【正文】 建立和分析 ,解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因 ,開辟了用數(shù)學方法研究控制系統(tǒng)的途徑。這些方法奠定了經(jīng)典控制理論中時域分析法的基礎。隨后 ,伯德 (. Bode)和尼科爾斯 (. Nichols)在 20 世紀 30年代末和 40年代初 5 進一步發(fā)展了頻域法 ,形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法 ,為工程技術人員提供了一個設計反饋控制系統(tǒng)的有效工具。這些系統(tǒng)的復雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求 ,迫切要求拓展已有的控制技術 ,促成許多新的見解和方法的產(chǎn)生。 1948 年 ,美國科學家伊萬斯 (. Evans)創(chuàng)立了根軌跡分析方法 ,為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律提供了有力工具 ,被廣泛應用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設計中。 到 20世紀 50年代 ,經(jīng)典控制理論發(fā)展到相當成熟的地步 ,形成了相對完整的理論體系 ,為指導當時的控制工程實踐發(fā)揮了極大的作用。 圖 11 所示為反饋控制系統(tǒng)的簡化原理框圖。所謂線性系統(tǒng) ,是指系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程描述的系統(tǒng)。描述自動控制系統(tǒng)輸入量、輸出量和內部 量之間關系的數(shù)學表達式稱為系統(tǒng)的數(shù)學模型 ,它是分析和設計控制系統(tǒng)的基礎。線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在零初始條件下系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯 (以下簡稱拉氏 )變換與輸入量的拉氏變換之比 ,是描述系統(tǒng)的頻域模型。經(jīng)典控制理論的特點是以傳遞函數(shù)為數(shù)學工具 ,本質上是頻域方法 ,主要研 “單輸入單輸出” (SingleInput Singleoutput, SISO)線性定常系統(tǒng)的分析與設計 ,對線性定常系 6 統(tǒng) 的研究 ,已經(jīng)形成相當成熟的理論。 經(jīng)典控制理論雖然具有很大的實用價值 ,但也有著明顯的局限性 ,主要表現(xiàn)如下。 2) 用經(jīng)典控制理論分析、設計控制系統(tǒng) ,一般根據(jù)幅值裕度、相位裕度、超調量、調節(jié)時間等頻域里討論的指標來進行 ,這些指標并不直觀且 難以接受 ,與通常所討論的性能指標 ,如最快、最小能量等 ,難以建立直接對應關系 。 4) 經(jīng)典控制理論在進行控制系統(tǒng)設計和綜合時 ,需要借助豐富的經(jīng)驗進行試湊以及大量的手工計算。實 踐的需求推動了控制理論的進步 ,同時 ,計算機技術 的發(fā)展也為控制理論的發(fā)展提供了條件 ,適合于描述航天器的運動規(guī)律 ,又便于計算機求解的狀態(tài)空間描述成為主要的模型形式。 1956年 ,前蘇聯(lián)科學家龐特里亞金 (. Понтрягин ) 批注 [z1]: 提出極大值原理 。極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論依據(jù)。到 20 世紀 60 年代初 ,一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型 ,以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設計的新原理和方法基本確定 ,現(xiàn)代控制理論應運而生。它在本質上是一種“時域法” ,但并不是對經(jīng)典頻域法的從頻域回到時域的簡單回歸 ,而是立足于新的分析方法 ,有著新的目標的新理論?，F(xiàn)代控制理論從理論上解決了系統(tǒng)的能控性、能觀性、穩(wěn)定性以及許多復雜系統(tǒng)的控制問題。 1) 現(xiàn)代控制理論不僅適用于 SISO線性定常系統(tǒng) ,而且易于推廣到 MIMO系統(tǒng)、時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)等 ,顯示了有更強的描述系統(tǒng)的動態(tài)行為特性的能力 ,能夠處理的系統(tǒng)的范圍更大 。 3) 現(xiàn)代控制理論易于考慮系統(tǒng)的初始條件 ,使得所設計的控制系統(tǒng)有更高的精度和更佳的性能指標 。 現(xiàn)代控制理論和經(jīng)典控制理論并不是截然對立的 ,而是相輔相成、互為補充的 ,有各自的長處和不足。在進行實際系統(tǒng)分析與設計時 ,要根據(jù)具體的要求、目標和 條件 ,選擇適宜的控制理論方法 ,也可以將經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制 理 論結合起來綜合考慮。因工藝限制，單機采用雙片形式，而且功能比較簡單。第二階段 (1976 年 ~1978 年 )：低性能單片機階段。這種單片機片內集成有8 位 CUP，并行 I/O口， 8 位定時器 /計數(shù)器， RAM 及 ROM等。第三階段 (1978 年至今 )：高性能單片機階段。單片機生產(chǎn)廠商如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，多系列，多型號，各種性能組合的單片機層出不窮，不斷滿足不同應用場合的新要求。單片機技術的開放性，生產(chǎn)商的竟爭激烈性和廣泛的市場需求等因素，無疑為單片機的飛速發(fā)展提供了強大動力。 單片機的發(fā)展趨勢 1．制作工藝 CMOS化 (全盤 CMOS化 ) 出于對低功耗的普遍要求，目前各大廠商推出的各類單片機產(chǎn)品都采用了 CHMOS工藝。一種是 HMOS工藝 ,即高密度短溝道 MOS工藝。 CHMOS是 CMOS和 HMOS的結合，除保持了 HMOS的高速度和高密度的特點之外，還具有 CMOS低功耗的特點。在便攜式、手提式或野外 作業(yè)儀器設備上低功耗是非常有意義的。 2．盡量實現(xiàn)單片化 盡管我們常說，單片機是將中央處理器 CPU、存儲器和 I/O接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，但由于工藝和其它方面的原因，很多功能部件并未集成在單片機芯片內部。隨著集成電路技術的快速發(fā)展和 “ 以人為本 ” 思想在單片機設計上的體現(xiàn)，很多單片機生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求，將一些常用的功能部件，如 A/D(模 /數(shù)轉換器 )、 D/A(數(shù) /模轉換器 )、 PWM(脈沖產(chǎn)生器 )以及 LCD(液晶 )驅動器等集成到芯片內部，盡量做到單片化；同時，用戶還可以提出要求，由廠家量身定作 (SOC設計 )或自行設計。