数控系统论文范文1
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
二、数控技术发展趋势
（一）性能发展方向
（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。（3）工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的一种复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。（4）实时智能化。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。
（二）功能发展方向
（1）用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。（2）科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。（3）多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。
（三）体系结构的发展
（1）集成化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。（2）模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。（3）网络化。机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。（4）通用型开放式闭环控制模式。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。
三、智能化新一代PCNC数控系统
当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。
参考文献：
[1]电动机降压起动器的选择与分析，凌浩，2000.12vol.20P66.
[2]交流异步电动机的软起动与保护探讨，何友全矿山机械，2000.5.
[3]陈伯时、陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，1997.
数控系统论文范文2
数控技术利用数字信号控制执行机构完成某种功能，实现自动化。随着我国计算机技术的变革，微小型计算机数字控制CNC是当今制造高精度、高质量以及形状复杂产品的基础设施，属于制造技术的关键环节。对于一般数控系统组织，运算器接收、运算、处理输入装置的指令或数据，并不断向输出装置送出运算结果。控制器能根据指令控制运算器和输出装置来实现各种操作及控制整机的循环工作，使数控系统执行所要求的运动，其中伺服驱动把来自控制器的脉冲信号经过功率放大、整形后，转换成执行部件的平移、进给或旋转等运动，主要包括驱动装置和执行结构两大部分。驱动装置由进给驱动单位电机、主轴驱动单元等组成，步进电机、直流和交流伺服电机是常用的伺服元件。执行机构根据控制器发出的指令信号，完成驱动装置对系统旋转和进给运动的控制。作为数控系统改进生产设备的实例，数字喷印技术是非接触印刷技术的主流，以低廉的价格和精美的印刷质量越来越受到用户的青睐。数字喷印吸收喷墨打印等新技术，墨水经过喷腔组件的小孔射出，喷印器在基材上方以高速度喷射墨水，同时晶体振荡器高速纵向振荡，使墨线分裂成一系列大小和间距相等的墨点，机器内部微处理器监视回馈的信号，随着物体的移动，更多的墨点打在物体表面就形成了字符或图线。经调研，市场上还没有针对薄膜开关制造工艺而开发的专业喷印设备，部分生产厂家引入用于广告喷印的喷墨打印设备进行面板的喷墨印刷，主要有2种：热泡式喷墨打印机和平板式喷绘机。深圳某公司生产的热泡式喷墨打印机，采用爱普生配件，底座同步，并采用步进交流电机和IC芯片控制模块化。由于该打印机源于办公打印机技术，墨量不厚，所以不能采用UV油墨，不能立体打印，且印制速度慢，无法满足规模化生产。广州某公司生产的平板喷印机，采用陶瓷压电式工业高速Konic，XAAR等喷头，由多色喷头组成单模组，且UV光跟随固化，可形成立体墨痕和喷印彩色图案，但不能用于电路喷印。由于该打印机在制造中各工序对位困难，故不能完全满足彩色面板、上电路、绝缘层、下电路的套印，工序切换速度慢，不符合一次流水套打的工艺要求。为了提高定位精度，采用计算机视觉定位技术、MARK高精度光学影像定位系统及图像AOI技术，印制精细度达0.1mm，对位精度≤0.2mm。采用多喷头阵列高速流水喷印技术，以4—12个喷头为1组并行喷印，从而实现高速输出。为消除喷头间喷印干扰，对12个喷头的喷印进行同步控制。采用2套独立控制电路，分组传输，每组喷头数不超过6个，从而能保证一般的4色彩油墨、金属导电油墨、特色工艺油墨的喷印阵列。DSP的定位圆图像采集及参数提取更进一步提高了定位精确度和喷印速度。设计的阵列双模式喷印平台基于数字控制器现场可编程门阵列（FPGA），DSP，PC及软件，由程序协调操作FPGA等多芯片运作，同时解决数据分配、时分信号和信号优化等数据处理问题。在数控系统中可以利用FPGA处理接口板与上位主控板之间的数据传输，接收下位伺服的反馈信号，监测伺服电机的工作状态。