湖面清扫智能机器人的控制系统设计
1、引言
机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越切身地感受到机器人深入生产、深入生活、深入社会的坚实步伐。机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人；智能机器人是具有感知、思维和动作的机器人。所谓感知即指发现、认识和描述外部环境和自身状态的能力，如装配机器人需要在非结构化的环境中认识障碍物并实现避障移动，这依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器；所谓思维是指机器人自身具有解决问题的能力，比如，装配机器人可以根据设计要求为一部复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即指挥动作部分完成这部机器的装配；动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。由此可见，智能机器人是一个复杂的软件、硬件综合体。
机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功能的强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。机器人控制是一项跨多学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容。
近年来，随着工业和其它服务行业的蓬勃发展，人们在重视其经济效益的同时却往往忽略了他们对环境的污染，人类赖以生存的水资源也不例外。水面污染对人类的水源构成很大的威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法逃避漂浮物污染的厄运，举目可见各种日常消费品的包装物在湖面上漂浮。污染的加剧根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性
能优良，价格便宜，操作简单，使用安全的自主式智能湖面清扫机器人已成为一种必要，而且有较好的市场前景。也唤醒了人们的环境保护意识，因此为了人类的健康发展，人们强烈要求根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性能优良，价格便宜，操作简单，使用安全的自主式智能湖面清扫机器人已成为一种必要，而且有较好的市场前景。
2、机器人的运动控制
对于自由运动机器人来说，其控制器设计可以按是否考虑机器人的动力学特性而分为两类。
一类是完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制。这类方法通常被称为“运动控制（Kinematic Control）”，控制器常采用PD或PID控制。
运动控制的主要优点是控制律简单，易于实现。但对于控制高速度高精度机器人来说，这类方法有两个缺点：一是难于保证受控机器人具有良好的动态和静态品质；二是需要较大的控制能量。
另一类控制器设计方法通常被称为“动态控制（Dynamic Control）”。这类方法是根据机器人动力学模型的性质设计出更精细的非线性控制率，所以又常称为“以模型为基础的控制（Model-base Control）”。用动态控制方法设计的控制器可使被控机器人具有良好的动态和静态品质，然而由于各种动态控制方案中都无一例外地需要实时进行某些机器人动力学计算，而机器人又是一个复杂的多变量强耦合的非线性系统，这就需要较大的在线计算量，给实时控制带来困难。3、湖面清洗智能机器人的系统概述
湖面清扫智能机器人大体可以分为七个部分：船体，控制系统，动力驱动系统，视觉系统，语音控制系统，垃圾仓，各种传感器。现将各部分功能综述如下：(1)船体：主体由双体船构成，船体中间有网状垃圾仓，仓后有一个电机来控制吸力装置，使两船体中间水流速度相对向后，漂浮垃圾随水流由船的前方经由
两船体中间进入后方垃圾仓，完成垃圾的收集；
(2)控制系统：以可编程DSP控制器为核心构成控制系统，接收视觉系统、语
音控制系统、各种传感器等设备的输入信号，计算和输出多路控制信号，协调各驱动电机，并对系统状态进行监控；
(3)动力驱动系统：湖面清扫智能机器人的动力源为蓄电池，由左右电机的速
度不同来调整前进方向；
(4)视觉系统：根据探测到的信息推测出前方物体为垃圾还是阻碍前进的障碍物，并在机器人需要返回回收点时判断回收点的位置；
(5)语音控制系统：机器人可以接收语音命令，控制机器人运行，停止，转弯等；
(6)垃圾仓：暂时存放垃圾，当垃圾装满时，机器人要把垃圾倾倒在回收点。
(7)各种传感器：红外接近觉传感器位于机器人主体前方，能够检测出障碍物
的存在以及其它潜在危险，防止机器人主体与岩石或其它非漂浮物体相撞；光束中断传感器用来判断垃圾仓是否已满；光电编码器用于反馈机器人的运动速度。
4、硬件总体设计
湖面清扫智能机器人控制系统的任务是根据输入的信息（传感器信息，视觉信息，语音信息等），控制电机完成相应的动作，从而使机器人达到收集湖面漂浮垃圾的目的。
为了使清扫智能机器人在设计上更加合理化、规范化，应该采用专用的控制器为核心器件，使得系统具备独立的数据处理能力，能够独立控制机器人运动。
在综合考虑各方面因素的基础上，决定选择专用DSP控制器为核心器件。选用DSP芯片而不是比较廉价的普通单片机作为核心器件，主要是考虑到DSP芯片在电机控制领域广阔的应用前景。这种芯片是专门为电机控制系统设计的，具有丰富的片内配套外设模块，如ADC，PWM等，能够大大减少外围电路的设计难度，而且DSP芯片的数据处理能力是普通单片机无法比拟的。以DSP为核心的机器人控制系统总体结构如图1所示。
图1 机器人控制系统结构
控制系统选用了TI公司的TMS320LF2407A DSP，它是专门为数字电机控制应用而优化的DSP控制器，该芯片卓越的处理能力及电机控制部件的集成使之为湖面清扫智能机器人控制系统提供了更优秀的设计方案。
电机则选择了易于调速的直流电机。
机器人的电路系统是为控制系统服务的，是控制系统的实现平台。根据DSP 控制器和机器人功能的设计要求，需要对机器人处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、SCI模块以及ADC模块的电路进行设置。控制器要求具有开放式、集成化、功耗小等性能，因此设计时，尽量选择功耗小的专用功能芯片代替集成电路的搭建。
5、硬件模块设计
湖面清扫智能机器人的控制系统主要包括：处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、串行通信模块和ADC模块。
5、1处理器模块
5.1.1 TMS320LF2407A简介
美国德州仪器有限公司（TI）的TMS320LF2407A DSP是为了满足控制应用而设计的，它把一个高性能16位的DSP内核和片内外设集成在一个芯片上，体现了SOC（System On Chip）的技术发展趋势。其处理速度为40兆指令/秒，为
诸多领域提供了先进的数字解决方案。DSP芯片内含有丰富的硬件资源，大大减少了用户硬件设计方面的工作，使得用户的主要精力放在编程上，实现电子设计的软件化。
该DSP芯片有如下性能和特点：
(1)由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此该DSP具有低功耗和高速度特点，低功耗有利于电池供电的应用场合，而高速度非常适用于电机的实时控制。工作电压3.3V，有四种低消耗工作方式。单指令周期最短为25ns（40MHz），最高运算速度可达40兆指令/秒，体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，
可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。
(2)TMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。
(3)由于采用了TMS320C2XX DSP CPU的16位定点低功耗内核，保证了与TMS320C24X系列DSP的代码兼容性，允许设计者从其它通用TMS320定点DSP 上移植程序，降低了软件投资，缩短了开发周期。
(4)片内集成了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM、544字的双口RAM，因而使该芯片很方便地进行产品开发。可编程的密码保护能够充分地维护用户的知识产权。
(5)提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字I/O端口的能力，外部存储器接口。
