题的过程中，需要学生进行硬件制作、软件编程和软硬件联调，因此，学生的动手实践能力可在毕业设计完成的过程中得到进一步地强化和提高。
（3）培养学生创新应用的能力
创新技能是反映创新主题行为技巧的动作能力，主要包括对创新主题的信息加工能力、动手和操作能力、创新成果的表达能力以及物化能力等[4]。它是创新思想获得表现的载体，因而是创新人才培养的关键，亦是我国高等教育的根本任务和灵魂。测控技术与仪器专业本科毕业设计除了培养学生综合运用知识和动手实践能力外，最重要的一点就是培养学生的创新应用技能。特别是在当今竞争日益激烈的社会，用人单位对毕业生独立工作和创新能力的要求日益增强的形式下，非常有必要通过最后的实践环节加强学生科技创新能力的培养，进一步完善学生的知识结构和素质结构，以适应社会发展的需要[4]。
根据测控技术与仪器专业创新型人才培养目标以及该专业本科毕业设计的主要特点，剖析我校测控技术与仪器专业本科毕业设计实际，仍存在以下主要问题：
① 学生对本科毕业设计认识和重视程度不够。尽管学校对教育部的文件和学校制定的管理文件进行宣传，但受各种因素的影响和制约，学生对于本科毕业设计的重要性和目的没有明确的认识，致使一部分学生对于本科毕业设计的完成流于形式，没有深入研究和认真对待。
② 毕业设计过程中学生对课题资料分析不够仔细深入，其工科基础实践能力、学科基础实践能力、专业基础实践能力和专业工程实践能力等有待进一步提高。
③ 受毕业设计指导教师队伍规模、毕业设计实验设备、经费和管理评价机制等多方面因素的影响，学生毕业设计题目过于陈旧，重复率较高，严重影响到学生创新实践能力的提高。
三、改革实践与探索
为提高我校测控技术与仪器专业本科毕业生的创新实践能力，近年来，我们以测控技术与仪器专业江苏省高等学校品牌专业建设点建设为契机，针对测控技术与仪器专业本科毕业设计过程中存在的问题，从毕业设计选题和方案制定、毕业设计过程指导和监督、论文答辩和质量评价体系等方面进行了一系列的改革和探索：
（1）在毕业设计选题和方案制定方面，主要从两个方面展开。
首先，在本专业学生进入本科毕业设计阶段之前，加强对学生创新性和实践性的培养，积极鼓励学有余力的学生参加课外创新实践活动和教师科研项目，指派优秀教师指导学生开展实践和创新活动，对于具有一定创新性和实践性的项目和学生给予资助；此外，经过创新实践项目锻炼和培训，积极鼓励学生参加国际、国家和省各类科技竞赛。对已经成功申请到国家或省级课外实践创新的项目，可考虑直接作为学生本科毕业设计项目，并进行滚动资助。
其次，对指导教师给出的本科毕设课题进行查新，确保教师给出的毕设课题具有一定创新型和实践性，对于那些陈旧、创新性和实践性结合不紧密的课题一律不予立项。初步筛选完指导教师给出的毕设课题之后，由系所相关部门对拟立项的本专业毕设课题及其任务书进行汇总并制定测控技术与仪器专业本科毕业设计课题选题指南，应在指南中明确课题的软、硬件性质及对选题学生的基本软、硬件素质要求。学生应根据选题指南选择适合自身特点的毕设题目，并就课题研究目标、研究内容和研究方案进行一定时间的前期准备；在毕业设计正式开始前，应进行本专业学生的毕设开题答辩工作，对毕设过程中可能出现和应注意的问题提出进一步的要求，力争做到毕设立题科学新颖、避免重题、学生选题恰当，拟定方案切实可行，努力实现指导教师和学生之间双赢。
（2）在毕业设计过程指导和监督方面，首先，加强科研毕设，培养学生自主学习和创新实践能力。为加强和培养学生的自主学习和创兴能力，亦为加强对学生毕设过程的指导和监督，积极鼓励指导教师把学生的毕业设计实践同自己的科学研究结合起来。在进行毕业设计过程中，让学生参加一些与自己毕设题目相关的课题团队的科研工作，使其接受创实践新意识的熏陶和激励，这样既可以使学生学到必要的科研方法，培养学生主动学习、科学思考问题、勇于实践、勇于创新的能力，还可以加强对学生毕设过程的指导和监督，对于毕设过程中出现的问题能得到及时有效地处理。
其次，鼓励团队毕业设计，在充分利用现有的专业实验室和创新实践基地的基础上，合理增加硬件实验设备和经费，培养学生动手实践能力和团队协作精神。测控技术与仪器专业本科毕业设计对学生的软件设计、硬件实践能力都有较高的要求，鉴于该专业的专业实践特点，在毕设过程中鼓励学生进行团队毕业设计，团队成员至少3人以上，这样指导教师可以根据项目要求将课题划分成不同的子课题，团队内不同学生根据子课题功能要求分别进行相应模块的软、硬件设计。这种团队毕业设计的做法，不仅可以更好地培养学生的创新动手实践能力，还有助于培养学生的团队协作精神，团队内成员为完成总的毕设任务，按各自分工的不同，彼此之间可以相互协商和帮助。此外，通过团队毕业设计，实验室设备、经费及其它的资源可以更为有效地整合和利用。
（3）在论文答辩和质量评价体系方面，进一步健全毕业设计（ 论文） 质量监督机制和质量评价体系。建立规范的毕业设计（ 论文） 组织管理和操作程序，规范毕业设计论文选题、开题、中期检查、论文撰写、指导教师评阅和毕业答辩等组织程序和进度管理。建立以检查和评优为动力的质量监控机制， 根据毕业设计（ 论文） 进程进行阶段性检查，研究制定质量标准，实施质量控制；对于阶段性检查不合格的学生，给出相应的管理办法；建立科学的毕业设计（ 论文） 考核办法，制订毕业设计（ 论文） 成绩评定标准，从论文质量、平时表现和答辩成绩等方面进行全面考核。在论文答辩方面，实行三级管理，具体分为：非团队毕业设计的学生参与系所组织的论文答辩；团队毕业设计的学生直接参与学院组织的论文答辩；对于参加系所和学院论文答辩且成绩为优秀的学生，进一步推荐至学校，参加由学校组织的论文答辩。
