关键词：变压器；冷却控制系统；硬件
1变压器冷却控制系统控制模块的设计总体思想
本文所进行的就是对变压器冷却控制系统控制器模块进行设计，其中包括了可以对主变压器风扇投入与切除的温度范围进行自行设定，也可以按照用户的要求而变化。在传统控制方式中，风扇投切的温度限制值是不能改变的，此外，风扇电机的启动和停止温度有一余量，不像传统的控制方式中是一个定值，避免了频繁启动的缺陷，此外还有运行、故障保护及报警等信号的显示及其与控制中心或调度中心的通讯，上传这些信息，如变压器油温、风扇运行状态有无故障等。至于风扇的分组投切设置是为了节约电能，具有一定的经济意义，但这个分组数不宜过多，以免控制复杂，且散热效果不佳。
控制器主要由AT89CS1单片机、A/D转换器、键盘控制芯片，输出模块、通讯模块以及自动复位电路等组成，其中单片机是控制器的核心，AID转换器是把输入信号转换为数字信号。
2变压器风扇控制系统的硬件接线
基于以上的要求，我们设计的风扇控制器的硬件线路图如下页图1所示。变压器风扇控制中对控制模块进行改进是本文研究的重点，其中包括主要芯片的选用以及一些抗干扰元件的使用。所以在本章节中，我们重点将要介绍变压器风扇冷却控制模块中的主要硬件芯片的作用、选用以及它们之间的连接力一法。
（1）单片机AT89C51（如图1）。
AT89C51是Atmel公司生产的一种低功耗，高性能的8位单片机，具有8k的flash可编程只读存储器，它采用Atmel公司的高密度不易丢失的存储器技术，并且和工业标准的80c51和80c52的指令集合插脚引线兼容，其集成的flash允许可编程存储器可以在系统或者通用的非易失性的存储器编程中进行重新编程。AT89C51集成了一个8位的CPU，8K的flash。256字节的EDAM，32位的I/0总线。三个16字节的定时器/计数器，两级六中段结构，一个全双工的串行口，振荡器及时钟电路。AT89C51是完成系统的数据处理和系统控制的核心，所有其它器件都受其控制或为其服务。
在本文中，经过TLC1543A/D转换器后输出的数字量输入到AT89C51单片机中，同时在进行了温度参数的设置以后，进行它的输出控制，其中包括了变压器的温度显示、状态显示、以及声音报警设备等等，也就是我们所研究的变压器冷却控制系统的核心部分。
（2）变压器的温度采集及温度处理模块。在变压器的风扇冷却自动控制系统中，第一步进行的就是对变压器上层油温进行的温度采集工作。变压器的温度采集是由变压器的温度控制器来实现的，其中包括铂电极、传感器以及变送器。经过温度控制器输出的信号进入变送器，变送器送出一个4一20毫安的电流信号，然后将此电流信号通过控制芯片上的电阻元件实现电流电压信号的转换，转换后的电压是在0.4一2（伏特）之间，然后将此电压信号输入到TLC1543数模转换器，进行信号处理。变送器输出信号有电流和电压信号两种，考虑到变压器安装的位置（室外）距本控制装置（室内）有一定的距离，电流信号不易损失，故选择了4一20毫安的电流信号。（3）11通道10位串行A/D转换器丁LC1543。
TLC1543A/D转换器是美国TI公司生产的众多串行A/D转换器中的一种，它具有输入通道多、转换精度高、传输速度快、使用灵活和价格低廉等优点，是一种高性价的模数转换器。TLC1543是CMOS，10位开关电容逐次逼近模数转换器。它有三个输入端和一个3态输出端：片选（CS），输入/输出时钟（I/0CLOCK），地址输入和数据输出（DATAOUT）。这样通过一个直接的四线接口与卞处理器或的串行口通讯。片内还有14通道多路选择器可以选择11个输入中的任何一个三个内部自测试（self-test）电压中的一个。
（4）BC7281128段LED显示及64键键盘控制芯片。
BC7281是16位LED数码管显示器键盘接口专用控制芯片，通过外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等），最多可以控制16位数码管显示或128支独立的LED。BC7281的驱动输出极性及输出时序均为软件可控，从而可以和各种外部电路配合，适用于任何尺寸的数码管。
BC7281各位可独立按不同的译码方式译码或不译码显示，译码方式显示时小数点不受译码影响，使用方便；BC7281内部还有一闪烁速度控制寄存器，使用者可随时改变闪烁速度。
BC7281芯片可以连接最多64键C8*8）的键盘矩阵，内部具有去抖动功能。它的键盘具有两种工作模式，BC7281内部共有26个寄存器，包括16个显示寄存器和10个特殊（控制）寄存器，所有的操作均通过对这26个寄存器的访问完成。
BC7281采用高速二线接口与MCU进行通讯，只占用很少的I/O资源和主机时间。
BC7281在本系统中主要用于驱动变压器温度显示的LED以及显示风扇运行状态的指示灯。
前已提及，BC7281芯片内部共有26个寄存器，包括16个显示寄存器和10个特殊功能寄存器，共用一段连续的地址，其地址范围是OOH-19H，其中OOH-OFH为显示寄存器，其余为特殊寄存器。
（5）使用MAX232实现与PC机的通讯。
①MAX232芯片简介
MAX232芯片是1VIAX工M公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器，适用于各种E工A-232E和V.28；V.24的通信接口，1VIAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换成RS-2320输出电平所需±10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以。
我们的设计电路中选用其中一路发送/接收，RlOUT接MCS一51的RXD，T1工N接MCS一51的TXD，TlOUT接PC机的RD，Rl工N接PC机的TD1。因为MAX232具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。
系统中使用了此技术之后就实现了变压器风扇冷却系统的远程控制，工作人员可以在控制室对冷却系统进行控制，可以达到方便、准确、快捷的日的，这也是我们对传统的风扇冷却控制系统而做的一个重要的改进。
②串行通讯
在此实现中，我们必须要对MCS-51串行接日和PC机串行接日的串行通讯要有一定的了解，串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的，它的优点是只需一对传输线进行传送信息，囚此其成本低，适用于远即离通信；它的缺点是传送速度低；串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方一式，同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂；而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式，本文中使用的就是异步通讯方式。