(6)两个专用于电动机控制的事件管理器（EV），每一个都包含两个16位通用定时器，可用于产生采样周期，作为全比较单元产生PWM输出以及软件定的时基。通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式和连续增/减计数模式。每个通用定时器都有一个相关的比较寄存器TxCMPR和一个PWM输出引脚TxPWM。每个通用定时器都可以独立地用于提供PWM输出通道，可产生非对称或对称PWM波形，因此，四个通用定时器最多可提供4路PWM输出。另外，EV还包括一个能够快速封锁输出的外部引脚
PDPINTx，其状态可从COMCONx寄存器获得。
(7)全比较单元。每个事件管理器模块有3个全比较单元（1、2和3（EVA）；
4、5和6（EVB）），每个比较单元各有一个16位比较寄存器CMPRx（对于EVA 模块，x=1，2，3；对于EVB模块，x=4，5，6），各有两个CMP/PWM输出引脚，可产生2路PWM输出信号控制功率器件，其输出引脚极性由控制寄存器（ACTR）的控制位来决定，根据需要，选择高电平或低电平作为开通信号，通过设置不同的工作方式，可选择输出对称PWM波形、非对称PWM波形或空间矢量PWM波形。
(8)正交编码脉冲电路。正交编码脉冲（QEP）电路可以对引脚CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数，可以直接处理光电编码器的2路正交编码脉冲，正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期的固定相位偏移，对输入的2路正交信号进行鉴相和4倍频。通过检测2路信号的相位关系可以判断电机的正/反转，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向，电机的角速度可以通过脉冲的频率测出。
(9)捕获单元。捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变，两个事件管理器模块总共有六个捕获单元。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向CPU 发中断请求。
(10)可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。
(11)A/D转换模块。包括两个带采样/保持的各8路10位A/D转换器，具有可编程自动排序功能，一次可执行最多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。A/D 转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即启动等三种方式。最快A/D转换时间为500ns。
(12)控制器局域网（CAN）模块。是现场总线的一种，主要用于各种设备的监测及控制。
(13)串行通信口。TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通信口（SCI）和一个同步串行外设通讯口（SPI），用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。SCI即通用异步收发器（UART）支持RS-232和RS-485的工业标准全双工通信模式，用来与上位机的通信；SPI可用于同步数据通信，典型应用包括
TMS320LF2407A之间构成多机系统和外部I/O扩展，如显示驱动。
(14)锁相环电路（PLL）和等待状态发生器。前者用于实现时钟选项；后者可通过软件编程产生用于用户需要的等待周期，以配合外围低速器件的使用。
(15)数字I/O。TMS320LF2407A有41个通用、双向的数字I/O引脚，其中大多数都是基本功能和一般I/O复用引脚。
(16)外部中断。有五个外部中断（功率驱动保护、复位、不可屏蔽中断NMI 及两个可屏蔽中断）。
(18)很宽的工作温度范围，普通级：-40℃～125℃。
TMS320LF2407A为高性能的控制提供先进、可靠、高效的信号处理与控制的平台，它将数字信号处理的运算能力与面向高性能控制的能力集于一体，可以实现用软件取代模拟器件，可方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障监测、自诊断和上位机管理与通信等功能，将成为控制系统开发的主流处理器，可广泛应用于：工业电机驱动；能量交换器如UPS、通信电源；自动化系统如电力控制、抗锁死制动；磁盘/光盘伺服控制和大容量存储产品；打印机、复印机和其它办公产品；仪器、仪表；机器人控制等。
5.1.2 DSP的电源供电
TI的DSP上有5类典型的电源引脚：
(1)CPU核电源引脚（3.3V）
(2)I/O电源引脚（3.3V）
(3)PLL电路电源引脚（3.3V）
(4)FLASH编程电源引脚（5V）
(5)模拟电路电源引脚（3.3V）
由此可见，除了FLASH编程电源引脚，TMS320LF2407A的其它电源引脚都采用3.3V电压，减小了芯片功耗。但常用直流电源为5V，因此必须考虑电平转换问题。一种方法是直接采用可调直流电源获得3.3V电压，但这样很难保证电源电压的稳定性，影响DSP的正常运行。另一种方法是采用专门的电源转换芯片，将5V电压降为3.3V。为了得到适合TMS320LF2407A的3.3V供电要求，使用了TI推荐的TPS7333，输出3.3V/500mA。7333输出后的10uF和0.1uF的电容不能省略，否则得不到稳定的3.3V电压。电源转换电路如图2所示。其中，2mm的
电源插孔J1标识为内正外负，＋5V稳压直流电源输入。
图2 电源转换电路
需要注意的是，CPU内核要先于I/O上电，后于I/O掉电，CPU内核与I/O 供电尽可能同时，二者时间相差不能太久（一般不能长于1s，否则会影响器件的寿命或损坏器件）。
5.1.3 JTAG接口电路设计
由于TMS320LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等原因，传统的并行仿真方式已不适合于TMS320LF2407A的开发应用。TMS320LF2407A具有5线JTAG（边界扫描逻辑）串行仿真接口，用于扫描引脚到引脚的连续性，能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。JTAG是主流的片上调试技术，它已经被IEEE 1149.1标准所采纳。
JTAG接口电路的原理如图3所示。
图3 JTAG接口电路的原理图
5.1.4时钟电路
LF2407A的时钟使用嵌入到DSP内核的锁相环（PLL）电路，可以从一个较低的外部时钟合成片内时钟（最高达40MHz），并可将内部时钟输出到片外。
时钟模块电路如图4所示。其中，电容C3和C4的必须为无极性电容，在不同的振荡器频率下，C3、C4、R1的取值不同。
图4 锁相环时钟模块
可见，锁相环时钟来源于晶振或外部时钟源，且需要外部的滤波回路（PLLF1 与PLLF2之间）来抑制信号抖动和干扰。外部时钟信号经PLL倍频后形成DSP 芯片的工作时钟源。
LF2407A的时钟域有两种：
(1)CPU时钟。它是大部分CPU内部逻辑电路使用的时钟。它是外部时钟信号经PLL倍频而形成的，倍频系数由系统控制寄存器SCSR1设定，复位后默认值是0.5倍频。
(2)系统时钟。它主要有外设时钟和CPU中断时钟。其中外设时钟主要为片内外设（如ADC、SCI等）服务，能各自设置，来源于CPU时钟的输出CLKOUT。而CPU中断时钟是为中断过程服务的。
用于看门狗（Watch Dog）电路的时钟WDCLK也是来源于CLKOUT时钟。
5.1.5复位电路
LF2407A有两种复位源，外部复位引脚复位和看门狗复位。外部复位引脚RS （133）是一个I/O脚，正常状态通过上拉电阻接电源。当有内部复位事件发生时，该引脚被驱动为低电平输出方式，给系统中其它芯片提供复位信号；当有外部复位事件发生（手动复位、上电复位、欠电压复位等）时，该引脚为输入方式，同时将复位中断向量0000H加载到程序计数器PC中，使程序重新开始执行。
所谓看门狗，其实是一个定时器电路。该定时器的特点是，只要该电路被使能，它就会自动不停地计数。因此必须在规定时间内将其复位，使之重新从零开
始计数，否则定时器满而上溢，就会产生系统复位中断。这样，在正常情况下，程序应在规定时间内，在不同的地方不断地将看门狗的计时器复位清零，定时器就不会因上溢而发出复位信号。当程序跑飞或者死机时，看门狗定时器得不到复位，就会产生上溢从而复位系统，将系统从混乱状态拉回到复位状态，系统重新开始运行。因此看门狗电路提高了系统的可靠性和完整性。