四、结束语
本科毕业设计是学生本科学习过程的重要阶段，是对本科阶段所学知识的综合运用和提高。论文根据测控技术及仪器专业创新实践型人才培养目标及该专业本科毕业设计的主要特点， 针对南京邮电大学测控技术与仪器专业本科毕业设计实践过程中存在的问题进行了一系列改革和探索，实践证明上述改革措施在一定程度上提高了学生的创新实践能力。
基金项目：南京邮电大学教改项目（JG00511J80，JG00511J79，JG00511J78），江苏省研究生双语授课教学试点项目，南京邮电大学通达学院教改项目（TD00511JG11）
[参考文献]
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[2]冯旭哲， 陈建云， 明德祥. 测控技术与仪器专业本科毕业设计研究与实践[J].高等教育研究学报，2011，34（1）：86-88
[3]牛金星，申杰，李恒灿.关于测控技术与仪器专业本科生毕业设计的思考[J].科技创新导报，2011，27，248-248
关键词： 机器学习； 网络稳定控制器； 设计方法； 虚拟控制
中图分类号： TN711?34； TP273.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0053?04
Design and implementation of network stable controller based on machine learning
ZHANG Tietou 1， TAN Yingjun1， LI Cuixia2
（1. Department of Information Engineering， Henan Polytechnic， Zhengzhou 450046， China；
2. School of Software and Applied Technology， Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China）
Abstract： Because of interference of network illegal invasion and network data diversification， and the too long response time of the currently?designed network stability controller， a design method of network stable controller based on machine learning is put forward. The controller is mainly composed of development board， control circuit and machine learning module. Machine learning module using the specific learning way supervises the network controlled object. The supervision results are transmitted to the control circuit for virtual control of a variety of learning behaviors. The development board receives the virtual control results， and screens out an optimal control strategy of the network controlled object. The machine learning module carries out stable control to the network controlled object after evaluation for the optimal control strategy. The experimental conclusions show that the controller can obtain the excellent response time while maintaining effective control to the network， has strong response ability， and can achieve the design goal well.
Keywords： machine learning； network stability controller； design method； virtual control
0 引 言
机器学习是一项交织了统计概率学、凹凸检验、逼近理论等技术的人工智能项目，现被极其广泛地应用在分析与控制工作中，是人工智能的核心。网络是当今社会最为重要的信息传递媒介，也是辅助各行各业进行设计、分析、识别等工作的工具[1?3]。网络的稳定是实现上述工作的基础保障，将机器学习应用于网络稳定控制器的设计中，通过实践学习方式在维持稳定控制器对网络有效控制的同时，降低控制器的响应时间，这也是科研组织当前研究的新型科研项目[4?6]。
1 基于机器学习的网络稳定控制器设计
1.1 控制器整体设计