（6）“看门狗”电路DS1232
在系统运行的过程中，为了避免因干扰或其他意外出现的运行中的死机的情况，“看门狗电路”DS1232会自动进行复位，并且能够重读EEPROM中的设置，以保证系统可以安全正常的运行。
美国Dallas公司生产的“看门狗”（WATCHDOG）集成电路DS1232具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点，应用在单片机产品中能够很好的提高硬件的抗干扰能力。
DS1232具有以下特点：
①具有8脚DIP封装和16脚SOIC贴片封装两种形式，可以满足不同设计要求；
②在微处理器失控状态卜可以停止和重新启动微处理器；
③微处理器掉电或电源电压瞬变时可自动复位微处理器；
④精确的5%或10%电源供电监视；
在本变压器冷却控制系统中，DS1232作为一定时器来起到自动复位的作用，在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232的ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232的RSR端将产生复位信号以强迫微处理器复位。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处理器死机是非常有效的，因为看门狗定时器的定时时间由DS1232的TD引脚确定，在本设计中，我们将其TD引脚与地相接，所以定时时间一般取为150ms。
3结论
本装置实现了通过单片机自动控制冷却器的各种运行状态并能精确监测变压器的油温和冷却器的各种运行、故障状态，显示了比传统的控制模式的优越性。（1）能够对变压器油温进行监测与控制；（2）实现了变压器冷却器依据不同油温的分组投切，延长了冷却器的使用寿命，有较好的经济意义；（3）实现了冷却系统的各种状况，如油温、风扇投切和故障等信息的上传，便于值班员、调度员随时掌握情况。
由于固态继电器实现了变压器的无触点控制，解决了传统的控制回路的弊端，同时此控制装置具有电机回路断相与过载的保护功能。由于使用了单片机，因而具有一定的智能特征，实现了油温、风扇的投入、退出和故障等信号的显示以及上传等。通过实际运行表明，该装置的研制是比较成功的。但今后，我们还应该对固态继电器本身的保护进行一些研究，以免主回路因电流过大而造成固态继电器的损坏，以使变压器风扇冷却控制回路更加完善。
参考文献
1.1飞控计算机
电传飞机控制系统的核心应用技术是飞控计算机，通过飞控计算机的数据分析和程序预设，最终实现飞机的自动化控制盒管理。结合本型号飞机的实际情况，工作人员在进行系统设计时进行了多种方案的甄选，最终确定将飞控计算机与伺服控制回路综合在一起，采用3×2余度配置，本系统需要三台计算机进行系统的连接，因为进行了大胆的技术尝试，同时又结合了国内外最先进的飞机控制技术，所以这套设计方案是比较科学相对合理的，具有可操作性。每台计算机有两个通道：工作通道：根据输入信号计算机控制面偏转指令，并且驱动相应的控制面；包括CPU模块、输入输出控制模块、总线模块、伺服回路模块与电源模块等。监控通道：用于检测计算机指令的正确性；包括CPU模块、输入输出控制模块、总线模块与电源模块等。
1.2作动器
升降舵、副翼和方向舵均采用电液伺服作动器，电液伺服作动器具有故障监控功能和旁通功能，在故障失效后自动转入旁通功能，不影响其它作动器工作。单个舵面所有电液伺服作动器均失效后，转入旁通功能，保持一定的阻尼，该舵面处于阻尼浮动状态。2.2.1升降舵作动器每个升降舵面采用2台台电液伺服作动器并联安装，同步工作，具有力均衡功能。每台电液伺服作动器具有单独控制单个升降舵面的能力，左右两个升降舵面共采用4个电液伺服作动器，需3套液压系统提供动力，升降舵作动器接受飞控计算机指令，控制升降舵偏转。2.2.2副翼作动器每个副翼采用2台电液伺服作动器并联安装，同步工作，具有力均衡功能。每台电液伺服作动器具有单独控制单个副翼的能力，左右两个副翼共采用4个电液伺服作动器，需3套液压系统提供动力，副翼作动器接受飞控计算机指令，控制副翼偏转。2.2.3方向舵作动器在方向舵上并联安装3台电传控制的电液伺服作动器，同步工作，具有力均衡功能。方向舵作动器接受飞控计算机指令，控制方向舵偏转，实现对飞机航向控制，需3套液压系统提供动力。
1.3传感分系统
传感器分系统负责所有的数据传输和接收，是整个系统的关键组成部分。一方面需要及时接收信息，另一方面还要对接收到的信息进行筛选和分类，最终利用具有关联性的安全信息，具体包括驾驶员指令传感器、飞行运动传感器和大气数据传感器三个部分。驾驶员指令传感器顾名思义，就是将操作人员的操作数据和操作动作，以数据的形式传输给计算机装置；飞机运动传感器将飞机在运动过程中的所有动态数据进行敏感处理和数据传送；所有的数据最终通过大气数据传感器统一进行汇总和分析。需要进行强调的是，为了保证飞机运行的安全和信号的稳定，以上三种数据传输工作不能应用飞机上的航电总线，需要安装独立的信号传输线。确保所有数据的可靠性。
1.4控制显示分系统
控制显示系统是操作人员进行飞机控制的主要参考数据来源，操作人员需要根据显示的数据采用相应的操作程序。显示的信息量大，信息复杂，主要包括几下几种重要的数据：（1）人工进行系统控制的程序指示数据，主要包括提醒操作人员进行系统切换的信息和操作人员进行不同模式转换的信息等；（2）系统运行的安全性显示。包括系统常规运行下的各项数据，以及系统运行出现故障时发出的警示信息以及相应应急自动处理信息；（3）系统定期检测和维护的信息。电传控制系统需要定期进行维护和保养，显示系统会根据设定好的程序提醒操作人员进行相应的操作和管理。
2控制律设计概略
电传飞行控制系统实现了驾驶员操纵指令（杆位移或杆力）与飞机运动参量响应相对应的控制，从而使飞行控制“目标”由原机械操纵系统的舵面偏角操纵，变成了对飞机响应的控制。作为某型飞机电传飞行系统控制模态包括基本模态和自动飞行控制模态。基本模态包括主控制模态、独立备份模态及主动控制功能；其中主控制模态与独立备份模态是系统必须具备的两个基本控制模态。主控制模态包括控制增稳、中性速度稳定性、飞行参数（法向过载，迎角限制和滚转速率等）边界限制与惯性耦合抑制等功能；其中控制增稳功能是电传飞行控制系统最基本的工作模态，在整个飞行包括内全时、全权应用。独立备份模态是电传飞行控制系统的备份模态，是独立于所有的其他控制律模态的应急工作模态。
3结束语
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