针对x，y，z和w方向的移动，利用可靠性、可编程多轴控制器构建精确位置控制系统。以PLC控制变频电机为执行元件，通过RS-485通信实现驱动单元的远程控制，提高系统的集成度与可靠性。基于以上设计和工艺，集成高速、柔性、精密配套技术以及制造工艺，利用数控系统的核心技术，喷印平台简化了传统工艺流程，只需改变电气参数就能完成不同的喷印任务，不需要为新产品的每一次改动而制作网版。设计的阵列喷印流水式装置通过交错及斜装阵列组合模式，由12通道静态喷头阵列与4通道动静双模式喷印模组构造，双模式构造能保证喷印清晰度和速度，解决缝接及拉线等问题。该装置能快速完成维护和喷头更换，提高了设备的灵活性和生产效率，其平台抗震、抗干扰能力较好，符合IP54标准。
2阵列双模式喷印平台的控制模块
2.1主要控制单元
作为一种典型的控制不同组合对象的多参数数控喷印平台系统，既有平移、旋转运动控制和图像识别辅助控制，又有喷墨头的温度、流量等过程控制。为保证高速阵列多喷印头的数据协调、时控合理，核心控制模块采用WDM类设备驱动程序架构和MINIPort层间驱动协议，驱动程序用VC编写和调试，使其达到4路USB准同步数据传输，时间关键帧技术保证操作系统达ms级响应。发挥硬件和软件的开放性，实现数控系统和伺服控制系统间的通讯、加工代码的自动生成、最佳模切顺序和最短空程路径。模块化设计后则重点关注控制器、数据处理、I/O系统、驱动接口等子模块，以上位机数控系统来扩展网络控制系统，使用计算机数控系统与FPGA控制器完成接口驱动，控制模块见图2。喷印控制电路系统重点包括基于FPGA的主控部分、基于DSP的定位圆图像采集及参数提取部分。采用现有控制技术的理论方法和技术条件，以FPGA嵌入式为主控制系统，FPGA有丰富的逻辑硬件资源，CycloneIIFPGA芯片有DSP系统、硬件协处理器、接口系统、通信系统、存储电路以及普通逻辑电路等功能子系统，能解决传统宽幅喷印机对大量图像数据在上下位机之间和系统内部传输速度的瓶颈。利用DSP实现复杂的电气控制算法，提高对字车电机和走纸电机运动的精度控制，从而提高宽幅喷印机的喷印精度。系统还开发了FPGA的时钟同步系统，在上位机获取时间戳并通过FPGA硬件电路矫正晶振频率的动态补偿，实现数控系统的精确时钟同步。FPGA主控部分主要包括USB接口模块、喷印数据处理模块、喷头驱动模块、温度控制模块、驱动电压调整模块、喷印图像存储及纠偏模块与DSP接口模块等7部分。
2.2模组控制单元的数据处理
FPGA接收数据并处理数据，发送数据到喷嘴、电机、相机等数字终端，数据缓冲区则使用多片DDR2，以加快数据传输速度。对输入数据进行分组，基于FPGA内核改变时钟域意味着整个喷墨头的处理在1个时钟周期内实现多目标的同步时钟系统。通过使用VHDL编写的时序程序发送控制字到FPGA的UART接收模块，根据控制字的不同，调整相应的数据，电机模块根据控制字产生相应的脉冲和控制信号，控制喷头电机的启停、方向和速度等数值，利用FPGA实现复杂的逻辑时序的控制信号。事件驱动控制的机电驱动系统也在FPGA实现，由有限状态机（FSM）定义所有可能的实现方向数据。其中，USB接口模块在每批次喷印开始前用于接收计算机发送下来的原始喷印图像，并将存储在外部缓存当中的定位原图像上传至计算机，用于在人机界面上检查初始标定参数是否正确。当喷印过程开始后，USB接口模块用于与计算机交互喷印过程中的实时参数，喷印数据处理模块用于将待喷印图像的像素数据进行拆解，并重新封装成适合喷头喷印的数据格式。喷头驱动模块用于计算时设置的有关喷印参数信息转化为适合喷头喷印的时序，以此时序来精确控制喷头的喷印。温度控制模块用于实时调整并显示喷头的温度，驱动电压调整模块用于实时调整喷头驱动电压的幅值及幅宽，存储喷印图像及工艺MARK参数信息处理，可以保证喷印位置的准确性。利用CycloneIIFPGA的并行执行特点，对2—4排喷嘴的数据进行处理及分配，实现实时喷射控制、装置控制逻辑与状态管理。多排喷嘴的数据收发1次，先将此行像素拆分成奇数像素数据和偶数像素数据，再将这2部分像素以相反的顺序发送至喷头，就能喷印1行完整的像素点矩阵。此时，将首先在存储中开辟一个动态的全局缓存，存放所要喷印的一排像素数据，再为若干个喷头分别开辟单独的缓存区和独立的进程，这些独立的进程将通过一定的交换机制，与其他相关进程进行数据交换，所有与喷头相关的进程完全并行，因此整个过程除了USB数据的接收外，其他部分所消耗的时间只相当于处理一个喷头数据所消耗的时间，从而提高数据处理的速度。
3结语
数控系统论文范文3
关键词：控制理论；系统化；比较教学
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0042-02
控制理论是自动化及其相关专业的一门重要核心专业基础课程，在武汉理工大学华夏学院（以下简称“我院”）自动化专业，控制理论所授主要内容为以经典控制论为核心的“自动控制原理”和以卡尔曼的状态空间分析法为核心的“现代控制理论”。