TL7705A具有处理上电复位、欠电压检测复位、手动复位的功能。本系统用它来实现外部复位信号管理功能，其复位信号输出引脚与DSP的复位引脚RS相连，电路如图5所示。在系统运行时，有可能发生干扰和被干扰，严重时甚至会出现死机现象。这时，利用硬件解决问题将显得十分方便。
图5 复位电路
而看门狗总是被使能的，它的操作不依赖于CPU，不需要任何初始化。因此为了避免过早发生复位，看门狗的设置应在上电时开始。如果不想使用看门功能则可采用两种方法禁止它：一是在器件复位期间给Vcpp引脚提供5V电压，二是设置看门狗控制寄存器WDCR中的位WDDIS=1。
5.1.6片外存储器
LF2407A DSP采用独立的数据存储器、程序存储器和I/O空间，即他们可以有相同的地址，而它们的访问通过控制线来区分。LF2407A DSP有64K的16位数据存储器空间，低半部分的32K字内部存储器地址空间，即0000h-7FFFh的分配主要有如下几种情况：一部分保留用作测试；一部分用户不可访问，如果用户非法访问这些地址会产生NMI不可屏蔽中断；一部分被RAM占用；一部分映射给多种寄存器；其它，如密码或外部存储器。另外，地址范围是8000h-FFFFh的高
半部分32K字留给外部数据存储器空间。
LF2407A可以访问的程序存储空间为64K字，根据MP/MC引脚的电平决定配置方式。当MP/MC引脚为低电平时，片内Flash存储空间使能，地址范围是0000h-7FFFh，8000h-FFFFh的地址留给外部程序存储器，是为微控制器方式。当MP/MC为高电平时，片内Flash被禁止，64K字存储空间全部位于外部程序存储器中，即只能从片外存储器中读取数据，是为微处理器方式。
TI公司的存储器如此设置给用户提供了很大的灵活性。当用户在程序调试阶段时，需经常修改程序，一般应配外部RAM作为程序存储器，以节省开发时间（写Flash较慢）并防止片内Flash过度擦写。此时应先设置DSP处于微处理器方式下运行，可通过MP/MC引脚拉高实现，或者在仿真环境下通过gel语句实现。当程序不需要修改时，则可将其烧写在Flash中，然后让DSP工作在微控制器方式下。
而且，作为机器人的控制系统，DSP的RAM是不能够满足工作需求的，而掩膜ROM需要由用户将程序代码提交TI来完成，因此，需要给TMS320LF2407A外围电路接入一片RAM，作为它的外扩数据存储器和程序存储器。可采取如图6的方式连接。
图6 片外存储器的连接
其中，CY7C1021是高速的64K字3.3V的RAM芯片。此种连接，是将其64K 字的低32K字作程序空间，而高32K字作数据空间。上电后，芯片处于微控制器方式下工作，在下载调试程序前设置系统配置寄存器2（SCSR2，地址7019h）的MP/MC位使之工作在微处理器方式下。这样做的好处是，当程序调试好后要将程序烧写至DSP片内Flash中，使之处于微控制器方式下时，不必改动电路。5.2电机驱动模块
5.2.1直流电机的控制原理
直流电机是最早出现的电机，也是最早能实现调速的电机。长期以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、高质高效平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电机（如交流变频电机、步进电机等）的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍然无其它电机能比。
根据图7直流电机的等效电路，可以得到直流电机的数学模型。
图7 直流电机等效电路
电压方程为：
式中Ua——电枢电压；
Ia——电枢电流；
Ra——电枢电路总电阻；
Ea——感应电动势；
La——电枢电压总电感。
其中感应电动势为： Ea =KeΦn （3-2）
式中Ke——感应电动势计算常数
Φ——每极磁通；
n——电机转速；
将（3-2）代入（3-1）可得：
由式（3-3）可得，直流电机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通Φ进行控制的励磁控制法和对电枢电压Ua进行控制的电枢电压控制法。
励磁控制法是在电机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁
磁通，从而实现调速的。这种调速方法的调速范围小，在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压来实现调速的。在调速时，保持电枢电流不变，即保持电机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大的调速范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。
5.2.2 PWM调速原理
对电机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动和开关驱动方式。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，最常用的一种方法就是通过脉宽调制（PWM）来控制电机电枢电压，将数字量调制成满足控制策略的各种波形，最后施加到被控对象上，实现调速。调制技术的核心就是产生周期不变但脉宽可变的信号。周期不变意味着以同样的调制频率工作，脉宽可变意味着可以得到不同的波形。
图8是利用开关管对直流电机进行PWM调速控制的原理图。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管道通，直流电机电枢绕组两端的电压Us。t1时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为零。t2时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电机电枢绕组两端的电压平均值Ua为：
式中，α为占空比。占空比α表示了在一个周期T里，开关管道通的时间长短与周期的比值。α的变化范围为0≤α≤1。由式（3-4）可知，当电源电压Us 不变的情况下，电枢的端电压的平均值Ua取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
图8 PWM调速控制原理图
5.3 速度检测模块
精确的电机控制是机器人完成特定任务的基础。湖面清扫智能机器人共需要3个电机，其中，一个电机控制机器人的垃圾收集装置，另外两个电机控制机器人的前进速度。要想保证机器人良好的运动性能，一定要对控制速度的左右电机进行协调，所以电机速度的检测十分重要。
TMS320LF2407A内置正交编码脉冲电路（QEP），可自动识别由外部引脚上输入的正交编码脉冲的方向（正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置、速度等信息），记录脉冲的个数，这为机器人的运动控制提供了方便。
正交编码脉冲电路的输入引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（对于EVA模块）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（对于EVB模块）与捕获单元1，2和单元4，5的输入引脚复用，当使能了正交编码脉冲电路时，相应引脚上的捕获功能将被禁止，正交编码脉冲电路会对引脚上的正交编码脉冲进行解码和计数，正交编码脉冲是两个频率变化且正交（即相位相差90度）的脉冲，正交编码脉冲电路的方向检测逻辑测定哪个脉冲序列的相位领先，然后产生一个方向信号作为选定定时器的方向输入。具体如图9所示。如果CAP1/QEP1输入为相位领先的脉冲序列，则选定的定时器递增计数，如果CAP2/QEP2输入为相位领先的脉冲序列，则选定的定时
器递减计数。两个正交编码输入脉冲的两个沿均被计数，因此送到定时器的时钟频率是每个输入序列频率的四倍。这个产生的时钟与选定的定时器的时钟输入端相连。这样，将正交编码脉冲电路与外部的编码器相连，就可以方便地获得电机旋转的速度大小和方向信息，为测试和控制提供了有利条件。
图9 正交编码脉冲解码和计数方向
正交编码脉冲电路的具体使用步骤如下：
(1)选择时基。正交编码脉冲电路的时基可由通用定时器2，4提供，通用定时器必须设置成定向增/减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源。
(2)将光电编码器的两路脉冲信号接至输入引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2或