系统构成，以夏季空调制冷为例：通常中央空调的循环水系统关键是包括着两个水循环系统，也就是使用敞开式系统冷却水循环系统以及使用封闭式系统冷冻水循环系统，以及制冷机组和风机盘管与冷却塔。需要进行降温的房间之内会装设风机，这里的风机关键是进行冷空气吹入至房间，进而能够促使房间内热交换程度加快便于实现降温。工作原理，为了能够促使室内温度保持在一个非常舒适的范围之内，冬季的室内温度过低时中央空调体系会把循环热水送进风机盘管中，再将室外的低温空气进行循环经过风机盘管时，对应低温空气同样是和风机盘管铝片实行热交换来把风机盘管铝片热量传送于低温空气中，促使低温空气在进行加热之后送进房间之内，促使其室内温度得以有效升高；在夏季的室温过高时，中央空调系统就会运用水泵把经过制冷器主机所提供的冷冻水循环式送进风机盘管内，以便于在温度降低时风机盘管之内铝片及循环进的室外高温空气进行接触时能够展开热交换，最终将所得到的冷空气送进室内进行降温。
2基于LonWorks的中央空调智能控制系统
该空调机组所控制的相关现场总线系统工作原理是温湿度控制器测出温度以及湿度之后，再经过运算得到对应阀门调节输出，此时的输出是经过Lon网络送至对应智能阀处以产生阀门开度。智能阀数量以及空调系统结构有着极大的关联。开关量控制器是用在启停机组上的，以便于有效监测空调实时状态以及进行警报。
2.1系统硬件设计
关于智能阀门设计，相关智能阀门应该是直接连接于Lon网络之上的，并经过Lon总线接收其阀门的开度指令，此指令是以网络对应变量形式出现的。智能阀门关键硬件设计，从某种程度上来讲智能阀门是要求对应运算量和储存容量较少的，所以运用了神经元NeuronMC143120芯片和FTT-10A式的双绞线变压器耦合收发器，还有其电源是运用了LM2575式的降阶电压调节器芯片，其在进行滤波之后可以获得非常稳定的+5V电压，串行A/D转换器是使用TCL1549芯片，这样可以充分的满足于对应阀门开度有效控制精确度，继电器是使用了JGX-1F型式的固态继电器，该型号的继电器驱动能力较大且生命周期较长。
2.2温湿度控制程序软件有效实现
温湿度控制器是最关键的主控制器，其是要求具备较大储存空间以及处理能力，所以是使用了3150CPU模块。关于温湿度控制程序软件的实现应该分为两大部分，节点内部功能，这包括着相关模拟量采集以及处理和显示，并且具有四个PID回路，可以充分的达到参数修改以及运算和网络变量形式输出结果至其余控制器或者是智能阀处；还有就是主控制器，也就是温湿度控制器务必要具有及上位机可以通信的功能。依据其工艺技术的要求，温湿度控制器之内具有专门开辟的储存区域，这是存放上位机组态之后所形成的相关程序链，并且控制器经过详细分析程序能够对储存区域之内各类数据展开分析，再合理的调用子程序来充分实现各类功能及完成控制。
3中央空调节能理论分析
中央空调系统是经由制冷主机以及冷却泵和冷冻泵，还有冷却塔风机和风机盘管所组成的。应该说其制冷主机是经过压缩机来促使制冷剂快速冷冻循环水温度降低，通常通过制冷主机进行制冷之后的水温度大约是7摄氏度，这也是中央空调的冷源提供场所。冷冻水泵主要是将冷冻水进行加压至空调系统的对应末端系统，冷却水是经过冷却水泵将对应制冷主机中热量充分带走，通过冷却塔将这些热量有效的释放至空气中，之后就会回到冷水机组中。冷却风机能够合理的带动空气进行快速运动，经过空气带走冷却水热量，同时能够有效促使蒸发以致水温迅速降低。温度降低之后相关冷却水会进行再次循环，并进入制冷主机中，再次带走制冷机所存在的多余热量。中央空调系统可以说是多变量复杂且时变的系统，相关过程要素主要是非线性以及大滞后、强耦合的关系。模糊控制是基于模糊集合论以及模糊语言变量、模糊逻辑推理的计算机智能化控制理论，能够充分的适应于中央空调各个方面控制要求及需求。模糊控制下的变频调速技术能够充分达到中央空调水系统极好的温差变以及压差变和流量变的运行模式，可以促使控制系统具备极高跟随性以及应变能力，还能够依据相对被控制的动态过程特性识别来自主调节其运行参数，以便于得到最优化控制效果。模糊控制能够充分地适应于多变性特征，不过也正是因为该类复杂非线性才促使模糊控制极好地控制并克服了对应被控中央空调各个方面的要求及需求，进而实现极高的控制能力以及最佳运行状态。停机控制也就是确保空调区域完成运作后还能够具备较为舒适的环境，并有效计算出能够提前停止空调的最长时间。并且，在停止运用空调区域之前就有效控制区域空调关闭。
4结束语
对于风电机组控制系统而言，主要有以下构成部分：上位机监视系统、并网控制器、功率控制系统、偏航系统、变桨距系统、数据采集接口、PLC系统。其中，PLC是风电机组控制系统的关键部分，PLC和风电机组的相关部分都有着十分紧密的关系，进而能够确保风电机组的安全及其效率。对于风电机组而言，大部分都是在环境比较恶劣的前提下运行的，所以要求分风电机组控制系统具备一定的可靠性以及抗干扰能力。在风电机组运行过程中，要准确的对参数进行测量以及合理的对策略进行控制，进而能够准确的判断出故障的所在地以及能够及时对故障进行处理。因为在风电机组控制中具备比较多的顺序控制，而且在控制的过程中要对参数中一定量的开关量信号进行合理的处理，为此，合理的对风电机组的控制特征以及要求进行分析，从而能够选择能够满足风电机组控制系统要求的PLC控制。
2合理设计软件
因为要进行远程监控和无人值守，所以要自动对风机进行控制，其中，控制的主要对象有：对运行状态进行监测，在运行风机的时候，反馈信号、机组状态参数、风力参数、监测电力参数等，从而确保机组能够稳定的运行；在风机自动运行的时候，要根据运行的相关步骤采取风机全自动开车，进而能够确保开车能够稳定进行；对桨距进行控制，从而确保机组能够稳定、安全运行；对偏航进行控制，从而确保风机正对着风向而得到最多的风能。当出现风速要比启动风速要低、并网故障、刹车故障等情况的时候，要立刻对风机进行停机操作。
2.1控制的相关策略
当启动风机的时候，风轮的桨叶是不动的，其桨距的角度应为90°，因为在这个过程中气流不会对桨叶产生转矩，所以桨叶实质上就是阻尼板。当风速与启动风速一致的时候，桨叶会向0°转动，从而通过气流对桨叶所产生的功角，促使风轮的转动。当发电机并入到电网之前，发电机转速信号将会控制桨距系统中的桨距角的给定值。同时，转速控制器会根据发电机转速的快慢，合理的对桨距角设定值进行改变，而变桨距系统则会按照给出的桨距角的参考值，有效的对速度进行控制并对桨距角进行调整。当风速大于等于额定风速的时候，风电机组将会处于额定功率状态。同时，转速控制也会变成功率控制，而且变桨距系统将会控制发电机的功率所发出的信号。额定功率即是控制信号给定值恒定。给定值与功率反馈信号进行对比时，如果功率超过额定功率，桨叶桨距就会转向迎风面积正在变少的方向；如果功率没有超过额定功率，桨叶桨距就会转向迎风面积正在增加的方向。
2.2合理控制风机启动
