系统控制的方案与策略（精选十篇）
系统控制的方案与策略 篇1
一、第三代数字通信系统的概述
(一) 基本特征。
包括:智能信号的处理技术, 实现基于话音业务为主的多媒体数据通信, 较高的频谱利用率、较高的服务质量和更好的技术。
(二) 主流制式。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。
(三) 目标。能实现全球漫游, 能提供多种业务, 能适应多种环境。
二、基于公平性的Qo S接入控制策略
(一) Qo S与接入控制。
1. 服务质量的定义及等级。
Quality of Service, 是服务质量, 从技术角度来看, 指的是网络系统各种性能尺度的综合, 主要包括以下几方面:接通率、分配的链路容量、丢包率、延迟和抖动等。服务质量等级是按照网络提供服务的能力进行分类, 并由客户端和服务端, 在通信前双方进行协商的服务质量来保证级别, 这些不同级别是需要对服务性能参数 (如链路带宽、延迟、抖动、丢失率) 进行控制的网络应用所必须的。通常, 可以有以下三种Qo S保证等级:一是确定性的保证服务 (Guaranteed Service, GS) , 指的是完全实现用户定义的服务质量, 是最严格的Qo S要求。二是区分保证服务 (Differentiate Service, DS) , 主要是区分通信对某类负载进行的优先处理, 也被称为软Qo S。三是尽力保证服务, 它没有规定任何Qo S的服务参数, 针对这种等级的服务请求, 系统不需实现Qo S的控制策略。只需要系统处理资源能够满足接入的需要, 接纳该请求并进行分组传送。
Qo S的服务等级至上而下越来越松散, 第1级Qo S是要求为最严格、最难以完全实现的, 第2级Qo S是在基于ATM的网络中, 部分得到满足的, 而第3级的尽力保证Qo S基本上就不需要具备Qo S的功能, 这种等级的服务存在于目前大多数的网络结构中。
2. Qo S参数描述。
ITU-T和ATM Forum对接入控制定义的描述中, 接入控制指的是网络在呼叫建立或者重新协商的过程中所采取的一系列行为。针对边缘路由器或提供不同应用的服务器来说, 接入控制是服务开始的前提。相对于客户来说, 接入控制表示一种服务端对能够提供满意服务能力的判断。在服务端通过该策略分析计算得出可接入的时候, 说明当前有能力满足客户提交的业务分组中Qo S参数的保证。若是不能满足, 那么说明当前服务端自身资源不足, 不能给予应有的服务。
Qo S参数指的是需要Qo S保证的业务流特性, 是接入策略用来判别提供服务的数据来源。在达成Qo S应用以前, 要把预先商定的Qo S参数提交到服务提供端, 进而进行协商。它的作用包括:一是限定了通信性能, 使得路由器以此来实施业务的整形和管制;二是当该业务参数提交后, 网络服务端需要判断当前是否能够支持该业务, 这一点需要通过接入控制算法来进行。
CAC包括两个过程:一是数值计算过程, 二是判断接纳过程。前者是根据Qo S参数和当前系统接入的情况, 采用一定的理论进行计算, 得到相应的数据;后者根据这些数据来进行接纳处理。数值计算过程中所需数据来源方式有两种, 体现在接入算法的不同, 一种是基于模型或参数的CAC策略, 第二种是基于测量的CAC策略, 其原理基本相似。根据所要求的服务性能 (主要是丢失率) 来计算满足这一条件所需的带宽, 所不同的是基于模型的计算需要考虑一种严格意义上的排队模型, 不需要考虑实时性要求, 但服务质量的可靠性高。而基于测量的策略不考虑排队模型, 只会分析流量特性, 这种策略具有实时性保证, 但服务质量的保证不如前者那么严格。
(二) 公平性的接入判别机制。
公平性的接入判别是整个CAC机制的核心部分, 在有新业务到达时, 根据公平性来判断是否接入, 而不是采用老的基于测量的算法, 仅考虑带宽不足的情况。利用公平性的判断机制整个CAC要达到的效果是:第一, Qo S最基础的服务质量, 当接纳一个新的连接请求后, 不但系统中原有的应用能够保证其服务质量, 而且这个新的连接在系统中也能得到相应的服务质量。第二, 在第一个前提下, 保证链路的利用率最大化, 也就是说在有限的带宽的情况下能够容纳一定的连接数量, 并且这些不同类别连接的综合业务速率尽量接近链路带宽。第三, 保证公平性, 使系统的利用效率与满意度的综合指标最大化。
1. 等待状态的建立。
在Qo S的控制策略中加入公平性限制的方法是添加另外一种状态, 即在原有的接纳 (Accept State) 和拒绝 (Refuse State) 这两种连接状态中, 再加入第三种状态:等待状态 (Holding State) 。如果一个新生成的业务应用请求连接服务端时得到的反馈状态是等待状态, 则意味着该业务被服务器弱连接或者说是预连接, 即没有产生所请求业务速率的正常通信数据, 但已经与服务端建立了一个连接通路服务端, 保证这个连接没有产生其业务流量 (一些必要的保持通信连接的数据包还是会产生, 但很小) , 同时连接参数 (包括业务类别到达业务速率等) 也保存在服务器中 (与之不同的是, 当一个业务返回一个拒绝状态时, 其通信参数是得不到保存的) 。
2. 等待状态下对新业务的接入判断。
当一个请求的服务因为当前系统带宽不够而处于等待状态时, 经过一定的时间后, 当前系统中会有一些连接中止把带宽释放出来。这个时间设为T, T时间后, 系统剩余带宽如果大于或者等于处于等待状态中的请求的平均业务速率, 该业务可以被接纳。同时考虑等待业务的超时时间Texpired, 显然满足Texpired>T的条件这个等待的业务才有机会被接纳。设处于等待状态时, 系统的剩余带宽为Brest, 而处于等待状态中的业务到达速率为Rhold, 经过最多Texpired后系统剩余带宽Brest要大于Rhold, 此时等待状态中的业务就可以开始正常通信, 为了实现新的连接过程需要利用Texpired和T。
3. 正常状态下对新业务的接入判断。
这个正常状态是相对等待状态而言的, 它指的是系统中没有处于等待状态业务的情况下, 对新到达业务请求的处理。返回状态全部是拒绝显然不符合这里的公平性机制, 但是只要不足就返回等待状态, 也不一定能够达到控制目标。一旦某类业务处于等待状态, 其它业务速率小于它的业务则不能被接入, 这样经过一个较长的接入过程后, 系统中整体会走向偏大业务的聚合, 这是系统公平性的一个极端, 实际上也可能是不公平的, 除非是为特定通信设计的系统才能使用此策略。本文提出的策略是用当前业务的分布情况作出估计, 根据公平度概念判断出是否应该返回等待状态, 以便系统在长时间后处于稳定时各业务均能得到公平的接入, 也使得整个Qo S模型朝公平性、利用率二者的最优化方向逼近。基于这样的考虑, 在正常状态下, 一个新提交的业务因带宽不足而需要判断返回状态时, 其处理过程首先要查看系统中已有的链路通信情况, 根据获取的超时设定来估计在超时时刻到达前, 系统中可否有存在的连接停止服务释放出的带宽满足该到达业务的要求, 这在上一小节已经实现, 如果能满足该条件再按照分类的不同、通信速率的不同估算整体的公平度, 并根据新到达的业务计算被服务器接纳之后新的公平度, 如果使得接入更公平则把这个业务置于等待状态, 反之拒绝该业务的请求。
三、结语
3G是移动通信发展的大势所趋, 本文论述了如何充分利用现有的网络优势, 有目的地保证3G网络中多媒体业务的服务质量。在保证服务质量的基础上研究新的接入控制算法, 是本文研究的主要问题。
摘要：本文着重讨论研究公平性判别策略, 将其作为本文设计方案的核心, 它克服了原有的策略歧视大流量业务等缺点, 最大化提升了系统的满意度。
关键词：服务质量,接入控制,公平性判别机制
参考文献
[1]廖晓滨, 赵熙.第三代移动通信网络系统技术与应用基础教程[M].北京:电子工业出版社, 2006
系统控制的方案与策略 篇2
无人机控制系统传感器故障诊断的方案与仿真
应用卡尔曼滤波器对传感器进行故障诊断时,由于输入噪声和测量噪声的统计特性是不确定的,因此难以得到其准确的统计特性先验信息,而采用错误的噪声统计特性会产生滤波误差,甚至使滤波发散,因此该文提出了一种基于Sage-Husa时变噪声统计估计器的.自适应卡尔曼滤波器算法,在滤波过程中利用噪声统计估计器对未知的统计特性进行在线估计,并对无人机控制系统的传感器故障进行在线诊断,此方法无须增加硬件余度和其他解析余度,易于实现,可靠性好,检测迅速.仿真表明该方法能够检测出系统故障并进行故障定位.
