【正文】 理學(xué)家奈奎斯特 (H. Nyquist)研究了長距離電話線信號傳輸中出現(xiàn)的失真問題 ,運用復(fù)變函數(shù)理論建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù) ,奠定了頻域法的基礎(chǔ)。隨后 ,伯德 (. Bode)和尼科爾斯 (. Nichols)在 20 世紀(jì) 30年代末和 40年代初 5 進一步發(fā)展了頻域法 ,形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法 ,為工程技術(shù)人員提供了一個設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的有效工具。 第二次世界大戰(zhàn)期間 ,反饋控制方法被廣泛應(yīng)用于設(shè)計、研制飛機自動駕駛儀 、火炮定位系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)以及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求 ,迫切要求拓展已有的控制技術(shù) ,促成許多新的見解和方法的產(chǎn)生。同時 ,還促進了對非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)以及隨機控制系統(tǒng)的研究。 1948 年 ,美國科學(xué)家伊萬斯 (. Evans)創(chuàng)立了根軌跡分析方法 ,為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律提供了有力工具 ,被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計中。 以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,以時域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析、設(shè)計工具 ,構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架。 到 20世紀(jì) 50年代 ,經(jīng)典控制理論發(fā)展到相當(dāng)成熟的地步 ,形成了相對完整的理論體系 ,為指導(dǎo)當(dāng)時的控制工程實踐發(fā)揮了極大的作用。 經(jīng)典控制理論主要用于解決反饋控 制系統(tǒng)中控制器的分析與設(shè)計的問題。 圖 11 所示為反饋控制系統(tǒng)的簡化原理框圖。 經(jīng)典控制理論主要研究線性定常系統(tǒng)。所謂線性系統(tǒng) ,是指系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程描述的系統(tǒng)。如果描述該線性系統(tǒng)的微分方程的系數(shù)是常數(shù) ,則稱為線性定常系統(tǒng)。描述自動控制系統(tǒng)輸入量、輸出量和內(nèi)部 量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,它是分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。經(jīng)典控制理論中廣泛使用的頻域法和根軌跡法 ,是建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的。線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在零初始條件下系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯 (以下簡稱拉氏 )變換與輸入量的拉氏變換之比 ,是描述系統(tǒng)的頻域模型。傳遞函數(shù)只描述了系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系 ,沒有內(nèi)部變量的表示。經(jīng)典控制理論的特點是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具 ,本質(zhì)上是頻域方法 ,主要研 “單輸入單輸出” (SingleInput Singleoutput, SISO)線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計 ,對線性定常系 6 統(tǒng) 的研究 ,已經(jīng)形成相當(dāng)成熟的理論。典型的經(jīng)典控制理論包括 PID控制、 Smith控制、解耦控制和串級控制等。 經(jīng)典控制理論雖然具有很大的實用價值 ,但也有著明顯的局限性 ,主要表現(xiàn)如下。 1) 經(jīng)典控制理論只適用于 SISO 線性定常系統(tǒng)的研究 ,難以推廣到多輸入多輸出 (MultiInput MultiOutput, MIMO)線性定常系統(tǒng) ,對時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)更無能為力 。 2) 用經(jīng)典控制理論分析、設(shè)計控制系統(tǒng) ,一般根據(jù)幅值裕度、相位裕度、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等頻域里討論的指標(biāo)來進行 ,這些指標(biāo)并不直觀且 難以接受 ,與通常所討論的性能指標(biāo) ,如最快、最小能量等 ,難以建立直接對應(yīng)關(guān)系 。 3) 經(jīng)典控制理論在系統(tǒng)設(shè)計、分析時無法考慮系統(tǒng)的初始條件 ,因此 ,難以達到高精度的位置、速度等控制系統(tǒng)設(shè)計要求 。 4) 經(jīng)典控制理論在進行控制系統(tǒng)設(shè)計和綜合時 ,需要借助豐富的經(jīng)驗進行試湊以及大量的手工計算。 現(xiàn)代控制理論 20 世紀(jì) 50 年代中期 ,科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)力的發(fā)展 ,特別是空間技術(shù)的發(fā)展 ,迫切要求解決多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題 ,例如火箭和宇航器的導(dǎo)航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制等。