当风机启动的时候，要采用风速仪对风速进行测量，并对风速的大小进行判断，当风速大于启动风速的时候，要启动风机；当风速小于启动风速的时候，要继续对风速进行测量。在启动风机的时候，要有效的控制偏航，从而能够有效的将桨距角调到零度以及确保风机能够正面迎风。在对风机的转速进行监测的时候，当风机的转速到达切入转速的时候，就能够实行并网发电。
2.3合理控制偏航
合理控制偏航的目的在于确保风机能够在迎面对着风向的时候，能够得到最大化的风能，在实际应用当中，如果偏航角和风向角的差额不超过15°的时候，就可以认定风机是迎面对着风向的。对控制算法进行设计的时候，要遵循快捷进行控制的原则进行设计，从而能够更好的避免在执行时所出现的繁琐动作。如果电缆缠绕了多达两圈，要立刻采取解缆控制，从而确保风电机组能够安全的运行。同时，在进行解缆的时候风电机组要采用正常停机的方式，并要采用自动偏航后才能合理的进行解缆。
2.4合理控制风机停机
如果风机发生故障，比如，当传动系统冷却水的温度比较高、风机的温度比较高、桨距系统的液压油位比较低等的时候，要及时发出停机警告，从而促使风机停机。如果发现风速超出相关限度的时候，由于风机的各个环节会受到一定的限制，所以一定要脱网停机。在停机的时候，要及时把桨距角调整到90°,确保停机时的安全性。
2.5合理控制桨距
在风机并网滞后，要凭借对桨距角的调节去调节发电机输出的功率，如果额定功率小于实际功率的时候，PLC的模拟输出单元CJ1W-DA021输出和功率之间的差距成为比例的信号，如果功率偏差低于0的时候，要凭借进桨来促使功率的增加，同时，如果功率的偏差在-5且+5的时候，不能够实行变桨，从而能够避免过度频繁的进行变桨。
3结语
在现代建筑环境中,对照明的质量要求越来越高,照明不再单纯的把灯点亮,而是希望能利用灯光创造赏心悦目的艺术氛围!传统灯光控制的意义,就是根据人们对环境灯光的不同要求,对灯光的照度进行控制,以保证良好的光照条件,同时又能最大限度的节约电能.特别在装饰和艺术照明中,我们通过对灯光的扬抑、隐现、虚实、动静以及投光的角度和照射范围的控制,使灯光建立起构图、秩序和节奏，能充分发挥出灯光的艺术表现力！ 我们使用灯光控制方式，就是想要体现出能对灯具的亮度和色彩的控制！如果要达到使灯光的变化、色彩、亮度以及音乐节奏等各种艺术元素相协调，就必须采用复杂的自动控制系统！ 一般传统灯光的常见的控制方式有以下几种方式： 随着照明技术的发展，光源也从开始的白炽灯发展到大功率的金卤投光灯，但是传统光源存在使用寿命短，功耗大等缺点！所以，进入二十一世纪以来，现代社会文明开始向着可持续性的节能环保的方向发展,LED作为一种新的光源形式开始越来越广泛应用于照明领域,LED光源具有寿命长,功耗低,安全低压供电等优点.随着它的光效不断提高,使LED替代传统光源正在变为了一种现实！特别是超高亮度LED和大功率LED的开发成功,使LED开始应用于照明领域! LED从上世纪七十年代开始应用于指示灯,数字和文字的显示.随着社会文明的进步和科学技术快速发展! 从此LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各部门和千家万户.目前在照明工程领域中,LED主要应用于建筑立面、外观轮廓装饰,大型广场、公园的道路/草坪景观亮化和广告招牌灯箱等照明工程中! 由于LED是利用半导体场致发光的原理,配合不同材料,可以发出各种不同波长可见光,所以LED具有光色纯正，显色性好，开关响应速度快等技术特点,使我们在景观照明由过去的单色,静态的效果,变为动态,多彩的照明效果成为可能!为了使LED灯光可以达到动态多彩的变化效果，采用过去传统灯光控制方式是不能满足现在的LED照明效果的要求!现在，基于计算机网络技术的LED灯光照明控制系统应运而生! 目前,LED灯光控制系统主要通过以下几种技术方式来实现动态的LED灯光控制效果: 1.DMX512通讯协议方式：采用分布式，模块化的计算机网络技术控制系统，通讯接口采用计算机通讯中通用的EIA-485标准，采用光纤（网线）传输控制信号。向上：基于以太网的TCP/IP方式， 向下：标准DMX512 / 1990信号，可控制512个DMX通道。变化模式:隔行跳变，跑马方式，流水方式，渐亮渐暗，简单符号显示等多组模式，通过网络连接PC端软件可将文字、FLASH动画、视频、图像等媒体信息表现出来. 2.采用EIA-485标准接口的网络控制系统,采用光纤（网线）传输控制信号。系统通讯协议，一般采用EIA-485标准或厂家自行定义的格式。多台主控制相联最大可达128个，最多可以控制128X128个终端回路控制器。终端到灯具采用串行或并行TTL信号控制方式!基本变化模式：隔行/隔点跳变，渐变,简单符号显示等多种模式。 3.采用大屏幕显示控制方式。主要由CPU微处理器、与上位机的标准通信接口、与显示驱动模块的标准通信接口及环境光强检测模块组成一个标准的控制模块硬件结构，通过编制不同的软件，即可用于不同的场所。与上位机（微型计算机）及与显示驱动模块的接口：可采用标准的RS232、RS422AK或RS485通信接口。灯具安装必须符合点阵概念，可以实现较复杂的FLASH，图片等复杂的控制效果。 品能光电技术(上海)有限公司是致力大功率LED照明技术研发和制造的专业厂商!公司在大功率LED照明技术研发的同时也自主开发LED灯光控制系统, 目前，公司基于上述控制系统技术原理，已成功开发出从自变控制效果,跳变控制效果,到全彩渐变控制效果等的系列化LED控制系统产品! 控制系统设备规格表见下表：
1、研究背景及意义
倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代，其控制方法和思路在处理一般工业过程中有广泛的用途，此外，其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用，如机器人行走过程中的平衡控制，火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因此对倒立摆控制机理的研究具有非常重要的理论和实践意义。但同时是一个比较复杂的不稳定,多变量，带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数不确定性，一方面是系统受到不确定因素的干扰。倒立摆系统具有成本低廉，结构简单，参数和结构易于调整的优点。作为控制理论研究中一种比较理想的实验手段，倒立摆系统为自动控制理论的教学、实验和科研构建了一个良好的实验平台，以用来检验某控制理论或方法的典型案例，促进了控制系统新理论和新思想的发展。为解决倒立摆控制系统的超调和快速性之间的矛盾，各种干扰对其的影响，进而对控制器进行了设计，自抗扰控制方法可以克服这些缺点，因此要用ADRC来控制直线倒立摆系统。
2、研究现状及发展趋势
