滑模變結(jié)構(gòu)在單片機(jī)控制中的應(yīng)用

徐 彬

（沈陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械與運(yùn)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(kāi)始出現(xiàn)在各種控制場(chǎng)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(zhēng)鳴”的控制方式。滑模變結(jié)構(gòu)具有可以從控制的任何時(shí)刻、任何角度參與控制，對(duì)控制對(duì)象和控制中出現(xiàn)的干擾因素都不靈敏，對(duì)系統(tǒng)本身的影響不大等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)限定條件，從普通控制到高級(jí)控制，近二十年的時(shí)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(guó)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(dá)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(guò)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(huà)，這樣的趨近律加到控制系統(tǒng)中，會(huì)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?yàn)槲⒎中问浇?jīng)過(guò)積分后產(chǎn)生很小的常數(shù)項(xiàng)，這個(gè)常數(shù)項(xiàng)趨近于正無(wú)窮小，如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得較好，那么這個(gè)常數(shù)項(xiàng)就會(huì)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(gè)常數(shù)項(xiàng)，會(huì)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(shí)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(shí)間內(nèi)到達(dá)，則系統(tǒng)將會(huì)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(guò)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(jìn)行位置跟蹤，位置跟蹤是機(jī)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(jī)理論

單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(gè)引腳分為四大類(lèi)，時(shí)鐘、復(fù)位、電源為一類(lèi)；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(chǔ)器，S—表示該芯片含有可串行下載功能的存儲(chǔ)器，即具有ISP 在線(xiàn)編程功能。1—表示芯片內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間的大小，程序空間大小決定了一個(gè)芯片所能裝入執(zhí)行代碼的多少。一般來(lái)說(shuō)，程序存儲(chǔ)空間越大，芯片價(jià)格就越高，所以本文中選擇的是8KB 的存儲(chǔ)空間。這樣，一來(lái)是為了價(jià)格方面的考慮，還有就是內(nèi)部存儲(chǔ)的余量，方便進(jìn)行程序的擴(kuò)展。

1.單片機(jī)的應(yīng)用范圍

單片機(jī)是一種通過(guò)寫(xiě)程序來(lái)控制的設(shè)備，它本身是不能單獨(dú)運(yùn)用于某項(xiàng)工程或某種設(shè)備上的，必須通過(guò)外圍的數(shù)字電路和模擬電路來(lái)實(shí)習(xí)控制。根據(jù)外設(shè)的不同，可以把應(yīng)用分為以下幾類(lèi)：

（1）工業(yè)自動(dòng)化。例如：數(shù)據(jù)采集、測(cè)控技術(shù)。

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

（3）消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。例如：洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、汽車(chē)電子產(chǎn)品等。

（4）通信方面。例如：調(diào)制解調(diào)器、手機(jī)、交換機(jī)等。

（5）武器。例如：飛機(jī)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、智能武器等。

2.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)電平。

（5）輸出控制電平。

（6）定時(shí)器：重點(diǎn)設(shè)計(jì)定時(shí)器方式2。

三、滑模變結(jié)構(gòu)與單片機(jī)的結(jié)合

單片機(jī)不能獨(dú)立完成控制要求，只能通過(guò)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(jí)的控制方法也可以實(shí)現(xiàn)，比如：滑模變結(jié)構(gòu)控制。那么如何來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是趨近律控制策略。通過(guò)引入趨近律到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。仿真的圖像如下：

圖1 狀態(tài)定量自線(xiàn)圖

圖2 滑模運(yùn)動(dòng)相軌跡曲線(xiàn)

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(jī)實(shí)現(xiàn)控制是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是從微分方程的計(jì)算、化簡(jiǎn)難度很大，如何選擇合適的參數(shù)也需要經(jīng)過(guò)不斷的仿真才能得出，仿真圖形表明，趨近律和曲線(xiàn)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(xiàn)擬合下的趨近律則采用最小二乘逼近的方法把每一點(diǎn)的誤差都過(guò)濾掉，表現(xiàn)出很好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和滑模特性。在輪式小車(chē)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(jì)方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1996.