滑模變結構在單片機控制中的應用

摘 要：通過對滑模變結構的研究，分析了傳統四種趨近律的控制特點，發現應用在單片機控制中有很好的控制效果。針對單片機在機器小車中的可控性和可擦除性，展望了滑模變結構對單片機的控制成為一種趨勢，控制精度的提高對于控制系統來講至關重要，在工業自動化控制中，基于PC系統和滑模變結構的控制在今后將成為主流。

關鍵詞：滑模變結構；單片機；自動控制

一、滑模變結構理論

1880年至今，智能控制的發展開始出現在各種控制場合中，但還只是起步階段。直到1900年后，才出現了“百花齊放，百家爭鳴”的控制方式。滑模變結構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的干擾因素都不靈敏，對系統本身的影響不大等優點，所以在離散系統控制中很受歡迎。從典型的離散系統到連續系統，從一階、二階到高階系統，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，滑模變結構控制已經應用到了各種控制中。

趨近律方法是變結構控制的典型策略。我國科學家高為炳首次提出了四種趨近律：等速趨近律、指數趨近律、冪次趨近律和一般趨近律。

1.等速趨近律

系統的控制軌跡到達理想狀態，速度都一樣，而且幅值的大小都不發生變化，所以系統在受控的過程中，一直是等幅振蕩，這樣的系統如果控制精度不高，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中，會引起控制系統不穩定或不可控。

2.指數趨近律

指數趨近律在諸多控制中使用廣泛，主要是因為微分形式經過積分后產生很小的常數項，這個常數項趨近于正無窮小，如果控制系統設計得較好，那么這個常數項就會很小，甚至為0。但是指數趨近律一般應用在控制精度很高的控制系統中，如果有這么一個常數項，會使控制系統不穩定。

3.冪次趨近律

冪次趨近律使用較指數趨近律少，主要是不能在有限的時間內趨向理想狀態，這與滑模變結構的控制要求有出入，如果不能在有限的時間內到達，則系統將會一直處于振蕩狀態，有可能造成系統不穩定。

4.一般趨近律

一般趨近律在四種趨近律中應用得最少，但是控制精度不高、控制步驟不多、不復雜的系統例外。通常是通過組合的思想應用到控制系統中，根據不同的控制要求選擇不同的函數進行位置跟蹤，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公司生產的AT89S52，其內部結構是固化好的，40個引腳分為四大類，時鐘、復位、電源為一類；輸入、輸出每8位為一組，通常規定為P口，分為P0、P1、P2、P3。AT89S52系列，8—表示芯片為8051內核芯片，9—表示內部含存儲器，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，還有就是內部存儲的余量，方便進行程序的擴展。

1.單片機的應用范圍

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

（1）工業自動化。例如：數據采集、測控技術。

（2）智能儀器儀表。例如：數字示波器、數字信號源、數字萬用表等。

（3）消費類電子產品。例如：洗衣機、電冰箱、微波爐、汽車電子產品等。

（4）通信方面。例如：調制解調器、手機、交換機等。

（5）武器。例如：飛機、導彈制導、智能武器等。

2.單片機系統設計中的內容

（1）電源。

（2）晶體振蕩器。

（3）復位電路。

（4）輸入檢測電平。

（5）輸出控制電平。

（6）定時器：重點設計定時器方式2。

三、滑模變結構與單片機的結合

單片機不能獨立完成控制要求，只能通過外圍電路，如數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，比如：滑模變結構控制。那么如何來實現，也就是趨近律控制策略。通過引入趨近律到單片機實現控制。仿真的圖像如下：

本文從選題到最后的仿真結果，都表明滑模變結構應用到單片機實現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也需要經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別，關鍵在于新趨近律中參數選擇有誤差，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，表現出很好的動態品質和滑模特性。在輪式小車的路徑尋優方面有很好的作用和控制效果。

參考文獻：

[1]劉金琨.滑模變結構控制MATLAB仿真[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]高為炳.變結構控制的理論及設計方法[M].北京：科學出版社，1996.

編輯 薛直艷