鉴于倒立摆的稳定控制研究的重要意义，国内外学者对此给予了广泛关注。国外在60年代就开始了对一级倒立摆系统的研究，在60年代后期，作为一个典型的不稳定、严重非线性例证提出了倒立摆的概念，并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力。
近年来，随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视，模糊控制、神经网络、拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的智能控制算法应用到倒立摆动系统的控制上。Charies W.Andorson在1988年应用自学习模糊神经网络成功控制一级摆；周建波等用基于B网络的规则控制也解决了单摆的稳定性控制问题；徐红兵等提出了基于变结构的模糊神经网络控制算法，实现了二级倒立摆系统的稳定性控制；1995年，张明廉等人应用拟人智能控制理论成功的解决了三级倒立摆这一控制界的世界性难题；2001年9月19日，北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了三级倒立摆实物系统控制，又于2002年8月11日在国际上首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统。
二、研究内容
本课题的主要研究内容集中基于ADRC的倒立摆控制系统研究，并针对其动态响应和运行稳定性，主要。主要内容简述如下：
（1）建立倒立摆控制系统的数学模型；
（2）设计自抗扰控制器，包括：TD，NLSEF，ESO。然后对各部分的参数进行设计和调整；
在Simulink 环境下建立系统仿真模型，验证基于自抗扰控制技术的倒立摆控制系统控制策略的有效性。
三、研究方法
（1）查阅相关国内外文献资料（包括相关规范等），了解与该课题相关的理论知识，分析研究当前相关设计的优秀方案，在学习的基础上添加在自己的创新元素。
（2）建立在所学知识的基础上，分步骤的完成各项设计任务，在工作计划内按时完成相应的工作，包括自动配料系统的硬件框图、程序框图、设计仿真等。
（3）各元器件的选型及设计内容的整理，开始进行设计说明书的撰写。
（4）完成对设计内容的进一步修改，完善设计方案。整理、打印、装订设计说明书。完成答辩的准备工作。
四、国内外文献综述
倒立摆系统本身为多变量、非线性、强耦合的不稳定系统，由于以上特性，其精确控制对实现工业生产中复杂对象的控制有着重要的应用价值。主要的控制方法有线性控制、预测和变结构控制、智能控制等。智能控制是目前应用较为广泛的控制方法，研究的热点，其主要理论来自于人的实践经验，不需要精确的数学模型。模糊控制有两种典型算法，其Mamdani算法最为常用，Sugeno型适合应用在动态非线性系统中。Mamdani算法中，分别对小车位置和摆杆角度进行控制，两个控制器形成串联结构，每个控制器只有二维，避开了四输入变量，这样免去了多输入变量时模糊规则爆炸的问题。这样免去了多输入变量时模糊规则爆炸的问题中PID控制的单级直线倒立摆,虽然能很好控制摆杆角度,但是对于小车位置控制存在一定的偏差,文中模糊控制的倒立摆系统虽然具有一定的抗扰能力,但是加入稍强的干扰就无法达到稳定的控制效果,而自抗扰控制(Active Disturbance Re-jection Control,ADRC)的主动抗扰特性可以削减和解决这些外扰因素,而达到稳定的控制效果。但是传统的自抗扰控制器只能稳定控制摆杆角度,并不能兼顾小车位置的控制,这就使倒立摆控制在现实中的运用上受到限制。
目前ADRC的应用领域广泛。包括纸幅张力控制，硬盘驱动控制，DC-DC变换器。它也可以解决执行机构的非线性问题，如压电陶瓷执行器的滞环问题。基于ADRC算法，一些多输入多输出系统可以获得解耦控制，如微型机电系统(micro-electro-mechanical system），和连续搅拌槽式反应器(continuous stirred tank reactor)。ADRC的应用不只局限于控制领域，他也可以用来执行健康监视和故障诊断等任务。当下的ADRC理论基础相对完善，理论上所需要的仅是一些特殊情况下的稳定性证明。而未来的发展趋势是简化ADRC算法，完善单参数ADRC算法调节策略，将ADRC算法逐步替代PID算法，应用到工业界的各个领域，提高控制性能和效率。由于ADRC算法是一种基于控制的控制算法，因此其应用时也应遵循下图所示的过程，即理论>技术>应用>理论三者的循环补充。
五、研究方案及工作计划
1、研究方案
（1）查阅相关国内外文献资料（包括相关规范等），了解与该课题相关的理论知识，分析研究当前相关设计的优秀方案，在学习的基础上添加在自己的创新元素。
（2）建立在所学知识的基础上，分步骤的完成各项设计任务，在工作计划内按时完成相应的工作，包括自动配料系统的设计框图、程序框图、仿真设计等。
（3）各元器件的选型及设计内容的整理，开始进行设计说明书的撰写。
（4）完成对设计内容的进一步修改，完善设计方案。整理、打印、装订设计说明书。完成答辩的准备工作。
2、工作计划
第1周：根据设计任务书要求选择合适合理的方案设计直线倒立摆控制系统系统的课题。
第2周：根据确定方案，比较、选择设计适合的研究方案等。
第3周：根据题目要求，设计软件框图，并进一步优化改进。
第4-5周：完成整体电路设计，画出原理图并验证其可行性。
第6-8周：根据课题要求和电路原理图编写程序。
第9周：对软件进行仿真调试，优化软件设计使之符合要求。
第10周：结合软件进行调试、修改，并使最终方案满足设计要求。
第11-12周：撰写毕业论文。
第13周：修订毕业设计论文、完善毕业设计。
第14周：提交正式设计论文。
第15周：准备参加毕业答辩。
第16周：参加答辩，整理毕业设计材料提交。
六、参考文献
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[15]韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策,1998(001):19-23.
指导教师审核意见
该论文《基于ADRC的一级直线倒立摆控制系统设计与仿真》选题与专业结合较紧密，选题的范围比较适中。该选题的研究具有一定的实践指导意义。内容安排合理，逻辑关系清晰，紧扣论文主题。
拟采取的研究方法具有一定的合理性。整个论文按时完成的可行性较大。该开题报告符合要求，同意该同学开题，并进入下一阶段的论文写作。
指 导 教 师(签名)：年 月日
教研室负责人批阅意见
关键词 对角优势；极限点；极限增益；极限频率；多变量控制系统
中图分类号 TP13 文献标识码 A
the design method for multivariable PID controller based on INA method
