【正文】 ... 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(yáng)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(lái)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 。近年來(lái) ， 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?；蛘呦到y(tǒng)的某一個(gè)輸出受到所有輸入的影響。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 。 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)。 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。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。實(shí)現(xiàn)解耦控制的思想是通過(guò)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(wú)耦合的單變量系統(tǒng)。這實(shí)際上是以犧牲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能來(lái)保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的解耦性能。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。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)。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。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。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。 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。在工程實(shí)踐中 ， 許多解耦理論由于設(shè)沈陽(yáng)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(guò)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)方向。 根據(jù)上述研究目標(biāo)，本文主要包括以下研究?jī)?nèi)容： (1) 設(shè)計(jì) 解耦控制中典型耦合系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)總體框架； (2) 根據(jù)上述設(shè)計(jì)的總體框架，設(shè)計(jì)并連接硬件電路； (3) 根據(jù)硬件電路的連接，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件； (4) 對(duì)解耦控制的硬件電路和控制結(jié)果進(jìn)行仿真和硬件實(shí)驗(yàn)比較驗(yàn)證設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2）基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 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) 6 介紹解耦控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)概述， STC89C51 芯片的總體介紹，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架與流程實(shí)現(xiàn)。 6）總結(jié) 對(duì)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的內(nèi)容做出總結(jié)。單片機(jī)接受經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理 (主要實(shí)現(xiàn) PID 控制和解耦算法 )后，輸出經(jīng)過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)后的數(shù)字信號(hào)， D/A 轉(zhuǎn)換后，將此輸出值作為 相互耦合的電路系統(tǒng)的輸入，實(shí)現(xiàn)解耦作用。經(jīng)過(guò)計(jì)算，本設(shè)計(jì)所使用的耦合系統(tǒng)是可以解耦控制的。 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) 10 圖 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程圖 開始 將 PID 控制的結(jié)果作為解耦控制的參數(shù)進(jìn)行解耦控制 利用 A/D 轉(zhuǎn)換獲得參數(shù)和兩個(gè) 通道的設(shè)置數(shù)據(jù)作為 PID 控制的控制參數(shù)進(jìn)行 PID 控制 分別對(duì)通道一和通道二的輸出參數(shù)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 對(duì)解耦輸出結(jié)果進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換并把轉(zhuǎn)換結(jié)果加到耦合系統(tǒng)的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的輸入端 分別設(shè)置通道一和通道二初始量 采樣時(shí)刻是否達(dá)到？ 是否結(jié)束解耦控制？ 結(jié)束 是 是 否 否 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 STC89C52 單片機(jī)介紹 單片機(jī)的簡(jiǎn)介 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是典型的嵌入式 微控制器 (Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫 MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O 設(shè)備。 單片機(jī)內(nèi)部也 有 和電腦功能類 似的模塊，比如 CPU、 內(nèi)存 、 并行總線，還有和硬盤作用相同的 存儲(chǔ)器 件，不同的是它的這些部件性能都相對(duì)我們的家用電腦弱很多，不過(guò)價(jià)錢也是低的，一般不超過(guò) 10 元即可用它來(lái)做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的?；趩纹瑱C(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā) 12 在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。對(duì)于 STC89C52，如果 EA 接 VCC，程序讀寫先從內(nèi)部存儲(chǔ)器（地址為 0000H～ 1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為： 2020H~FFFFH。當(dāng)一條指令訪問高于 7FH 的地址時(shí)，尋址方式?jīng)Q定 CPU 訪問高 128 字 RAM 還是特殊功能寄存器空間。 WDT 在默認(rèn)情況下無(wú)法工作；為了激活 WDT，用戶必須往 WDTRST 寄存器（地址： 0A6H）中依次寫入 01EH 和0E1H。當(dāng) WDT 溢出，它將 驅(qū)動(dòng) RSR 引腳一個(gè)高個(gè)電平輸出。