一种基于工业以太网的控制系统的设计与实现!
边宁宁费敏锐
"上海大学机电工程与自动化学院上海#$$$%#&
摘要随着以太网技术的迅猛发展’工业以太网在工业控制系统中扮演着越来越重要的角色(结合嵌入式网络技术’区别于现有的各种基于现场总线的控制系统’本文给出了将以太网直接应用于工业现场设备监控的系统设计方案’且进行了实验测试(
关键词工业以太网嵌入式网络技术)*+,-./012客户机/服务器
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K L M NO L N P N L N P Q R L)L N S-L "T U V W W X W YZ[U V\]^W_‘U\X a_b‘_[[^‘_b\_cd e]W f\]‘W_’g V\_b V\‘h_‘i[^g‘]j’T V\_b V\‘k l l l m k’n V‘_\&
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#4J$@C:5~N+-.r S L M v y r s R S N R r y w,R++R+N R r!*S zr R{s N*v*P|)*+,-./0121v L R N r/%R S u R S
&引言
以太网由于其开放性好’应用广泛以及价格低廉等特点’在工业控制领域已经开始得到了大规模的应用(传统的控制系统在信息层大都采用以太网’而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络(但是’随着以太网的不断发展与完善’以太网已经渗透到了控制层和设备层’几乎所有的2(1和远程~/)供应商都能提供支持012/~2的以太网接口产品(利用这些接口产品’可以方便地实现信息和数据开放和透明的交换(伴随嵌入式技术的发展’嵌入式网络技术已经成为了这一领域的热点之一’即在原有的嵌入式系统的基础上’使其具有网络功能’作为网络服务器’进而形成嵌入式网络系统*+,(
区别于现有的各种基于现场总线的控制系统’本文设计的系统给出了将以太网直接应用于工业现场设备"例如-阀门’泵等&的监控的方案(利用以太网标准接口与自行设计的现场智能单元作为嵌入式网络服务器’能够完成对现场设备的工作参数’状态参数的采集与处理.并采用客户机/服务器数据交换机制完成与工控机"作为监控&的控制信息’状态信息和~/)数据的交换’最终实现对现场设备的监视与控制(
/01323I/4H5协议66典型的工业以太网协议
从)%~七层网络参考模型来看’以太网只是一个物理层和数据链路层标准’012/~2协议作为传输层和网络层协议已经成为通用标准’为多数工业控制器厂家所接受(由于))7K8%协议和012协议易于实施和实现互连’使得)*+,-./012这一应用层协议’在工业控制领域得到了广泛的应用(
该协议是将))7K8%协议捆绑在012协议上’因此具有面向连接的特征*#,(
)*+,-./012协议提供了一个以太网上连接的设备之间的客户机/服务器通讯(这种服务是基于9种类型报文’即)*+,-.请求’)*+,-.证实’)*+,-.指示和
第#9卷第9期增刊仪器仪表学报#$$:年;月
!"#$%&响应’!"#$%&
请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文(!"#$%&指示是服务器端接收的请求报文(!"#$%&响应是服务器发送的响应信息(!"#$%&
证实是在客户机端接收的响应信息’!)*+,-./01协议定义了通过以太网通讯时(
服务器.客户机请求和响应消息的帧格式234
’如图5所示
’
期增刊一种基于工业以太网的控制系统的设计与实现
!系统软件设计
!"#开发平台的$%&驱动的选择
选择以’()*++,)-.(的-/-0组态软件作为开发平台1组态软件主要完成通讯组态2数据组态以及34’等功能5同时1选择施耐德公司的46784.9:,;
7)<*=(*)>标准接口作为’%?驱动1这一驱动是为工业以及网84.9:,;%@A B>硬件与用户的过程控制软件提供的通讯接口C
通过476所提供的B.D*=@..+完成对通讯信道8网卡>和设备’B地址的设备以及将各个网络服务器的输入输出寄存器映射到客户机1包括起始地址以及长度1该起始地址的偏移量和长度必须与各网络服务器所分配的输入输出区域相对应C例如E客户机端输出映射区的地址从F G H I F J F G I K L单元1共I M N个字1与网络服务器中的?O@区的I H H3开始的M G I个字节的相映射C
B.D*=@..+可以在特定的窗口中将设备的各种状态信息2’%?数据以及出错信息显示出来1十分便于用户查找C
!"P基于客户机%服务器机制的数据交换
本系统的数据交换是采用了基于单客户机QQ多服务器的方式R M S1即一个客户机与多个服务器进行交互C它基本体现在T请求%响应U关系1如图F所示C各客户端向服务器端发出对某种信息或数据的请求1服务器端针对请求1完成相应处理1将响应结果返回给客户端
C
卷
图!试样的"#实体建模和网格划分
在试件的右端限制所有的自由度$左端施加面载荷%面拉力$&’(")*+,(--*.$初始条件所有的外表面的温度为/&01$内部为室温*"12考虑在蠕变过程
中相当于也存在热膨胀而造成应力$因而考虑热传导2仿真原理和材料参数请参见文献3*4!52
676仿真结果
运算结果如图!$图0所示
2
图08)!99-:;时试件的应变分布云图
由图+可以看出$仿真结果和实验数据有/9<的误差$基本满足要求2
=结论和展望
在以上的分析中$本文介绍了在测试>?@的机械性能参数时必须考虑传感器%在本文中是应变片.的测量误差的影响$并给出了一种采用温度补偿电阻的方案2
图+A点应变随时间变化曲线和干燥试样
实验数据曲线对比图
同时本文通过对比试验$可以看到试件在充分吸潮后$其性能有较明显的下降2因而在实际的生产和储运中$必须注意塑封件的防潮工作2
最后$本文给出了一个有限元仿真的结果2从得到的结果来看$和实际的干燥试件的试验数据还是比较吻合的2由于试件受潮后其内部应力在受热状态下的变化情况较为复杂$在本文中未予考虑$这也是下一步研究的重点2
参考文献
/张迎新$等7非电量测量技术基础7北京B北京航空航天大学出版社$*99*7
*>C;D8E F$G H I@J K;L8$M K;NO P7?Q R S K;:R K T?H#Q T:;N K;#@S K C K R8Q C:U K8:H;B8S Q@V C:;N W C H R Q D D H IX;#Q C I:T T ?K8Q C:K T D7F H V C;K T H I>T Q R8C H;:R W K R Y K N:;N$*99/7