實 踐的需求推動了控制理論的進步 ,同時 ,計算機技術(shù) 的發(fā)展也為控制理論的發(fā)展提供了條件 ,適合于描述航天器的運動規(guī)律 ,又便于計算機求解的狀態(tài)空間描述成為主要的模型形式。俄國數(shù)學(xué)家李雅普諾夫 (А .М . Ляпунов ) 在 1892 年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被應(yīng)用到現(xiàn)代控制理論研究中。 1956年 ,前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金 (. Понтрягин ) 批注 [z1]: 提出極大值原理 。同年 ,美國數(shù)學(xué)家貝爾曼 (R. Bellman)創(chuàng)立了動態(tài)規(guī)劃理論。極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論依據(jù)。美國數(shù)學(xué)家卡爾曼 (R. Kalman)在 1959年提出了著名的卡爾曼濾波器 ,1960年又提出系統(tǒng)的能控性和能觀性問題。到 20 世紀(jì) 60 年代初 ,一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的新原理和方法基本確定 ,現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生。 現(xiàn)代控制理論主要利用計算機作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計乃至控制的手段 ,適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。它在本質(zhì)上是一種“時域法” ,但并不是對經(jīng)典頻域法的從頻域回到時域的簡單回歸 ,而是立足于新的分析方法 ,有著新的目標(biāo)的新理論?，F(xiàn)代控制 7 理論研究內(nèi)容非常廣泛 ,主要包括 3 個基本內(nèi)容 :多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論以及最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識理論?，F(xiàn)代控制理論從理論上解決了系統(tǒng)的能控性、能觀性、穩(wěn)定性以及許多復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。 與經(jīng)典控制理論相比較 ,現(xiàn)代控制理論有如下優(yōu)點。 1) 現(xiàn)代控制理論不僅適用于 SISO線性定常系統(tǒng) ,而且易于推廣到 MIMO系統(tǒng)、時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)等 ,顯示了有更強的描述系統(tǒng)的動態(tài)行為特性的能力 ,能夠處理的系統(tǒng)的范圍更大 。 2) 現(xiàn)代控制理論利用時域法容易給人以時間上清晰的性能指標(biāo) ,如最快速度、最小能量等 ,易于理解、接受和優(yōu)化設(shè)計 。 3) 現(xiàn)代控制理論易于考慮系統(tǒng)的初始條件 ,使得所設(shè)計的控制系統(tǒng)有更高的精度和更佳的性能指標(biāo) 。 4) 現(xiàn)代控制理論易于用計算機進行系統(tǒng)分析、計算和實現(xiàn)計算機控制 ,所設(shè)計的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)具有極大的可行性、優(yōu)越性、先進性。 現(xiàn)代控制理論和經(jīng)典控制理論并不是截然對立的 ,而是相輔相成、互為補充的 ,有各自的長處和不足。一般來說 ,現(xiàn)代控制理論對描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型的要求較高 ,需要用到更多的數(shù)學(xué)知識 ,在控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)時對控制設(shè)備和系統(tǒng)所處的環(huán)境要求也高一些。在進行實際系統(tǒng)分析與設(shè)計時 ,要根據(jù)具體的要求、目標(biāo)和 條件 ,選擇適宜的控制理論方法 ,也可以將經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制 理 論結(jié)合起來綜合考慮。 單片機的發(fā)展 單片機的發(fā)展歷史可劃分為三個階段： 第一階段 (1974 年 ~1976 年 )：單片機初級階段。因工藝限制，單機采用雙片形式，而且功能比較簡單。例如仙童公司生產(chǎn)的 F8 單片機。第二階段 (1976 年 ~1978 年 )：低性能單片機階段。以 Intel 公司的 MCS48系列單片機為代表。這種單片機片內(nèi)集成有8 位 CUP，并行 I/O口， 8 位定時器 /計數(shù)器， RAM 及 ROM等。不足之處是無串 行口，中斷簡單。第三階段 (1978 年至今 )：高性能單片機階段。單片機以其優(yōu)異的性能，低廉的價格，不斷滲透到社會生活的每個角落。單片機生產(chǎn)廠商如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，多系列，多型號，各種性能組合的單片機層出不窮，不斷滿足不同應(yīng)用場合的新要求。隨著 8 芯片制作工藝，技術(shù)水平的不斷提高和單片機需求量的不斷加大，單片機的性能價格比不斷攀升，呈現(xiàn)出一派欣欣向榮的景象。單片機技術(shù)的開放性，生產(chǎn)商的竟?fàn)幖ち倚院蛷V泛的市場需求等因素，無疑為單片機的飛速發(fā)展提供了強大動力。因此，單片機應(yīng)用開發(fā)成為當(dāng)今電子工程技術(shù)人員急需掌握的技術(shù)。 