基于机器学习的网络稳定控制器主要由开发板、控制电路和机器学习模块组成，还包括各种功能模块，如传感器模块、计算机控制模块、存储模块和传输模块。其中，开发板、控制电路是控制器的硬件端，机器学习模块是控制器的实现端。
整个控制器以实现端为核心，融合硬件端进行辅助控制，实现缩减控制器响应时间的设计目标。图1为控制器整体设计图。
由图1可知，机器学习模块直接与网络被控对象相接触，利用特定的学习方式对网络被控对象进行监督，传感器模块的作用是感应网络被控对象的各项参数，并将有用参数进行模/数转换，以供机器学习模块使用。
1.2 控制电路设计
基于机器学习的网络稳定控制器的控制电路是一个自适应线性电路，能够较为有效地避免控制器产生低频率的震荡效应，对控制器响应时间缩减的目标有着过渡作用，其电路设计如图2所示。
由图2可知，换流器的作用是对机器学习模块监督结果的电压进行直流与交流的转换，T1，T2代表换流器的外接变压器，控制电路的输出值与感应网络被控对象的电压参数存在一定的线性关系。计算机控制模块、开发板和机器学习模块与控制电路的连接方式均为直接相连，这表示，基于机器学习的网络稳定控制器的控制电路，在本质上其实是一个被赋予了控制能力的串口通信电路。
1.3 开发板设计
基于机器学习的网络稳定控制器选择的开发板是具有四层结构的Mini2440开发板，其拥有能耗低、实用性强、价格便宜等优点，是一款我国国内性价比最高的开发板。Mini2440_发板的设计结构采用了高性能的哈佛结构，并内置了三星S3C2440微处理器。其布线方式采用等长布线，有效地保证了控制器的信号接收能力，可在一定程度上缩减控制器的响应时间。Mini2440开发板的结构图如图3所示。
由图3可知，Mini2440开发板主要由液晶显示屏、网口、JTAG接口和总线扩展器组成，其工作电压分为两种，分别是1.8 V和3.3 V。微处理器的电平类型是TTL的，考虑到有可能出现RS 232类型的电平，故在需要时应从串口处连接电平支持芯片。
2 基于机器学习的网络稳定控制器软件设计
2.1 机器学习模块流程设计
在所设计的基于机器学习的网络稳定控制器中，所需解决的重点设计内容是：通过对网络数据进行的有效解析，实现数据特性的深度挖掘，使控制器拥有自主学习能力，用于平衡网络稳定，获取控制器优异的响应时间。在机器学习模块中，机器学习方式有三种，分别是督促、无督促和半督促，其学习流程如图4～图6所示。
由图4～图6可知，机器学习的督促方式是针对网络被控对象数据中的特性数据进行数据集合模型训练和重构的过程。重构是指对网络被控对象进行监督，其监督工作经由重构器实现。重构结果是通过对比网络被控对象标准特性与实际特性得出的模型微调数据。通常，数据集合模型训练的次数越多，所获得的重构结果就越精确。
2.2 评价学习目标函数
评价学习是机器学习中非常重要的计算过程，其较为注重机器学习环境对重构结果的影响性，是对各类机器学习方式结果的优化。评价学习可以以具体的行动手段将重构结果调整到最优状态，缩减基于机器学习的网络稳定控制器的控制误差，进而缩短其响应时间。
假设机器学习的网络稳定控制器在时间下的控制误差为；代表误差因素，；代表单相控制误差；代表控制误差的时间序列，则有：
（1）
在评价学习过程中，由于不用考虑网络被控对象的历史特性参数，故只需对网络被控对象未来的状态和行为进行估计。设表示网络被控对象数据中的状态特性，是行为特性，是单相控制误差评价函数，是状态特性调整函数。若被控网络对象始终处于稳定的网络状态下，则其评价学习目标函数可表示为：
（2）
若被控网络对象所处网络状态经常发生变化，应先对被控网络对象相邻时间段的重构结果做差，再用差值对评价学习目标函数进行更新，更新后的评价学习目标函数用表示，则有：
（3）
式中，是网络波动状态下的学习因子，其值始终大于1。
3 实验分析
通过实验对本文所设计的基于机器学习的网络稳定控制器的响应时间进行分析。选取的与本文控制器进行实验对比的对象有3个，分别是基于神经元的网络稳定控制器、基于模糊控制的网络稳定控制器和基于单片机的网络稳定控制器。实验先将4个控制器的控制水平调节至同一水准，即给予4个控制器相同的控制时间和控制结果，在改变控制器传输功率的情况下进行三组实验，并对4个控制器的响应时间进行统计。表1是控制器传输功率的实验限定值，图7～图9是三个实验中，4个控制器响应时间对比曲线图。
表1 控制器传输功率实验限定值
由图7～图9可知，控制器传输功率的绝对值越低，其传输功率波动就越小，响应时间曲线稳定的就越快，控制器的响应时间便相应减少。对于基于模糊控制的网络稳定控制器来说，其响应时间曲线在4个控制器中稳定的最慢，证明此控制器对网络的响应能力较弱，无法维持网络稳定。
对于基于神经元的网络稳定控制器来说，其响应时间要低于基于模糊控制的网络稳定控制器，但其响应时间曲线的波动也最为明显，证明其响应能力远低于基于单片机的网络稳定控制器和本文控制器，无法获取优异的响应时间。基于单片机的网络稳定控制器的响应时间较短，且响应时间曲线波动比较平稳，但在实验3中500 kW的高功率下，其响应能力要远低于较低功率下的响应能力，证明此控制器的响应时间并不稳定。本文控制器在三组实验下的响应时间曲线均非常平稳，且响应时间曲线稳定得最快，证明本文控制器能够在维持对网络有效控制的同时，获取优异的响应时间，响应能力较强。
4 结 论