作 者：贾彩娟 祝小平周洲 JIA Cai-juan ZHU Xiao-ping ZHOU Zhou 作者单位：西北工业大学无人机研究所,陕西,西安,710072刊 名：计算机仿真 ISTIC PKU英文刊名：COMPUTER SIMULATION年，卷(期)：22(11)分类号：V249关键词：无人机 故障检测与隔离 卡尔曼滤波器
系统控制的方案与策略 篇3
关键词：多联机；结霜；除霜控制
引言：为解决结霜导致的制热能力衰减，多联机空调系统需进行相应除霜动作。但过于频繁的除霜一方面牺牲了多联机空调系统制热能力，耗费较多能量用于除霜运行；另一方面空调系统断续的制热运行也给用户带来较差体验感；最后频繁除霜还会带来诸如液击、油稀释等问题，给多联机空调系统带来较大安全隐患，损害其使用寿命。
一、结霜原理
（1）结霜条件。空气的湿度下降到露点时，空气中的水蒸汽就凝结成露。如果露点在0℃以下，那么气温下降到露点以下时，水蒸汽就会直接凝结成霜。对多联机空调系统而言，当室外换热器表面空气的露点温度在0℃以下且室外换热器表面空气湿度低于露点温度时，室外换热器表面水蒸气遇冷会凝为霜，含湿量越高，则多联机空调系统室外换热器结霜越快、霜层越厚。（2）结霜机理。换热器表面霜层生长大致可分为两类，即空气中的水蒸气直接凝华为霜或空气中的水蒸气先凝结成水、再由水凝结成冰霜。前者一般发生于露点温度在0℃以下时的工况，室外空气中的水蒸气遇上温度低于露点温度的室外换热器表面，直接凝华为露；后者则发生于露点温度在0℃以上时的工况，室外空气中的水蒸气遇上温度低于露点温度的室外换热器表面，先凝结为小水珠，当小水珠的热量被室外换热武器吸收后，进一步凝固为冰霜。
二、结霜危害
（1）霜的热导率仅为金属的百分之一，霜的形成增加了导热热阻，特别是霜层较厚时，犹如给室外换热器贴了一层保温层，降低了多联机空调系统制热能力； （2）霜层填充了室外换热器翅片间隙，加大了空气流过翅片的阻力，风量的衰减直接导致了多联机空调系统制热能力的衰减；（3）霜层阻碍了热量由
空气侧向冷媒侧的转移，导致管内冷媒蒸发情况减弱，不完全蒸发的冷媒可能带来液击、油稀释等事关多联机空调系统运行安全的事故。
三、现行除霜控制方法
（1）时间-温度（压力）法。参考时间-温度或时间-压力两个参量，设定一个蒸发温度（压力）或蒸发器翅片的温度值及与上次除霜的时间间隔值，当传感器感受的温度（压力）及机组制热工作时间均达到设定值时，开始进行除霜循环。优点：机组具备一定对工作环境适应性，能对结霜状态及进入除霜时间点做出初步判断；缺点：产生不必要的除霜动作；（2）空气微压差法。随着霜层厚度的增加，霜层填充了室外换热器翅片间隙，导致室外空气流经室外换热器后会有一定压损。优点：除霜时间完全根据结霜快慢与霜层厚薄来决定，基本保证有霜及时除霜；缺点：室外换热器表面有异物或脏堵时误动作，需增加一个微压差传感器；
四、除霜控制策略思考
（1）新型除霜控制系统。采用新型除霜控制策略的多联机空调系统，其是在现有空调系统基础上，增设一个湿度传感器或相对湿度传感器或含湿量检测仪，用以检测室外空气湿度或室外空气相对湿度或室外空气含湿量，根据采集的室外空气湿度或相对湿度或含湿量参数判断多联机空调系统室外换热器结霜情况。（2）新型除霜控制策略。1）结霜情况判断。a）检测室外空气温度为T4，室外空气湿球温度为Tw，通过查表或计算得到室外空气露点温度Td，室外含湿量d，周期性检测、记录上述数据； b）室外换热器温度为T3，判断是否有T3≤Td≤0；c）若T3≤Td≤0成立，表明系统开始结霜，则系统进行结霜时间累计，反之，则不累计；2）除霜时机判断。a）不同的含湿量d，对应不同的累计运行时间t；b）存在与含湿量d负相关的预设时间T，不同含湿量d对应不同预设时间T，判断是否有Σ（ti/Ti）≥1（i为序列号）；c）若Σ（ti/Ti）≥1成立，则系统进行除霜，否则，多联机空调系统继续运行制热；（3）除霜结束条件判断。1） 当室外换热器温度T3上升到大于等于预设温度值时；2） 当室外空气含湿量或相对湿度上升到大于等于预设值或其增长幅度上升到大于等于预设值且持续时间达到预设时间时；3） 当除霜动作持续时间达到预设时间时。
五、结束语
现有除霜控制方法通常固定一个或数个制热/除霜周期，控制较为呆板，不能适应多联机空调系统多变的工作环境与运行条件；而新型除霜控制策略在理论上存在无数个制热/除霜周期，该制热/除霜周期完全取决于多联机空调系统结霜情况，较好地兼顾了气候因素与机组本身对结霜的影响，具有更广泛地适用性。
参考文献：
PLC控制系统解决策略与实例 篇4
随着PC技术的飞速发展, 使得IPC以及基于IPC的应用技术同样也得到了突飞猛进的发展。同时, 随着Internet技术的应用和所有生产信息过程和控制信息过程的集成与发展, 并可通过Internet/Intranet浏览生产过程信息流中的制造过程、操作和监控现场智能设备等, IPC越来越多地承担着SCADA的人机交互控制任务和协同下级小型控制器或智能现场设备的控制任务。总体而言, IPC还是最适合应用于自动化控制平台的。但作为传统主流控制器的PLC, 它拥有稳定性好、可靠性高、逻辑顺序控制能力强等优点, 在自动化控制领域具有不可替代的优势。但有一大遗憾:其封闭式架构、封闭式系统、较差的开放性势必会造成其应用上的壁垒, 也增加了用户维修的难度和集成的成本。有人断言, 在不久的将来, 基于PC的控制器将会逐步取代PLC而成为主流控制设备。为了改善这种局面, 传统PLC生产厂家正在逐步将PLC的功能PC化而IPC厂家也逐步将IPC的逻辑控制功能PLC化, 使PLC和IPC在功能和规格方面越来越接近, 由此就出现了基于PLC和IPC技术的中间控制器:PC-Based PLC。
PC-Based PLC也称嵌入式控制器, 它不像IPC那样以机箱加主板为主体结构, 再搭配诸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的组合产品, 而是一个独立的基于嵌入式PC技术的专用系统, 适合应用于小型的SCADA系统。如泓格的I-8000系列, 其主机内部是40MHz主频的80188 CPU, 操作系统为兼容DOS的Mini OS7, 其编程环境是基于PC的标准C语言程序。
2. 基于PC-Based PLC架构系统的应用技巧
2.1 AI模块