CUI Lianjie1 CAO Ming2 SONG Jianfeng1 ZHANG Min1
1(Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Co., LTD, Dalian 116001,China )
2(Automation Department of Southeast University, Nanjing 210096，China)
【Abstract 】 A design method of the multivariable PID controller based on Inverse Nyquist Array method is proposed based on reading plenty of literatures in this paper. The theoretical basis and related concepts (ultimate point, ultimate gain and ultimate frequency) of this design method is launched firstly. Take TITO multiloop sytem for example, the design methodology is introduced in detail on the basis of brief introduction of the theoretical basis and related concepts (ultimate point, ultimate gain and ultimate frequency). At the same time, a series of comparative simulation experiments between this proposed design method and the design method proposed by [8] are given with related analysis and conclusion.
【Key words】diagonally dominant; ultimate point; ultimate gain; ultimate frequency; multivariable control
0 引 言
罗森布洛克（H.H.Rosen-brock）在1969年提出的奈奎斯特阵列设计法[1] （正Nyquist阵列（DNA）设计方法和逆Nyquist阵列（INA）设计方法）是多变量系统的频域理论中提出最早、应用广泛的一种方法。它是基于近似对角矩阵的设想，利用对角优势的概念发展起来的一种分析和设计方法[2]。奈奎斯特阵列设计法在多变量控制系统设计领域占有举足轻重的地位，自诞生以来，一直是多变量控制系统领域学者们研究的热点。文献[3]和[4]是对逆Nyquist阵列设计方法的扩展，其中文献[3]提出了一种鲁棒逆Nyquist设计方法。逆Nyquist阵列设计方法在多变量控制系统设计中得到了广泛地应用[5][6][7]。另外，以正Nyquist阵列设计方法为基础的多变量PID控制器设计方法[8][9][10]也在多变量控制系统领域得到了广泛的应用。
PID控制作为经典的控制策略之一，产生并发展于1915年~1940年期间[11]。其算法简单，易于工程实现，并具有良好的鲁棒性和简易的操作性，在电力、化工、石油、冶金和机械等工业过程中得到了广泛地应用。对于单变量控制对象而言，其PID控制器的参数整定方法已趋于完善；然而，对于多变量控制对象而言，多变量控制系统的内部互联性使得多变量PID控制器的设计比单变量PID控制器的设计要复杂得多。一直以来，多变量PID控制器的设计是多变量控制系统设计领域的研究热点。目前，已有大量的相关文献。就自己检索到的相关文献而言，多变量的PID控制器的设计方法大致可以分为两类，第一类是基于解耦控制的设计方法；第二类是不需要解耦的直接设计方法。文献[8]、[9]、[12]、[13]中所提出的设计方法都属于第一类方法。其中文献[8]提出了一种基于正Nyquist阵列（DNA）设计方法中Gershgorin带的设计方法，文献[9]对这种设计方法进行了一定的改进，在文献[8]、[9]所提出的设计方法中，使用了PID控制参数的经验整定公式来求解控制参数，从而简化了计算过程，然而，同时使得这种设计方法具有一定的狭隘性。1986年William L. Luyben基于单变量控制系统的传统PID控制器的整定思想，提出了BLT（Biggest Log Modulus Tuning）法，这是第二类方法的典型代表，此方法为后续的多变量PID控制器设计方法的研究提供了一个起点。文献[14]所提出的设定方法也属于第二类方法，它将单变量控制系统的极限点整定思路运用到多变量控制系统的PID控制器的设计中，从而提出了一种有效的多变量PID控制器设计方法，这种设计方法涉及到一个预期临界点（DCP）的概念，对于如何选择预期临界点的问题，在许多文献中有相关的论述[15][16]。
本文提出一种基于逆Nyquist阵列（INA）设计方法的多变量PID控制器设计方法。首先，简要介绍了设计方法的理论基础和相关概念（极限点以及极限增益和极限频率）；其次，基于增大求解方法选择性的目的，本文给出了一种新的求解极限增益和极限频率的计算方法；再次，以TITO多变量控制系统为例，简述设计思路，并给出其推导过程及其设计步骤；然后，在本文所提出的设计方法与文献[8]所提出的设计方法之间，进行了简要地比较分析；最后，借助仿真实验，进一步探讨了本文所提出的设计方法，而且与文献[8]所提出的设计方法进行了一系列的对比仿真实验，并给出了相关的分析和结论。
1 基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法
1.1 理论基础
在多变量的频域理论中，对角优势系统的奈奎斯特稳定判据是一个重要而且极具工程设计意义的定理。下面所要阐述的多变量PID控制器设计方法就是以基于逆奈奎斯特阵列稳定判据[17]作为理论基础。这里需要指出，该设计方法是针对开环稳定系统而提出的。
根据上述稳定判据，可知：对于开环稳定系统来说，如果系统的开环传递函数矩阵的逆具有对角优势，且其各对角元素对应的Gershgorin带的包络线与负实轴的交点都在 的左侧，那么该闭环系统必然稳定。该多变量控制器的设计方法就是在这个结论的指导下进行的。
1.2 极限点定义
文献[8]给出了极限点以及极限频率和极限增益的定义，其中极限点的定义有些狭隘，现给出一个更准确的定义。
定义2.1 设多变量控制系统的对象传递函数矩阵 具有列对角优势，而且第 个对角元素的Gershgorin带与实轴相交于一个或多个点，把其中距离原点最远的交点定义为对应于 第 个对角元素Gershgorin带的极限点。