"刘世龙7微电子封装高聚物的时温特性及其固化过程对应力及器件可靠性所产生的影响研究B3硕士学位论57桂林电子工业学院$*99"7
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0滕少华7客户机(服务器工作模式3F57江西师范大学学报$/‘‘&$*/%".B*0‘4*+"7
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第!期增刊
湿热对高聚物封装测量性能的影响研究
工业以太网与现场总线的优缺点 1 引言 用于办公室和商业的以太网伴随着现场总线大战硝烟已悄悄地进入了控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。究其原因，主要由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，而目前的现场总线尚不能满足这些要求。 现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自动化孤岛”现象的出现，促使人们开始寻求新的出路并关注到以太网。同时现场总线的传输速率也远远不如工业以太网传输速率快。 2 以太网与工业以太网 2.1 什么是以太网与工业以太网 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆型号为10 Base T。以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。 普通以太网应用到工业控制系统，这种网络叫工业以太网。 2.2 以太网具有的优点 （1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到100Mbps），能提供足够的带宽； （2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT（信息技术）世界； （3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；
工业以太环网设计方案 1.1概述 掌石沟煤业是基本实现机械化生产，具有复杂生产系统的矿井，为提高矿井的生产效率，对矿井综采工作面、顺槽胶带、主运输系统、通风机房、井下变电所等环节实施统一操作、集中监控、统一调度。各矿综合自动化系统，根据管控一体化思想，以三层网络为基础，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯的新理论和技术，采用世界先进的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软件，将煤矿生产、管理的各个环节，统一在一个网络平台上，形成一个统一、完整的有机整体，使其在系统结构、网络通讯、自动化覆盖范围方面处于同类矿井的领先水平。 1.1.1设计综述 掌石沟煤业综合自动化控制网络系统的建设应遵循数字化、高速化、智能化、标准化、安全可靠、易扩充升级的原则进行设计，同时充分考虑公司综合自动化系统总体规划和综合自动化系统网络建设的现状。 对于掌石沟煤业工业综合自动化平台网络系统，在井上和井下设置的高速以太环网，主链路采用千兆光纤。在核心层采用千兆工业以太网技术，通过千兆链路将各环网的交换设备连接到网络系统的核心层次，同时具备高冗余性能。 各环网结点主要是连接结点交换机附近的工业设备，以达到控制和信息采集的目的信息层：建设信息管理网，采用标准TCP/IP协议和以太网技术。实现矿区各个管理部门的网络连接，实现人、财、物以及工程项目管理的综合自动化，能对煤炭的生产状况进行实时监视,为管理决策提供依据。
控制层：建设综合自动化控制网，采用工业以太环网+现场工业总线来实现，实现 将井上和井下区域控制器和设备监控站所采集的信息和控制信号传送给有关系统。 设备层：在设备控制层主要是煤矿各专业控制子系统。 1.2控制层网络设备的技术与产品选型 本方案将采用基于以太网TCP/IP的工业以太网技术，传输介质采用层绞式矿用阻燃型光缆，网络结构采用基于光纤工业以太网的环形架构。 1.2.1技术选择 现代煤矿的生产监控管理系统中往往使用到多家厂商提供的多种不同类型的设备，为 了达到方便管理，保证系统运行稳定的目的，必须选择一个开放的通信平台，并将各种不同类型设备的通信统一到这一标准通信平台之上。为保证良好的兼容性和可扩充性，建议使用以太网TCP/IP技术作为整个系统的通信标准。如有其他类型的通信格式，如RS232 RS485或其他专用通信接口等等，均可通过协议网关转换为以太网信息包，在IP网络上进行传送。以太网TCP/IP技术具有以下的优势： 随着企业的发展、各种新技术的应用，可以预见，对网络的带宽要求也会越来越高， 比如基于网络的视频监控传输应用和井下设备信息数据采集等都需要进行大量数据的传输。 以太网技术具有相当高的数据传输速率（目前已有成功案例应用于井下工业环境下的以太 网交换机），能提供足够的带宽； 能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架； 支持交互式和开放的数据存取技术；沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
浙江省衢州市仲尼中学高中通用技术《控制系统的设计与实施》 教案新人教版 一、教材分析 本节要求学生亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程。对于控制系统方案的设计不要求学生能形成详细的设计方案，只需形成初步方案，重要的是让学生亲历设计的过程，知道怎样通过分析被控对象的基本特性，确定被控量、控制量，从而形成控制系统的设计框图，对于开环控制系统和闭环控制系统的制作和实施，课标有着不同层次的要求，对于开环要求能制作一个完整的简单的控制装置，对于闭环控制系统，只要求学生根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。 本课要解决的重点是：亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程. 二、学情分析 （1）学生已经使用过设计的技术语言对设计的过程和方案进行描述； （2）经历了几个设计和制作的全过程，熟悉设计过程中的各个环节以及模型或原型制作的基本方法和手段； （3）设计制作中具体技术和专业知识（如电子、电路及机械控制知识等）有所欠缺，给控制的设计和实施带来了一定的困难； 三、教学目标 1. 了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，采用逆推法画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。 2. 能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。 四、教学重点 设计一个控制系统应明确的问题，对控制系统的基本要求。 五、教学难点 设计一个控制系统应明确的问题的分析，控制系统设计的思想方法。 六、教学方法 讲授、讨论、小组合作。 七、教学资源准备 多媒体设备、相关图片资料、技术试验工具、材料等。