CAP4/QEP3和CAP5/QEP4上。接着它就产生方向信号作为通用定时器2，4的计数方向输入。
(3)这样一来，通用定时控制寄存器GPTCONA/B的TxSTAT位反映了正交光
电编码器脉冲信号的方向，计数寄存器T2CNT和T4CNT的值反映了正交光电编码器对应的位置和速度。用正交编码脉冲电路作为时钟输入的通用定时器的周期、下溢、上溢和比较中断标志将产生于各自的匹配发生时。如果中断没有被屏蔽，则将产生外设中断请求信号。
5.4串行通信模块
TMS320LF2407A DSP片内集成有异步串行通信接口（SCI）模块，支持DSP 与其它使用标准格式的异步外设之间的串行通信。本文利用语音模块电路板上的串行口与DSP进行通信，实现机器人的语音控制功能。
SCI模块的主要特征如下：
(1)两个I/O引脚：
SCIRXD：SCI的数据接收引脚
SCITXD：SCI的数据发送引脚
不使用SCI时，这两个引脚可作通用I/O引脚。
(2)可对一个16位波特率选择器进行编程，从而获得64K种不同的波特率，在40MHz的CPU时钟下，波特率的范围为76b/s～2500kb/s。
(3)数据位的长度为1位～8位，可编程设定。
(4)发送和接收都具有缓冲功能。
(5)发送和接收都可工作在查询或中断方式下，具有下述标志位：
发送器：TXRDY，发送准备好，即发送缓冲器准备接收另一来自本机CPU
送出的字符；TX EMPTY，发送移位寄存器空。
接收器：RXRDY，接收缓冲器准备接收另一字符；BRKDT，间接错误；
RX ERROR，接收错误标志。
(6)发送器和接收器都具有独立的中断使能位，上述的五个标志中，除TX EMPTY外都能产生中断申请。
(7)接收错误中断，可由多个错误条件产生。
发送器及其相关的寄存器主要完成将并行数据串行发出的功能。接收器及其
相关的寄存器的主要作用是将接收到的串行数据转换成字节形式。发送器和接收器可以独立或同时工作，清扫机器人的控制系统主要使用SCI的接收功能。SCI 的接收器内部时钟频率是异步通信时钟频率的8倍，即异步通信的每一位。都占8个SCI内部周期，如图10所示。
图10 异步通信的数据格式
SCI内部时钟连续地对SCIRXD数据引脚进行检测，当连续四个内部周期检测到低电平时，SCI即认为数据线上出现了起始位。在此后再过四个周期就认为是数据位的开始。在每个预期的数据位中的第4、5、6个脉冲的下降沿采样数据线，并按多数表决的原则来确定该位的状态。即三次采样中如果有两次采到高（低）电平，即认为此数据位为1（0）。这样比一次采样更合理，有利于抗干扰。图11是TMS320LF2407A串行通信接口电路，该电路采用了符合RS-232标准
的驱动芯片MAX232，进行串行通信。
图11 TMS320LF2407A与MAX232接口电路
5.5 ADC模块
LF2407A DSP具有一个16位的数模转换（ADC）模块，能达到500ns以内的转换速度，可以直接用于电机或运动控制场合。机器人的电池电压通过ADC转换成数字信号，当电池电压低于警戒值时，发出电池能量不足的警告信息。ADC模块具有自动排序功能，一次转换操作可以处理多达16个的“自动转换”每个转
换操作可通过编程来选择16个输入通道中的一个。两个独立的8状态排序器（SEQ1和SEQ2），可以独立工作在双排序器模式，或者级联成16状态排序模式（SEQ）。本系统采用的是双排序模式，扩展通道0。DSP能接受的A/D信号在0～3.3V，本系统直接使用的系统的3.3V。在输入DSP之前，为了维持信号源输入阻抗的匹配，在模拟量和DSP输入管脚之间加了一个跟随器来增大阻抗。跟随器采用芯片LM358，如图12所示。AD_SIG0表示的是电池的实际电压值，ADCIN0为DSP相应引脚。
图12 A/D调理电路
5.6 传感器简介
无感知能力的机器人操作程序是预先制定的，并按照预定程序重复无误地完成确定的任务，它们缺乏适应性。而许多机器人的应用需要感知，根据感知的信息改进计算机的控制。
(1)红外接近觉传感器
红外接近觉传感器是移动机器人最常用的避障传感器之一。这种传感器能够检测出障碍物的存在以及其它潜在危险。红外接近觉传感器由发送器和接收器两部分组成，每部分都有一定的有限视场。传感器只能检测到那些位于发送器视场和接收器视场的交叉区域内的障碍物，因此，单个的红外接近觉传感器不可避免地存在多个盲区。采用多个红外发送器和接收器可以减少盲区的数量。由于发送器和接收器的价格非常低，因此采用多套红外接近觉传感器是完全可行的。考虑到湖面机器人的障碍物比较单一，本系统采用两套红外接近觉传感器。
(2)光束中断传感器
光电式传感器非接触地探测物体，广泛用于许多自动化领域。光束中断传感器的发射器和接收器分别安装在不同的盒子中，当光束被中断时，输出开关信号。因为垃圾漂浮在水面，所以机器人垃圾仓口的上半部露出水面，下半部则在水面之下以便收集垃圾。光束中断传感器被安放在垃圾仓靠近底部的位置，由于垃圾上浮，因此当垃圾仓没有满时，垃圾不会触动光束中断传感器；当垃圾渐渐增多，垃圾仓中的部分垃圾将被新进的垃圾挤到垃圾仓下部以致触动光束中断传感器，从而发送垃圾仓满信号。机器人控制系统的电池电压测量没有单独使用传感器，而是通过DSP的ADC模块实现的。机器人的电池电压通过ADC转换成数字信号，当电池电压低于警戒值时，发出电池能量不足的信息。
5.7硬件设计中需要注意的问题
(1)DSP系统未用引脚的处理
·DSP的引脚较多，TMS320LF2407A共有144个引脚，设计系统时未必都能用上，应正确处理未用的引脚以免引入干扰或带来不必要的麻烦。设计时应正确处理未用的输入引脚；某些输入引脚，虽然已被其它电路驱动，但有时可能会处于高阻态，这些引脚也应小心处理；
·对于重要的控制引脚应将它们配置成无效状态；
·对于未用的1/O引脚，或将其当作输入引脚处理，或配置为输出让其悬空不接。
(2)设计中其它应注意的问题
必须考虑时序关系，保留一定的余量；
重要的信号应加测试点，可使用LED发光管对输出电平进行测试，使用按键来模拟输入电平信号进行测试，硬件连接如图13所示。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文） 课程名称：自动控制理论课程设计 设计题目：直线一级倒立摆控制器设计 院系：电气学院电气工程系 班级： 设计者： 学号： 指导教师： 设计时间：2016.6.6-2016.6.19 手机： 工业大学教务处
*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
直线一级倒立摆控制器设计 摘要：采用牛顿—欧拉方法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型。采用MATLAB 分析了系统开环时倒立摆的不稳定性，运用根轨迹法设计了控制器，增加了系统的零极点以保证系统稳定。采用固高科技所提供的控制器程序在MATLAB中进行仿真分析，将电脑与倒立摆连接进行实时控制。在MATLAB中分析了系统的动态响应与稳态指标，检验了自动控制理论的正确性和实用性。 0.引言 摆是进行控制理论研究的典型实验平台，可以分为倒立摆和顺摆。许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，通过倒立摆系统实验来验证我们所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了理解。由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法。 本次课程设计中以一阶倒立摆为被控对象，了解了用古典控制理论设计控制器(如PID控制器)的设计方法和用现代控制理论设计控制器(极点配置)的设计方法，掌握MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法。 1.系统建模 一级倒立摆系统结构示意图和系统框图如下。其基本的工作过程是光电码盘1采集伺服小车的速度、位移信号并反馈给伺服和运动控制卡，光电码盘2采集摆杆的角度、角速度信号并反馈给运动控制卡，计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策(小车运动方向、移动速度、加速度等)，并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，通过皮带带动小车运动从而保持摆杆平衡。