AI (Analog Inputs) 的多寡对系统的运行的实时性和稳定性有较大的影响, 尤其是当AI模块较多时其影响更大。主要原因为:I-8000模块的CPU仅仅是一款主频只有40MHz的80188的控制器, 其数据处理能力、存储空间有限, 导致其运算、逻辑处理以及事件响应的快速性就没有IPC那么强大, 由于CPU要完成一次A/D的整个过程必须要进行采样、保持、同步、转换、存储、处理以及运算等一系列的过程方可完成, 比较费时, 因此, 当要完成的AI通道数较多时, 必然会影响采样的实时性和系统的稳定性。通常而言, 在一个I-8000模块中, 一般不要超过两块如I-8017H系列的AI模块为佳。
2.2 继电器输出模块
继电器输出模块对整个系统的影响最大, 由于I-8000模块的供电一般为10~30VDC, 总的输入功率为20W, 不像IPC的输入功率为250W那么大, 假如继电器输出模块尤其是大功率继电器模块插放的太多, 由于系统供电能量不足, 将会导致其输出不正常, 控制系统经常误动作, 导致系统崩溃、当机, 甚至会导致主控板烧坏, 使系统的稳定性、安全性以及可靠性存在许多隐患因素。假如系统要控制的功率继电器较多, 可以采用普通光隔开关量输入/输出模块如I-8042利用多级放大的原理连接。
2.3 通信处理
在由PC-Based PLC架构的控制系统最为重要的一个环节便是与上位机进行的实时数据通信过程, 而这一环节往往是制约系统实时性和稳定性的因素, 它容易出现数据瓶颈。因为上位机通常为Windows操作系统, 应用程序一般有人机交互界面和实时显示界面, 而往往将人机交互界面和实时显示界面设计为前台窗口, 数据通信、分析以及存储设计为后台运行, 但Windows并不是作为实时操作系统设计的, 是抢先式、多任务、基于消息传递机制的操作系统, 但仅凭消息调度机制, 显然不能满足实时系统的要求, 难以保证准确实时地完成前后台控制任务。因此在Windows环境中, 采用多线程技术, 可以有效地利用Windows等待时间, 加快程序的反应速度, 提高执行效率。PC-Based PLC与上位机一般采用RS-485、CAN、Mod Bus或者Ethernet, 假如采用RS-485、CAN、Mod Bus时, 则要合理分配通信口, 一般RS-485、CAN、Mod Bus的通信适配器卡有两个口, 因此假如控制系统有两个I-8000模块, 上位机可以采用一个通信口与两个下级控制器通信, 但是假如有四、六个……, 最好将其分成两组, 上位机则采用两个通信口分别与其通信, 上位机采用两个线程编写通信程序, 配置图见图1所示。
2.4 信号地的处理
正确、良好的接地可以将混入电源和I/O电路的干扰信号引入大地, 消除或减小干扰的影响, 是安全保护和抑制噪声的重要手段, 对提高I-8000系统的稳定性、可靠性极其重要。为了尽可能减小电磁噪声影响, 电源回路和控制回路要分别设立接地极。在控制系统中难免有变频器之类的功率器件, 注意要将变频器散热器、电源中性线、变频器外壳和中性端、电机外壳和Y型接法中性端要可靠接于电源回路接地极上, 所有接地线不可形成接地回路。变频器接地电阻越小越好, 接地导线截面积应不小于4mm2, 长度应控制在20m以内。屏蔽层、数字信号地接于控制回路接地极。
3. 实际应用案例
在小型石油公司中, 要进行大量的油料计量工作如轻油、0#汽油、90#汽油等, 其计量过程往往是车队从货运站拖回公司后经公司磅房过磅称毛重、卸料、车辆出厂时, 再过磅称车重等等, 过磅过程、手续、登记极其繁琐, 极不容易管理, 并且给统计、计量工作带来了极大的困难, 过磅工人的劳动强度大, 经常出现车队排队过磅的现象, 办事效率极其低下, 为改变这种局势, 采用PC-Based PLC I-8411嵌入式控制, 并配以模拟信号输入模块I-8017H、模拟信号输出模块I-8024、光隔离数字输入/输出模块I-8042、I-8060继电器输出模块以及RS232/RS485转换器I-7520, 并利用计算机控制技术, 为其不同的油料的进站计量、出站计量、统计等开发了一套分布式的油料计量、统计管理系统。系统架构图件图2所示。
3.1 功能模块
(1) 利用I-8017H的差分输入的6路分别采集运输车油罐的液位、液体温度、两个LUGB系列涡街流量变送器的流量值 (备计算用, 取两个流量计的平均值作为真正的流量值) 、存储油罐的液位值以防液体溢出、温度等;
(2) 利用I-8024的D/A功能, 输出0~10V的直流信号作为Siemens公司的Micro Master通用型变频器的变频控制输入信号, 以使变频器能进行V/F转换, 变成0~50Hz的交变信号实时控制三相异步电机, 达到使电机变频运行、促使液体恒速流动的目的。
(3) 利用I-8060功率继电器输出信号实时控制各种流量继电器、流量控制电磁阀、电气接触器的开启;
(4) 利用I-8042的数字I/O进行各种开关的检测与控制, 同时实时检测流量继电器、流量控制电磁阀、电气接触器的闭合状态;
(5) 利用I-7520作为RS-232/RS-485的转换器, 使I-8411与上位机服务器的串口进行数据通信。
3.2 安全可靠措施
(1) 尖峰脉冲的处理:由于在本系统中用到了大型的可控硅, 其闭合与断开要产生巨大能量的尖峰脉冲, 这一脉冲一旦进入信号系统中, 不仅会引起控制系统的误动作, 更为甚者, 会烧坏控制设备、死锁控制信号输入通道。尤其是对I-8017H、I-8024、I-8042等模块影响较大, 为了减少其影响, 在每个控制模块的输入或输出端加入一阻容保护电路, 以吸收其尖峰脉冲。同时信号地和电源地要分开。
(2) 变频器过压的处理:在本系统中利用变频器拖动大惯性的牵引电机, 由于变频器输出的速度比较快, 而负载靠本身阻力减速比较慢, 使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高, 电动机处于发电状态, 而变频器没有能量回馈单元, 因而变频器支流直流回路电压升高, 超出保护值, 出现过压故障。因此必须增加再生制动单元, 否则会干扰SCADA系统。
参考文献
[1]J4375逻辑与可编程控制 (PLC) 哈尔滨工业大学王立国
系统控制的方案与策略 篇5
基于专家控制系统的发动机入口压力闭环控制方案
液体火箭发动机在地面试验过程中,试车台推进剂供应系统必须保证发动机的入口压力在任务要求的范围内,而目前采用压力继电器控制进气电磁阀来调节入口压力,这种方式调节精度低,响应滞后.根据试车台增压系统的特点和增压系统开环控制数年所积累的经验,提出基于专家控制思想和以孔板矩阵作为执行机构的压力闭环控制方案.该控制方法无需精确的`数学模型,又能按照设定的精度智能调节增压孔板矩阵,使发动机入口压力自动跟随设定值而变化.