其中，“自动控制原理”是研究控制系统的一般规律，并为系统的分析和综合提供基本理论和方法的专业基础核心课程。该课程又是“现代控制理论”“过程控制系统”“运动控制系统”“计算机控制技术”“智能控制”等许多后续课程的基础。而作为其后续课程的“现代控制理论”仍作为硕士研究生“线性系统理论”与“最优控制”等学位课程的基础。这两门课程理论性强，概念多且杂，对学生的数学基础要求较高。而我院作为一个三本院校，自动化专业的学生相比较一本和二本的学生而言，数学基础较为薄弱，故学好这两门课对学生来说至关重要且具有一定的难度。
而教好上述两门课程也是教师必须思考和解决的重要问题。笔者经过几年的教学实践，摸索出一套比较适合三本院校学生的系统化教学方法，致力于培养学生的系统观，进行了一些尝试，且取得了一定的效果。
一、工程背景系统性
任何一种理论的产生都有其历史背景，都是在实践中产生的。自动控制技术萌芽在18世纪，在第一次世界工业革命期间，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，一种凭借直觉的实证性发明。飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡，其他自动控制系统也有类似现象。
由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出：不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端，接着就进入了经典控制理论发展的孕育期。1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人。
经典控制理论的主要内容包括：系统数学模型的建立、时域分析法、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等。
从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件――现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。[1]
在二十世纪五十年代末，计算机技术的飞速发展推动了核能技术、空间技术的发展，并且为多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析和设计提供了新的手段。
五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法，在1957年提出了动态规划。1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。
由上面的历史背景介绍可以看出，现代控制理论是在自动控制理论的基础上发展得到的，尽管两种理论在方法和思路上有显著的不同，但是在教授的时候不能将两者视为单独的个体。笔者每次在绪论部分都会系统化地讲解理论的产生，以让学生对两门课程形成一个初步的比较清晰的认识。
二、理论教学的系统性
在这两门课程的理论教学过程中，虽然涉及到的知识点有差异，但是经笔者研究，在具体教学中，两门课程的教学有些许共性，比如说两门课程的教学流程就基本一致。如图1所示：相对于现代控制原理而言，自动控制原理理论推导较少，同时其工科背景较强，实例较多。在学习之初，可先帮助学生搭建起分析问题和解决问题的基本框架，形成一个较为初步的系统观。
自动控制原理分析问题的核心是数学建模，稳定性判断和性能指标的计算，[2]主要分析方法是时域分析法、频域分析法和根轨迹分析法。时域分析法直观易懂，频域分析法是自动控制原理的核心，根轨迹分析法在目前的工程实践中已用的很少，在学时有限的情况下可略讲。在实际讲解的过程中，要合理安排学时，适当加快时域分析法的讲授，略讲根轨迹分析法，重点讲解频域分析法及系统校正。
现代控制理论包含了大量的理论概念机数学公式，在实际讲授中，应弱化理论推导，在教学过程中可结合倒立摆工程实例，从建模、稳定性分析、能控能观性分析、极点配置到状态反馈，形成一个较为完整的分析过程。[3]
总而言之，在讲解的过程中，注重引言，初步建立系统观，结合实例，比较异同，突出重难点，最后再通过总结强化各知识点之间的联系。[4]
三、实践教学的系统性
1.重视实验，理论教学和实验教学的系统化[5]
以往，控制理论的实验课和理论课教学是独立的，理论课教师和实验课教师各行其道，相互交流匮乏。目前，学院已明确提出，理论课教学和实验课教学的一致性，理论课教师必须参与进实验教学，教学手段要丰富、系统。
2.实验箱教学和仿真教学的系统化
首先在实验箱上搭建模拟电路，利用信号发生器、示波器等测量波形和数据。同时引入MATLAB仿真，先引出数学模型，利用MATLAB强大的系统工具箱分析并绘制各种相应曲线，利用Simulink工具箱进行校正和状态反馈设计。[6]最后，对比电路测试波形和仿真结果，可让学生深入了解理论和实际参数之间的差异，进而寻找原因，加深理解。
四、今后教学方向
在今后的教学过程中，可进一步加强比较，加强学生的系统观，并且尝试迁移到其他相关学科，加强学生对整个学科的理解。
参考文献：
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[2]孙韵钰.“相似论”在“自动控制理论”课程教学中的运用[J].消费电子，2013，（7）.