定义2.2 设极限点在复平面内的坐标为 ，则对应于 第 个对角元素Gershgorin带的极限点的极限增益为 。
定义2.3 把对应于 第 个对角元素Gershgorin带的极限点的频率定义为极限频率。
在此，对极限点的相关概念有如下几点说明：
(1) 文献[8]给出的极限点的定义把极限点的范围限定在Gershgorin带与负实轴的交点中，在此，所给出的极限点的定义将这种限定扩展到Gershgorin带与实轴的交点中。
(2) 从上述定义中，不难看出极限增益的本质是：在P控制器的控制下，能够使得Gershgorin带的极限点恰好为 时的控制器参数。
(3) 实际上，极限点就是相应Gershgorin带的外包络线（若存在）与实轴的其中一个交点。
(4) 对于某些系统来说，相应Gershgorin带的外包络线在零频率处所对应的点可能在实轴上，但是一般并不把此点作为极限点的考虑对象。
(5) 对于绝大部分的MIMO系统，该极限点是唯一确定的，因此，相应的极限增益和极限频率也是唯一的。
本文提出的设计方法所对应极限点的定义与文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义有所不同，现给出其相应极限点的定义。
定义2.4 设多变量控制系统的对象传递函数矩阵的逆 具有行对角优势，而且第 个对角元素的Gershgorin带与实轴相交于一个或多个点，把其中距离原点最近的交点定义为对应于 第 个对角元素的Gershgorin带的极限点。
相应极限增益和极限频率的定义分别与定义2.2、定义2.3相同，在此，不再赘述。
本文提出的设计方法所对应的极限点的定义与文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义之间的比较：
(1) 本文提出的设计方法所对应的极限点的定义与文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义相似，一些相关的结论也相同，比如上述对文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义的几点说明。
(2) 从上述两种极限点的定义中，可以看出，两者主要区别在于Gershgorin带与实轴交点的选择条件，即：一个是距离原点最远的交点，一个是距离原点最近的交点。
基于INA设计方法的极限增益与极限频率的计算可以借鉴文献[8]、[9]中所提出的计算方法。一般不要超过两行。（小五 宋体）
1.3 推导过程
由于计算过程复杂，以TITO多变量控制系统为例，简述设计思路，并给出其推导过程。为了便于叙述，现假设如下：
到此，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法的所有推导过程完成。这里需要指出，上述推导计算过程可以使用MATLAB软件来实现。
1.4 设计步骤
简单归纳一下基于INA设计方法的多变量PID控制器设计步骤，如下所述：
(1) 首先判断对象传递函数矩阵的逆 是否具有行对角优势，若具有行对角优势，直接转到步骤(3)。
(2) 设计预补偿器，实现 具有行对角优势。借鉴文献[18]所提供的常熟补偿矩阵计算方法设计预补偿器。对于设计过程中的对焦优势频率范围的问题，建议要保证 的行Gershgorin带在所选的频率范围内与实轴有交点。这里需要指出，本文只考虑常数补偿器的预补偿方案。
(3) 计算 的各对角元素行Gershgorin带所对应的极限增益 和极限频率 。可使用文献[8]和文献[9]所提及的计算方法来计算极限增益和极限频率。在这里需要注意，在计算极限增益 和极限频率 时，计算的相关步长要尽可能的小，否则，对于某些对象而言，会出现较大的计算误差，甚至是错误计算。
(4) 设定寻优参数的范围。寻优参数的范围可按如下原则来确定。
对于 ， ，可以选择 ， 的某个范围；对于 ，可以选择 ， 的小范围；对于 ，一般在零附近的小范围内取值。有时也可以根据 第 个对角元素的Gershgorin带的形状来确定设置点 的移动方向。在这里需要指出：一般来说，按照上述原则，可以很快找到稳定的控制参数，但这些原则并不是绝对的。
(5) 计算PID控制参数。确定好 ， ， ， 后，利用方程（15），求解 ，然后，用不等式10判断 的有效性。如果 在上述范围内，也就是说 是有效的，那么用式9求解 。在得到 ， 后，利用式17、式18计算PID控制参数。
从上述步骤中，可以看出：该设计方法的计算量较大，其中的原因如下所述：
首先，本文所考虑的PID控制器的形式较为复杂，即 ，若考虑PI控制器或者PID控制器的形式为 时，该设计方法的计算量会大大减少；其次，为了寻找更优的控制参数，在该设计方法的计算过程中没有采取任何经验公式来简化计算过程。
1.5 算法比较分析
文献[8]所提出的设计方法和基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法都属于基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法，现对这两种设计方法进行简要的比较分析。
文献[8]所提出的设计方法计算简便，可以找到较优的控制参数，是一种有效的多变量PID控制器设计方法。同时，它也存在着一些缺点。由于该方法是使用某些经验公式来求取控制参数，因此，在进行PID控制参数寻优时，该设计方法存在一定的狭隘性。对于一些特定的多变量控制系统可能存在无法得到满意控制参数的问题。另外，该设计方法需要实现传递函数矩阵在某个频段内具有列对角优势，以便求取各列Gershgorin带所对应的极限增益和极限频率。然而，对于一些特定的控制对象来说，要想得到各列Gershgorin带对应的极限增益和极限频率，需要在一个较大的频段内进行计算，这样一来，就增加了计算量。
可以将文献[8]所提出的设计方法看作是一种基于正Nyquist阵列（DNA）设计方法的多变量PID控制器设计方法，而本文所提出的设计方法是基于逆Nyquist阵列（INA）设计方法的。采用逆传递函数矩阵进行多变量控制系统的设计具有很多优点[1]，这些优点从侧面说明了本文所提出的设计方法具有文献[8]所提出设计方法所无法比拟的优点。另外，该设计方法思路清楚，可以实现大范围寻优。然而，该设计方法的计算过程复杂，计算量大。在分析文献[8]所提出多变量PID控制器设计方法时，提到了对象传递函数矩阵对角优势频段的问题。在此，针对这个问题，给出一个建议：通过一些仿真例子，发现上述两种设计方法在这个问题上存在此消彼长的一种规律，因此，在实际应用中，可以选择性的使用这两种方法来减小这种问题对设计工作带来的影响。
2 实例验证仿真
