【正文】 .............................................................................. 28 單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換器的原理及主要技術(shù)指標(biāo) ................................................... 28 DAC0832 與 STC89C52 單片機(jī)的接口 ............................................................ 29 D/A 轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)流程 ..................................................................................... 30 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換部分軟件設(shè)計(jì) .............................................................................. 32 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理及主要技術(shù)指標(biāo) .................................................................. 32 ADC0804 與 STC89C52 單片機(jī)的接口 ............................................................ 33 A/D 轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)流程圖 .................................................................................. 34 本章小結(jié) ................................................................................................................... 35 5 基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制的總體調(diào)試 ................................................................. 36 6 總結(jié)與展望 ..................................................................................................................... 39 結(jié)論 ........................................................................................................................... 39 展望 ........................................................................................................................... 39 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 40 致 謝 ................................................................................................................................. 41 附錄 Ⅰ 硬件設(shè)計(jì)圖 ........................................................................................................... 42 附錄Ⅱ 程序清單 ............................................................................................................... 43 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 隨著被控系統(tǒng)越來越復(fù)雜 ， 如不確定性、多干擾、非線性、滯后、非最小相位等 , 需要控制的變量往往不只一個(gè) ， 且多個(gè)變量之間相互關(guān)聯(lián) ， 即耦合 。 傳統(tǒng)的單變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法顯然無法滿足要求 ， 工程中常常引入多變量的解耦設(shè)計(jì)。其 思想早在控制科學(xué)發(fā)展初期就已形成 , 其實(shí)質(zhì)是通過對(duì)一個(gè)具有耦合的多輸入多輸出控制系統(tǒng)配以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償器 ， 將耦合程度限制在一定程度或解耦為多個(gè)獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng)。其發(fā)展主要以 Man 于 1964 年提出的基于精確對(duì)消的全解耦狀態(tài)空間法及Rosen rock 于 20 世紀(jì) 60 年代提出的基于對(duì)角優(yōu)勢(shì)化的現(xiàn)代頻率法為代表 ， 但這兩種方法都要求被控對(duì)象精確建模 ， 在應(yīng)用上受到一定的限制。近年來 ， 隨著控制理論的發(fā)展 ， 多種解耦控制方法應(yīng)運(yùn)而生 ， 如特征結(jié)構(gòu)配置解耦、自校正解耦、線性二次型解耦、奇異攝動(dòng)解耦、自適應(yīng)解耦、 智能解耦、模糊解 耦等等。解耦控制一直是一個(gè)充滿活力、富有挑戰(zhàn)性。 多變量系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)思想在控制學(xué)科發(fā)展的初期就已形成了。在 Boksenbom和 Hood 的報(bào)告和錢學(xué)森的著作中，這個(gè)思想就已經(jīng)得到了基本研究，眾所周知，多變量系統(tǒng)的回路之間存在耦合，即系統(tǒng)的某一個(gè)輸入與系統(tǒng)的所有輸出相互影響?；蛘呦到y(tǒng)的某一個(gè)輸出受到所有輸入的影響。