【正文】 10 圖 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程圖 開(kāi)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(chēng)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(xiě) MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。 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(kāi)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)。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為了實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性系統(tǒng)控制的有 力工具。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。 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(wèn)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。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(xiàn)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。在設(shè)計(jì)中我們首先使用解耦控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解耦，然后對(duì)解耦后的系統(tǒng)使用 PID 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。 課題研究背景與意義 耦合是生產(chǎn)過(guò)程中的控制系統(tǒng)中普遍存在的一種現(xiàn)象，生產(chǎn)過(guò)程是一種有序過(guò)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。 括對(duì)角矩陣法、相對(duì)增益分析法、特征曲線(xiàn)分析法、 狀態(tài)變量法、逆奈氏陣列法 等。 智能解耦控制 由于它在解決非線(xiàn)性方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì) ， 使它在非線(xiàn)性系統(tǒng)解耦控制方面得到了廣泛的關(guān)注。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。 系統(tǒng)基本概述 設(shè)計(jì)是針對(duì)于單片機(jī)原理及其應(yīng)用展開(kāi)的， STC89C52 單片機(jī)好比一個(gè)橋梁，聯(lián)系著輸入與由兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成兩回路相互耦合的電路系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)只希望其對(duì)應(yīng)回路的輸出發(fā)生變化，而對(duì)其余的回路不產(chǎn)生影響。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 圖 STC89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)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) 14 STC89C52 內(nèi)部配置 程序存儲(chǔ)器：如果 EA 引腳接地，程序讀取只從外部存儲(chǔ)器開(kāi)始。每個(gè)寄存器均可單獨(dú)訪問(wèn)。 單片機(jī)解耦部分硬件設(shè)計(jì)可以包括多個(gè)模塊：第一， D/A 轉(zhuǎn)換模塊；第二， A/D轉(zhuǎn)換模塊；第三，數(shù)碼管顯示模塊；第四，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 設(shè)計(jì) DAC0832 硬件連接圖如圖 所示： D2D1D7D6D5D4D0D3DA C S P O W E RP O W E RX F E RG RO UN D 5 VG RO UN DG RO UN D+12V12VO UT 1WRWRV RE F8G ND3V C C20CS1W R 12DI 34DI 25DI 16DI 07RF B9G ND10I O UT 111I O UT 212DI 713DI 614DI 515DI 416X F E R17W R 218I LE ( B Y 1/ B Y 2)19U2DA C08 3 2321411U 3 : ALM 32 4O UT 1 圖 DAC0832硬件連接圖 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 A/D 轉(zhuǎn)換硬件設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換采用兩片 ADC0804 芯片進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 : ADC0804 是 8 位全 MOS 中速A/D 轉(zhuǎn)換器、它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，可以和單片機(jī)直接接口。 由上式可得數(shù)字 PID 位置型控制算式為： 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 1( ) ( 1 )( ) [ ( ) ( ) ]kpDiIT e k e ku k k e k e i TTT???? ? ?? (） PID 增量型控制算式為： ( ) ( ) ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]p I Du k u k u k k e k e k k e k k e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (） 其中： PK 與比例帶 ? 成倒數(shù)關(guān)系即 PK = 1/? ， 1T 為積分時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。從圖 11 中可見(jiàn)，在 DAC0832 中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱(chēng)為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為 ILE，第二級(jí)鎖存器稱(chēng)為 DAC 寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱(chēng)為通道控制信號(hào) /XFER。 RD：讀信號(hào)輸入， 低電平有效，當(dāng) CS、 RD 同時(shí)為低電平時(shí)，可讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。能完成數(shù)字量輸入到模 擬量 (電流 )輸出的轉(zhuǎn)換。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 DAC0832 有三種工作方式：直通方式，單緩沖方式，雙緩沖方式；在此我 們選擇單緩沖的工作方式，將 WR CS 管腳全部接數(shù)字地。 最后對(duì)此次設(shè)計(jì)最重要的芯片 STC89C52 做出了一些介紹和用法說(shuō)明。除了復(fù)位（硬件復(fù)位或 WDT 溢出復(fù)位），沒(méi)有辦法停止WDT 工作?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 單片機(jī)又稱(chēng) 單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成 到一個(gè)芯片上。 5）基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制系統(tǒng)的總體調(diào)試 說(shuō)明在設(shè)計(jì)解耦控制系統(tǒng)中所遇到一些問(wèn)題、解耦現(xiàn)象說(shuō)明、系統(tǒng)完整硬件電路介紹等。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(lái)佐證 ， 只有少數(shù)情況下 ， 對(duì)某一特定類(lèi)別的系統(tǒng)可以進(jìn)行可解耦性分析。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。 沈陽(yáng)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。在 Boksenbom和 Hood 的報(bào)告和錢(qián)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。 基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā) 學(xué) 院 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 負(fù)責(zé)教師 沈陽(yáng)航空 航天大學(xué) 2020 年 6 月沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 解耦控制是最新型的控制方法之一，眾所周知，生產(chǎn)過(guò)程是一種有序的過(guò)程，各環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，變量間關(guān)系復(fù)雜，一個(gè)過(guò)程變量的波動(dòng)往往會(huì)影響多個(gè)變量的變化，耦合是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象?；蛘呦到y(tǒng)的某一個(gè)輸出受到所有輸入的影響。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。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)。 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。 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)。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。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。當(dāng) WDT 溢出，它將 驅(qū)動(dòng) RSR 引腳一個(gè)高個(gè)電平輸出。 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) 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)。管腳 8 接參考電壓，在此我們接的參考電壓是 +5V。 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。圖 11 和圖 12 分別為 DAC0832 的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)，低電平有。1LSB，參考電壓為 (+10?/span10)V，供電電源為 (+5～ +15)V，邏輯電平輸入與TTL 兼容。當(dāng)采樣周期短時(shí)，用求和代替積分，用向后差分代替微分使模擬 PID 離散化變?yōu)椴罘址匠?。?dāng) XFER為高電平時(shí)進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到 OUT1 口。 二，單片機(jī)解耦部分的硬件設(shè)計(jì)。其訪問(wèn)地址依次為 8AH8DH。 STC89C52 單片機(jī)管腳連接圖如圖 所示 : 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 STC89C52單片機(jī)管腳連接圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2 基于單片機(jī)的計(jì)算機(jī)解耦控制的總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)是針對(duì)于單片機(jī)原理及其應(yīng)用展開(kāi)的，通過(guò)設(shè)計(jì)出雙輸入雙輸出的耦合系統(tǒng)，驗(yàn)證此硬件系統(tǒng)耦合性，設(shè)計(jì)解耦電路，編寫(xiě)解耦程序?qū)崿F(xiàn)軟件解耦，在解耦時(shí)，先要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集即 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的輸出即 D/A 轉(zhuǎn)換，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，最后對(duì)解耦后的系統(tǒng)進(jìn)行 PID 控制，達(dá)到最終設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)目的。 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(mǎn)意的效果?？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(guò)程的自動(dòng)控制問(wèn)題方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。 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(xiàn)性MIMO 系統(tǒng)。解耦控制也一直是過(guò)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 。 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)。解耦控制一直是一個(gè)充滿(mǎn)活力、富有挑戰(zhàn)性。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。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 。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。 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。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)。 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(xiàn)，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。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。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)