【正文】 ement basic control. We used STC89C52 single chip as the core of the controller chip, all control functions is achieved by STC in the form of software running. The system is simple, powerful, and able to achieve the design requirements of the decoupling control system. Keywords: PID control。 本文以 STC89C52 單片機(jī)為平臺(tái)，將解 耦控制應(yīng)用到耦合系統(tǒng)中，這個(gè)耦合系統(tǒng)是一個(gè)自己設(shè)計(jì)的雙輸入雙輸出的耦合系統(tǒng)。變量間相互干涉的現(xiàn)象稱(chēng)為耦合，消除這種耦合稱(chēng)為解耦。 關(guān)鍵 發(fā) 詞 ： PID 控制； 解耦控制；耦合系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的單變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法顯然無(wú)法滿(mǎn)足要求 ， 工程中常常引入多變量的解耦設(shè)計(jì)。解耦控制一直是一個(gè)充滿(mǎn)活力、富有挑戰(zhàn)性。因此為了獲得滿(mǎn)意的控制效果，必須對(duì)多變量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦控制。 當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)我們稱(chēng) 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(guò)程稱(chēng)之為解耦。但對(duì)于存在耦合的系統(tǒng) ， 迄今也沒(méi)有找到一種可通用的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)方法。它是由 Roksenbom 和 Hoodlum 提出來(lái)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(wèn)題，即如何通過(guò)分別控制燃料與推進(jìn)器葉片角度來(lái)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。 目前，國(guó)內(nèi)外的解耦控制方法主要分成以下四類(lèi)：（ 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。但解耦設(shè)計(jì)方法中補(bǔ)償陣嚴(yán)重依賴(lài)于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型 ， 而被控過(guò)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(guò)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。由于靜態(tài)解耦同樣涉及到靜態(tài)增益匹配、調(diào)整的問(wèn)題 ,也同樣涉及到增益的適應(yīng)性問(wèn)題 ,因此系統(tǒng)的魯棒性也難以保證。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 。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(kāi)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)。 ①模糊解耦控制 主要有兩大類(lèi)方法 ： 一類(lèi)是直接解耦方法 ； 另一類(lèi)是間接解耦方法。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(méi)有成熟。但是單獨(dú)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制很難滿(mǎn)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。這兩類(lèi)方法更多采用了試探、優(yōu)化 的方法來(lái)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 MIMO 解耦控制中目前逐漸出現(xiàn)了將自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控 制、遺傳算法等先進(jìn)控制手段合理搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)解耦 ， 這種揚(yáng)長(zhǎng)避短的方法也不失為解決耦合問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。 本文的設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)介 本文主要介紹使用 STC89C52 型號(hào)的單片機(jī)對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制，使用程序編寫(xiě)軟件平臺(tái)為 Kill4，利用 C 語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序。 3）基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 介紹解耦控制系統(tǒng)中需要使用到的所有硬件電路，包括的耦合系統(tǒng)連接，單片機(jī)解耦系統(tǒng)的連接， LED 顯示部件的連接等。 本章小結(jié) 本章主要討論了課題研究的背景及意義，介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外解耦控制的研究現(xiàn)狀，最后簡(jiǎn)要給出了論文的結(jié)構(gòu)安排。 系統(tǒng)基本要求 利用運(yùn)算放大器構(gòu)造一個(gè)兩輸入、兩輸出耦合系統(tǒng)；構(gòu)造補(bǔ)償解耦控制算法；編制 基于 單片機(jī)的解耦 控制系統(tǒng) 程序，實(shí)現(xiàn) 兩輸入、兩輸出耦合系統(tǒng)的解耦控制 。 