火灾自动报警及消防联动控制系统设计说明 1、系统构成： (1)火灾自动报警系统 (2)消防联动控制 (3)火灾应急广播系统 (4)消防直通对讲电话系统 (5)漏电火灾报警系统 (6)大空间智能型灭火装置集中控制系统（消防水炮控制系统） (7)智能消防应急疏散照明指示灯系统 2.系统概况： （1）本工程为一类防火建筑.火灾自动报警的保护等级按特级设置.设控制中心报警系统和消防联动控制系统。 （2）.系统组成:火灾自动报警系统；消防联动控制系统；火灾应急广播系统；消防直通电话对讲系统；漏电火灾报警系统；大空间智能型灭火装置集中控制系统（消防水炮控制系统）；智能消防应急疏散照明指示灯系统。 3.消防控制室: （1）本工程的消防控制室设置在一层西侧，负责本工程全部火灾报警及联动控制系统，设有直接通室外的出口. （2）消防控制室可联动所有与消防有关的设备。 （3）消防控制室的报警联动设备由火灾报警控制主机、联动控制台、CRT显示器、打印机、广播设备、消防直通对讲电话设备、电源设备等组成。 （4）消防控制室可接收感烟、感温、可燃气体等探测器的火灾报警信号及水流指示器、检修阀、压力报警阀、手动报警按钮、消火栓按钮以及消防水炮的动作信号。 （5）消防控制室可显示消防水池、消防水箱水位，显示消防水泵等的电源及运行情况。 4.火灾自动报警系统： （1）本工程采用消防控制室报警控制系统，火灾自动报警系统按四总线设计。 （2）探测器：柴油发电机房、厨房、车库等处设置感温探测器，直燃机房设防爆型可燃气体探测器，其他场所设置感烟探测器。 （3）探测器安装：探测器与灯具的水平净距应大于0.2m；至墙边、梁边或其他遮挡物
JIANG SU UNIVERSITY 机电系统综合课程设计 ——模块化生产教学系统的PLC控制系统设计 学院：机械学院 班级：机械 (卓越14002) 姓名：张文飞 学号： 3140301171 指导教师：毛卫平 2017年 6月
目录 一： MPS系统的第4站PLC控制设计 (3) 1.1第四站组成及结构 (3) 1.2 气动回路图 (3) 1.3 PLC的I/O分配表，I/O接线图（1、3、6站电气线路图） (4) 1.4 顺序流程图&梯形图 (5) 1.5 触摸屏控制画面及说明，控制、信息软元件地址表 (10) 1.6 组态王控制画面及说明 (13) 二： MPS系统的两站联网PLC控制设计 (14) 2.1 PLC和PLC之间联网通信的顺序流程图（两站）&从站梯形图 (14) 2.2 通讯软元件地址表 (14) 三：调试过程中遇到的问题及解决方法 (18) 四：设计的收获和体会 (19) 五：参考文献 (20)
一：MPS系统的第4站PLC控制设计 1.1第四站组成及结构： 由吸盘机械手、上下摆臂部件、料仓换位部件、工件推出部件、真空发生器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成选择要安装工件的料仓，将工件从料仓中推出，将工件安装到位。 1．吸盘机械手臂机构：机械手臂、皮带传动结构真空吸嘴组成。由上下摆臂装置带动其旋转完成吸取小工件到放小工件完成组装流程的过程。 2．上下摆臂结构：由摆臂缸（直线缸）摆臂机械装置组成。将气缸直线运动转化为手臂旋转运动。带动手臂完成组装流程。 3．仓料换位机构：由机构端头换仓缸带动仓位装置实现换位（蓝、黑工件切换）。 4．推料机构：由推料缸与机械部件载料平台组成。在手臂离开时将工件推出完成上料。 5．真空发生器：当手臂在工件上方时，真空发生器通气吸盘吸气。 5．I/O接口板：将桌面上的输入与输出信号通过电缆C1与PLC的I/O相连。 6．控制面板：完成设备启动上电等操作。（具体在按钮上有标签说明）。
KTV点歌系统概要设计说明书
1. 引言 1.1目的 选歌系统是为某KTV唱吧开发的视频歌曲点唱软件。该软件能方便顾客进行选歌，帮助系统管理员管理歌曲的播放，提高KTV歌曲点唱的效率和准确率。 本文档为该系统的概要设计说明书，详细阐述了对用户所提出需求的设计方案，对系统中的各项功能需求、技术需求、实现环境及所使用的实现技术进行了明确定义。同时，对软件应具有的功能和性能及其他有效性需求也进行了定义。 1.2项目背景 ●系统名称：选歌系统 ●项目提出者：某KTV唱吧 ●项目开发者： ●项目管理者： ●最终用户：某KTV唱吧 1.3术语定义 实现环境：系统运行的目标软件、硬件环境。 实现技术：系统所采用的软件技术或体系结构。 实现语言或工具：实现系统最终采用的编程语言或工具包，如Delphi、VB、PB、Java、Ada等。 参考资料 1)新余电视点播系统； 2)某KTV唱吧《视频点歌系统计划任务书》； 本项目所参照的文件有： 3)康博工作室，《Visual Basic 新起点》，机械工业出版社，2000
2. 系统概述 2.1系统需求 2.1.1系统目标 本软件是为某KTV唱吧开发的视频点歌系统软件。该软件用于提高点歌系统的工作效率。随着人们业余生活的丰富，休闲活动的多种多样，人们更多的喜欢选择KTV这种形式的娱乐方式。且随着计算机普及，点歌系统越来越智能化，人性化；一个好的音乐唱吧必须要拥有一个方便、快捷、准确的点歌系统，因此，急需一个软件系统解决这些问题。本软件应能结合当前选歌播放手工操作的流程以及将来业务发展的需要，对视频点歌系统中歌曲信息、歌手信息、最新排行榜等等的查询、更新提供完全的计算机管理。 2.1.2性能需求 数据精确度 数量值：精确到小数后一位； 时间值：精确到日，并以yyyy/mm/dd的形式表示； 价格值：精确到分，并以.XX的形式表示。 时间特性 页面响应时间：不超过10秒 更新处理时间：不超过15秒 数据转换与传输时间：不超过30秒。 适应性 1) 开发基于的平台要考虑向上兼容性，如操作系统，数据库等要考虑更高版本的兼容 性。 2) 当需求发生变化时系统应具有一定的适应能力，要求系统能够为将来的变更提供以 下支持：能够在系统变更用户界面和数据库设计，甚至在更换新的DBMS后，系统的现有设计和编码能够最大程度的重用，以保护现阶段的投资和保证软件系统能够在较少后续投入的情况下适应系统的扩展和更新。在设计中最好列出针对变更所需要重新设计的模块部分
课程设计（论文） 题目：抢答器PLC控制系统设计 学院：机电工程学院 专业班级：09级机械工程及自动化03班 指导教师：肖渊职称：副教授 学生姓名：王帅 学号： 40902010317
目录 第1章概述 (1) 1.1 PLC的发展 (1) 1.2 PLC的应用 (2) 第2章抢答器系统的总体设计 (3) 2.1 抢答器电气控制系统设计要求 (3) 2.2 抢答器系统组成 (3) 2.3抢答器的流程图 (4) 第3章硬件系统设计 (5) 3.1 硬件接线图 (5) 3.2 Ｉ/Ｏ端子分配表 (6) 3.3 七段显示管的设计 (6) 第4章软件系统的设计 (8) 4.1 程序指令 (8) 4.2 工作过程分析 (11) 第5章总结 (13) 参考文献 (14) 附录一 (14)
第1章概述 可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。可编程控制器(Programmable Logic Controller)即PLC。现已广泛应用于工业控制的各个领域。他以微处理为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时，计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。美国电气制造商协会经过4年调查，与1980年将其正式命名为可编程控制器（Programmable Controller），简写为PC。后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑（Personal Computer），为了区别，现在也把可编程控制器称为PLC。 1.1 PLC的发展 20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目录 第1章引言·1 1.1 可编程控制器的简单介绍··1 1.2 西门子S7-200 的简单介绍··4 1.3 C650卧式车床简述··5 第2章继电接触器控制系统设计·7 2.1 C650卧式车床的控制要求··7 2.2 电气控制线路分析··7 2.3 C650卧式车床电气控制线路的特点··9 第3章C65O普通车床的PLC 设计过程·10 3.1 控制要求··10 3.2 方案说明··10 3.3 确定I/O信号数量，选择PLC的类型··10 3.4 C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表··11 3.5 控制电路设计··11 3.6 PLC控制程序设计··13 3.7 C650普通车床控制系统PLC控制程序语句表··15 3.8 系统调试··18 结论·19
设计总结·20谢辞·21 参考文献·22
