【導(dǎo)讀】環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，變量間關(guān)系復(fù)雜，一個(gè)過程變量的波動(dòng)往往會(huì)影響多個(gè)變量的變化，耦合是工業(yè)生產(chǎn)過程中普遍存在的現(xiàn)象。變量間相互干涉的現(xiàn)象稱為耦合，消除這種。是一個(gè)自己設(shè)計(jì)的雙輸入雙輸出的耦合系統(tǒng)。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。統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，能夠滿足解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

　　

【正文】 即 PK = 1/? ， 1T 為積分時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 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。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)與軟件開發(fā) 24 圖 PID控制軟件流程圖 離線計(jì)算 0q 、 1q 、 2q 并且 設(shè)置 ( 1) ( 2 ) 0e k e k? ? ? ? 將 A/D 結(jié)果賦給 y(k) 求 ( ) ( ) ( )e k r k y k?? 按式子 ：0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k q e k q e k q e k? ? ? ? ? ? 計(jì)算控制增量 ()uk? 將 ()uk? 輸出給解耦控制系統(tǒng)，作為解耦系統(tǒng)的一條通道的參數(shù) 將解耦后的結(jié)果輸出給 D/A ( 2) ( 1)e k e k? ? ? ( 1) ( )e k e k?? D/A轉(zhuǎn)換 被控耦合對(duì)象 D/A 轉(zhuǎn)換 采樣時(shí)刻到否？ 到 否 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 單片機(jī)解耦部分軟件設(shè)計(jì) 解耦控制的主要目標(biāo)是通過設(shè)計(jì)解耦補(bǔ)償裝置，使各控制器只對(duì)各自相應(yīng)的被控量施加控制作 用，從而消除回路間的相互影響。 解耦控制原理 為了達(dá)到目的，必須在多變量控制系統(tǒng)中引入解耦補(bǔ)償裝置 ()Fs，如圖所示： 圖 解耦控制原理圖 由上述解耦控制原理圖 所示可得： 引入補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣為： ( ) ( ) ( ) ( )kfG s G s F s D s? (） 1 1 1 22 1 2 2( ) ( )() ( ) ( )F s F sFs F s F s??? ????為解耦補(bǔ)償矩陣； 由于各控制器回路的控制器一般是相互獨(dú)立的，控制矩陣 D(s)本身也是對(duì)角線矩陣，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)只要使 G(s)與 F(s)的乘積為對(duì)角線矩陣，就可使開環(huán)傳遞( ) ( ) ( ) ( )kfG s G s F s D s? 為對(duì)角線矩陣，即： 1 1 1 2 1 1 1 2 1 12 1 2 2 2 1 2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0( ) ( ) ( ) ( ) 0 ( )G s G s F s F s G sG s G s F s F s G s? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (） 因而，解耦補(bǔ)償矩陣 ()Fs為： 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) 26 111 12 11 12 1121 22 21 22 22( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0( ) ( ) ( ) ( ) 0 ( )F s F s G s G s G sF s F s G s G s G s?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (） 解耦后兩個(gè)控制回路相互獨(dú)立如圖 所示： 圖 耦合系統(tǒng)解耦后的示意圖 數(shù)字解耦控制算法 上圖 所對(duì)應(yīng)的離散 化形式如圖 所示。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 G z G z G z ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (） 現(xiàn)在將解耦補(bǔ)償矩陣 ()Fz化為差分方程形式即可以用單片機(jī)軟件編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)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)做軟件編寫介紹。 單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換器的原理及主要技術(shù)指標(biāo) D/A 轉(zhuǎn)換用到 DAC0832 芯片， DAC0832 是使用非常普遍的８位 D/A 轉(zhuǎn)換器，由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機(jī)接口。 DAC0832 以電流形式輸出，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時(shí)，可外接運(yùn)算放大器。 離線計(jì)算 11()Fz、 12()Fz、 21()Fz、 22()Fz 將 PID 控制的輸出結(jié)果傳入解耦控制 作為傳入?yún)?shù) 1()uk、 2()uk 1 1 1 1 2 1 2( ) ( )p u k F u k F?? 2 1 21 2 22( ) ( )p u k F u k F?? 分別將 1y 、 2y 輸出給 D/A轉(zhuǎn)換的輸入端口 進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換 1 1 1 1 2 1 2**y p G p G?? 1 1 1 1 2 1 2**y p G p G?? 2 1 2 1 2 2 2**y p G p G?? 