[3]王斌，李斌.“现代控制理论”教学改革与实践[J].中国电力教育，2013，（10）：61-62.
[4]李长云.“自动控制理论”的系统化教学实践[J].电气电子教学学报，2013，（8）：75-77.
数控系统论文范文4
关键词：大系统理论；学科分化；学科结合
中图分类号：N945 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 10-0071-02
一、大系统的基本理论
（一）大系统的共性
现代社会日趋信息化、网络化、系统化，在工程技术、生态环境、社会经济等各领域出现了许多复杂的大系统，（见图1）。
图1 大系统一览
图1中大系统具有以下共性：（1）规模庞大。大系统包含的子系统（小系统）、部件、元件甚多。通常，而且大系统占有的空间大，涉及的范围广，经历的时间长，具有分散性。（2）结构复杂。大系统中各子系统、部件、元件之间的相互关系复杂。一般情况下，大系统中不仅包含有人，还包含有物，具有“人-人”、“人-物”、“物-物”之间的多种复杂关系，是主动系统。（3）具有综合功能。通常，大系统的目标是多样的（经济的、技术的、生态的、社会的……），因而大系统的功能应该是多方面的（经济管理、质量控制、环境保护……）、综合性的。（4）涉及因素众多。大系统是多输入、多输出、多变量、多目标、多参数、多干扰的系统。其中有“人”的因素，还有“物”的因素，不仅有技术因素，还有经济因素、社会因素等，具有不确定性、不确知性。
这样的大系统极需人们去探索和研究，现代科学技术的进步为大系统研究提供了理论基础和发展条件。
20世纪60年代末和70年代初，在国内外有许多原本从事控制理论、运筹学、系统科学方面研究的专家、学者纷纷转向大系统问题的研究，在大系统理论的研究上取得了进展：（1）大系统模型化及模型简化；（2）大系统结构分析与综合；（3）大系统最优化；（4）大系统稳定性；（5）大系统多级递阶控制；（6）大系统分散控制。
研究方法主要采用时域数学模型（代数方程组、微分或差分方程组），通过分解-集结或分解-协调方法，将控制理论中的多变量控制理论、最优控制理论、稳定性理论等，和运筹学中的线性规划、非线性规划等加以综合和推广，用于大系统的分析与综合。
近年来人们在大系统理论方面取得了不少进展，但也遇到了一系列难题，主要表现在如下几个方面：（1）主动性（Activity）。大系统往往是“主动系统”（ActiveSystem），包含有“主动环节”―“人”，例如，操作人员、控制人员、管理人员等。在大系统分析和设计中如何建立“人”的数学模型？如何考虑人的因素？（2）不确定性（Uncertainty）。大系统中有许多不确定因素，例如随机性、模糊性、对象特性漂移或结构和参数摄动，难以用传统的数学模型进行描述及控制。（3）不确知性（Uncertainly-Known）。大系统通常是信息不完全、知识不充分、数据不精确的系统，难以用准确的数学模型进行精确的定量分析和设计。（4）维数灾（CurseofDimensionality）。大系统的状态变量的数目较多，数学模型都是高维的。系统分析和设计的工作量随维数增高而迅速增长，导致所谓“维数灾”。（5）发展中系统（DevelopingSystem）。通常，大系统的控制过程较慢，过渡过程时间较长。在控制中作用进行期间，大系统本身也处在发展当中，系统的结构和参数、目标和环境条件、系统特性和功能也处在变化当中，这种“发展中系统”难以用常规方法进行控制。（6）分散化（Decentralization）。大系统包含了许多子系统，而各子系统往往是分散化的，分布在不同地方。这将使信息和控制分散，形成“非经典信息模式”，基于“经典信息模式”的控制理论和方法不一定适用。
（二）大系统控制论
控制论是关于机器、生物中的通信和控制的科学，是一门典型的横向学科，是自动控制、计算技术、通信工程、神经病理学、神经生理学、数学等有关学科相互结合而形成的新学科，突破了工程技术与生物科学之间的传统界限。