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(kāi)發(fā) 8 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架及其實(shí)現(xiàn) 上面的部分已經(jīng)對(duì)此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了一些簡(jiǎn)短的介紹了，現(xiàn)在要做的就是設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的原理框架圖。單片機(jī)由 芯片 內(nèi)僅有 CPU 的專(zhuān)用 處理器 發(fā)展而來(lái)。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。我們現(xiàn)在用的全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、 VCD 等等的家電里面都可以看到它的身影！它主要是作為控制部分的核心部件。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用 美國(guó) 50 年代開(kāi)發(fā)的 74 系列，或者60 年代的 CD4000 系列這 些純硬件來(lái)搞定的話， 電路 一定是一塊大 PCB 板！但是如果要是用美國(guó) 70 年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ STC89C52 的主要性能參數(shù) STC89C52 是一種低功耗，高性能 CMOS 微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器。 STC89C52 可提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash 閃存器， 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針， 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 主要特性： 80C52 核心處理器單元； 3V/5V工作電壓，操作頻率 033MHz（ STC89LE516AD 最高可達(dá) 90MHz）； 5V工作電壓，操作頻率 040MHz； 大容量?jī)?nèi)部數(shù)據(jù) RAM： 1K 字節(jié) RAM； 64/32/16/8kB 片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器，具有在應(yīng)用可編程 (IAP) ,在系統(tǒng)可編程(ISP)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程軟件升級(jí)，無(wú)需編程器； 支持 12 時(shí)鐘 （ 默認(rèn) ） 或 6 時(shí)鐘模式； 雙 DPTR 數(shù)據(jù)指針； SPI（ 串行外圍接口 ） 和增強(qiáng)型 UART； PCA（ 可編程計(jì)數(shù)器陣列 ） ，具有 PWM 的捕獲 /比較功能； 4 個(gè) 8 位 I/O 口，含 3 個(gè)高電流 P1 口，可直接驅(qū)動(dòng) LED； 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 可編程看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT)； 低 EMI 方式 (ALE 禁止 )； 兼容 TTL 和 COMS 邏輯電平； 掉電檢測(cè)和低功耗模式等。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： STC89C52 有 256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。直接尋址方式訪問(wèn)特殊功能寄存器（ SFR）。當(dāng) WDT 激活后，晶振工作， WDT 在每個(gè)機(jī)器周期都會(huì)增加。 從定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)圖 中我們可以看出， 16 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器分別由兩個(gè)8 位專(zhuān)用寄存器組成，即 T0 由 TH0 和 TL0 構(gòu)成 ， T1 由 TH1 和 TL1 構(gòu)成。此外，其內(nèi)部還有一個(gè) 8 位的定時(shí)器方式寄存器 TMOD 和一個(gè) 8 位的定時(shí)控制寄存器 TCON。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0、 T1的結(jié)構(gòu)框圖 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)加 1 計(jì)數(shù)器，其控制電路受軟件控制、切換。執(zhí)行完服務(wù)程序后，再返回被暫停的位置繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為中斷，實(shí)現(xiàn)中斷的硬件系統(tǒng)稱(chēng)為中斷系統(tǒng)。 耦合系 統(tǒng)設(shè)計(jì)又可以分為兩部分：第一，單一運(yùn)算放大器模塊；第二，由運(yùn)算放大器連接組成耦合系統(tǒng)?？偣残枰玫搅鶄€(gè)運(yùn)算放大器按照既定的規(guī)則連接構(gòu)成其中四個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成有滯后的耦合系統(tǒng)參數(shù)，另外兩個(gè)用來(lái)輸出耦合系統(tǒng)的結(jié)果。 完整的耦合系統(tǒng)連接圖如圖 所示： G RO UN DO UT 1G RO UN DO UT 2G RO UN DO UT 2G RO UN DO T 1O T 1G RO UN DO T 2O T 2G RO UN DO T 3O UT 3O T 4O T 4O UT 1321411U 1 : AL M 3 2 4C11uFR21kR31kR11 0 k567411U 1 : BL M 3 2 4C21uFR41kR51kR61 0 k1098411U 1 : CL M 3 2 4C31uFR71kR81kR91 0 k121314411U 1 : DL M 3 2 4C41uFR 1 01kR 1 11kR 1 21 0 k321411U 2 : AL M 3 2 4R 1 31kR 1 41kR 1 51 0 k567411U 2 : BL M 3 2 4R 1 61kR 1 71kR 1 81 0 kR 1 91kR 2 01k 圖 耦合系統(tǒng)整體連接圖 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(kāi)發(fā) 18 單片機(jī)解耦系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)主要是針對(duì) STC89C52 的應(yīng)用展開(kāi)的，所以對(duì)于單片機(jī)的硬件連接部分的設(shè)計(jì)也顯得特別重要，因?yàn)檐浖桥浜嫌布?lái)使用的，沒(méi)有完備的硬件系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)的再好，也只是一些無(wú)根之木，無(wú)法達(dá)到需求的。