單片機的發(fā)展趨勢 1．制作工藝 CMOS化 (全盤 CMOS化 ) 出于對低功耗的普遍要求，目前各大廠商推出的各類單片機產(chǎn)品都采用了 CHMOS工藝。 80C51系列單片機采用兩種半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。一種是 HMOS工藝 ,即高密度短溝道 MOS工藝。另外一種是 CHMOS工藝，即互補金屬氧化物的 HMOS工藝。 CHMOS是 CMOS和 HMOS的結(jié)合，除保持了 HMOS的高速度和高密度的特點之外，還具有 CMOS低功耗的特點。例如 8051的功耗為 630mw，而 80C51的功耗只有 120mw。在便攜式、手提式或野外 作業(yè)儀器設(shè)備上低功耗是非常有意義的。因此，在這些產(chǎn)品中必須使用 CHMOS的單片機芯片。 2．盡量實現(xiàn)單片化 盡管我們常說，單片機是將中央處理器 CPU、存儲器和 I/O接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，但由于工藝和其它方面的原因，很多功能部件并未集成在單片機芯片內(nèi)部。于是，用戶通常的做法是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需要在外圍擴展功能芯片。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展和 “ 以人為本 ” 思想在單片機設(shè)計上的體現(xiàn)，很多單片機生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求，將一些常用的功能部件，如 A/D(模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 )、 D/A(數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 )、 PWM(脈沖產(chǎn)生器 )以及 LCD(液晶 )驅(qū)動器等集成到芯片內(nèi)部，盡量做到單片化；同時，用戶還可以提出要求，由廠家量身定作 (SOC設(shè)計 )或自行設(shè)計。 3．共性與個性共存 如今的市場上為我們提供了豐富多彩的單片機產(chǎn)品。從宏觀上講，有 RISC和 CISC兩大類型；從微觀上說，有 Intel、 Motorola、 Philips、 Microchip、 EMC、 NEC等公司的相關(guān)產(chǎn)品。在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，都將維持這種群雄并起、共性與個性共存的局面。究其原因，主要有以下兩點。首先，以 80C51為代表的單片 機的基礎(chǔ)地位不會動搖。這是因為 80C51的架構(gòu)和指令系統(tǒng)為后來的單片機提供了參考基準(zhǔn)和強大支持，凡是學(xué)過80C51單片機的人再去學(xué)用其它類型的單片機易如反掌，借梯子爬坡何樂而不為呢？有關(guān)這方面的教材建設(shè)在出版界也得到了共識，取得了斐然的成果；這足以解釋為制么在 9 課堂上大家都以 80C51的教材來進行教與學(xué)了。其次，個性化的產(chǎn)品如專用單片機等在滿足用戶需求方面得到了大家的認(rèn)可，在應(yīng)用領(lǐng)域大有后來趕上的架勢；它們由于先天的優(yōu)勢，在 80C51的基礎(chǔ)上揚長避短，以用戶需要為根本，在市場上受到歡迎?？傊?，80C51作為共 性的代表會與個性化的產(chǎn)品相互依存，共同發(fā)展，將會給用戶帶來更大的實惠與方便。 單片機的應(yīng)用 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡 ，導(dǎo)彈 的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC卡 ，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)， 錄像機 、 攝像機 、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、 專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇： 智能儀器 儀表上的應(yīng)用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的 傳感器 ，可實現(xiàn)諸如電壓、 功率 、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或 數(shù)字電路 更加強大。例如精密的測量設(shè)備（ 功率計 ， 示波器 ，各種分析儀）。 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管 理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 10 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機 、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他 音響 視頻器材、再到 電子秤 量設(shè)備，五花八門，無所不在。 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn) 在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型 程控交換機 、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電 對講機等。 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng) 廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 某些專用單片機設(shè)計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復(fù)雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤 率，也方便于更換。