为了解决大系统分析、设计和模型化的难题，在结构分析方面提出了控制系统信息结构“能通性”的新概念及分析方法，用以分析大系统的控制信息结构特性；在结构设计方面，提出了最经济控制、最经济观测以及分型能控性、分型能观性等新概念；在大系统模型化方面，提出了广义模型化的构想，在数学模型、知识模型、结构模型相结合的基础上，建立大系统的广义模型，提出了多重广义算子、多层状态空间、广义知识表达网络等新方法。在对待“维数灾”问题，提出了启发式优化、启发式动态规划、自觉习非线性规划、启发式线性规划等新方法。
二、大系统的应用
（一）大系统智能控制
关于控制理论和技术的发展，经历了三个发展阶段。第一阶段为“经典控制理论”，主要采用传递函数模型、频域分析与综合方法。第二阶段为“现代控制理论”，主要采用状态方程模型、时域分析与综合方法。第三阶段有两个发展方向：（1）大系统理论。控制理论向广度方向发展。（2）智能控制理论。控制理论向高度方向发展，提高控制系统的智能水平。智能控制为复杂大系统提供了新的控制方法和技术，随着计算机网络的迅猛，为实现大规模、远距离的大系统智能控制提供了新条件、新环境。
（二）大系统智能管理
现代计算机管理系统是具有多层次、多方面、多阶段的综合管理功能的，人机协调的、智能化、集成化的计算机辅助管理系统。智能管理的理论方法和技术已在多行业、多部门的计算机管理信息系统中获得广泛应用，随着计算机网络的发展与普及，在分布式人工智能与管理科学相结合的基础上，可开发更大规模的分布式智能管理系统，形成大系统智能管理系统。
（三）大型专家系统
专家系统是人工智能学科领域中应用广泛的重要分支，是典型的知识工程系统。为了解决大系统应用需求的综合性与专家系统的专业性之间的矛盾，需要研究开发多专业、多学科的大型专家系统，其关键技术包括：广义知识表达、灵活推理方法、综合知识库、自组织推理机。
三、大系统理论的发展前景
理论是在生产实践中产生，反过来以用来指导实践的。随着通讯技术、计算机技术、自动化技术、人工智能技术的发展，加上现代管理软科学技术的发展，大系统理论将会日臻完善，应用天地会更广阔。
参考文献：
[1]涂序彦，王枞，郭燕慧.大系统控制论[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.
[2]朱道立.大系统优化理论和应用[M].上海：上海交通大学出版社，1983.
[3]王元放，周宏农，敬忠良.“系统的系统”的综述[J].系统仿真学报，2007，19（6）：1182-1185.
[4]朱明新.我国载人航天工程大系统技术接口标准发展综述[J].航天标准化，2006，3：27-29.
数控系统论文范文5
关键词：摊铺机：行驶系统；恒速控制；模糊控制
中图分类号：U415.2 文献标识码：B
0 引言
沥青混凝土摊铺机是进行沥青摊铺作业的主要机械设备，其摊铺速度的恒定性及摊铺的直线性对摊铺路面的平整度、初始密实度、离析程度有着很大的影响[1]。沥青混凝土摊铺机的性能要求越来越严格，如最高摊铺速度（无级调速）、各挡摊铺速度（有级调速）允许误差±2%，摊铺速度的变化应小于0.1m/min，速度变化恢复时间在1～2s内，履带式沥青混凝土摊铺机直线行走的跑偏量不得大于直线测量距离的2%，沥青混凝土摊铺机应能双向（前进、后退）通过坡度不小于15%的坡道等[2，3]，随着公路建设等级的提升，沥青混凝土摊铺机性能的提高已经成为必然[4]。行走电控系统是摊铺机的重要组成部分，其性能直接影响摊铺机作业效率、铺层质量及工作可靠性，是衡量摊铺机技术水平的重要标志之一。
1 行走电控系统设计
1.1 摊铺机行走电气控制
行走电气控制主要实现下面功能：1）两种行走模式切换功能，能够根据实际工作需要，选择摊铺模式或行驶模式；2）平滑转向控制功能，能够根据方向电位计或原地转向开关状态和设定速度实现摊铺机的行驶方向控制。3）恒速控制功能。摊铺模式下，能够根据速度电位计设定值，控制摊铺机恒速行驶。4）数据通讯功能，能够同电控系统中其他控制器或显示器进行数据通讯，实现数据共享。不同的摊铺机行走电气系统的设计要求有所不同，但行走电气系统设计所确定的电控方案必须准确无误地实现上述要求[5]。