本文提出基于机器学习设计网络稳定控制器的设计方法。所设计的控制器主要由开发板、控制电路和机器学习模块组成。机器学习模块利用特定的学习方式对网络被控对象进行监督，监督结果将被传送到控制电路进行多种学习行为的虚拟控制。开发板对虚拟控制结果进行接收，筛选出对网络被控对象的最优控制策略。机器学习模块对最优控制策略进行评价后，向网络被控对象实施稳定控制。系统给出机器学习模块的工作流程，对最优控制策略的评价由基于机器学习的评价学习目标函数实现。实验结论证明，所设计的控制器在维持对网络有效控制的同时，获取优异的响应时间，响应能力较强，可较好地对设计目标进行实现。
参考文献
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【关键词】模糊-PID控制 恒压供水系统 模糊规则
1 引言
由于供水压力的变化具有时变性、非线性、分布性及滞后性等，因此水压控制是一种典型的过程控制。对供水管网水压的测量和控制在工业生产、人们的生活用水等领域都有着广泛的应用。以前对水压控制主要以传统的PID控制理论为基础，以51单片机或PLC为核心的供水压力采集和控制系统，其中其测量、控制精度不高，实时性得不到保证，而且受运行速度和存储空间的限制，单片机对于多任务，复杂程序的运行得不到满足。
本文设计了一种基于西门子PLC的模糊-PID恒压供水系统。其微处理器采用的是西门子公司生产的S7-226XP型PLC。控制算法部分以模糊控制理论为基础，提出一种模糊-PID控制策略，并应用到供水系统中，对PID的三个参数自动在线调整，完成了模糊自适应-PID控制器的设计。
2 系统硬件设计
本恒压供水控制系统的总体结构框图如图1所示，系统主要包括PLC控制机构、现场水压信号检测、执行机构、显示以及报警装置等。其中PLC控制机构是本系统的核心，由它及其电路来共同完成整个系统的控制、数据传输和处理。
2.1 西门子S7-226XP型PLC芯片简介
S7-226XP芯片的PLC是西门子公司生产的200系列的产品。它的性价比高，性能可靠。具有24/16数字输入/输出，2/1模拟量输入/输出口，2个RS-485通信口，DC24V或AC220V电源供电。
2.2 执行机构
执行机构由一组水泵组成，其中水泵机组供给用户管网中的水流量，总体结构框图中前三台水泵为主泵，第四台水泵为辅助小泵，主泵与辅助小泵的区别是工作方式不同。主泵也叫调速泵，它有变频调速、工频恒速及停止三种运行状态，三台主泵遵循“先开先停、先停先开”的原则循环供水。
2.3 信号检测
整个系统信号检测有管网水压信号、水源液位信号、故障报警信号三个。管网水压信号通过压力传感器实时检测压力大小并送给PLC，PLC与水压设定值比较并进行处理后确定执行机构动作进行控制。水源液位信号测量是为了防止水源不足而导致水泵空抽而损坏进行的保护控制，通过液位传感器来检测液位信号。水泵过载，变频器异常时输出报警信号。
2.4 控制机构
控制机构通常安装在供水控制柜中，有三大主体，分别为PLC控制系统，变频器，电控设备。其中PLC控制系统（供水控制器）是核心，对水泵机组控制通过变频器进行，电控设备完成水泵的切换工作，由交流接触器，转换开关，中间继电器组成。
系统由PLC主控单元控制变频器的输出频率，通过软件程序来进行实际值和设定值的比较，根据模糊-PID控制算法计算出管网水压的偏差，进而对水泵转速进行调节，实现管网水压的调节，控制。
3 模糊-PID控制器的设计
设定管网水压为，当前的实际温度为，我们把偏差和偏差变化率为作为控制器的输入变量，而控制量为输出变量。温度偏差模糊量E的模糊词集为，偏差变化率EC和控制量的模糊词集为，把采样来的实际水压值计算出温度偏差E和偏差变化率量化到[-3 3]的范围内，得到压力偏差和偏差变化率的模糊量。控制量的论域级数为。根据操作人员的经验，得出模糊控制规则。
建立隶属函数我们选择三角形分布，根据前面偏差E和偏差变化率EC的词集和论域的规定，可以得到水压偏差模糊量E和偏差变化的模糊量EC的隶属度值，分别如表1、表2所示。
由模糊控制规则我们可以计算出确定的模糊关系R，然后通过Mamdani控制器的推理形式，得到输出控制量的模糊集合为，经过上述模糊推理后，模糊-PID控制器调整的参数要进行去模糊化取得精确量，本控制器采用最大隶属度法计算得到模糊量U，即模糊控制的输出。最后精确的控制值是通过对模糊量U反模糊化得到的。
4 系统软件设计
系统软件设计建立在恒压供水模糊-PID控制算法的基础上，采用结构化程序设计的方式。主要包括主程序设计、模糊-PID控制子程序、水泵机组切换控制、故障检测、显示子程序等几个部分。
4.1 系统主程序设计
主程序主要完成系统初始化，执行故障检测子程序，显示子程序以及初始化后进入恒压运行模式等这些工作。
4.2 子程序设计
根据水压误差和误差的变化量，由模糊控制规则模糊整定PID的三个参数，最终计算出实际系统的模糊控制量，最后经过解模糊得到精确的控制量。从而控制变频器的实际输出频率，达到恒压供水的目的。水泵电机的控制子程序主要完成对三台主水泵电机的运行和停止控制等。
5 结束语
本论文所研究的恒压供水系统，在现实的工业生产和居民生活中都具有重要的意义，它是一个典型的纯滞后非线性时变的控制系统，供水管网的水压是系统安全运行的重要参数，稳定供水管网的压力对系统的正常运行有着重大的意义。采用的模糊-PID控制算法提高了控制系统的控制精度，缩短响应时间，减小超调量，抗干扰能力要比传统PID效果好。
参考文献
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[5]祁增慧.基于PLC控制的城市恒压供水系统[D].天津大学硕士学位论文，2008（05）.