第1章引言 本设计主要针对C650普通车床进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。 1.1 可编程控制器的简单介绍 1.1.1 PLC的工作原理 PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。 PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自 诊 断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。 1.1.2 可编程序控制器的组成 可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成: 中央处理器（Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU 由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。 电源（Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。 输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU 的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。 输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
在线交易二手市场系统概要设计说明书概要设计说明书 信息与电气工程学院 软工1401 ** 201422******
1.引言 1.1编写目的 此概要设计说明书实现一个简易的基于校园网在线交易二手市场系统，对交易管理系统的总体设计、接口设计、界面总体设计、系统出错处理设计以及系统安全数据进行了说明，在以后的软件测试以及软件维护阶段也可参考此说明书，以便于了解在概要设计过程中所完成的各模块设计结构，或在修改时找出在本阶段设计的不足或错误。 1.2背景 A．待开发软件系统名称为: 在线交易二手市场； B．任务提出者：** 开发者：** C．使用用户能在校园网上进行交易的系统。 D. 按照《在线交易二手市场系统需求分析说明书》为基础来具体细化系统所具备的所有功能及功能的实现方法和接口。 1.3 开发环境 Visual Studio 2010 Mircosoft sql server 2008 Express
PowerDesigner 15.1 1.4定义 本系统:基于校园网的在线交易二手市场系统设计与实现 1.5参考资料 《基于校园网在线交易二手市场需求分析说明书》 《项目计划表》 《校园网在线交易二手市场系统_数据库模型》 2.总体设计 2.1设计目标 基于校园网的在线交易二手市场主要实现以下目标： ⑴为师生提供展示商品及表现学校形象的平台。 ⑵为用户提供商品信息查看、在线商品订购、商品浏览等功能。 ⑶采用动态网页技术，使页面中展示的商品信息更具时效性、先进性。 ⑷提供客户互评及客户给商品评论功能，收集用户对商品的意见及看法。 ⑸提供后台管理页面，简化了用户信息、商品信息、订单信息等系统数据的维护操作。 2.2运行环境
课程设计说明书 课程设计说明书题目：温度控制系统的设计与实现
摘要 温度控制系统是一种典型的过程控制系统，在工业生产中具有极其广泛的应用。温度控制系统的对象存在滞后，它对阶跃信号的响应会推迟一些时间，对自动控制产生不利的影响，因此对温度准确的测量和有效的控制是此类工业控制系统中的重要指标。温度是一个重要的物理量，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一，物体的许多性质和特性都与温度有关，很多重要的过程只有在一定温度范围内才能有效的进行，因此，对温度的精确测量和可靠控制，在工业生产和科学研究中就具有很重要的意义。 本文阐述了过程控制系统的概念，介绍了一种温度控制系统建模与控制，以电热水壶为被控对象，通过实验的方法建立温度控制系统的数学模型，采用了PID算法进行系统的设计，达到了比较好的控制目的。 关键词：温度控制；建模；自动控制；过程控制；PID
Abstract In industrial production with extremely extensive application, temperature control system is a typical process control system.Temperature control system has the larger inertia. It is the response signal to step off some of time.And it produces the adverse effect to the temperature measurement. The control system is the important industrial control index. Temperature is an important parameters in the process of industrial production. Also it is one of the main parameters of objects, many properties and characteristics of temperature, many important process only under certain temperature range can efficiently work. Therefore, the precise measurement of temperature control, reliable industrial production and scientific research has very important significance. This paper discusses the concept of process control system and introduces a kind of temperature control system .The electric kettle is the controlled object, PID algorithm is used for system design,through experience method to get the model of temperature control system and we can get the controlied response well. Keywords：Temperature control; Mathematical modeling; Automatic control; Process control; PID
控制系统数字仿真课程设计 1．课程设计应达到的目的 1、通过Matlab仿真熟悉课程设计的基本流程； 2、掌握控制系统的数学建模及传递函数的构造； 3、掌握控制系统性能的根轨迹分析； 4、学会分析系统的性能指标； 2．课程设计题目及要求 设计要求 1、进行系统总体设计，画出原理框图。（按给出的形式，自行构造数学模型，构造成1 个零点，三个极点的三阶系统，主导极点是一对共轭复根） G（s）=10(s+2)/(s+1)(s2+2s+6) 2、构造系统传递函数，利用MATLAB绘画系统的开环和闭环零极点图；(分别得 到闭环和开环的零极点图)参考课本P149页例题4-30 clear; num = [10,20]; den =[1 3 8 6]; pzmap(num,den) 3、利用MATLAB绘画根轨迹图，分析系统随着根轨迹增益变化的性能。并估算超 调量=16.3%时的K值（计算得到）。参考课本P149页例题4-31 clear num=[10,20]; den=[1 3 8 6]; sys=tf(num,den); rlocus(sys) hold on jjx(sys); s=jjx(sys); [k,Wcg]=imwk(sys)