目前摊铺机行驶驱动方式普遍采用双泵-双马达系统， 主要由发动机、分动箱、液压泵、液压马达、履带等部分组成， 通过对左右两侧独立的泵和液压马达进行控制， 实现摊铺机的前进/后退、左右转向及原地转向等动作控制。发动机通过分动箱驱动两个独立的液压泵， 左右行走履带由液压马达驱动使其前进[6]。摊铺机一般由一台电比例控制变量柱塞双联泵和两台电气两点变量柱塞马达组成的相互独立的两套闭式系统，每个马达分别与行驶减速机相连，减速机带有湿式、多片、盘式制动器，用于机器的停车制动。通过摊铺机的这些行驶组件，摊铺机可实现自由前进、后退、转向及停车制动。履带行走的液压系统，它采用比例电磁铁控制液压泵和马达斜盘角度，控制器通过控制系统流量，实现行驶速度的控制，原理框图如图1所示。
摊铺机前进、倒退、停车制动功能的实现由操作手柄完成，操作手柄在前进位或倒退位时，整机实现前进或倒退；在中位时实现停车制动；摊铺机行驶速度由速度电位器来调节，转向则是通过操作台上转向电位器来实现。
1.2 行走控制系统恒速行驶控制设计
摊铺机行走分高、低速2档，选择摊铺（工作状态，速度较慢）和转场2种工况。
（1）行驶档——开环控制
变量泵为电动排量控制轴向柱塞泵，通过比例伺服阀改变变量泵斜盘倾角来控制供给液压马达的排量，以此来调节液压马达的转速。这种控制方式为开环控制，如图2所示。
开环控制是针对摊铺机转场时使用的，对速度恒定要求不高，普通的开环控制即可满足要求
（2）摊铺档—闭环控制
常规闭环控制如图3所示，在开环速度控制的基础上，在马达输出轴上增加速度传感器，将液压马达转速进行反馈，构成闭环控制系统。速度反馈信号与指令信号差值经控制器运算后加到变量伺服机构的输入端，液压泵的排量向减小速度误差的方向变化，保持速度恒定。这种控制方式能大大提高速度调节的精确性，保证行驶速度恒定。
为保证路面摊铺质量，摊铺作业过程中摊铺机应以恒速平稳行驶。因摊铺机行驶推进系统的负载变化，送料的不均匀性以及发动机降速等原因都会造成摊铺行驶过程中速度的波动。在摊铺行驶状态下如何保持摊铺直线行走、速度恒定变的尤其重要。
目前摊铺机行走系统控制方法主要采用PID控制。PID控制由于算法简单，在控制系统中得到了广泛的应用。采用PID时，Kp用于提高系统响应速度，调节系统控制精度，过大则导致系统不稳定，过小则导致系统响应速度缓慢；Ki用于消除系统稳态误差，过大则会导致积分饱和，超调量较大，过小则无法起到相应作用；Kd有助于于提高系统的动态性能。但PID控制依赖被控对象的精确数学模型，由于摊铺机液压伺服系统多为非线性、时变复杂系统，参数变化大，PID参数确定困难。若单纯采用固定参数的常规PID控制则不能满足在不同偏差下系统对PID参数自整定的要求，控制器对运行工况的适应性差，从而影响其控制效果。模糊控制不依赖于被控制对象精确的数学模型，动态性能好、 受系统参数变化的影响小，但稳态精度不高 [7-8]。
本文将变论域的思想引入到模糊控制器中，该模糊控制器在摊铺机行走电液比例控制中，能够克服系统固有的非线性、参数不确定性及外界干扰的影响，具有响应快、精度高、自适应鲁棒性强的特点，提高了摊铺机的直线、恒速行走控制效果。
2 变论域模糊PID控制
1995年李洪兴等对模糊控制器的数学本质进行了分析，并于1997年提出“可变论域”的思想[11]。在规则不变的前提下，论域随着误差变小而收缩（亦可随着误差增大而膨胀）。
以单输入单输出为例，设系统误差e的论域为[-E，E]，输出论域为U=[-U，U]，模糊划分形式为和（1≤i≤n），分别是输入论域E和输出论域U的模糊划分，模糊控制规则可以表示成为：
If e is ， then u is ， （1≤i≤n）
变论域是指输入论域E和输出论域U可以随着系统误差e和控制输出u的变化而自动变化，即：E（e）=[-α（e）E，α（e）E] ， U（u）= [-β（e）U，β（e）U] ；α（e）和β（e）分别为论域E和U的伸缩因子，相对于变论域，原来的论域E和U称为初始论域，论域伸缩了，其上的模糊语言值的隶属函数也随之伸缩。
见图4，输入论域E通过“伸缩”因子α（e）变换为[-α（e）E，α（e）E]，其中α（e）为误差变量e的连续函数，α。伸缩因子为：
通过伸缩因子α（e）的调节，模糊控制器能够根据输入系统误差e的不同，动态地确定输入、输出论域上的模糊语言值，以达到精确高效控制的目的。这种可变论域的模糊控制器的控制效果大大改善，实时性好，精度高。
基于变论域的思想，可以设计变论域模糊PID控制器，如下图所示：
