滑模變結(jié)構(gòu)在單片機控制中的應(yīng)用

徐 彬

（沈陽工學(xué)院機械與運載學(xué)院）

一、滑模變結(jié)構(gòu)理論

1880 年至今，智能控制的發(fā)展開始出現(xiàn)在各種控制場合中，但還只是起步階段。直到1900 年后，才出現(xiàn)了“百花齊放，百家爭鳴”的控制方式。滑模變結(jié)構(gòu)具有可以從控制的任何時刻、任何角度參與控制，對控制對象和控制中出現(xiàn)的干擾因素都不靈敏，對系統(tǒng)本身的影響不大等優(yōu)點，所以在離散系統(tǒng)控制中很受歡迎。從典型的離散系統(tǒng)到連續(xù)系統(tǒng)，從一階、二階到高階系統(tǒng)，從限定條件到無限定條件，從普通控制到高級控制，近二十年的時間，滑模變結(jié)構(gòu)控制已經(jīng)應(yīng)用到了各種控制中。

趨近律方法是變結(jié)構(gòu)控制的典型策略。我國科學(xué)家高為炳首次提出了四種趨近律：等速趨近律、指數(shù)趨近律、冪次趨近律和一般趨近律。

1.等速趨近律

系統(tǒng)的控制軌跡到達理想狀態(tài)，速度都一樣，而且幅值的大小都不發(fā)生變化，所以系統(tǒng)在受控的過程中，一直是等幅振蕩，這樣的系統(tǒng)如果控制精度不高，那么這種趨近律完全可以使用。如果控制精度要求比較高的話，這樣的趨近律加到控制系統(tǒng)中，會引起控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或不可控。

2.指數(shù)趨近律

指數(shù)趨近律在諸多控制中使用廣泛，主要是因為微分形式經(jīng)過積分后產(chǎn)生很小的常數(shù)項，這個常數(shù)項趨近于正無窮小，如果控制系統(tǒng)設(shè)計得較好，那么這個常數(shù)項就會很小，甚至為0。但是指數(shù)趨近律一般應(yīng)用在控制精度很高的控制系統(tǒng)中，如果有這么一個常數(shù)項，會使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.冪次趨近律

冪次趨近律使用較指數(shù)趨近律少，主要是不能在有限的時間內(nèi)趨向理想狀態(tài)，這與滑模變結(jié)構(gòu)的控制要求有出入，如果不能在有限的時間內(nèi)到達，則系統(tǒng)將會一直處于振蕩狀態(tài)，有可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4.一般趨近律

一般趨近律在四種趨近律中應(yīng)用得最少，但是控制精度不高、控制步驟不多、不復(fù)雜的系統(tǒng)例外。通常是通過組合的思想應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同的控制要求選擇不同的函數(shù)進行位置跟蹤，位置跟蹤是機器人控制中的重要研究方向，主要是軌跡跟蹤和壁障。

二、單片機理論

單片機就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲器以及各種輸入輸出接口的芯片，這樣的一塊硅片就具有計算機的特性。常用的控制芯片為intel 公司生產(chǎn)的AT89S52，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是固化好的，40 個引腳分為四大類，時鐘、復(fù)位、電源為一類；輸入、輸出每8 位為一組，通常規(guī)定為P 口，分為P0、P1、P2、P3。AT89S52 系列，8—表示芯片為8051 內(nèi)核芯片，9—表示內(nèi)部含存儲器，S—表示該芯片含有可串行下載功能的存儲器，即具有ISP 在線編程功能。1—表示芯片內(nèi)部程序存儲空間的大小，程序空間大小決定了一個芯片所能裝入執(zhí)行代碼的多少。一般來說，程序存儲空間越大，芯片價格就越高，所以本文中選擇的是8KB 的存儲空間。這樣，一來是為了價格方面的考慮，還有就是內(nèi)部存儲的余量，方便進行程序的擴展。

1.單片機的應(yīng)用范圍

單片機是一種通過寫程序來控制的設(shè)備，它本身是不能單獨運用于某項工程或某種設(shè)備上的，必須通過外圍的數(shù)字電路和模擬電路來實習控制。根據(jù)外設(shè)的不同，可以把應(yīng)用分為以下幾類：

（1）工業(yè)自動化。例如：數(shù)據(jù)采集、測控技術(shù)。

（2）智能儀器儀表。例如：數(shù)字示波器、數(shù)字信號源、數(shù)字萬用表等。

（3）消費類電子產(chǎn)品。例如：洗衣機、電冰箱、微波爐、汽車電子產(chǎn)品等。

（4）通信方面。例如：調(diào)制解調(diào)器、手機、交換機等。

（5）武器。例如：飛機、導(dǎo)彈制導(dǎo)、智能武器等。

2.單片機系統(tǒng)設(shè)計中的內(nèi)容

（1）電源。

（2）晶體振蕩器。

（3）復(fù)位電路。

（4）輸入檢測電平。

（5）輸出控制電平。

（6）定時器：重點設(shè)計定時器方式2。

三、滑模變結(jié)構(gòu)與單片機的結(jié)合

單片機不能獨立完成控制要求，只能通過外圍電路，如數(shù)字電路或模擬電路等，除了外圍電路外，高級的控制方法也可以實現(xiàn)，比如：滑模變結(jié)構(gòu)控制。那么如何來實現(xiàn)，也就是趨近律控制策略。通過引入趨近律到單片機實現(xiàn)控制。仿真的圖像如下：

圖1 狀態(tài)定量自線圖

圖2 滑模運動相軌跡曲線

本文從選題到最后的仿真結(jié)果，都表明滑模變結(jié)構(gòu)應(yīng)用到單片機實現(xiàn)控制是一個不錯的選擇，但是從微分方程的計算、化簡難度很大，如何選擇合適的參數(shù)也需要經(jīng)過不斷的仿真才能得出，仿真圖形表明，趨近律和曲線擬合下的趨近律在消除抖振方面有很明顯的區(qū)別，關(guān)鍵在于新趨近律中參數(shù)選擇有誤差，而曲線擬合下的趨近律則采用最小二乘逼近的方法把每一點的誤差都過濾掉，表現(xiàn)出很好的動態(tài)品質(zhì)和滑模特性。在輪式小車的路徑尋優(yōu)方面有很好的作用和控制效果。

［1］劉金琨.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB 仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］高為炳.變結(jié)構(gòu)控制的理論及設(shè)計方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1996.