控制系统仿真课程设计 （2011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2014年6月
控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
以太网技术在工业控制领域的应用及意义 随着计算机和网络技术的飞速发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求。现场总线技术适应了工业网络的发展趋势，用数字通信代替传统的模拟信号传输，大量地减少了仪表之间的连接电缆、接线端口等，降低了系统的硬件成本，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，以及总线通信协议的多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作等，无法达到全开放的要求，因此现场总线在工业网络中的进一步发展受到了限制。 随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP 的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备取代工业网络中相对昂贵的专用总线设备。 Ethernet通信机制 Ethernet是IEEE802. 3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或是更高，传输介质可采用双绞线、光纤、同轴电缆等，网络机制从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，工作方式从单工发展到全双工。 在OSI/ISO 7层协议中，Ethernet本身只定义了物理层和数据链路层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。自从APARNET将TCP/IP和Ethernet捆绑在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作为其高层协议，TCP用来保证传输的可靠性，IP则用来确定信息传递路线。 Ethernet的介质访问控制层协议采用CSMA/CD，其工作原理如下：某节点要
实验七 对汽车控制系统的设计与仿真 一、实验目的： 通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。 二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。 三、实验原理： 本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。 注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示
工业以太网设计四大原则 工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。 近些年来,随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。 以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显。 工业以太网制造现在信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实现真正意义上的“E网到底”奠定了良好的基础。 工业以太网已经被业内认为是未来控制网络的最佳解决方案，也是当前现场总线中的主流技术。工业化的新翘楚就由此诞生。 评估工业以太网设计标准或依据，大概来分应该就是以下四点： (一)通信确定性与实时性 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。 工业以太网采取了以下措施使得该问题基本得到解决： 采用快速以太网加大网络带宽 以太网的通信速率从10、100Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降，从而提高其实时性。 采用全双工交换式以太网 用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术，避免了由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实现全双工通信，提高信道的利用率。 降低网络负载 工业控制网络与商业控制网络不同，每个结点传送的实时数据量很少，一般为几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此可以通过限制网段站点数目，降低网络流量，进一步提高网络传输的实时性。 应用报文优先级技术 在智能交换机或集线器中，通过设计报文的优先级来提高传输的实时性。 (二)安全性 在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。 在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆、防爆的措施比较可行，即通过对以太网现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不外泄，以保证系统运行的安全性。对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。 工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业以太网可以将企业传统的三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运