作 者：朱丹波 南渭林 薛会建 Zhu Danbo Nan Weilin Xue Huijian 作者单位：西安航天动力试验技术研究所,陕西,西安,710100刊 名：火箭推进英文刊名：JOURNAL OF ROCKET PROPULSION年，卷(期)：200935(3)分类号：V434关键词：液体火箭发动机 入口压力 专家控制 孔板矩阵
系统控制的方案与策略 篇6
摘要：通过在半实物仿真环境中进行模型辨识试验，获得电液力伺服系统的辨识模型.为了改善电液力伺服系统的控制性能，设计了一种复合模糊PID控制器，这种控制器结合了经典PID控制器和带有自调整修正因子的模糊控制器的优点，并加入了前馈校正，为了避免由于两种控制方式相互切换时造成的不良扰动，采用了模糊切换的方法.通过在电液伺服试验台上对所设计的复合模糊PID控制器进行半实物仿真实验，并对比PID控制器和传统模糊控制器的实验控制曲线，验证了复合模糊PID控制器的可行性和控制性能，同时在负载刚度和质量变化时进行了半实物仿真实验，实验结果表明，复合模糊PID控制器不仅改善了稳定性和速度，并具有良好的实时性。
关键词：力伺服系统；模型辨识；复合模糊PID控制器；半物理仿真；自调整修正因子
DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.014
中图分类号：TP273
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）06-0073-06
0.引言
电液力伺服控制系统的应用虽然不及电液位移控制系统广泛，但是它在许多特定领域都起着难以替代和不可忽视的重要作用，随着科学技术的飞速发展，现代工业对力控制系统的动静态精度等性能指标的要求越来越高，Liu等针对力控制系统提出了Lyapunov参数自适应控制算法.实验表明，这种方法对信号具有良好的跟踪性能，并且对系统的性能指标有显著的提高.蔡永强等采用优化了的鲁棒预测控制算法对电液力伺服系统进行控制，建模仿真表明该控制算法能够消弱系统由于时变和外界环境的干扰对系统性能的影响，从而提高了控制系统的性能.刘怀印等采用了模糊控制方法对盾构掘进机的电液力推进系统进行了控制，仿真结果表明该控制算法能够有效的保证该电液力伺服控制系统的稳定性和快速性，提高系统的性能.徐一鸣等将三维非线性PD控制器与小脑模型神经网络复合的控制方法用于变柔性负载的电液力控制系统，使系统在负载刚度大范围变化时保持稳定，减小了系统的跟踪相位差。
模糊控制能够将操作人员的控制经验加入到控制算法中，从而使控制系统能够模仿和借鉴操作人员的控制经验而进行控制.它特别适合用在采用传统控制技术分析时过程非常复杂的情况下或者可用的信息来源不准确或不确定的情况下。
由于电液力伺服系统具有非线性和不确定的动态性，因此不可能从理论上建立其精确的数学模型，也很难用线性控制方法进行高精度的力伺服控制.虽然一些模糊控制策略已经应用到实际系统并取得了很大的进步，但是其瞬态和稳态控制性能是有限的，本文利用xPC实时系统的半物理仿真环境和MATLAB系统辨识工具箱，对电液力伺服系统进行了模型辨识实验，然后，以辨识获得的模型为对象设计控制器，提出了一种结合了模糊逻辑和传统线性控制理论优点的复合模糊PID控制器。
1.電液力伺服系统的模型辨识
实验室的电液力伺服控制系统如图1所示，电流信号i经放大器传递给电液伺服阀，当给定力值的电压信号Ur不等于力传感器反馈回来的电压信号Uf时，液压缸产生力Fg控制的目的就是使液压缸产生的力的信号尽可能达到所给定的力值信号ur=uf由于力传感器的刚度远远大于负载的刚度，所以这是一个单自由度的力控制系统。
xPC实时系统的半物理仿真实验台如图3所示.电液力伺服系统作为硬件放置在模拟仿真回路，系统控制由计算机实现，PC机作为宿主机用于运行仿真、设计和发现目标应用程序，研华工控机作为目标机用于运行所生成的控制程序代码，并通过以太网LAN连接来实现与宿主机的通信。
本系统选用研华PCL818HD多用途卡完成数据采集（A/D）和数据输出（D/A），其中板卡的输入通道数6为力信号，基地址为300h，采样时间为0.001s，力传感器的取值范围为-5V～+5V，其对应的实际值是-5000N～+5000N。
考虑到系统的时变性和干扰性，进行了多组试验，为了达到xPC实时目标，在实时运行目标应用程序时，可以通过改变输入正弦信号的振幅和频率以及改变输入阶跃信号的时间和步长值来调整实验参数，这样输出信号就会立即发生相应的变化，多组输入输出数据就可以通过xPC实时系统在线获得。
2.复合模糊PID控制器的设计
电液力伺服系统有如下几个特点：第一，有一些不确定的参数，比如油液体积弹性模量和伺服阀的流量增益等；第二，负载质量和刚度会随着工作环境和条件的变化而改变.特别是当负载刚度变化很大的时候，不仅严重影响系统本身的动态特性和静态特性，还影响到控制性能。
因此迫切需要设计一种对系统参数变化适应性强的控制方法.这种控制器如图5所示。由图可知，这种复合型控制器由一个经典的PID控制器和一个带有自调整修正因子的模糊控制器组成.这个控制器在力值远离目标值时用模糊控制器来控制系统，而当力值在目标力值附近时用PID控制器来控制系统.使用经典PID控制方法是为了消除系统的稳态误差，而使用模糊切换方法是为了避免由于两种控制方法之间切换时所造成的不良扰动，为了提高系统的动态特性，添加了前馈校正。
模糊控制理论包括模糊化、基于专家经验的模糊规则库、模糊推理和清晰化，模糊控制规则的自调整是提高控制器性能的关键因素，本次研究使用了带有修正因子的模糊数模型来在线自动调整模糊控制的规则，模糊输入变量（误差E和误差变化率EC）采用三角形隶属度函数，如图6所示，其中
由于修正因子α能直接反映误差（E）和误差变化（EC）的加权程度，在控制过程中忠实地反应了操作者的思维特点，因此，在线调整控制规则的主要任务就转化为调整修正因子α的值，根据专家经验和控制工程知识，自调整修正因子的模糊数模型如表1所示，为了最终消除量化误差和调节死区，在自调整修正因子的模糊数模型中应用插值法来改进控制规则。
3.计算机仿真结果
为了验证复合模糊PID控制器的有效性，对电液力伺服系统进行了计算机模拟仿真.采样频率选择为1000Hz，计算过程采用ode4算法，电液力伺服系统的数学模型如式（7）所示。
根据前面提出的复合控制器，用Matlab工具箱对该系统进行建模，输入相同的阶跃信号，并对不同控制器的输出图形进行比较.由于反馈为单位反饋，因此期望的输出值就是输入值。如图8所示，可见与传统的模糊控制系统和PID控制系统相比，复合模糊PID控制器具有良好的单位阶跃响应，超调量更小，上升时间更快，达到稳态值的时间更小。
4.实验结果
为了验证所提出的模糊控制器在实际应用中的有效性，在半物理仿真实验台（图3）上进行了实时控制实验，由电脑产生的输入信号经数据采集卡（PCL-818HD）发送给伺服放大器，放大后的信号被传递到伺服阀从而控制液压缸产生力来克服负载的弹簧力和惯性力，再通过力传感器将活塞上的力值反馈回来，最后将这个反馈回来的信号发送给计算机进行数据处理.实验的基本要素是控制程序，它包括产生输入信号的控制模块、数据采集卡的管理、控制算法的实现和数据存储等。
为了评估所提出的控制器对力的控制性能，将期望的跟踪输入分别设置为阶跃信号和正弦信号，该系统阶跃响应（0.1V）的跟踪输出如图9所示，其中系统的质量是124.96kg（包括7个质量块、活塞和平台），负载刚度为3371.67N/mm，由图可见，与PID控制策略和传统的模糊控制策略相比，复合模糊PID控制器在抑制超调和提高实际试验台的稳定时间方面显示出了明显的优势。
由于线性或非线性系统辨识模型的微分方程不能充分反映实际系统，因此在实验时要对控制器的某些参数稍作修改，这样实际试验台的响应时间会与仿真结果稍有不同，不同的原因包括实际系统的线性化，参数值的选择以及计算的误差等，但是实际实验结果大体与仿真结果相符合。
负载刚度变化时，复合模糊PID控制器的性能如图10所示，其中K1=708.73N/mm，墨=3071N/mm和K3=3371.67N/mm.可见，负载刚度严重影响着系统的响应速度和峰峰值的跟踪速度。
系统的质量主要影响力伺服系统的速度，如图11所示，可见在质量变化时，使用混合模糊PID控制器时系统的动态响应速度基本上是有保证的.其中m1=124.96kg（包括七个质量块、活塞和平台），m2=67.84kg（包括3个质量块、活塞和平台），和m3=25kg（包括活塞和平台）。
5.结论
系统控制的方案与策略 篇7
随着列车运行控制技术的提高,列车运行速度不断加快,运营间隔不断缩短,造成列车站间运行控制越来越复杂。为提高列车运行的安全性、可靠性,提高列车安全运行的工作效率,必须对列车运行控制系统进行安全保障控制,使系统在出现特定故障时仍能安全运行,减少列车运行受非安全因素的影响,满足系统安全的功能需求[1]。
本文根据列车自动运行控制系统功能需求,利用故障-安全控制理论,分析了列车站间运行过程中的协同控制策略、交互控制模型、通信控制策略和安全控制机制,提出了一种基于安全控制机制的列车运行控制策略,建立了基于双模-冗余热备模式的系统工作模型,分析了列车站间运行过程中的状态控制策略,并进行了系统仿真分析。
1 系统通信模型