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 其主要特性： 分辨率 8 位； 電流 建立時(shí)間１ us； 數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式； 輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)； 邏輯電平輸入與 TTL 電平兼容； 單一電源供電（＋ 5V～＋ 15V）； 低功耗， 20mW。 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，但同步打開轉(zhuǎn)換器，使輸出同步，保證了耦合系統(tǒng)能夠同步工作。 DAC0832 是雙列直插式 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模 擬量 (電流 )輸出的轉(zhuǎn)換。圖 11 和圖 12 分別為 DAC0832 的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1μs，滿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)與軟件開發(fā) 30 為 177。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。從圖 11 中可見，在 DAC0832 中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為 ILE，第二級(jí)鎖存器稱為 DAC 寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào) /XFER。 DAC0832 與 80C51 單片機(jī)的接口電路如圖 所示： 圖 DAC0832與單片機(jī)的接口圖 D/A 轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)流程 D/A 轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖 所示： 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 D/A轉(zhuǎn)換軟件流程圖 啟動(dòng)片選信號(hào)選擇第一通道的 DAC0832 即 dacs1 = 0 打開寫信號(hào)線 wr =0 將解耦輸出的值 1()yt賦值給單片機(jī) P0 口，即： P0 = 1()yt 關(guān)閉寫信號(hào)線 wr =1 啟動(dòng)片選信號(hào)選擇第二通道 DAC0832 即 dacs2 = 0 打開寫信號(hào)線 wr =0 將解耦輸出的值 2()yt賦值給單片機(jī) P0 口 ，即： P0 = 2()yt 關(guān)閉寫信號(hào)線 wr =1 同時(shí)打開兩條通道上的數(shù)據(jù)傳送控制線 ,即： XFER = 0 是否結(jié)束？ 結(jié)束 解耦輸出 是 否 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) 32 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換部分軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī) AD 轉(zhuǎn)換部分硬件設(shè)計(jì)圖在硬件設(shè)計(jì)部分已經(jīng)做了介紹，這里不再做重復(fù)介紹，軟件部分主要使用到 ADC084 的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片來(lái)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 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。 1LSB（ ADC0808 小于177。 1/2LSB）； ? 單 +5V供電，模擬輸入電壓范圍為 0～＋ 5V； ? 具有鎖存控制的８路輸入模擬開關(guān)； ? 可鎖存三態(tài)輸出，輸出與 TTL 電平兼容； ? 功耗為 15mW； ? 不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整； ? 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片外接的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率范圍： 10～ 1280KHz。典型值為時(shí)鐘頻率 640KHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 100μ S。 圖 ADC0804內(nèi)部原理圖 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 ADC0804 與 STC89C52 單片機(jī)的接口 本次設(shè)計(jì)主要用到 ADC0804 芯片，設(shè)計(jì)時(shí)其控制部分完全靠單片機(jī)其他軟件來(lái)控制其對(duì) 芯片進(jìn)行控制， ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間 100μs，輸入電壓范圍為 0~5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在 CPU數(shù)據(jù)總線上，無(wú)須附加邏輯接口電路。 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。 WR：寫信號(hào)輸入，接受微機(jī)系統(tǒng)或其它數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動(dòng)輸入端，低電平有效，當(dāng) CS、 WR 同時(shí)為低電平時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 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)。 INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)，低