這些寄存器是用于存放定時(shí)或計(jì)數(shù)初值的。當(dāng)定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)方式時(shí)，外部事件通過(guò)引腳 T0()和 T1()輸入。什么是中斷？在計(jì)算機(jī)中，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)外部的原因或軟硬件的原因，使 CPU 從當(dāng)前正在執(zhí)行的程序中暫停下來(lái)，而 自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行預(yù)先安排好的為處理該原因所設(shè)計(jì)的服務(wù)程序。 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) 16 3 基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制的硬件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制的硬件設(shè)計(jì)主要包括兩部分的硬件設(shè)計(jì)： 一，耦合系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 耦合系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 耦合系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是利用運(yùn)算放大器來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)相互耦合的雙輸入雙輸出的耦合系統(tǒng)。下面講解單個(gè)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)辦法： 如圖 所示為運(yùn)算放大器單一模型的設(shè)計(jì)圖，其中 R1 為 10K 電阻； R2,R3 為1K 電阻電容為 1uF，運(yùn)算放大器使用 LM324，運(yùn)算放大倍數(shù)為一倍： 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 O T 1G RO UN D+5V5v321411U 1 : AL M 3 2 4C11uFR21kR31kR11 0 k567411U 1 : BL M 3 2 4 圖 運(yùn)算放大器模型的設(shè)計(jì)圖 耦合系統(tǒng)的連接構(gòu)成 耦合系統(tǒng)是由六個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的，要設(shè)計(jì)完整的耦合時(shí)間滯后的耦合系統(tǒng)，必須使帶有電容的運(yùn)放每?jī)蓚€(gè)一組構(gòu)成耦合通道，然后輸出。使用單電源 +5V― +15V 供電。管腳 8 接參考電壓，在此我們接的參考電壓是 +5V。單通道輸入 ,轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為 100us。在 CS 和 RD 的控制 下可以讀取數(shù)據(jù)結(jié)果。 STC89C52 硬件連線圖如圖 所示 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 ATC89C52硬件連接圖 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了這次設(shè)計(jì)中需要用到的各部分硬件電路，包括模擬電路（耦合系統(tǒng)模塊）和數(shù)字電路部分（單片機(jī)解耦模塊）。 PID 控制原理 在工業(yè)控制中，常常采用如圖 所示的 PID 控制，其控制規(guī)律為： 圖 PID控制原理圖 ? ? 01 ( )( ) ( )tpDI d e tu t K e t e t TT d t??? ? ?????? （ ） 對(duì)應(yīng)的模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： ? ? ( ) 1(1 )() PDIUsD s K T sE s T s? ? ? ? (） 其中 PK 為比例增益， PK 與比例帶 ? 成倒數(shù)關(guān)系即 PK = 1/? ， IT 為積分時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)， ()ut 為控制量， ()et 為偏差。 整理得：0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k q e k q e k q e k? ? ? ? ? ? （ ） 其中：0 (1 )Dp I TTqk TT? ? ? (） 1 2(1 )DP TqK T? ? ? 2 DpTqkT? 數(shù)字 PID 控制器的軟件實(shí)現(xiàn)流程 有上述推論的原理可得 PID 控制流程圖設(shè)計(jì)如下： 耦合二變量耦合被控對(duì)象： ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? 212222211211 ???????? ???????? kukukykyky kukukykyky (） 設(shè)采樣時(shí)間 T=1s。圖中， 1()Dz、 2()Dz分別為回路 1和回路 2 的控制的控制器脈沖傳遞函數(shù)， 11()Fz、 12()Fz、 21()Fz、 22()Fz為解耦補(bǔ)償裝置的脈沖傳遞函數(shù)， ()Hs為零階保持器的傳遞函 數(shù)并有廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為 : 1 1 1 1 1 2 1 22 1 2 1 2 2 2 2( ) [ ( ) ( ) ] , ( ) [ ( ) ( ) ]( ) [ ( ) ( ) ] , ( ) [ ( ) ( ) ]G z Z H s G s G z Z H s G sG z Z H s G s G z Z H s G s?? (） 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 解耦系統(tǒng)離散化處理后結(jié)構(gòu)圖 由上面講述的可推得： 111 1 1 22 1 2 222( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )Y z P zG z G zG z G zY z P z? ? ? ????? ? ? ?????? ? ? ? (） 111 1 1 22 1 2 222( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )P z U zF z F zF z F zP z U z? ? ? ????? ? ? ?????? ? ? ? (） 由上述公式可以推得 111 1 1 2 1 1 1 22 1 2 2 2 1 2 222( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )Y z U zG z G z F z F zG z G z F z F zY z U z? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? (） 根據(jù)解耦控制條件，可知 1 1 1 2 1 1 1 2 1 12 1 2 2 2 1 2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0( ) ( ) ( ) ( ) 0 ( )G z G z F z F z G zG z G z F z F z G z? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (） 可以求得解耦補(bǔ)償矩陣為： 111 12 11 11 1221 22 22 21 22( ) ( ) ( ) 0 ( ) ( )( ) ( ) 0 ( ) ( ) ( )F z F z G z G z G zF z F z