列车站间运行控制和安全防护过程中,控制系统需要由多个相互关联的子系统共同协作实现。这些子系统根据各自的任务不同,主要分布于中央控制系统、分区控制系统和车载运行控制系统中[2]。为安全、可靠地实现列车运行控制系统,需要一个可靠的通信系统在各子系统之间建立连接,实现安全可靠的数据通信功能。
轨道列车运行控制通信系统主要涉及以下3个具有冗余特性的通信网络子系统:
(1)运行控制核心网络。主要实现中央控制计算机系统与分区控制计算机系统之间的数据通信功能,通过建立网络通信连接,实现中央无线电控制系统和分区无线电控制系统连接,通常采用广域以太网实现通信[3,4]。
(2)分区防护通信网络。将位于分区控制系统中所有安全计算机建立通信连接,主要采用专用的联锁控制总线技术,在分区防护的各安全计算机之间实现数据通信。
(3)车地无线电通信网络。主要采用38GHz无线电通信系统,实现列车和轨旁地面子系统之间的数据通信,传输所有列车站间运行过程中的数据、运行控制命令、语音信息等功能。
列车运行控制通信系统主要采用TCP/IP协议以太网传输介质和附加的数据安全传输通信协议,通过多级路由与交换机物理划分子网域,实现数据的分发和交换[5]。
分区防护通信网是安全通信网络,无需采取额外措施即可实现数据的安全传输。运行控制核心网络和车地无线通信网络是通用、非安全的通信网络,需要采用冗余的通信信道和附加的数据安全传输通信协议,实现列车运行控制系统的安全通信需求。
2 系统运行控制策略
2.1 协同运行控制模型
实现各系统间的协同控制,实时监控各控制系统的运行状态,接收来自列车自动驾驶系统ATO、列车自动防护系统ATP、列车自动监控系统ATS等外部系统的通信报文,用TCP/IP套接字,通过列车数据通信子系统DCS发送到接收此报文的通信接口,实现系统间协同操作。
控制策略工作流程如下:(1)装载列车自动驾驶系统ATO状态信息:系统启动初始化过程中,主动请求装载ATO的当前状态信息,或者ATO重启过程中主动发送ATO初始状态信息;(2)打开/关闭ATO状态信息:系统发送控制命令,设置ATO工作状态信息处于打开或关闭状态。若ATO处于关闭状态,则ATO系统不工作;(3)被动装载DCS状态信息:在DCS系统重启之后,ATO可以接收到DCS发送的运行状态信息;(4)主动装载DCS:ATO系统启动后,通过发送控制命令,主动加载DCS系统当前的运行状态信息;(5)数据/命令信息CR校验:ATO将收到的数据和命令信息进行CR校验,并将校验结果反馈给ATO,从而验证数据或命令信息的正确性,保障系统运行的可靠性与安全性。
2.2 系统交互模型
在构建列车运行控制系统模型过程中,为实现系统运行的优化控制,对系统架构进行了改进,采用交互式控制模型[6],建立三层系统体系结构,如图1所示。
系统表示层实现实时监控系统运行状态和数据信息,接收操作员终端用户输入的各种操作控制命令,业务层处理和实现各种业务逻辑,表示层和业务层之间存在密切的交互关系。
在启动过程中,为了提高系统的复用性,通过表示层管理模块,实现列车运行控制的业务交互处理功能,将接收到的操作员控制命令进行处理,并将控制命令发送到业务层进行操作处理,控制命令处理结果通过用户界面显示,实现对列车运行状态的监控。
2.3 系统通信模型
为提高系统通信效率,采用消息队列实现进程间通信,利用TCP/IP网络协议,实现列车运行控制过程中的状态、数据和控制命令的通信。为了提高状态数据和控制命令通信的可靠性,设计了一种可行的通信控制策略。
(1)报文通信控制策略。系统为每个与其通信的子系统设计并维护一个可识别并且唯一的报文序列号,可分为发送报文序列号和接收报文序列号。发送报文序列号是发送给外部系统的报文序列号,每次完成通信之后,发送报文序列号自动加1;接收报文序列号是从外部系统发送来的报文中所包含的报文序列号,实现对通信报文的解析和识别,建立系统交互过程中各系统通信的对应关系。
若从外部系统接收到的报文序列号与预计序列号不符,系统会触发报文重发机制,要求对方系统重新发送当前通信报文,以提高系统数据通信的可靠性。
(2)报文校正控制策略。采用循环冗余校验码CRC设计思想,系统通信报文中都设计一个32位的CRC校验码,实现对报文数据通信过程中信息正确性的校验。
利用TCP/IP网络通信协议,在系统接收报文过程中,系统自动计算报文数据的CRC校验码,并与接收到报文中所包含的CRC校验码比较。若校验结果匹配,则表示接收到的报文信息正确;若校验结果不匹配,则重新加载报文信息,以提高系统数据通信的可靠性与安全性。
(3)系统心跳控制策略。心跳报文是系统在正常运行过程中按照设定的周期,稳定、连续发送一个特殊类型的空报文,通过报文识别号来识别报文类型,实现监控系统运行状态。
系统数据交互依赖于心跳报文通信,通过定时接收系统的心跳报文,实时监控系统的运行状态。若设定时间内没有收到系统的心跳报文,则表示系统工作异常。将系统运行状态及时显示在监控界面,以便于及时干预,从而有效避免灾难性事件发生。
系统每次装载后,心跳报文序列号会从1重新开始计数,并且能够检查出系统的过期报文并加以丢弃,以提高系统运行的可靠性与安全性。
2.4 安全控制机制
为了实现系统的安全控制,提出了一种可行的安全控制机制来降低系统运行风险。根据接收到命令报文的识别号,若系统运行控制子系统检测到正在执行涉及安全控制操作时,不会立即的执行相关的运行控制命令,并将冗余的运行控制系统进行工作同步,将冗余系统的工作内存数据进行校验和比较。若校验成功,则执行安全控制命令,从而提高系统运行控制的安全性。
系统与冗余的运行控制系统必须保持同步,读取系统内存区中的控制命令与数据信息,利用CRC校验对内存区进行数据合法性校验,通过比较一致性来实现安全控制命令的正确执行。
3 系统双模-冗余热备控制模式
根据列车运行控制系统架构,为了使用马尔柯夫过程研究系统的可靠性与安全性,作以下假设:(1)系统双模-冗余热备工作模块完全相同,且连续工作时间和故障修复时间服从负指数分布;(2)任何时刻,不会有两个或两个以上的功能模块同时出现运行故障;(3)初始情况下,系统各功能模块工作状态均为正常。
列车运行控制系统双模-冗余热备架构,当接收到子系统故障控制信号时,将剩余子系统的输出发送给其它被控对象。当该子系统输出无效时,将会向被控对象发送“故障———安全”控制信号[7]。当某个子系统出现可测故障时,剩余子系统仍将继续工作。设定系统运行状态含义如下:
状态0:系统4个模块均处于正常工作状态;
状态1:只有一个模块出现可测故障;
状态2:一个子系统的备机出现不可测故障;
状态3:一个子系统的两个模块都出现可测故障,系统停止工作;
状态4:子系统各有一个模块出现可测故障;
状态5:子系统备机都出现不可测故障,两个主机正常;
状态6:一个子系统的备机出现不可测故障,主机正常,另一个子系统有一个模块出现可测故障;
状态7:系统处于单模块工作方式;
状态8:一个子系统两个模块出现可测故障,另一个子系统主机正常,备机为不可测故障;
状态9:系统所有模块均出现可测故障;
状态10:单子系统工作模式下,工作模块出现不可测故障,系统处于危险状态;
状态11:一个子系统的主机正常,另一个子系统主机出现不可测故障,两个子系统输出不同,经比较后系统停止工作。
经过推导可知,系统运行状态0、1、2、3、4、5、6、7和8均为系统的可靠工作状态,而系统运行状态9和11为故障安全状态,状态10为危险状态。在系统双机———冗余热备的运行模式下,列车运行控制系统状态转换如图2所示。
设定参数r为系统可靠性,表示在规定条件下运行一段时间t之后,仍然能够完成设定功能的概率。λ为系统失效率,表示系统在t时刻可靠在t+Δt时刻失效的概率。参数c为系统可测失效率,经过推导得到系统在t时刻的状态转移概率表,如表1所示。
如果用Xn(t)表示系统在时刻t处于状态n的概率,Xn(t+Δt)表示系统在t+Δt时刻处于状态n的概率,其中n的取值范围为{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11},根据状态转换概率表可得到如下方程组:
在系统双模———冗余热备模式下,系统的可靠度和安全度可以表示如下:
可靠度:
安全度:
不安全度:
通过上述公式,假设λ=0.0015,在设定系统可测失效率c的情况下,利用MATLAB分析影响系统性能的可靠度和安全度指标,如表2所示。
根据设定参数,对系统运行的可靠性和安全性进行分析。由分析结果可知,采用的双模———冗余热备的系统架构可靠性要高于单机系统的可靠性,系统的不安全度低于单机系统,具有较好的可靠性和安全性。
4 结语
本文根据列车运行控制系统的功能需求,研究了系统的协同运行控制模型、交互模型、系统通信控制策略和运行安全控制机制,提出了保障列车安全运行的通信控制策略。在保障安全性的基础上,利用马尔柯夫模型分析了在双模———冗余热备模式下系统的可靠性与安全性。
仿真结果表明系统具有良好的可靠性和安全性,为后期的开发提供了依据。本系统已应用于某轨道交通自动运行控制系统国产化项目的一部分。系统仿真尚有不足之处,下一步工作是针对实际系统进行数据分析和运行测试,以保障系统的安全运营。
参考文献
[1]于建志,陈永生.磁浮列车自动驾驶系统控制策略及可靠性研究[J].计算机应用,2010,30(12):3419-3422.