set(findobj('marker','x'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); set(findobj('marker','o'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); function s=jjx(sys) sys=tf(sys); num=sys.num{1}; den=sys.den{1}; p=roots(den); z=roots(num); n=length(p); m=length(z); if n>m s=(sum(p)-sum(z))/(n-m) sd=[]; if nargout<1 for i=1:n-m sd=[sd,s] end sysa=zpk([],sd,1); hold on; [r,k]=rlocus(sysa); for i=1:n-m plot(real(r(i,:)),imag(r(i,:)),'k:'); end end else disp; s=[]; end function [k,wcg]=imwk(sys) sys=tf(sys) num=sys.num{1} den=sys.den{1}; asys=allmargin(sys); wcg=asys.GMFrequency; k=asys. GainMargin;
中北大学 课程设计说明书 学院、系：软件学院 专业：软件工程 班级：13140A05 学生姓名：学号： 设计题目：基于Windows的线程控制与同步 起迄日期: 2015年12月28日~2016年1月8日指导教师: 日期: 2015年12月25日
一、设计目的 进程同步是处理机管理中一个重要的概念。本设计要求学生理解和掌握Windows中线程控制与同步机制的相关API函数的功能，能够利用这些函数进行编程。 二、任务概述 (1)实现生产者-消费者问题。 (2)实现读/写者问题。 (3)实现哲学家就餐问题。 三、总体设计 （1）生产者-消费者问题。是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。 （2）读/写者问题。创建一个控制台程序，此程序包含n个线程。用这n个线程来表示n个读者或写者。每个线程按相应测试数据文件(后面有介绍)的要求进行读写操作。用信号量机制分别实现读者优先或写者优先的读者-写者问题。 （3）实现哲学家就餐问题。用来演示在并行计算中多线程同步(Synchronization)时产生的问题。在1971年，著名的计算机科学家艾兹格·迪科斯彻提出了一个同步问题，即假设有五台计算机都试图访问五份共享的磁带驱动器。稍后，这个问题被托尼·霍尔重新表述为哲学家就餐问题。这个问题可以用来解释死锁和资源耗尽。有服务生解法，资源分级解法，Chandy/Misra解法。 四、详细设计函数 (1)生产者-消费者问题 #include
电梯控制系统设计设计说明
第 1 页共 3 页 编号： 毕业设计说明书 题目：电梯控制系统设计 院（系）：电子工程与自动化学院 专业：电子信息科学与技术专业 学生姓名： 学号：0900840218 指导教师：李莉 职称：讲师 题目类型：理论研究实验研究工程设计√软件开发 2013年5月20日
第 3 页共 39 页 摘要 本设计主要利用AT89S52单片机，实现电梯控制系统的设计。单片机与电机驱动电路的结合完成了电梯基本的升降、楼层停靠、方向选择、时间控制等基本功能，研究并实现了在上位机的模式下通过LABVIEW的远程监测的方法，完成了系统样机的设计与制作。 本设计参照了通用电梯的设计标准，有良好的操作界面和通用的外部接口，具有人性化设计，实现较好的外设兼容性。同时在系统样机中完成的其它设计研究还包括，利用LED和蜂鸣器组成的简单电路实现电梯意外声光报警、利用数码管实现电梯楼层显示，利用4x4矩阵键盘实现电梯楼层按键选择，利用LED实现目的楼层的指示，利用MAX232串口电路实现串口通信，来监测电梯实时状态。样机使用的主要器件包括低功耗、高性能的AT89S52单片机，低功耗、低成本、低电压的MAX232，双全桥电机专用驱动芯片L298，共阴极八段数码管，4x4矩阵键盘等，通过比较合理的设计使样机系统基本达到了任务要求，并具有很高的性价比，硬件设计简单可靠。软件部分使用keil软件进行C语言程序编写，用proteus 7软件进行仿真调试。本设计中综合使用了数字电路、模拟电路、高频电路、单片机及编程、硬件逻辑描述、LABVIEW及其应用以及计算机辅助设计（CAD）等多方面的知识，软硬件结合，很好地完成了本科毕业设计任务要求并取得了良好的学习效果。 关键词：AT89C52；单片机；电梯控制系统； C语言
目录 有害气体的检测、报警、抽排.................. . (2) 1 意义与要求 (2) 1.1 意义 (2) 1.2 设计要求 (2) 2 设计总体方案 (2) 2.1 设计思路 (2) 2.2 总体设计方框图 2.3 完整原理图 (4) 2.4 PCB制图 (5) 3设计原理分析 (6) 3.1 气敏传感器工作原理 (7) 3.2 声光报警控制电路 (7) 3.3 排气电路工作原理 (8) 3.4 整体工作原理说明 (9) 4 所用芯片及其他器件说明 (10) 4.1 IC555定时器构成多谐振荡电路图 (11) 5 附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件 (12) 6.设计体会和小结 (13)
有害气体的检测、报警、抽排 1 意义与要求 1.1.1 意义 日常生活中经常发生煤气或者其他有毒气体泄漏的事故，给人们的生命财产安全带来了极大的危害。因此，及时检测出人们生活环境中存在的有害气体并将其排除是保障人们正常生活的关键。本人运用所学的电子技术知识，联系实际，设计出一套有毒气体的检测电路，可以在有毒气体超标时及时抽排出有害气体，使人们的生命健康有一个保障。 1.2 设计要求 当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示。当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。 2 设计总体方案 2.1 设计思路 利用QM—N5气敏传感器检测有毒气体，根据其工作原理构成一种气敏控制自动排气电路。电路由气体检测电路、电子开关电路、报警电路、和气体排放电路构成。当有害气体达到一定浓度时，QM—N5检测到有毒气体，元件两极电阻变的很小，继电器开关闭合，使得555芯片组成的多谐电路产生方波信号，驱动发光二极管间歇发光；同时LC179工作，驱使蜂鸣器间断发出声音；此时排气系统会开始抽排有毒气体。当气体被排出，浓度低于气敏传感器所能感应的范围时，电路回复到自动检测状态。
[招生管理系统] 概要设计说明书 [V1.0(版本号)] 拟制人______________________ 审核人______________________ 批准人______________________ [二零零八年十月二十二日]
概要设计说明书 1．引言 1.1编写目的 本说明书交给各个被调研单位审核，并经领导层讨论通过后，软件开发小组成员将以这本说明书为框架开发新的系统。 1.2背景 a.待开发软件系统的名称： 基于XML的网上招生管理系统 b.本项目的任务提出者: 石河子大学 c.本项目开发者 d.本项目用户 石河子大学招生办 1.3定义 [列出本文件中用到的专门术语的定义和外文首字母组词的原词组。] 1.4参考资料 《软件工程》 2．总体设计 2.1需求规定 2.1.1功能规定
2.1.2系统功能 能对各招生子单位进行管理 能添加、修改、删除、考生信息 能对考生进行分类管理 能将考生信息导出至网上信息发布子系统 能根据各分类统计考生信息 能添加新的管理员 能修改管理员的密码 2.1.2.1精度 由于采用数据库技术并且用户的应用领域对数据精确度的要求不高，所以这点在系统中表现得比较少，但是用户数据的安全性与正确性是完全保证的，所以对用户的使用没有多大的障碍。 2.1.2.2时间特性要求 本系统的数据库较小，所以程序在响应时间，数据更新处理时间上性能是比较突出的。而且也正由于数据量相对较少，故在数据传输时间和系统运行时间上表现的较让人满意。 2.1.2.4可靠性 由于系统较小只保留一定程度上的可靠性。 2.1.2.5灵活性 由于系统较小只保留一定程度的灵活性。 2.1.3输入输出要求 2.1.4数据管理能力要求
word 完美格式 题目：自动洗车机电气控制系统设计 专业班级： 姓名： 学号： 指导教师： 评语： 成绩： 指导老师签名： 目录 日期：
1系统概述 . (3) 1.1应用背景及意义 (3) 1.2系统描述及设计要求 (3) 2方案论证 . (4) 3硬件设计 . (6) 3.1系统原理方框图 (6) 3.2系统主电路原理图 (6) 3.3 I/O 分配 (7) 3.4 PLC 选择 (8) 3.5 PLC 控制原理图 (9) 3.6 PLC 控制接线图 (10) 3.7元器件选型 (12) 4软件设计 . (13) 4.1主流程图 (13) 4.2梯形图 (13) 5系统调试 . (18) 设计心得. (20) 参考文献. (20)