因此為了獲得滿意的控制效果，必須對(duì)多變量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦控制。解耦控制也一直是過程控制中的一個(gè)難點(diǎn)，本文為了使大家對(duì)解耦控制有更加深入的了解，特在 STC89C52 單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)解耦控制算 法對(duì)自己設(shè)計(jì)的雙輸入雙輸出的耦合系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制 。 課題研究背景與意義 耦合是生產(chǎn)過程中的控制系統(tǒng)中普遍存在的一種現(xiàn)象，生產(chǎn)過程是一種有序過程，環(huán)環(huán)相扣，變量間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，一個(gè)變量的波動(dòng)往往會(huì)影響多個(gè)變量的變化。圖 是雙變量耦合對(duì)象方框圖， U1 的變化會(huì)對(duì) Y1， Y2 同時(shí)產(chǎn)生影響，同樣的U2 的改變也同時(shí)會(huì)對(duì) Y1， Y2 變化產(chǎn)生影響 。 當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)我們稱 U1， U2 與Y1， Y2 為一對(duì)相互影響的耦合對(duì)象，而讓它們解除這種耦合關(guān)系的過程稱之為解耦。 基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā) 2 圖 雙變量耦合對(duì)象 在一個(gè)工程中由于耦合的存在 ,常使控制遇到以下幾種問題 : 一個(gè)存在著耦合的系統(tǒng) ， 由于各回路不能分開獨(dú)立考慮 ， 所以回路參數(shù)的整定要多次進(jìn)行 ， 但通常很難得到一個(gè)滿意的整定結(jié)果。 耦合系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)所要 求的有關(guān)系統(tǒng)的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于解耦系統(tǒng)所要求的信息。 一個(gè)解耦后的系統(tǒng)可以應(yīng)用常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。但對(duì)于存在耦合的系統(tǒng) ， 迄今也沒有找到一種可通用的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)方法。特別是變量較多時(shí) ， 事實(shí)上很難進(jìn)行精確解耦設(shè)計(jì)。 解耦后的系統(tǒng)可以隨時(shí)按照控制要求在線整定各回路 ， 也就是閉路狀態(tài)下進(jìn)行在線整定 ； 而對(duì)于 一個(gè)存在耦合的系統(tǒng) ， 由于關(guān)聯(lián)的因素太多 ， 難以隨時(shí)進(jìn)行在線整定，所以解耦合控制勢(shì)在必行。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展 解耦是控制理論中最經(jīng)典的問題之一，它的設(shè)計(jì)思想幾乎與控制學(xué)科同時(shí)產(chǎn)生，解耦控制思想最初狹義的提法是不相干 控制原則的。它是由 Roksenbom 和 Hoodlum 提出來的，他們最先將矩陣分析法應(yīng)用于多邊連控制系統(tǒng)分析，分析了有關(guān)飛行器控制的問題，即如何通過分別控制燃料與推進(jìn)器葉片角度來控制飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的速度與功率，并使這兩個(gè)控制系統(tǒng)互不干涉。 1964 年 Man 在現(xiàn)代控制理論的框架下正式提出了 MIMO 多輸入多輸出線性系統(tǒng)的輸入輸出解耦問題，即無交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 MIMO 存在著以下的特殊性：（ 1）難以獲得精確的對(duì)象模型；（ 2）輸入輸出之間彼此交連；（ 3）控制部件失效的可能性比較大。以上的特性使得通常用 于單輸入單輸出系統(tǒng)的控制方法不再適用，然而單變量控制的在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展得已經(jīng)相當(dāng)成熟，為了能夠使用現(xiàn)成的單變量控制理論，使用解耦的方法將多輸入多輸出系統(tǒng)分解成可以獨(dú)立控制的單變量控制系統(tǒng)將成為最好的選擇。 目前，國(guó)內(nèi)外的解耦控制方法主要分成以下四類：（ 1）傳統(tǒng)解耦控制方法；（ 2） 自適應(yīng)解耦控制方法；（ 3）非線性與魯棒解耦控制方法；（ 4）智能解耦控制方法。 傳統(tǒng)解耦控制方法 傳統(tǒng)解耦方法以現(xiàn)代頻域法為代表 ， 也包括時(shí)域方法 ， 主要適用于確定性線性MIMO 系統(tǒng)。 括對(duì)角矩陣法、相對(duì)增益分析法、特征曲線分析法、 狀態(tài)變量法、逆奈氏陣列法 等。實(shí)現(xiàn)解耦控制的思想是通過解耦補(bǔ)償器的設(shè)計(jì) ， 使解耦補(bǔ)償器與被控對(duì)象組成的廣義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣對(duì)角陣 ， 從而把一個(gè)由耦合影響的多變量系統(tǒng)化為多個(gè)無耦合的單變量系統(tǒng)。但解耦設(shè)計(jì)方法中補(bǔ)償陣嚴(yán)重依賴于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型 ， 而被控過程通常是時(shí)變和非線性的 ， 因此一個(gè)線性的、定常的解耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在被控過程發(fā)生工作點(diǎn)變化時(shí) ， 由于不具有適應(yīng)性 ， 很難保證控制品質(zhì) ， 甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。此外 ， 由于被控過程往往具有純延遲和單位圓外的零點(diǎn) ， 因此完全解耦補(bǔ)償陣存在著可實(shí)現(xiàn)的問題。在工程中 ， 完全解耦長(zhǎng)期被棄置不 用 ， 代之以解耦系統(tǒng)的簡(jiǎn)化 ， 從而產(chǎn)生部分解耦、單向解耦的方法。這實(shí)際上是以犧牲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能來保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的解耦性能。