设误差E、误差变化率EC的模糊子集为E=EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。误差E的论域为E（e）=[-α1（e）E，α1（e）E]，误差变化率EC的论域为EC（e）=[-α2（e）E，α2（e）E]，其中α1（e），α2（e） 分别为误差及误差变化率论域的伸缩因子。
基于变论域模糊推理的PID参数自整定，首先找出PID三个参数KP， KI， KD与偏差E和偏差变化率EC之间的模糊关系，在控制过程中不断检测E和EC，再根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同E和EC对控制器参数的不同要求，从而满足被控对象自适应要求。KP， KI，KD可进行如下自适应校正：
3 系统仿真设计
建立摊铺机行驶驱动系统的数学模型，摊铺机行驶系统传递函数方框图如图所示：
SRP95摊铺机采用的是24V（4-10bar），控制电流为225mA-410mA。采用如图5所示的变论域模糊PID控制方案，其中：Kp，Ki，Kd采用式（3）（4）（5）的形，此处速度偏差e的基本域为[-0.6，0.6]，利用扩充响应曲线法求出的PID整定参数可以确定Kp、Ki、Kd的大致变化范围，Kp变化范围为[0.2，0.8]，Ki变化范围为[0.01，0.07]，Kd变化范围为[0.2，0.6]。
对于伸缩因子：
确定模型的参数后，在MATLAB环境中对本文控制方案进行仿真，设摊铺状态行驶速度要求控制在18米/分即0.3米/秒，对比分析传统PID控制策略和本文的复合控制方案。
通过对比分析可以发现本文采用的控制方法在响应时间和超调方面明显优于传统PID控制方法。
综上所述，本文提出了摊铺机摊铺档下恒速摊铺中的变论域模糊控制方案，在设计过程中，根据变论域模糊控制的优点结合PID控制的优点构造了变论域模糊PID控制器，仿真实验表明利用这类变论域模糊PID控制器控制摊铺机摊铺状态下的恒速行驶效果较好，能够较快的达到稳定效果，对于该控制器的实际应用仍需要进一步的研究。
4 结语
恒速控制是摊铺机行驶系统控制最为关键的技术之一，常规的PID闭环控制在普通的摊铺机中应用较广，然而随着经济发展，高等级的高速路对摊铺机提出了更高的要求，本文提出的方案可以有效的提高摊铺机直线恒速的性能，为道路摊铺质量的提高提供了重要的技术支持。
参考文献：
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[10] 吴涛，颜呈昕等.摊铺机行走系统自动控制研究[J].j建筑机械化，2005，9：20-23.
[11] 李洪兴.Fuzzy控制的本质与一类高精度Fuzzy控制的设计[J].控制理论与应用，1997，14（6）.
数控系统论文范文6
关键词：计算机技术，电压无功，自动化，应用
随着社会经济的飞速发展，居民和各类企业对供电质量和可靠性的要求日益提高，从改善电能质量和节约人力方面比较电压无功优化自动控制装置具有不可比拟的优势，已逐步取代原来通过值班员手动调节档位和投切电容器来调整电压的方式，在维系电力系统稳定中的作用已充分展示出来。论文参考，自动化。电压无功优化自动控制装置由大量的数据采集、数据计算、数据传输、数据控制、程序执行元件组成，通过一系列自动化技术将其功能整合在一起，因此，了解电压无功优化自动控制中的自动化原理对于研究电压无功优化自动控制有着十分重要的作用。为此本文着重分析了电压无功优化控制中的自动化技术。
一、自动控制系统的结构
（一）调压方式
无功优化控制系统设计在设置母线电压限定范围后，自动对高峰负荷时段、低谷负荷时段的电压值进行适当调整，以保证在合格范围内的电压满足逆调压方式。论文参考，自动化。当电压超出额定范围时，则与同级和上级变电所的电压进行比较，然后判断出应该调节同级还是上级变电所的主变档位。
（二）调整策略
电压无功优化自动控制包含两个方面，分别是电压优化和无功优化：
1、电压优化
当母线电压超上限时，首先下调主变的档位，当不能满足要求时才切除电容器；当母线电压超下限时，首先投入电容器，当不能满足要求时再上调主变档位，总之要确保电容器最合理的投入。
2、无功优化
