【文章內容簡介】 向。在 MIMO 解耦控制中目前逐漸出現了將自適應控制、預測控制、神經網絡、模糊控 制、遺傳算法等先進控制手段合理搭配來實現解耦 ， 這種揚長避短的方法也不失為解決耦合問題的一個有效途徑。 本文主要工作 本題目的 主要內容 是構造一個多輸入、多輸出耦合系統(tǒng)；設計 基于 單片機的解耦控制系統(tǒng) 硬件裝置，針對耦合系統(tǒng)構造補償 PID 控制和解耦控制算法，并編制軟件程序，實現多輸入、多輸出耦合系統(tǒng)的解耦控制 。 針對解耦控制系統(tǒng)多變量、強耦合、慣性的特點，為適應系統(tǒng)高精度控制，迅速反應，強抗干擾能力的需要，解決多回路的耦合，達到穩(wěn)定運行是極為關鍵和重要的。 根據上述研究目標，本文主要包括以下研究內容： (1) 設計 解耦控制中典型耦合系統(tǒng)，并設計總體框架； (2) 根據上述設計的總體框架，設計并連接硬件電路； (3) 根據硬件電路的連接，設計相應的軟件； (4) 對解耦控制的硬件電路和控制結果進行仿真和硬件實驗比較驗證設計實驗結果。 本文的設計平臺簡介 本文主要介紹使用 STC89C52 型號的單片機對耦合系統(tǒng)進行解耦控制，使用程序編寫軟件平臺為 Kill4，利用 C 語言來編寫程序。 本文的主要內容 本文主要根據一般實驗研究設計步驟來安排各部分的內容，依照一步步來進行設計。 1）緒論部分 主要闡述了課題的研究背景及研究 的目標和意義，簡要介紹了國內外解耦技術的研究現狀，給出了論文構成。 2）基于單片機的計算機解耦控制系統(tǒng)總體設計方案 基于單片機的計算機解耦控制硬件設計與軟件開發(fā) 6 介紹解耦控制系統(tǒng)的總體設計概述， STC89C51 芯片的總體介紹，系統(tǒng)總體設計框架與流程實現。 3）基于單片機的計算機解耦控制系統(tǒng)的硬件設計 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，單片機解耦系統(tǒng)的連接， LED 顯示部件的連接等。 4）基于單片機的計算機解耦控制系統(tǒng)的軟件設計 介紹解耦控制系統(tǒng)中所需要的軟件設計，包括 PID 控制、解耦控制、 A/D 轉換、D/A 轉換，和 LED 顯示 部分的軟件設計。 5）基于單片機的計算機解耦控制系統(tǒng)的總體調試 說明在設計解耦控制系統(tǒng)中所遇到一些問題、解耦現象說明、系統(tǒng)完整硬件電路介紹等。 6）總結 對此次畢業(yè)設計中的內容做出總結。 本章小結 本章主要討論了課題研究的背景及意義，介紹了當前國內外解耦控制的研究現狀，最后簡要給出了論文的結構安排。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 7 2 基于單片機的計算機解耦控制的總體設計方案 本設計是針對于單片機原理及其應用展開的，通過設計出雙輸入雙輸出的耦合系統(tǒng)，驗證此硬件系統(tǒng)耦合性，設計解耦電路，編寫解耦程序實現軟件解耦，在解耦時，先要實現數據的采集即 A/D 轉換、數據的輸出即 D/A 轉換，然后對系統(tǒng)進行解耦，最后對解耦后的系統(tǒng)進行 PID 控制，達到最終設計要求的設計目的。 系統(tǒng)基本概述 設計是針對于單片機原理及其應用展開的， STC89C52 單片機好比一個橋梁，聯系著輸入與由兩個運算放大器構成兩回路相互耦合的電路系統(tǒng) ，實現當輸入發(fā)生變化時，系統(tǒng)只希望其對應回路的輸出發(fā)生變化，而對其余的回路不產生影響。單片機接受經過 A/D 轉換后的數字信號，對數字信號進行處理 (主要實現 PID 控制和解耦算法 )后，輸出經過單片機調節(jié)后的數字信號， D/A 轉換后，將此輸出值作為 相互耦合的電路系統(tǒng)的輸入，實現解耦作用。 系統(tǒng)基本要求 利用運算放大器構造一個兩輸入、兩輸出耦合系統(tǒng)；構造補償解耦控制算法；編制 基于 單片機的解耦 控制系統(tǒng) 程序，實現 兩輸入、兩輸出耦合系統(tǒng)的解耦控制 。該設計應包括： （ 1）利用運算放大器等器件搭建一個兩輸入、兩輸出耦合系統(tǒng)； （ 2）建立耦合系統(tǒng)的數學模型，并針對該耦合系統(tǒng)構造補償解耦控制算法； （ 3） 設計 單片機解耦 控制系統(tǒng) 硬件； （ 4）編制基于 單片機 程序，實現該耦合系統(tǒng)的解耦控制。 系統(tǒng)能夠進行解耦控制的條件 在進行解耦控制前，判斷耦合系統(tǒng)是否能夠進行解耦控制很重要，現階 段使用判定方法如下： 如果 系統(tǒng) 存在 N 階矩陣 G 和 N 階矩陣 F，使反饋系統(tǒng)的傳遞函數陣為非異對角陣，則稱為可解耦系統(tǒng) 。經過計算，本設計所使用的耦合系統(tǒng)是可以解耦控制的。 基于單片機的計算機解耦控制硬件設計與軟件開發(fā) 8 系統(tǒng)的設計框架及其實現 上面的部分已經對此系統(tǒng)的設計要求進行了一些簡短的介紹了，現在要做的就是設計出系統(tǒng)的原理框架圖。