作者简介
张坤平（1982-），女，河南省巩义市人。硕士研究生学历。现为许昌电气职业学院（许昌技师学院）电气工程系助教。研究方向为控制理论与控制工程。
关键词：智能桁架；振动控制；模糊控制器；模糊规则；遗传算法
中图分类号：TU323.4文献标识码： A 文章编号：
引言：
近年来，大型智能桁架结构在航空航天领域得到越来越多的应用。其模型具有不确定性，模型结构和参数在很大范围内变化，基于精确模型的传统控制理论和现代控制理论都有局限性[1]。模糊控制不依赖于被控系统的精确数学模型，而是通过对系统动态特征的定性认识、直接推理、在线确定或变换控制策略，以达到对复杂的、非线性的、不确定性的被控系统的控制，这种方法容易实现，也更加易于保证其实时性。2005年，赵国伟等[2]将PID和LQG成功的应用于大型空间复杂智能桁架结构的振动主动控制上，2009年，张京军等[3]将模糊控制应用于智能悬臂梁的控制当中。本文基于对智能桁架结构模型的认识与分析，设计出相应的模糊控制器，并采用遗传算法对其控制规则进行优化，然后通过一实例仿真验证该方法的有效性。
1智能桁架结构有限元模型
设智能桁架结构中共有个压电主动杆，考虑压电主动杆的机电耦合特性，基于有限元法，建立智能桁架结构的运动方程: （1）
式中，、、分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵、、分别为加速度矢量、速度矢量和位移矢量；是由主动杆的方向余弦组成的向量矩阵；为外部节点力矢量；是维主动杆产生的控制力向量。
为简化结构的仿真模型，对智能桁架结构的动力学模型做模态截断处理,则其独立模态空间的动力学方程及观测方程为：
（2）
（3）
式中，、、，，为第阶振动的固有频率，为第阶的模态阻尼比，为外界干扰力，为维模态控制力，其中为模态向量矩阵，为对角阵，为第个作动器单位压电作用下产生的控制力，为对角阵，为第个主动杆等效刚度，为模态坐标，为作动电压。
2.模糊控控制器的设计
目前振动控制中常用的模糊控制器多为双输入-单输出的结构形式。本文采用的也是这种结构模式，其输入输出变量分别为智能桁架的结构位移、速度和对其施加的控制反力。这三个变量都要从物理论域量化到整数论域上，然后再在整数论域上给出若干语言变量值，从而实现整个论域元素的模糊化过程。本文将位移和速度作为误差和误差变化率。设量化值、有统一论域，的论域为。为表达控制规则需先确定输入变量、输出变量的词集，为了简化设计过程，设计量化后的误差、误差变化、控制量的词集均为：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。在模糊化时，输入变量选择三角形和梯形的隶属函数，输出变量选择三角形隶属函数。模糊控制规则直接影响到控制系统的性能，本文根据桁架的位移、速度和控制力之间的关系，总结出用语言值表示的二维控制规则表，见表1.
表1 二维模糊控制器控制规则表
模糊推理采用Mandain法，清晰化采用重心法。
3.遗传算法优化控制规则
利用遗传算法进行优化求解时，首先要对控制规则进行编码，然后选择合适的适应度函数，通过复制、交叉、变异等遗传操作，获取最佳种群，。该种群中最优个体为优化问题的解，即为最优模糊规则。
3.1 遗传编码
遗传算法中常见的编码方法有二进制编码和十进制编码。本文将采用十进制编码方法对模糊控制规则进行编码，用数字集{1,2,3,4,5,6,7}来依次表示模糊语言集{ NB，NM，NS，0，PS，PM，PB }，即对设计的控制规则进行数值化，按从左到右，从上至下的顺序把控制规则展开成一维形式，这样便形成了遗传算法所需要的个体。前面设计的控制器含有49条控制规则，即是含有49个待寻优参数，这样每个染色体就包含有49个遗传基因，每个染色体长度也就是49位。对其进行数字化处理后可以表示为染色体表2
表2 染色体表
3.2 适应度函数选择
要想利用遗传算法对控制规则进行优化，首先要解决种群个体的评估问题。本文研究的是智能桁架结构的模糊控制，其控制目标是在激励荷载作用下使得桁架结构的振幅达到最小、衰减随度达到最快。本文以模糊规则表的49个模糊语言集作为设计变量，以智能桁架结构的自由端最大挠度作为评价控制器性能指标的目标函数。其表达式为：
（4）
因为遗传算法要求个体适应度越大越优，故需将目标函数转化为最大值问题后作为目标函数，转换函数为：
（5）
3.3遗传操作
3.3.1 选择
选择算子是遗传算法中对群体中个体进行优胜劣汰的操作，本文采用适应度比例选择 ，设群体大小为，个体的适应度值为，则个体被选择的概率表示为：
（6）
3.3.2 交叉
交叉运算是两个配对染色体按照某种方式相互交换其部分遗传基因，从而产生两个新的个体。为了保证交叉运算后产生的新一代染色体个体的规则总数量不变，本文采用对位交叉算法。
3.3.3 变异
变异是指将个体染色体编码串中的某些基因位串上的基因值用该位串的其他等位基因来替换，从而产生新的个体。本文在进行变异操作时，是对个体染色体的49个基因，随机选择一位或多位基因值进行变异，随机变异所选用的基因用1-7之间的随机数值来代替
3.4遗传算法实现
首先，确定遗传算法的相关参数：本文的设计变量49个，取种群个数为15个，最大迭代次数取20次。然后，用遗传算法对控制规则进行优化，
4 实例仿真