为了进一步深入研究基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法和验证该设计方法的有效性，选取以下两个典型对象模型作为研究对象，进行一系列的仿真实验研究。
仿真模型1：在许多文献中[8][14][12][19]，前人都把Wood-Berry蒸馏塔作为研究对象。其数学模型如下所示：
仿真模型2：在文献[14][16][19]中，采用下述模型作为研究对象，本文也以此作为一个研究对象。该数学模型如下所示：
2.1 常数补偿器设计
仿真模型1的传递函数矩阵及其逆对应的Gershgorin带以及各对应元素组成的Nyquist曲线对如图1，图2所示。
从图1和图2中可以看出：仿真模型1的传递函数矩阵具有列对角优势，同时其传递函数矩阵的逆具有行对角优势。因此，在使用基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法时，不需要额外的补偿环节。
从图3和图4中可以看出：仿真模型2的传递函数矩阵不具有列对角优势，同时其传递函数矩阵的逆也不具有行对角优势。因此，在使用基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法时，需要额外的补偿环节。借鉴文献[18]所给出的常数补偿矩阵算法得到模型2的传递函数矩阵所对应的常数补偿矩阵 及其传递函数矩阵的逆所对应的常数补偿矩阵 。其结果如下所示。
利用上述常数补偿矩阵对模型2的传递函数矩阵及其逆补偿后，相应的Gershgorin带图以及相应的Nyquist曲线对如图5和图6所示。
从图5和图6中可以看出：常数补偿矩阵使得仿真模型2的传递函数矩阵及其逆在必要频段上具有了对角优势。这里需要指出，在进行仿真时，需要将 取逆后作为常数补偿器加入到仿真平台中。
2.2 验证仿真
文献[8]所提出的设计方法和基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法都属于基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法，下面将通过实例仿真实验，对这两种基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法进行比较。这里需要指出，因为文献[8]所采用的PID控制器形式与本文所考虑的PID控制器形式并不一致，所以在进行仿真结果比较时，并没有使用文献[8]所给出的控制参数，而是采用了双协调因子 的方法扩大了文献[8]所给出的设计方法的寻优范围，来求取更好的控制参数。关于仿真模型1和仿真模型2的传递函数矩阵及其逆的对角优势问题已在3.1节中给出论述，在下面的叙述中，不再提及该问题。另外，为了方便表达，将基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法简记为BINA，将文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法简记为BDNA。
对于仿真模型1，两种设计方法所给出的PID控制器参数如表1所示。文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法所对应的极限增益和极限频率为：
从图7中可以看出，对于第一控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的超调量和调节时间都明显小于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，而且抗干扰的性能也好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。对于第二控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的震荡性明显弱于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，同时，调节时间略大于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，其抗干扰的性能明显好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。
从图8中可以看出，对于第一控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的超调量明显大于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，在调节时间上，两种设计方法相差无几；基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法的抗干扰的性能稍好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。对于第二控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的超调量和调节时间都明显小于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法；但其抗干扰的性能稍逊于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。
从上述仿真结果中可以看出和基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制器性能要好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，但在某些控制性能方面各有千秋，因此，在进行多变量PID控制器设计时，可以选择性的使用这两种设计方法。
3 结 论
从本文的叙述中可以看出，本文所提出的多变量PID控制器设计方法是逆Nyquist阵列（INA）设计思想的实现，与文献[8]所提出的设计方法之间存在着一种互为补充的关系，是一种可行有效的多变量PID控制器设计方法。同时，该设计方法一味的追求更优的计算结果，没有进行合理的简化，从而计算量较大，计算过程复杂。
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崔连杰（1983－），男，硕士研究生，助理工程师，主要研究领域为多变量控制系统设计及应用；
曹鸣（1957－），男，硕士研究生，副教授，主要研究领域为振动信号检测及处理，噪声信号检测及处理等；
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
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