由于靜態(tài)解耦同樣涉及到靜態(tài)增益匹配、調(diào)整的問題 ,也同樣涉及到增益的適應(yīng)性問題 ,因此系統(tǒng)的魯棒性也難以保證。 自適應(yīng)解耦控制方法 對(duì)于 MIMO 不確定性問題 ， 多變量自適應(yīng)解耦控制的研究為這類問題的解決提出了可行性方法。多變量自適應(yīng)解耦控制方法是將被控對(duì)象的解耦、控制和辨識(shí)結(jié)合起來 ， 可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)未知或時(shí)變系統(tǒng)的在線精確解耦控制。自適應(yīng)解耦的方法將耦合項(xiàng)作為可測(cè)干擾 ， 采用自校正前饋控制的方法對(duì)耦合進(jìn) 行動(dòng)、靜態(tài)補(bǔ)償。對(duì)最小相位系統(tǒng)采用最小方差控制律可以抑制交連 ， 對(duì)非最小相位系統(tǒng) ， 可以采用廣義最小方差控制律 。只要最優(yōu)預(yù)報(bào)和性能指標(biāo)函數(shù)中含有耦合項(xiàng) ， 就可以達(dá)到消除耦合的目的。上述解耦方法設(shè)計(jì)時(shí)需求解 Diophantine 方程 ， 而方程的求解 ， 未知數(shù)個(gè)數(shù)會(huì)少于方程個(gè)數(shù) ， 因此解出的只能是最小二乘解 ， 即近似解。如果增加“靜差 = 0”的約束 ，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)解耦 ， 但動(dòng)態(tài)解耦仍不能完全實(shí)現(xiàn)。多變量自適應(yīng)解耦控制用于工業(yè)界 ，基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā) 4 如工業(yè)電加熱爐上下加熱段爐溫的多變量自適應(yīng)解耦 ， 大型火力發(fā)電機(jī)組的機(jī)爐協(xié)調(diào)自適應(yīng)解耦控制等 ， 都取得 良好控制品質(zhì)?？梢钥闯?， 多變量自適應(yīng)解耦控制技術(shù)在解決復(fù)雜工業(yè)過程的自動(dòng)控制問題方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。 智能解耦控制 由于它在解決非線性方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì) ， 使它在非線性系統(tǒng)解耦控制方面得到了廣泛的關(guān)注。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線性和非線性系統(tǒng)在線精確解耦 ， 解決了傳統(tǒng)解耦方法不易實(shí)現(xiàn)精確解耦的問題。 ①模糊解耦控制 主要有兩大類方法 ： 一類是直接解耦方法 ； 另一類是間接解耦方法。直接解耦法是國(guó)內(nèi)外研究較多的一種解耦方法。直接解耦法一種是對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行解耦 ， 然后針對(duì)解耦而成的各單變量過程進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。模糊解 耦控制系統(tǒng)的研究尚處于發(fā)展階段 ， 很多結(jié)論只是理論推導(dǎo) ， 還不能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室加以驗(yàn)證。同時(shí) ， 針對(duì)解耦之后控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控可觀性的研究也沒有成熟。因此 ， 無論是針對(duì)控制對(duì)象還是針對(duì)控制器解耦 ， 當(dāng)前急需解決的問題是如何由模糊關(guān)系方程求解各個(gè)解耦后的模糊子關(guān)系 ， 盡量減少前述方法所加的約束 ， 得到令人滿意的仿真結(jié)果。 ②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在指定的緊集上以任意精度逼進(jìn)任意解析非線性函數(shù) ， 而且具有學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力 ， 使它能夠處理系統(tǒng)的非線性特性 ， 同時(shí)又有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為了實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)控制的有 力工具。但是單獨(dú)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制很難滿足系統(tǒng)的要求 ， 它常同其他算法結(jié)合實(shí)現(xiàn)解耦控制。盡管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦的研究已有一些研究成果 ， 但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著自身無法解決的問題 ， 而且非線性對(duì)象不像線性對(duì)象那樣容易分解和交換 ， 因此非線性解耦理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合較為困難 ， 難以找到通用的解耦條件判據(jù)。所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦理論發(fā)展較為緩慢 ， 更多的解耦策略都帶有嘗試性只能依靠仿真來佐證 ， 只有少數(shù)情況下 ， 對(duì)某一特定類別的系統(tǒng)可以進(jìn)行可解耦性分析。 自適應(yīng)解耦與智能解耦都是以傳統(tǒng)解耦理論為基礎(chǔ) ， 更側(cè)重于控制器的研究。這兩類方法更多采用了試探、優(yōu)化 的方法來設(shè)計(jì)控制器 ， 因而在理論研究上還不十分完善 ， 在系統(tǒng)可解耦性的證明、解耦算法的穩(wěn)定性、收斂性的證明等方面 ， 都還有大量的工作要做 ， 這是一個(gè)很有發(fā)展前途的方向。 在解耦控制器的應(yīng)用上 ， 三維以上系統(tǒng)還很難達(dá)到令人滿意的效果。另外 ， 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和算法的改進(jìn)上 ， 也值得繼續(xù)深入研究。在工程實(shí)踐中 ， 許多解耦理論由于設(shè)沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 計(jì)方法及算式過于復(fù)雜而難以推廣應(yīng)用 ， 因此尋求一種有效的、簡(jiǎn)單易行的控制方法 ，即尋求理論研究同實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合點(diǎn)是今后研究的一個(gè)方