從宏觀上講，有 RISC和 CISC兩大類型；從微觀上說，有 Intel、 Motorola、 Philips、 Microchip、 EMC、 NEC等公司的相關產(chǎn)品。究其原因，主要有以下兩點。這是因為 80C51的架構和指令系統(tǒng)為后來的單片機提供了參考基準和強大支持，凡是學過80C51單片機的人再去學用其它類型的單片機易如反掌，借梯子爬坡何樂而不為呢？有關這方面的教材建設在出版界也得到了共識，取得了斐然的成果；這足以解釋為制么在 9 課堂上大家都以 80C51的教材來進行教與學了。總之，80C51作為共 性的代表會與個性化的產(chǎn)品相互依存，共同發(fā)展，將會給用戶帶來更大的實惠與方便。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、 專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇： 智能儀器 儀表上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的 傳感器 ，可實現(xiàn)諸如電壓、 功率 、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。例如精密的測量設備（ 功率計 ， 示波器 ，各種分析儀）。例如工廠流水線的智能化管 理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)等。 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現(xiàn) 在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型 程控交換機 、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電 對講機等。 某些專用單片機設計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。 單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于 CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器， GPS導航系統(tǒng)， abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。 11 第 2 章 系統(tǒng)的方案設計 控制系統(tǒng)的模型 被控過程數(shù)學模型的作用與要求 模型的作用 被控過程動態(tài) 特性的數(shù)學模型是表示其輸入變量與輸出變量之間動態(tài)關系的數(shù)學描述。根據(jù)用途的不同，過程動態(tài)數(shù)學模型的具體要求也有所不同，但總的原則一是盡量簡單 ，二是正確可靠。 （ 2）如果數(shù)學模型用于前饋控制、解耦控制、預測控制、推理控制等時，模型過于復雜，則控制規(guī)律和算法也會比較復雜。為了保證實時性，必須配置高速在線運算設備，增加控制系統(tǒng)的復雜性和投資。 建立被控過程數(shù)學模型的方法 建立被控數(shù)學模型的基本方法有兩種， 即 機理法和實驗測試法 。 2．測試法 測試法建模通過被控過程輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理后求得數(shù)學模型，這種方法也稱為系 統(tǒng)辨識。 液位過程系統(tǒng)分析 單容過程的模型 單容過程 只有一個貯蓄容量的過程。 1． 自衡過程的建模 自衡過程 指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。其物理意義是：引 起單位被控量變化時被控過程貯存量變化的大小。 物理原理：2222 QhRRhQ ?????? 或 。其物理意義是：引起單位被控量變化時被控過程貯存量變化的大小。 例：無自衡液位控制過程 1QdthdC ???；sTsW a1)(0 ?； sao esTsW01)( ??? 雙容過程的模型 雙容過程 被控過程往往是由兩個個容積和阻力構成。 1. 具自衡能力的雙容過程的建模 其被控量是第二只水箱的液位 h2，輸入量為 Q1。 （ 2）調節(jié)器設計：完成 PID調節(jié)的控制功能 （ 3）控制電路設計：給定與反饋 比較環(huán)節(jié)的設計和輸入 /輸出電路設計。 17 雙容水箱液位控制系統(tǒng)，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于給定值所期望的值，又要具有減少或消除來自系統(tǒng)內部或外部擾動的影響。由于雙容水箱的數(shù)學模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。 比例積分微分（ PID）調節(jié)器是在 PI 調節(jié)器的基礎上再引入微分 D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動態(tài)性能得到進一步改善。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。由于將多功能 8 位 CPU 和閃 爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。與 MCS51 兼容 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 128*8 位內部 RAM 20 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 可編程串行通道 片內振蕩器和時鐘電路 2．管腳說明： VCC：供電電壓。 P0 口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P1 口： P1口是一個內部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當 P3口寫入“ 1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） 21 TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫 選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。注意加密方式 1時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 3．振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何