本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為核心，經過必要的 D/A 轉換、 A/D 轉換，和耦合系統(tǒng)搭建而成的一個耦合系統(tǒng)，在單片機芯片中軟件編程實現所有的解耦控制，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行。 系統(tǒng)設計設計原理框圖如下圖 所示： 圖 系統(tǒng)原理框架 圖 系統(tǒng)的設計流程圖 系統(tǒng)整體設計流程圖如圖 所示：整個程序運行時，先啟動 A/D 轉換獲得初始數據 1()yt、 2()yt然后將初始數據與設定數據進行比較，獲得系統(tǒng)靜差 1()ut? 、 2()ut?將他們帶入 PID 控制器作為控制參數，然后將 PID 控制的輸出作為解耦控制的輸入帶入解耦控制系統(tǒng)中進行解耦控制，輸出數字量經過 D/A 轉換直接接到雙輸入 雙輸沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 9 出耦合系統(tǒng)的兩個輸入端口，然后按照定時時間不斷地進行循環(huán)檢測調節(jié)，實現解耦控制。 基于單片機的計算機解耦控制硬件設計與軟件開發(fā) 10 圖 系統(tǒng)整體設計流程圖 開始 將 PID 控制的結果作為解耦控制的參數進行解耦控制 利用 A/D 轉換獲得參數和兩個 通道的設置數據作為 PID 控制的控制參數進行 PID 控制 分別對通道一和通道二的輸出參數進行 A/D 轉換 對解耦輸出結果進行 D/A 轉換并把轉換結果加到耦合系統(tǒng)的兩個對應的輸入端 分別設置通道一和通道二初始量 采樣時刻是否達到？ 是否結束解耦控制？ 結束 是 是 否 否 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 11 STC89C52 單片機介紹 單片機的簡介 單片微型計算機簡稱單片機，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，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由 芯片 內僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU 集成在一個芯片中，使 計算機系統(tǒng) 更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。 單片機又稱 單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個 計算機系統(tǒng)集成 到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O 設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。 單片機內部也 有 和電腦功能類 似的模塊，比如 CPU、 內存 、 并行總線，還有和硬盤作用相同的 存儲器 件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過 10 元即可用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現在用的全自動滾筒洗衣機、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。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的 成本，這也是和離線式計算機的（比如家用 PC）的主要區(qū)別 。 單片機是靠 程序 運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用 美國 50 年代開發(fā)的 74 系列，或者60 年代的 CD4000 系列這 些純硬件來搞定的話， 電路 一定是一塊大 PCB 板！但是如果要是用美國 70 年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可靠性！ STC89C52 的主要性能參數 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存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) STC80C51 產品指令和引腳完全兼容。 片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。