本文所选桁架是由普通杆和由粘贴有压电片的主动杆构成，其结构尺寸为，共有83根杆件，普通杆是由铝合金材料构成，弹性模量为，密度，泊松比，杆件直径为。主动杆压电片采用压电陶瓷材料，传感器/作动器同位布置，布置在固定端端部，设该桁架结构的模态阻尼比为，顶端节点所受作用力，作用时间为0.01s。
将设计的模糊控制器和在遗传算法优化控制规则后设计的控制器分别作用于智能桁架结构，通过算法程序的运行可以得到
桁架架结构的仿真图：
仿真图中，红色线代表遗传算法优化模糊控制规则后的模糊控制器的控制效果，黄色线表示没有使用遗传算法的普通模糊控制器的控制效果。从仿真图中我们可以看出，遗传算法优化后的模糊控制器比普通模糊控制器有更好的控制效果，每阶的位移曲线最大位移都有明显的较小，智能桁架结构振动的衰减速度也有所加快。
5结论
本文对遗传算法做改进，然后作用在模糊控制器的控制规则优化上的方法是可行有效的，同时也说明了控制规则对于控制器的控制效果起着至关重要的作用。
参考文献
李东旭,陈卫东.大挠性航天桁架结构动力学及其主动控制研究进展[J]，力学进展，2009,38（2）：167-176
[关键词]可编程序控制器（PLC） 培养 工程 能力
[中图分类号] G712 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）14-0037-02
一、引言
“卓越工程师教育培养计划”旨在改变目前高校人才培养和企业需求脱节的现象，建立高校和企业间的制度化联系。针对“卓越工程师培养计划”，全国各地高校进行了相应的改革，PLC课程从理论到实践各个环节都做出相应的改革，旨在促进学生各方面工程能力的提高。
二、PLC课程概述
针对“卓越工程师培养计划”，PLC课程内容进行了改革，包括继电器接触器控制部分、S7-200PLC控制部分和S7-300/400PLC控制部分，每一部分都与一项工程实践课程相对应。PLC课程所涉及内容是工业控制自动化技术的一个重要方向，与相关实践课程内容结合紧密，学好PLC要树立终身学习的信念，注重理论与实践相结合，以工程应用为目的。
PLC课程的特点有：PLC课程实践性强，理论课与实践课程结合紧密；PLC课程内容紧跟工程实际，新技术、新元件层出不穷；PLC课程与学生毕业设计联系密切，毕业论文题目越来越多；PLC课程与学生就业方向高度相关，是学生将来工作应用的主要技术。
三、工程能力的培养
（一）设计能力的培养
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图1 PLC理论知识与实践环节及设计能力的关系图
PLC理论知识与实践环节及设计能力的关系图如图1所示。以PLC课程为核心，整合相关的实践课程包括电气控制与电器装配工程实践、PLC控制工程实践和工业自动化项目设计等实践课程。PLC课程三部分知识与三个实践课程内容相对应。
PLC控制系统综合应用PLC技术、电机控制技术、检测技术、电力电子技术等先进技术，设计能力具体体现在以下两个方面：
1.硬件设计能力
硬件设计能力包括系统方案选择、系统原理框图设计、系统网络规划与设计、硬件原理图设计、硬件计算与选型、安装接线图设计、元件实际位置图设计、控制面板设计和控制柜工艺设计等设计项目。在理论课程教学过程中，针对上述设计项目进行相关知识贮备。积累了相关知识之后，在实践环节中进行锻炼，可使学生更有信心和能力地完成设计工作。PLC设计不单纯完成控制功能，PLC设计内容更多方面与安全、环保和质量息息相关。PLC硬件电路中安全保护和控制是同等重要的，没有安全保证的电路对于控制来说毫无意义，设计中必须为设备安全和产品安全考虑。节能环保是国家未来发展战略，新型PLC产品在这方面也增加了相关设计。
2.软件设计能力
软件设计能力包括控制系统程序规划、系统程序流程设计、主程序设计、功能子程序设计、中断设计和组态设计等。在程序设计过程中必须会应用STEP-7编程软件，在组态设计过程中必须会应用WinCC。上述2项设计能力要有一个循序渐进的过程，要让学生们从传统的继电器接触器控制系统过渡到PLC控制系统，从S7-200PLC小系统渐渐地过渡到S7-300/400PLC工业自动化网络大系统。在工业自动化生产的大背景下，让学生知道将来自己走上工作岗位面对的不只是单台生产机械，工作中面对的更多是网络化的控制系统，这也是当今工业自动化发展的必然趋势。
（二）动手能力的培养
动手能力包括实验设备操作能力、程序仿真调试能力和控制柜制作能力。
1.实验设备操作能力
PLC课程实验是针对S7-200PLC和S7-300PLC两种PLC的综合设计性实验，学生根据实验课题要求进行方案设计与选择，确定好控制方案后进行硬件和软件设计。硬件设计必须在现有实验条件下进行，这就要求学生根据现有条件进行设计，最大限度地满足实验要求。实验台上的PLC、触摸屏、电动机、变频器和传感器等器件，学生可根据实验要求选择相应器件，不仅限于一个实验台，必要时可对多个实验台上的器件进行选择应用。这样实验接线复杂了，2台或3台步进电机控制程序设计上多样性和复杂性也增强了，这样既锻炼了学生的动手能力，又锻炼了学生的编程能力。
2.程序仿真调试能力
PLC控制程序仿真调试方面灵活性更大些，现有的仿真软件可以更好地满足设计要求。S7-200仿真软件专门针对于S7-200PLC，PLCSIM专门针对于S7-300/400PLC控制程序仿真。这两种仿真软件图形界面形象，仿真功能强大，在不需要PLC硬件情况下可完成大部分程序的仿真工作。这样增强了实验的灵活性和可操作性，学生可不局限于实验设备而进行大胆的设计，大大提高了学生软件设计能力。