參考電壓為 10V－ +10V。我們?cè)?P0 口輸出相應(yīng)的數(shù)字量時(shí)數(shù)據(jù)。 ADC0804 轉(zhuǎn)換時(shí)序是：當(dāng) CS＝ 0 許可進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 設(shè)計(jì) ADC0804 硬件連接圖如圖 所示： A DC S 1RDWRG RO UN DG RO UN D2. 5 VG RO UN DP O W E RDB 0DB 1DB 2DB 3DB 4DB 5DB 6DB 7G RO UN DO UT 1V I N+6V I N7V RE F / 29CLK I N4A G ND8RD2WR3I NT R5CS1D G ND10DB 7( M S B )11DB 612DB 513DB 414DB 315DB 216DB 117DB 0( LS B )18CLK R19V C C20U5A DC 08 0 4R510 kC11nF 圖 ADC083204硬件連接圖 數(shù)碼管顯示硬件設(shè)計(jì) 數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示：：就六位數(shù)碼管顯示 123456 舉例說(shuō)明如下：先讓第一個(gè)數(shù)碼管顯示 1，其余的全部不亮，大約亮幾毫秒，然后熄滅，緊接著立即讓第二個(gè)數(shù)碼管顯示 2，其余的全部不亮， 2 同樣亮幾毫秒，依次這樣亮到第六個(gè)數(shù)碼管，然后再回來(lái)顯示 1，如此這樣以很快的速度不斷循環(huán)下去，由于人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間大約為 20 毫秒左右，所以是感覺(jué)不出有不亮的數(shù)碼管存在的，看見(jiàn)的是六個(gè)數(shù)碼管同時(shí)在 顯示，數(shù)值是 123456，如果我們把這個(gè)過(guò)程一點(diǎn)點(diǎn)放慢，看見(jiàn)的是從第一個(gè)數(shù)碼管顯 1，然后移到第二個(gè)再顯 2… ..也就是說(shuō)在任一時(shí)刻只有一位數(shù)碼管是亮的。 設(shè)計(jì)使用 Protuse 仿真繪圖實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件連線的介紹，簡(jiǎn)單明了，內(nèi)容框架清晰。 數(shù)字 PID 控制器的設(shè)計(jì) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， PID 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。給定輸入為單位階躍輸入，即： ? ?? ? ?????????????? 11211 kr krR (） PID 解耦控制算法能有效的對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制，與 PID 控制相比，單神經(jīng)元 PID 控制具有響應(yīng)速度快，自適應(yīng)能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 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(kāi)發(fā) 28 數(shù)字解耦控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)流程 解耦程序軟件流程 圖如圖 所示： 圖 耦合系統(tǒng)解耦軟件流程圖 單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換部分軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換部分硬件設(shè)計(jì)圖在硬件設(shè)計(jì)部分已經(jīng)做了詳細(xì)介紹，現(xiàn)在跟據(jù)上面的硬件圖來(lái)做軟件編寫(xiě)介紹。 圖 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DAC0832 與 STC89C52 單片機(jī)的接口 在本次設(shè)計(jì)中主要使用 DAC0832 芯片的單緩沖工作模式，系統(tǒng)中使用兩片DAC0832 芯片，分時(shí)對(duì)端口賦值，并將值存入一級(jí)緩存器，但同步打開(kāi)轉(zhuǎn)換器，使輸出同步，保證了耦合系統(tǒng)能夠同步工作。其主要參數(shù)如下：分辨率為 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1μs，滿(mǎn)量程誤差基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制硬件設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā) 30 為 177。 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理及主要技術(shù)指標(biāo) ADC0804 為逐次逼近式 ADC 轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部原理圖如圖 所示： A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)如下： ? 分辨率為８位； ? 精度： ADC0804 小于177。典型值為時(shí)鐘頻率 640KHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 100μ S。 CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦 CS 有效，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動(dòng)工作