当系统电压保持在限定范围内后，通过系统的自动控制，决定各级变电所电容器的先后投入，使得无功功率的流向最平衡，最能提高功率因数。
二、自动化数据采集、计算和传输
作为一个自动控制系统，全面的数据采集是整个控制过程最关键的一部，其采集数据的精度和安全直接影响整个系统的精度和安全。论文参考，自动化。一个完善的无功优化自动控制系统应该能实时自动的从调度中心、各监控站采集电网电压、功率、主变档位、电容器运行状态等数据并能确保当遥测遥信值不变时不与SCADA系统进行数据传输，减少系统资源占用。
在采集到实时数据后，过往的自动控制系统都是通过“专家系统”对数学模型进行简化和分解，然后利用潮流计算和专家系统等方法进行求解。随着自动化技术的高速发展，自动控制系统能够突破优化计算难于寻找工程解的难题，采用模糊控制的算法，充分考虑谐波，功率因数摆动，电压波动和事故闭锁等因素，通过一系列精密芯片的配合计算出使电网电能损耗最小的变压器档位、电容器投入量和电网最优运行电压以供控制部件执行。
系统在数据传输上使用只与内存交互数据而不存取硬盘的内存数据库技术，既提高了数据的存取速度，又节省了硬盘使用。为了提高传输效率，系统还会根据传输数据的类型和要求的不同，自动采用不同的传输协议：使用TCP/IP协议传输大量的重要数据，使用UDP协议传输少量的广播数据。在数据传输准确度方面，子站在接受到数据后会自动向主站发送反校信号，以验证所受数据的准确性。
三、系统的自动控制
电压无功优化控制的基本过程如下：首先是主站控制系统进行电压无功计算，然后把计算得到的各级变电所的功率因数、电压的区域无功定值结果通过光纤通道传达至各级变电所的电压无功控制系统。各级变电所的控制系统周期性的把本站的功率因数、电压和接收到的定值结果比较，以判断是否越限。
为了保证电网损耗最低，主站的控制系统要不断跟紧电网运行方式的变化，随时计算出最新的区域无功定值结果并传达至各级变电所的电压无功控制系统。由于主站的控制系统计算最初的区域无功定值时需要一定的时间，这就会造成各级变电所从启动控制系统至接收到第一个信号间有一个时间段，系统定义这段时间内的定值是按照本地系统运行的。论文参考，自动化。
当主站系统遇到特殊情况（如有影响电网拓扑结构的遥信变位发生）时，能够即时撤销子站控制系统当前正在执行的区域无功定值。子站控制系统即以本地无功定值运行，待再次受到主站重新计算的定值时才转以新定值运行。论文参考，自动化。子站控制系统实时监视主站的定值下传通道是否正常，通信异常时，立即改为执行本地定值，直至通道恢复正常。论文参考，自动化。
四、系统自动化的安全保证
目前国内的一些系统仅仅只做到了一层闭环控制，安全可靠性根本无法保证。而随着自动化技术的发展，最新的系统则是采用主站和子站同时的双层实时闭环反馈控制结构。实验证明由于采用了双层实时闭环反馈控制结构，当运行中发生用户定义的需要闭锁的异常事件时，控制系统能够立即执行闭锁，符合电网结构和调度运行特点，适合各种大小电网的安全可靠运行，能更有利地保证提高电网的电能质量，其具体的安全策略如下：
自动估算电网电压，使电容器平稳投切，避免出现振荡；自动估算电压调节后的无功变化量，使主变档位平稳调整，避免出现振荡。
当需要调节的变电所的主变并联运行时，为了避免出现其中一台主变频繁调节的情况，首先调节据动率较高的那台主变的档位。应对于主变和电容器出现的异常情况，系统能够自动减少主变档位调整次数，使设备寿命增加，电网安全得到保证。当遭遇设备异常时，系统自动闭锁，而且必须人工手动来解除封锁。具体的异常情况有：电容器或主变档位异常变位；系统需要采集的数据异常；系统数据不刷新。特别的当发生10kV单相接地时，系统自动闭锁电容器的投切。为避免采集到的数据不准确，系统采用同时判断遥测数据和遥信数据的方式，提高了采集数据的准度。
五、结论
本文通过对电压无功优化控制系统的浅要介绍，分析了其包含的自动化技术，从一个侧面反映了我国电力系统自动化科技的发展，也展现了电力行业专业人才的卓越才能。本文对电压无功优化控制系统从设计思想，系统构成方面进行的论述，可作电力专业的教辅材料，也可供电压无功优化控制装置设计和运行参考。
参考文献
[1]郑爱霞，张建华，李铭，李来福，吴强.地区电网电压无功优化控制系统设计及