3.控制柜制作能力
控制柜制作工艺通过多媒体教学方式对学生进行相关知识传授，待学生有了感性认识之后，在相关实践环节中加入简单的控制柜制作训练。图2是电机正反转控制电气接线图和位置图。只有真正理解原理图、接线图和位置图三者的关系，才能做好电气控制柜的工艺设计，才能制作出适合工程应用的控制柜。
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（1）接线图 （2）位置图
图2 电气原理图、接线图和位置图
（三）绘图能力的培养
设计出的各种草图最终要应用专业绘图软件绘制成标准的图纸。应用AutoCAD绘制结构示意图、硬件原理图、元件位置图、安装接线图、控制面板图和控制柜结构图。学生绘图能力关系图如图3所示，完成一个完整的PLC控制系统设计工作要学会绘制十多种图。设计中常用Visio绘制结构示意图、系统框图、工艺流程图和程序流程图。WinCC绘制组态界面图，STEP-7绘制程序梯形图，程序仿真图由PLCSIM来完成。学生绘图能力的提高对其将来走上工作岗位是非常有利的，大学毕业生工作之初大多是从最基本的绘图工作开始的。
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图3 绘图能力关系图
四、结论
随着科学技术的不断发展，现代工程问题的综合性与复杂性也不断增强。工程专业文化精神的渗透是基于工程教育观念的一种实质性转变。本科层次工程师的培养目标是胜任在现场从事产品的生产、营销和服务或工程项目的施工、运行和维护。本科层次培养的未来工程师应能完全胜任生产一线的各项工作。本文探讨了PLC课程教学过程中如何与“卓越工程师培养计划”相结合，使学生具备一定的设计能力、动手能力和绘图能力，进而能够达到“卓越工程师教育计划”对学生一般性工程能力的要求。
[ 参 考 文 献 ]
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关键词：武器控制系统，智能化，标准化
科技的飞速发展、世界局势的不稳定，使空中作战任务复杂多变，对飞机的战术技术性能和功能的要求也越来越高。在新机研制费用高、周期长的情况下，充分挖掘现有飞机的潜力、在兼顾先进武器系统和相对落后武器系统的情况下，提高飞机的战术性能成为首选方案。
机载武器控制系统是为适应空战的要求而发展起来的，用以实时控制和监视各种武器的工作状态，并提供和管理武器与其它系统之间的信息。近几十年来，军用战术飞机的设计朝多用途方向发展。为了执行多种战术任务，飞机必须能携带多种类型的武器。为了对所携带的多种武器实施有效地控制，保证武器系统的安全和提高作战成功率，必须有先进的机载武器管理系统。以往的作战飞机的武器控制系统大都使用硬线控制系统，而且对地攻击武器和对空攻击武器是分别控制的，分立式武器控制系统有诸多缺陷。因此，在计算机接口技术、多路传输总线技术、人工智能技术在军事领域应用不断深入的今天，设计统一管理对地攻击及对空攻击武器的智能化武器控制系统(Intelligentize Weapon Control System ，简称IWCS)，代替飞机上各自独立的武器控制系统，不仅能提高飞机的作战效能，而且能减轻飞行员的负担。
1分立式武器控制系统的缺陷
1.1控制分散
飞机上使用的对地攻击和对空攻击武器控制系统都是相对独立的，是分立式武器控制系统，飞行员操作使用不便，武器系统不便统一管理。免费论文。
1.2线路复杂，标准化程度低
分立式武器控制系统大多使用常规模拟电路设计，部件多、分系统多、硬件电路复杂、为把更先进的武器系统加到武器控制系统中，常常需要重新设计和布线。免费论文。同时飞机与武器之间的互用性差。
1.3飞行员操作界面复杂、智能化程度低
飞行员座舱内武器控制面板上开关、按钮、指示灯数量多，位置分散，提示信息单调，使飞行员操作不便，作战效率低。
2IWCS的功能
智能化武器控制系统用以实时控制和监视各种武器的工作状态，并按作战要求将武器从飞机上投向目标，同时提供和管理武器系统与其它系统交联的信息。其主要功能是：提供武器接口；装入、保存并显示武器的种类、型号、位置、数量、状态等信息；选择武器和武器投放方案；确定武器外挂位置的战斗准备；控制武器的发射或投放顺序、时间间隔等，启动武器的投放；为导弹提供离轴制导；为光电制导武器的电子装置提供接口；具有应急投放功能；具有自检测功能，当出现不协调或故障时，能自动告警并提供应急选择方案。
3IWCS硬件组成
智能化武器控制系统主要由显示控制部件、武器控制计算机、传输总线系统、对地武器接口部件、对空武器接口部件、武器载荷等组成，其组成框图如图1所示。武器控制计算机是智能武器控制系统的核心，用来处理显示控制部件输入的信息及相关航空电子设备出送来的数据，信息通过多路传输总线1553B传输。通过软件处理所有数据，控制与其相连的其它部件。
武器控制计算机向系统提供全部控制、监视和投放信号。它与显示控制部件、航空电子分系统、武器接口部件等相连。处理各部件传来的数据并控制与其相连的部件。