高中通用技术控制系统的设计与实施教案第四节控制系统的设计与实施教案 一、教学内容分析: 本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。 本节让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并学会设计，有一定的实践性。 二、教学对象分析: 学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。 三、教学目标: 1.知识与技能: 1)了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。 2)能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置;或者根据简单闭环控 制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行提出改进方案。 2.过程与方法: 通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。 3.情感态度价值观:
(1)通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。 (2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。 (3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。 四、教学重难点: 1.教学重点: (1)控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框图。 (2)能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。 2.教学难点: (1)设计一个控制系统应明确的问题的分析，控制系统设计的思想方法。 (2)闭环系统的设计，以及被控量和控制量的确定。 五、教学策略: 本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下: (1)通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。 (2)教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。 用心爱心专心 (3)寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》(有开环与闭环两种)等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生玩电动车的经验。 )老师起到引导的作用，学生为主体，在学生掌握的基础上，课堂交给学生。让学生进(4
课程设计报告 题目PID控制器应用 课程名称控制系统仿真院部名称机电工程学院专业 班级 学生姓名 学号 课程设计地点 课程设计学时 指导教师 金陵科技学院教务处制成绩
一、课程设计应达到的目的 应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 二、课程设计题目及要求 1．单回路控制系统的设计及仿真。 2．串级控制系统的设计及仿真。 3．反馈前馈控制系统的设计及仿真。 4．采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。 三、课程设计的内容与步骤 (1)．单回路控制系统的设计及仿真。 （a）已知被控对象传函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。 （b）画出单回路控制系统的方框图。 （c）用MatLab的Simulink画出该系统。
（d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。注明所用PID调节器公式。PID调节器公式Wc（s）=50(5s+1)/(3s+1) 给定值为单位阶跃响应幅值为3。 有积分作用单回路控制系统
无积分作用单回路控制系统 大比例作用单回路控制系统 （e）修改调节器的参数，观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线，理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响？ 答：由上图分别可以看出无积分作用和大比例积分作用下的系数响应曲线，这两个PID调节的响应曲线均不如前面的理想。增大比例系数将加快系统的响
工业以太网简介: 工业以太网就是基于IEEE 802、3 (Ethernet)得强大得区域与单元网络。利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新得多媒体世界得途径。 企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供得广泛应用不但已经进入今天得办公室领域,而且还可以应用于生产与过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工与自适应得100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802、3u 得标准)也已成功运行多年。采用何种性能得以太网取决于用户得需要。通用得兼容性允许用户无缝升级到新技术。 为用户带来得利益 :市场占有率高达80%,以太网毫无疑问就是当今LAN(局域网)领域中首屈一指得网络。以太网优越得性能,为您得应用带来巨大得利益: 通过简单得连接方式快速装配。 通过不断得开发提供了持续得兼容性,因而保证了投资得安全。 通过交换技术提供实际上没有限制得通讯性能。 各种各样联网应用,例如办公室环境与生产应用环境得联网。 通过接入WAN(广域网)可实现公司之间得通讯,例如,ISDN 或Internet 得接入。 SIMATIC NET基于经过现场应用验证得技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点,遍布世界各地,用于严酷得工业环境,包括有高强度电磁干扰得区域。 