基于單片機的計算機解耦控制硬件設計與軟件開發(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 眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 可提供以下標準功能： 8K 字節(jié) Flash 閃存器， 256 字節(jié)內部 RAM，32 個 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數據指針， 3 個 16 位定時 /計數器，一個 6 向量 2級中斷結構，全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， STC89C52 可降至0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數器，串口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個中斷或硬件復位為止。 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 90MHz）； 5V工作電壓，操作頻率 040MHz； 大容量內部數據 RAM： 1K 字節(jié) RAM； 64/32/16/8kB 片內 Flash 程序存儲器，具有在應用可編程 (IAP) ,在系統(tǒng)可編程(ISP)，可實現遠程軟件升級，無需編程器； 支持 12 時鐘 （ 默認 ） 或 6 時鐘模式； 雙 DPTR 數據指針； SPI（ 串行外圍接口 ） 和增強型 UART； PCA（ 可編程計數器陣列 ） ，具有 PWM 的捕獲 /比較功能； 4 個 8 位 I/O 口，含 3 個高電流 P1 口，可直接驅動 LED； 3 個 16 位定時器 /計數器； 可編程看門狗定時器 (WDT)； 低 EMI 方式 (ALE 禁止 )； 兼容 TTL 和 COMS 邏輯電平； 掉電檢測和低功耗模式等。 STC89C52 單片機管腳連接圖如圖 所示 : 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 13 圖 STC89C52單片機管腳連接圖 單片機內部結構如圖 所示。 圖 STC89C52內部結構圖 基于單片機的計算機解耦控制硬件設計與軟件開發(fā) 14 STC89C52 內部配置 程序存儲器：如果 EA 引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。對于 STC89C52，如果 EA 接 VCC，程序讀寫先從內部存儲器（地址為 0000H～ 1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為： 2020H~FFFFH。 數據存儲器： STC89C52 有 256 字節(jié)片內數據存儲器。高 128 字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說高 128 字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當一條指令訪問高于 7FH 的地址時，尋址方式決定 CPU 訪問高 128 字 RAM 還是特殊功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器（ SFR）。 WDT 是一種需要軟件控制的復位方式。 WDT 由 13 位計數器和特殊功能寄存器中的看門狗定時器復位存儲器（ WDTRST）構成。 WDT 在默認情況下無法工作；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 WDT 激活后，晶振工作， WDT 在每個機器周期都會增加。 WDT 計時周期依賴于外部時鐘頻率。除了復位（硬件復位或 WDT 溢出復位），沒有辦法停止WDT 工作。當 WDT 溢出，它將 驅動 RSR 引腳一個高個電平輸出。 從定時器 /計數器的結構圖 中我們可以看出， 16 位的定時 /計數器分別由兩個8 位專用寄存器組成，即 T0 由 TH0 和 TL0 構成 ， T1 由 TH1 和 TL1 構成。其訪問地址依次為 8AH8DH。每個寄存器均可單獨訪問。這些寄存器是用于存放定時或計數初值的。此外，其內部還有一個 8 位的定時器方式寄存器 TMOD 和一個 8 位的定時控制寄存器 TCON。這些寄存器之間是通過內部總線和控制邏輯電路連接起來的。TMOD 主要是用于選定定時器的工作方式； TCON 主要是用于控制定時器的啟動停止，此外 TCON 還可以保存 T0、 T1 的溢出和中斷標志。當定時器工作在計數方式時，外部事件通過引腳 T0()和 T1()輸入。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 15 圖 定時 /計數器 T0、 T1的結構框圖 16 位的定時器 /計數器實質上就是一個加 1 計數器，其控制電路受軟件控制、切換。 中斷是計算機中很重要的一個概念，中斷系統(tǒng)是計算機的重