显示控制部件是智能武器控制系统的人机接口部件，包括武器控制板和多功能显示器。多功能显示器通过标准显示器接口与武器控制计算机相连，用于显示武器挂点的状态，供飞行员监视外挂投放装置及武器的状态与使用条件；用于显示辅助决策专家系统的询问、攻击方案提示、使用方法提示等。武器控制板是一个多功能专用板，由可编程开关、按钮、指示灯及数字小键盘组成，驾驶员可通过武器控制板输入机载武器控制系统需要的初始信息，并通过武器控制板对辅助决策专家系统作出响应。
传输总线系统完成系统各部件之间信息的传输，包括总线控制器、多路传输终端、传输线路、传感器等。总线控制器由软件编程控制，是武器控制计算机与传输线之间的接口。免费论文。多路传输终端用于将传输线与远距离终端连接起来。
对地武器接口部件及对空武器接口部件是将武器载荷与控制计算机相连接的部件，它通过多路传输总线与控制计算机相连，将武器载荷提供的武器信息调制转换成计算机可接受的信息，通过传输总线送入控制计算机；控制计算机传来的指令信息经功率驱动等处理后，传输给武器载荷。
武器载荷由武器悬挂装置（挂弹架、导弹发射架等）和所悬挂的武器弹药
组成。它们分别与对地武器接口部件和对空武器接口部件相连，悬挂装置的型号、状态及武器的有无、种类、型号等信息通过接口部件传给控制计算机，控制计算机发出的指令经接口部件传给武器载荷，完成武器最终发射或投放。
4IWCS软件设计
4.1 应用软件结构
本系统中应用软件的功能是采集并处理各种监控信号，并按指令向系统提供控制和武器发射/投放信号。应用软件采用模块化设计，包括主控模块、任务设置模块、辅助决策专家系统、自检测模块等，软件工作流程图如图2所示。
主控模块负责整个武器控制系统的管理，包括人机界面、输入/输出接口的管理、功能菜单的管理等；动态监视系统各部分的状态信息，接收与系统交联的其它系统传送的数据，通过专家系统进行推理判断，调用相应的处理程序。
任务设置模块的功能是：设置目标类型、相对本机的位置等初始条件，启动辅助决策专家系统。
自检测模块用于检测发射/投放电路的完好情况，当出现故障时，自动切换到备用方案。
4.2辅助决策专家系统的设计
辅助决策专家系统属于嵌入式专家系统，具有较小的知识库、简单的推理机制，由于其结构简单、又能满足系统需要，是一种比较实用的专家系统。系统用来对飞机武器控制过程中出现的各种情况进行辅助决策，根据初始条件、提出可供选择的战斗方式，并推荐武器类型、发射/投放方式、投放顺序等最佳使用方案。驾驶员可以对系统推荐的方案进行取舍或修改，修改后的方案又作为新知识充实到知识库中。
专家系统是人工智能的一个最新的研究领域，是具有相当数量权威性知识，并能运用这些知识解决特定领域中实际问题的计算机程序系统。它根据用户提供的数据、信息或事实，运用系统存储的专家经验或知识，进行推理判断，最后得出结论，同时给出结论的可信度，以供用户决策之用。人们事先把某些专家的知识总结出来，分成事实和规则，以适当的形式存入计算机，建立起知识库，并根据某些商定的原则，确定推理规则。根据这些专门的知识和规则，系统对输入的原始数据进行推理，做出判断和决策，因此能起到专家的作用，大大提高了工作效率和工作质量。专家系统的结构如图3所示。
知识库是问题求解知识的集合，含有显示地表示的各种知识块，包括基本事实、规则和其他有关信息，是专家系统的核心组成部分。本系统中知识库的建立依靠武器控制领域专家的经验知识和理论知识，经验知识从有丰富经验的驾驶员对武器操作经验中总结获得；理论知识是经过大量的理论研究计算得到的。
推理机是专家系统的“思维”机构，是实施问题求解的核心执行机构。其主要功能是协调、控制系统，决定如何选用知识库中的知识，对用户提出的证据进行推理，求得某个问题的解答。因为在空战过程中，作战环境不断变化，系统对外界的反应也应随之变化，这样就形成了一些不确定的和不精确的事实，为了满足系统的不确定性和不精确推理判断技术以及系统的实时推理算法，专家系统采取确定性和概率性的推理运算机制，同时，考虑经验系数，以提高系统的置信度。
知识库与推理机分离的设计体系，使得知识的增减和修改不影响整个专家系统的工作，随着时间和条件的变迁，可以及时更改知识库，以提高系统的智能化水平。
4.3 挂点的显示格式
合理的选择挂点的显示格式，能减轻飞行员的思考负担，使飞行员能更快速准确的作出反应，提高作战效率。现代航空电子中常用的显示格式有字母、图像、字母与图像兼有三种格式。系统选用字母与图像兼有的显示画面，分别用
表示飞机、挂架、火箭（用字母R表示）、炸弹（用字母B表示）、导弹（用字母M表示）等。向下箭头所指位置为当前攻击武器。图4为一挂点显示画面实例。
5结束语
本系统应用计算机接口技术、数据传输系统技术、专家系统技术设计了智能武器控制系统，克服了以往武器控制系统部件多、分系统多、硬件电路复杂、维护困难、增加新武器系统难等弊端。友好的人机界面使飞行员的操作变得更简单，标准化的接口设计使得增加新武器系统和在不同飞机和武器之间移植只需改变相应软件即可实现，使系统具有一定的通用性。本系统已在实验室的机载武器控制智能仿真系统中实现，并收到了良好的效果。
参考文献：
[1].李青等. 某型军用飞机外挂物管理系统应用潜力分析. 火力与指挥控制.2001年第1期
[2].蔡自兴. 智能控制----基础与应用. 北京：国防工业出版社. 1998年
[3].陆彦陈根社.飞机外挂物管理系统研究.光电与控制.1991年第1期
[4].张海藩.软件工程导论.北京：清华大学出版社.1998年
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