工业以太网络得构成 :一个典型得工业以太网络环境,有以下三类网络器件: ◆网络部件 连接部件: ?FC 快速连接插座 ?ELS(工业以太网电气交换机) ?ESM(工业以太网电气交换机) ?SM(工业以太网光纤交换机) ?MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块) 通信介质:普通双绞线,工业屏蔽双绞线与光纤 ◆ SIMATIC PLC控制器上得工业以太网通讯外理器。用于将SIMATIC PLC连接到工 业以太网。 ◆ PG/PC 上得工业以太网通讯外理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。 工业以太网重要性能:为了应用于严酷得工业环境,确保工业应用得安全可靠,SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要得性能: ?工业以太网技术上与IEEE802、3/802、3u兼容,使用ISO与TCP/IP 通讯协议?10/100M 自适应传输速率 ?冗余24VDC 供电 ?简单得机柜导轨安装 ?方便得构成星型、线型与环型拓扑结构 ?高速冗余得安全网络,最大网络重构时间为0、3 秒 ?用于严酷环境得网络元件,通过EMC 测试 ?通过带有RJ45 技术、工业级得Sub-D 连接技术与安装专用屏蔽电缆得Fast Connect连接技术,确保现场电缆安装工作得快速进行 ?简单高效得信号装置不断地监视网络元件 ?符合SNMP(简单得网络管理协议) ?可使用基于web 得网络管理 ?使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络。 工业以太网冗余原理
阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 控制系统设计与仿真上机实验报告 学院：自动化学院 班级：自动化 姓名： 学号： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 一、第一次上机任务 1、熟悉matlab软件的运行环境，包括命令窗体，workspace等，熟悉绘图命令。 2、采用四阶龙格库塔法求如下二阶系统的在幅值为1脉宽为1刺激
下响应的数值解。 2?，??n10?0.5,??(s)G n22?????2ss nn3、采用四阶龙格库塔法求高阶系统阶单位跃响应曲线的数值解。 2?，，??5T?n100.5,???Gs)( n22???1)?s(?2s)(Ts?nn4、自学OED45指令用法，并求解题2中二阶系统的单位阶跃响应。 程序代码如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
;曲线如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 二、第二次上机任务 试用simulink方法解微分方程，并封装模块，输出为。得到各、1x i 状态变量的时间序列，以及相平面上的吸引子。 ?x?x??xx?3121? ??xx?x???322 ??xx?xx??x??32321参数入口为的值以及的初值。（其中，以及??????x28?10,?8/,,3,?i1模块输入是输出量的微分。）初值分别为提示：0.001xxx?0,?0,?312s:Simulink
控制系统的设计与实施 一、教材分析： 本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。本节可以说是这单元的“应用”部分，让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并最终会设计。 二、学情分析： 在《技术与设计1》中，学生对设计的一般过程已经有了一定的了解。但已有的设计基础更多的是停留在结构设计和外形的设计上，对功能的设计还有待提高。同时在生活中对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。 三、学习目标： 1.知识与技能： 1）了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。 2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行提出改进方案。 2.过程与方法： 通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。学习权衡的思想。 3.情感态度价值观： （1）通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。 （2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。 （3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。 四、教学重难点： 1.教学重点： （1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框 图。 （2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。 2.教学难点： 闭环系统的设计；被控量和控制量的确定。 五、教学策略： 本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计 如下： （1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。 （2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。 （3）寻找一些贴近学生生活实际并在前三节课已经分析过的案例，采用元件展示，学生设计 连接的步骤，最后请学生代表上台连接成一个闭环控制系统。主要以“水箱注水的自动控制
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。