[2]陆小红,郭进.高速铁路列车自动驾驶系统的研究和仿真实现[J].铁路计算机应用,2011,20(4):4-10.
[3]张本宏,陆阳.双模冗余-比较系统的可靠性和安全性分析[J].系统工程学报,2009,24(2):231-237.
[4]杨光,唐祯敏.基于MATLAB的磁浮列车自动驾驶控制系统的仿真[J].铁路计算机应用,2007,16(6):64-68.
[5]王呈.列车自动驾驶控制模型参数辨识及其应用[D].北京:北京交通大学,2014.
[6]ACHMAD WIDODO,BO SUK YANG.Machine health prognostics using survival probability and support vector machine[J].Expert Systems with Applications,2011,30(7):213-219.
系统控制的方案与策略 篇8
关键词：电子机械制动,ABS,模糊PID控制,仿真
0 引言
随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高, 车辆的安全性能越来越被广泛的关注。电子机械制动 (Electromechanical Brake, EMB) 是一种全新的制动理念, EMB系统以电池为能源, 电机为动力装置, 其简捷的结构, 高效的性能极大的提高了汽车的制动安全性。汽车防抱死制动系统 (Anti-lock Braking System, ABS) 作为一种新型的主动安全装置, 能够在汽车紧急制动时防止车轮抱死, 提高车辆的制动稳定性、缩短制动距离, 减少交通事故发生率[1]。
汽车EMB防抱死制动系统的研究核心是其控制器设计中的控制策略的确定, 本文通过建立车辆EMB防抱死系统的相关模型, 在分析优化的基础上确定ABS控制器的控制策略, 利用Matlab/simulink对EMB防抱死系统的控制策略进行仿真, 以验证控制效果。
1 防抱死制动原理
汽车制动过程中, 车速和轮速之间存在着速度差, 也就是车轮与地面间有滑移现象, 滑移的程度用滑移率表示[2]:
其中S是车轮滑移率, rω是车辆的车轮角速度, v是即时车速, r表示车轮半径。车辆车轮纯滚动时滑移率为0, 而当车轮抱死时滑移率为100%。根据试验数据, 车辆滑移率与附着系数的关系如图1所示。
由图1可知, 当滑移率s在15%至20%时, 附着系数将达到最大值 (峰值附着系数) , 而车轮完全抱死, s=100%时, 附着系数有所下降, 侧向附着系数甚至达到0。因此, 在制动过程中, 如果轮胎抱死, 不仅车轮的纵向附着系数没有达到最大值, 制动距离不能达到最短, 而且, 因为侧向附着力变为0, 车辆会失去方向稳定性和转向能力。
若应用ABS防抱死系统, 当驾驶员操纵制动系统引起车轮趋于抱死时, ABS便开始作用, 调节车轮制动力, 防止车轮抱死, 使车轮与地面间的滑移率保持在20%左右, 充分利用轮胎与地面间的峰值附着系数和高的侧向附着系数, 提高制动减速度、缩短制动距离以及保证汽车的制动方向稳定性。
2 相关动力学模型的建立
2.1 车辆单轮模型
建立车辆单轮模型, 此类模型主要描述制动性能, 适合于车辆制动性能的分析, 同时也可以简化问题, 如图2所示为单轮制动受力模型, 由图2可得平面运动的微分方程[3]。
其中为1/4车辆质量, Fxb为车轮所受地面摩擦力, bT为制动力矩, ω为车轮角速, I为车轮转动惯量, ϕ为车轮与地面间附着系数, zF为地面对轮胎的支持力。
2.2 EMB制动器模型
E M B制动器可以分为力矩电机、减速传动机构和制动器模型, 力矩电机选用无刷直流力矩电机, 减速传动机构选择行星齿轮和滚珠丝杠机构。假设在制动过程中, 无刷直流力矩电机工作在堵转状态下, 即转速为零, 这样电枢电压完全加在电机内阻上面。力矩电机、减速传动机构和制动器数学模型如式 (3) 所示[4]。
式中, HT为电机堵转转矩;Ke为反电势系数;Ik为连续堵转电流;XT为行星减速机构输出转矩;i为行星减速机构传动比;ηX为行星减速机构的机械效率;N为丝杠输出推力;ηS为滚珠丝杠副的效率;ph为丝杠导程;kp为制动器制动因数;Nm为克服弹簧力所需的推力, bT为制动器制动力矩。
将 (3) 式中前几项依次带入到最后一项并求导, 得
式中, k*=2π×9.55×Ke×i×ηX×ηS/ph×kp。
3 汽车EMBS的ABS控制策略与算法
3.1 汽车EMBS的ABS控制策略
EMBS由EMB控制器、电机、减速及运动转换装置等组成。EMB控制器用来控制电机输出力矩的大小;电机用来把电能转变为机械能, 减速装置具有减速增扭的功能, 运动转换装置用来把电机旋转运动转换为直线运动, 从而压紧制动盘产生制动力。汽车采用EMB后, EMB控制器的输入是ABS或电子制动踏板传来的目标制动力。A B S控制器的输入信号为车速和各个车轮的轮速, 输出信号为各个制动器的目标制动力[5]。
防抱死控制策略是ABS的核心, 汽车制动防抱死系统 (ABS) 的控制目标是把车轮的滑移率限制在对应最大路面附着系数的范围之内, 从而使车辆获得最大的地面制动力。现在汽车防抱死制动系统的控制方法很多, 在产品中应用较广的主要是逻辑门限值控制方法, 但该方法降低了汽车的制动平顺性。由于车辆制动过程的非线性和时变性, 使得经典控制方法不能完全适应汽车ABS的工作过程;现代控制方法中PID控制虽然算法简单, 但是可靠性高。常规PID控制的缺点是, 对于具有非线性、时变不确定性以及难以建立精确数学模型的系统, 往往受到参数整定方法的限制, 对运行工况的适应性差。模糊控制具有鲁棒性强的优点, 能较好地适应车辆路况突变等干扰, 但是单纯的模糊控制不能很好地消除系统的稳态误差。模糊PID控制结合了模糊控制和PID控制两者的优点, 控制精度高, 抗干扰能力强, 实现较为简单。因此, 本文选用模糊PID控制作为防抱死控制策略。
3.2 汽车EMBS的ABS模糊PID控制算法
模糊PID控制器原理结构图如图3所示。模糊控制器输入参数为车轮滑移率误差e和滑移率误差的变化ec, 通过模糊逻辑生成PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd。
参数e和ec的模糊子集均为{负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}, 表示为{NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}, 而Kp、Ki、Kd的模糊子集为{零, 小, 中, 大}, 表示为{Z, S, M, B}, 所有变量的论域为{-6, -4, -2, 0, 2, 4, 6}。
PID控制器三个参数中比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度, 积分系数Ki的作用在于消除系统的稳态误差, 微分系数Kd的作用在于改善系统的动态特性, 抑制系统较大波动。在系统误差e较大时, 为加快系统响应速度, 避免因e瞬间变化大而引起微分饱和, 应采用较大的比例系数Kp和较小微分系数Kd, 同时避免系统过分超调, 应限制积分系数Ki, 通常取Ki=0;在系统误差e中等大小时, 为使系统响应的超调减少, 同时保证系统的响应速度, 应减小Kp值, 并且Ki的取值要适当, 这种情况下Kd的取值对系统影响较大, 一般根据ec的取值经验;当ec较大时, Kd可取稍小;ec较小时, Kd可取稍大;在系统误差e较小, 接近稳定时, 为减小系统稳态误差应采用较大的积分系数Ki, 较小的比例系数Kp, 较小的微分系数Kd。根据此制定模糊规则如表1所示。
4 防抱死模糊PID控制算法仿真分析
本文在Matlab/Simulink环境下, 根据给出的车辆单轮模型和EMB执行器模型, 利用simulink工具箱, 建立了仿真模型, 并进行子系统封装处理, 插入基于模糊PID算法的仿真模型中, 对典型路况进行仿真, 仿真所用参数如表2所示。
图4、图5分别为模糊PID控制算法仿真模型和车辆的车速、制动距离、滑移率仿真效果图。
设定初始车速为28m/s, 即时速大约100公里, 车辆开始制动并立即进入ABS状态, 使用模糊PID控制器, 制动时间为3.64s, 制动距离为5 2.9 8 m, 滑移性能较好, 把车轮滑移率精确地控制在目标滑移率附近, 兼顾了鲁棒性和控制精度, 可以达到理想的制动控制状态。
5 结论
根据建立的EMB系统相关模型和汽车制动防抱死控制原理, 给出了汽车ABS模糊PID防抱死控制策略, 通过Matlab的Simulink工具箱对电子机械制动防抱死系统建立了系统仿真模型, 仿真结果表明, 模糊PID防抱死控制响应时间较短, 稳态性能较好, 把车轮滑移率精确地控制在目标滑移率附近, 兼顾了鲁棒性和控制精度, 可以达到理想的制动控制状态。
参考文献
[1]李文娟, 赵梦莹, 高小丽, 等.汽车ABS自寻最优控制器的模拟研究[J].伺服控制, 2010, (02) :45-48.
[2]刘辉.车辆防抱制动系统仿真与实验研究[D].合肥:合肥工业大学, 2006.
[3]李林, 李仲兴, 陈昆山.汽车ABS模糊控制方法的分析与仿真[J].江苏大学学报 (自然科学版) , 2003, 24 (3) .
[4]林逸, 沈沉, 王军.线控制动系统防抱死特性模糊控制方法的仿真研究[J], 公路交通科技, 2006, (10) :124-127.
DCS与FCS控制系统集成方案 篇9
关键词：过程控制,集散型控制系统,现场总线控制系统
0 引言
过程控制以计算机控制为主流。现代计算机控制系统不仅包含各种自动控制系统、顺序逻辑控制系统、自动批处理控制系统及联锁保护系统,还包括了各生产工段和各生产车间的优化调度系统,以及整个企业的决策系统和管理系统。结合四川维尼纶厂实际情况重点分析作为现代工业顺序逻辑控制的PLC、DCS和现场总线控制系统(FCS)及其相互关系。
1 制约DCS和FCS控制系统的瓶颈
FCS是基于DCS系统发展而来,不仅具备DCS系统的特点,而且跨出了革命性的一步。
1.1 DCS
数据公路自身及相关配套软硬件的设计决定了系统总体的灵活性和安全性。虽然为保证通信的完整,大部分D C S厂家都能提供冗余数据公路,为保证系统的安全性,使用了复杂的通信规约和纠错技术,但相比较F C S而言,结构形式上注定了无法做到真正意义上的控制功能分散、风险分散。
1.2 FCS
虽然现场总线技术发展非常迅速,但也存在许多问题,制约其应用范围的进一步扩大:
(1)FCS系统的核心是总线协议,即总线标准,只要总线协议一经确定,相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就一个特定类型的现场总线而言,只要遵循该类型现场总线的总线协议,对其产品就是开放的,并具有互操作性。目前在控制领域较有影响的现场总线系统就有FF、Lon Works、Profibus、CAN、HART以及RS-485的总线网络等。
(2)FCS系统的基础是数字智能现场装置。FCS系统执行的是自动控制与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议,即相关的通信规约,就不具备数字通信功能。
(3)系统的集成。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线,因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝集成,从而使整个系统实现管控一体化,是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时,不仅要考虑各现场节点的距离,还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强,因此许多仪表会有同样的功能块,组态时选哪个功能块要仔细考虑,要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要,要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。
(4)存在技术瓶颈。主要表现在:本安防爆理论的制约,现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量,这限制了现场总线节省线缆优点的发挥;系统组态参数过分复杂,不容易掌握,组态参数设定得好坏,对系统性能影响很大。
2 FCS与DCS的集成
2.1 现场总线集成在DCS的I/O总线上
这种方式通过接口卡直接将现场总线集成到D C S系统中。与I/O功能块相关的测量值和设定值通过接口卡映射成I/O总线上等价的值。通过这种映射关系,DCS就能透明地获取现场总线智能仪表传送的信息。
Fisher-Rosemount公司推出的DCS系统Delta V采用的就是此种集成方案。Delta V系统在它的I/O卡件中专门开发设计了此种功能的接口卡——现场总线H 1通信模块(31.25kbit/s),成功地将现场总线技术集成在Delta V系统中,可实现与现场总线仪表相连,极大地节省了安装、操作以及维护费用,如图1所示。控制器可兼容H1与传统的I/O模块,有利于传统的控制模式向现场总线控制模式过渡和转变。
优点:只需安装现场总线接口卡,无需改变或升级D C S系统;对于一些初级的现场总线设备,厂家提供的功能块有限,这种方式保留了D C S的控制功能;采用低成本的P C作为现场总线组态、诊断的接口单元。
但这种方式也限制了D C S所能获取的信息,无法利用现场设备中大量的状态信息。
2.2 现场总线集成在DCS网络上
这种集成方式通过现场总线接口单元连接到D C S网络上,现场设备中用于控制、计算的各种功能块操作信息可以在D C S控制台中获取和更改。通过接口单元提供的服务,DCS操作站能获取更多的现场设备信息。
这种集成方案在工程实际中也有应用。如S m a r公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能,其具体集成方案如图2所示。
优点:控制和计算可以在现场设备中完成,相关的参数可以在D C S操作员站中访问;便于现场总线和D C S之间的通信;D C S可以访问现场设备中更多的信息。
但是这种集成方式中现场设备功能块组态仍在P C中完成,与D C S组态数据库分离。
2.3 通过网关接口集成现场总线
这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现场总线网络和D CS系统的完全双向连接,即DCS操作员站能访问现场设备中的所有信息,而现场总线也能获取D C S提供的各种信息,因此便于实现现场总线和D C S的协调控制。此外,在这种集成方式下,现场总线的控制功能更加独立,可以构成一个脱离D C S的完整的控制系统。其集成方案如图3所示。
这种方式主要适用于规模较大的控制系统,能有效保护用户对DCS的先期投资。DCS负责监控、优化、先进控制、协调管理等较复杂的应用,是主控系统,而FCS负责现场设备层的数据采集和闭环控制并将设备的状态、诊断信息实时地传送至D C S。
但是这种接口方式对网关接口技术要求很高,此接口要完成双向的协议转换,为D C S和现场总线提供透明的数据访问。
3 结语
现阶段用户在选择控制系统时,一定要根据具体的系统需求和生产过程的实际情况选择恰当的系统。
参考文献
[1]吴金渊.计算机网络[M].北京:清华大学出版社,2004
[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999
系统控制的方案与策略 篇10
关键词：核电厂,主控制室,微正压,监测,报警,调节与控制,设计方案
0背景
核电厂主控制室是核电厂整体状态控制的中枢所在, 主要完成以下功能[1]:保证机组的安全运行;提高机组的可用率;保证设备安全;保证人员安全;能得到维修信息;进行定期试验管理;通讯 (厂内、厂外) ;数据记录;文件记录等。
核电厂操作人员需要在主控制室内每天24 h值守。为保证核电厂操作人员的舒适性需求和设备的长期稳定、连续运行, 设置主控制室空调系统。
主控制室空调系统功能如下[2,3]:保持房间内的温度和湿度在所规定的限值内以满足设备运行和人员长期停留的要求;保证最小的新风量;维持室内压力略高于出入口区域的压力;在事故情况下, 是新风净化或者使空气全部再循环;在厂区污染情况下该系统必须保证操作人员的安全卫生条件, 同时该系统必须保持核安全有关的设备处于温度和湿度的允许限值内。
具体指标如下[1]:
室内温度18~25℃;室内湿度20%~60%;在主要操作区域通过人体的气流速度不超过15 m/min, 引入室外新鲜空气不小于0.43 m3/min人;保持控制室微正压, 以组织有害气体或放射性产物进入控制室。
上述设计文件中明确要求主控制室需要维持微正压 (相对于环境) , 但是未明确微正压的范围, 未明确微正压的测量方法, 未明确微正压的监测方式和调节控制方案。
上级监管部门在审查福建福清核电厂3、4号机组最终核安全分析报告 (FSAR) 中明确提出:请提交主控制室可居留区域正压测试方案, 说明测试数据处理方法和测试结论。上级监管部门明确的监管要求与设计文件的不明确性存在一定偏差。事实上, 核电厂的辅助控制室、应急指挥中心、电气厂房蓄电池间亦存在同样问题。上述房间或区域有明确的正 (负) 压要求 (相对于环境) , 但是缺少必要的监测和控制措施。本文结合洁净室的相关设计规定以及核电工程实践, 给出了核电厂主控制室微正压的建议值, 并且给出了核电厂主控制室微正压监测、报警、调节控制系统的设计方案。
1 房间 (区域) 压力控制原理及应用
对于构筑物而言, 无法做到绝对密封 (不泄露或者不渗透) , 通过调节房间 (区域) 的送风量和排风量可以创造出稳定的房间 (区域) 正压或者负压。
房间 (区域) 压力控制原理详见图1。
对于正压房间 (区域) :送风量=排风量+泄漏风量;对于负压房间 (区域) :送风量=排风量-渗透风量。
对于核电厂的主控制室、辅助控制室、应急指挥中心应该设计成正压房间, 可以有效防止环境中潜在的放射性物质以及粉尘进入;对于核电厂电气厂房的蓄电池间应该设计为负压房间, 可以有效防止房间中的氢气、酸雾等不受控制的逸散到环境中。
2 核电厂主控制室、辅助控制室、应急指挥中心微正压建议值
依据洁净厂房设计规范 (GB50073-2013) 的相关规定[4]:洁净室 (区) 与周围的空间必须维持一定的压差, 并应按工艺要求决定维持正压差或负压差;不同等级的洁净室之间的压差不宜小于5 Pa, 洁净区与非洁净区之间的压差不应小于5 Pa, 洁净区与室外的压差不应小于10 Pa。
依据洁净厂房设计规范 (GB50073-2013) 的相关规定[4]:洁净室 (区) 空气洁净度整数等级分为1~9级。其划分标准是按照单位体积空气中颗粒粒径和数目来划分的。洁净度等级越低, 说明单位体积内的颗粒粒径越小, 数目越少;洁净度等级越高, 说明单位体积内的颗粒粒径越大, 数目越多。
核电厂厂房压力示意图详见图2。
结合洁净厂房设计规范 (GB50073-2013) 的相关规定, 对各相关厂房的压力说明如下:
电气厂房 (含EU连廊和LX-WX连接厂房区域的DCS设备间, 不包含主控制室的区域) :电气厂房内人员聚集, 设计有消防逃生楼梯, 同时精密的电仪设备大量分布, 需要按照正压洁净区来控制压力。
因此, 电气厂房的整体正压按照不低于+10 Pa来控制;
主控制室应该按照洁净度等级低的洁净区来控制压力, 同时结合核电工程实践, 将主控制室正压控制在+15 Pa~+30 Pa。之所以将主控制室的正压上限定为+30 Pa, 原因如下: (1) 主控制室正压上限越高, 工程技术难度大幅增加, 增加核电工程的成本; (2) 主控制室正压上限提高会对主控制室吊顶等材料密封性会造成不良影响, 同时继续增加主控室正压值上限, 在开门时容易出现啸叫等不良现象; (3) 经过统计, 在核电厂功率运行时, 在主控制室门密闭的情况下, 测量主控制室正压, 其正压值在16.3~25.2 Pa; (4) 依据安全相关系统和定期试验监督要求[5]:DVN定期试验检查—碘房间密封性验证:检查碘房间负压。要求:碘房间相对于非碘房间的负压为不低于20 Pa, 其负压值一般不超过30 Pa。这一工程数据对于主控制室正压值上限的确定具有重要参考意义。
对于辅助控制室 (位于核辅助厂房) , 由于核辅助厂房整体进行负压控制, 参照核电厂主控制室的微正压值, 将核辅助厂房的正压控制在0~+10 Pa。对于应急指挥中心, 依据洁净厂房设计规范 (GB50073-2013) 将其正压值控制在0~+10 Pa。
对于核电厂蓄电池间, 由于电气厂房整体进行正压控制, 建议将其负压控制在-10~0 Pa。
3 主控制室压力传感器的布置与选型
依据洁净厂房设计规范 (GB50073-2013) [4]:
静压差的测定应在洁净室 (区) 的风速、风量和送风均匀性检测合格后进行, 并应在所有的门关闭时检测;仪器宜采用各种微差压力计, 仪表灵敏度应小于1.0 Pa。
在主控制室共布置四块压力传感器, 带远传功能, 测量数据在人机界面显示, 便于监测和控制。送风侧不直接布置压力传感器, 在压力场相对稳定的区域对称布置两块压力传感器, 两块压力传感器可以互校, 便于排查仪表本身的故障, 在排风侧布置两块压力传感器, 排风侧作为整个压力场压力最低的区域, 其测量数据对于主控制室正压控制具有重要的参考价值。在室外布置一块压力传感器, 用于监测环境压力。所有仪表的测量数据送到逻辑运行单元进行模数转换, 比较运算, 最终实现监测数据的实时显示和压力的自动调节与控制。
五块压力传感器量程为0~160 k Pa (按照标准大气压力101 325 Pa来选取仪表量程) ;精度1.0 Pa。
主控制室压力传感器布置图详见图3。
4 主控制室微正压监测、报警、调节与控制系统设计
4.1 主控制室微正压监测与报警
主控制室微正压监测、报警、调节与控制系统逻辑图详见图4。环境绝对压力、主控制室绝对压力均通过压力传感器送至主控制室人机画面显示;主控制室压力测量完成之后, 四块压力传感器将所测得数据送至加法平均器内进行求取平均值运算;主控制室压力平均值和环境压力同时送到减法器内进行减法运算, 求取压差, 即主控制室正压;主控制室正压送到主控制室人机画面实时显示。
如果压差小于15 Pa或者大于30 Pa, 并且这一结果稳定时间超过10 s, 则发出主控制室正压不足或者主控制室正压过高的报警;通过人机画面的主控制室正压示值判断主控制室正压过高还是正压不足。
4.2 压力调节与控制
洁净区排风侧设置排风电动调节阀, 其控制信号来自主控制室正压;排风电动调节阀控制要求:当主控制室正压小于15 Pa时, 则减小开度;当主控制室正压在15~30Pa时, 则开度保持不变;当主控制室正压大于30 Pa时, 则加大开度。排风电动阀应有自动和手动两种运行模式:自动模式为常规运行模式;手动模式在主控制室正压初次建立和自动模式失效时采用。对于核电厂的辅助控制室、应急指挥中心、蓄电池间可以采用相同的正压 (负压) 监测、显示与报警、调节与控制系统。
5 结论
针对主控制室空调系统设计文件对主控制室微正压有明确要求, 上级监管部门在评审福清3、4号机组最终核安全分析报告时亦提出明确监管要求, 结合相关设计规范和工程实践经验, 给出如下建议值:主控制室正压值需要维持在+15~+30 Pa。同时, 需要增加设计压力传感器以便实现主控制室正压的实时监测, 正压不足或者过高时报警, 经过延时后报警仍然无法消除, 通过调节电动排风阀的开度来实现主控制室正压的调节与控制。这一设计方案对于辅助控制室、应急指挥中心、蓄电池间亦适用。主控制室压力测点布置优化需要继续研究。
参考文献
[1]周彧.福建福清核电厂3、4号机组最终安全分析报告[R].北京:中国核电工程有限公司, 2016.
[2]苑晓东.主控制室空调系统手册 (FQX17DVC002B30745GN-B版CFC) [M].北京:中国核电工程有限公司, 2009.
[3]费骏韬, 陈星莺, 徐石明, 等.基于舒适度的单体建筑电力负荷卸载协调分配[J].电网与清洁能源, 2015, 31 (3) :117-123.
[4]GB50073-2013.洁净厂房设计规范[S].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检疫总局, 2013.