1系统概述 1.1 应用背景及意义 汽车行业随着科学技术的发展有了质的飞跃。随着时代发展，人们生活水平提高，人们对汽车的需求逐渐增加，随之而来的便是汽车的保养。其中汽车清洗 便是不可或缺的一项内容。当今社会，高科技的发展实现了各行业的自动化控制， 但是在汽车清洗行业，大部分仍是人工完成。传统洗车业利用人力，对汽车涂抹 泡沫，然后利用水泵对汽车进行冲洗，再在自然光及风等条件下，使清洗后的汽 车进行自然风干。虽然实现汽车清洗，但过分依赖人力，操作时间长，浪费大量 水资源，经济性差，不利于洗车业的发展。目前比较大型的汽车美容公司，虽然 实现了汽车的清洗、打蜡、喷漆等的自动化，但成本高，其自动控制系统不适合 小型的、专门的汽车清洗行业。因此，对于中小型城市，汽车清洗业有着巨大的 发展潜力。如何实现高效、高质量并且适用于小型汽车的自动清洗，就成了汽车 清洗行业发展的必然要求。本次设计采用 PLC控制，通过线路的通断来实现汽车 自动清洗。它可以节省人力、物力资源，高效、准确的完成洗车任务，为客户提 供便利，而且极大的节约水资源，符合建设节约型社会的时代需要。这套汽车自 动清洗系统结构简单，成本低，适合不同场合的需求，尤其是中小型公司。 1.2 系统描述及设计要求 自动洗车机由门式框架组成，门式框架有一台三相异步电机拖动，4KW 380V 50HZ，在车头和车尾处分别设置有一个行程开关，门式框架上安装有 3 个刷子（上、左、右各 1 个），分别有 1 台单相电机拖动， 1.5KW 220V 50HZ，同时门式框架上安装有 3 组喷水喷头（上、左、右各 1 个），由一台水泵电机拖动 1KW220V 50HZ，喷头由电磁阀控制 DC24V 5W。洗车机外部框架结构示意图如图 1.2.1 所示。
目录 第１章绪论............................................................................................... - 1 - 第2章设计方案........................................................................................ - 2 - 2.1 方案举例......................................................................................... - 2 - 2.2 方案比较......................................................................................... - 3 - 2.3 方案确定......................................................................................... - 3 - 第3章硬件设计........................................................................................ - 4 - 3.1 控制系统......................................................................................... - 4 - 3.1.1 AT89C51单片机 ..................................................................... - 4 - 3.1.2 AT89C51的信号引脚............................................................... - 6 - 3.1.3 单片机最小系统 ....................................................................... - 7 - 3.2 感应系统......................................................................................... - 8 - 3.3 指示系统......................................................................................... - 9 - 3.4 液位控制系统................................................................................. - 10 - 3.5 电机与报警系统.............................................................................. - 11 - 第4章软件设计...................................................................................... - 14 - 4.1 延时子程序.................................................................................... - 14 - 4.2 感应系统程序................................................................................. - 14 - 4.3 指示系统程序................................................................................. - 15 - 4.4 电机和警报系统程序 ....................................................................... - 16 - 4.5 液位预选系统程序 .......................................................................... - 16 - 4.6 系统主流程图................................................................................. - 19 - 第5章系统测试...................................................................................... - 21 - 5.1 仿真测试过程................................................................................. - 22 - 5.2 仿真结果....................................................................................... - 24 -总结...................................................................................................... - 25 - 致谢...................................................................................................... - 26 - 参考文献................................................................................................... - 25 -附录1 系统仿真电路 ................................................................................ - 28 - 附录2 源程序.......................................................................................... - 29 -