工业以太网技术全面解析 高性能、工厂设备和IT系统集成，以及工业物联网的需求驱动促进了工业以太网的增长。在实时工业以太网中，EPA、EtherCAT、RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的竞争者。下面对它们进行简单比较。Ethernet/IP Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODV A( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。 实现实时性的方法 Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。 Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术，在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。UDP是一种非面向连接的协议，它能够工作在单播和多播的方式，只提供设备间发送数据报的能力。对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据，使用UDP/IP协议来发送。而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。这样数据源只需一次性地把数据传到网上，其它节点有选择地接收数据，这样提高了通信的效率。 Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议，且独立于物理层及数据链路层，这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。另外，为了获得更好的时钟同步性能，2003年ODV A将 IEEE 15888引入Ethernet/IP，并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。 EPA EPA是在“863”计划的支持下，由浙江大学、清华大学、浙江中控技术公司、大连理工大学、中科院自动化所等单位联合制定，是用于工业测量和控制系统的实时以太网标准。
工业以太环网设计 方案
工业以太环网设计方案 1.1 概述 掌石沟煤业是基本实现机械化生产，具有复杂生产系统的矿井，为提高矿井的生产效率，对矿井综采工作面、顺槽胶带、主运输系统、通风机房、井下变电所等环节实施统一操作、集中监控、统一调度。各矿综合自动化系统，根据管控一体化思想，以三层网络为基础，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯的新理论和技术，采用世界先进的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软件，将煤矿生产、管理的各个环节，统一在一个网络平台上，形成一个统一、完整的有机整体，使其在系统结构、网络通讯、自动化覆盖范围方面处于同类矿井的领先水平。 1.1.1 设计综述 掌石沟煤业综合自动化控制网络系统的建设应遵循数字化、高速化、智能化、标准化、安全可靠、易扩充升级的原则进行设计，同时充分考虑公司综合自动化系统总体规划和综合自动化系统网络建设的现状。 对于掌石沟煤业工业综合自动化平台网络系统，在井上和井下设置的高速以太环网，主链路采用千兆光纤。在核心层采用千兆工业以太网技术，经过千兆链路将各环网的交换设备连接到网络系统的核心层次，同时具备高冗余性能。
?各环网结点主要是连接结点交换机附近的工业设备，以达到控制和信息采集的目的信息层：建设信息管理网，采用标准TCP/IP协议和以太网技术。实现矿区各个管理部门的网络连接，实现人、财、物以及工程项目管理的综合自动化，能对煤炭的生产状况进行实时监视,为管理决策提供依据。 ?控制层：建设综合自动化控制网，采用工业以太环网+现场工业总线来实现，实现将井上和井下区域控制器和设备监控站所采集的信息和控制信号传送给有关系统。 ?设备层：在设备控制层主要是煤矿各专业控制子系统。 1.2 控制层网络设备的技术与产品选型 本方案将采用基于以太网TCP/IP的工业以太网技术，传输介质采用层绞式矿用阻燃型光缆，网络结构采用基于光纤工业以太网的环形架构。 1.2.1 技术选择 现代煤矿的生产监控管理系统中往往使用到多家厂商提供的多种不同类型的设备，为了达到方便管理，保证系统运行稳定的目的，必须选择一个开放的通信平台，并将各种不同类型设备的通信统一到这一标准通信平台之上。为保证良好的兼容性和可扩充性，建议使用以太网TCP/IP技术作为整个系统的通信标准。如有其它类型的通信格式，如RS232，RS485或其它专用通信接口等
《控制系统的设计与实施》 1、教材分析 “控制系统的设计与实施”是《技术与设计2》“控制与设计”全单元教学内容的综合运用，它既是控制知识的实践过程，又是控制思想方法集中体现，也是学生技术素养的一种体现。 “控制系统的设计与实施”由“控制系统设计的一般思路”和“控制系统的设计与实施案例”两部分组成，前者是后者的基础。“控制系统设计的一般思路”内容关注学生的控制系统设计分析能力培养，通过学习明确所设计的控制系统的要达到的目的，被控对象的特征，被控量、控制量分别是什么等，能形成初步控制系统设计方案，掌握控制系统设计的基本方法和形成设计的一般思路。“控制系统的设计与实施案例”则侧重于控制系统的设计、模拟实施，调试运行，改进方案等。 2、教学目标 （1）知识与技能 ①了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量等，能画出控制系统的方框图，并能形成初步的控制系统设计的方案； ②掌握形成初步的控制系统设计方案的思想方法和控制系统设计的一般思路。 ③能综合考虑设计实施中的各种因素，能对方案进行权衡比较，能根据设计方案制作原型或模型，并进行调试与改进。 （2）过程与方法 对课堂案例的分析、设计、权衡比较过程；学会从控制的角度分析问题，能综合运用所学的控制知识解决一些实际问题。 （3）情感、态度、价值观 感受技术解决问题所带来的成就感。形成“问题来源于生活，设计服务于生活”的意识及价值观。 3、教学重难点 教学重点：能完成对简单控制系统进行分析，掌握控制系统设计方案的思想方法和形成控制系统设计的一般思路。 教学难点：在课堂活动中分析、归纳、推理，形成初步的控制系统设计方案的思想方法和及控制系统设计的一般思路。
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;
MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127
指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid