（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式智能控制器研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后 的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统， 是制约各领域创新的关键技术。我国目前无论是在现代装备制造和还是工业控制中，其 自动化、智能化、信息化水平相对较低，急需将嵌入式系统技术运用到设备的技术升级 中，从而带动技术更新和企业的发展。 为适应这一趋势，本课题基于高级控制控制策略和嵌入式实时操作系统开发了嵌入 式智能控制器。采用这类智能控制器，将极大地提高系统数字化、信息化水平。主要研 究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 对嵌入式系统的应用、特点、技术发展及在控制工程中常用的控制策略的发展进 行详细的阐述和分析。通过对智能控制策略的分析，为嵌入式控制器的设计和智能控制 算法的实现提供了坚实的基础。 ( 2 ) 制作完成了被控对象一水秋千，通过全面掌握a v r 系列微处理器a t m e g a l 6 的 内核结构，针对具有非线性特性的水秋千，使用p r o t e l 软件设计了嵌入式控制器的硬件 原理图和p c b 板图，最后完成了嵌入式控制器硬件实物的制作，为嵌入式实时操作系 统及应用程序的运行提供了硬件平台。 ( 3 ) 对a v r x 实时操作系统的内核功能进行分析、剪裁并移植到a t m e g a l 6 处理器 上，采用c 语言编写模糊p i d 控制算法源代码，使用g c c 编译器进行编译、调试，将 目标代码下载到嵌入式控制器中，最终完成嵌入式智能控制器的设计。 ( 4 ) 在不同初始条件及干扰情况下，使用设计完成的嵌入式智能控制器进行了水秋千 的控制实验，实验结果表明，本文设计的嵌入式智能控制器能够准确地控制水秋千的平 衡，与传统p i d 控制器相比具有更好的控制效果。 关键词；嵌入式系统，水秋千，实对操作系统，a v 欧 嵌入式智能控制器研究 r e s e a r c ho ne m b e d d e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r a b s t r a c t n ee m b e d d e ds y s t e mi st h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h e i ra p p l i c a t i o n si ns p e c i f i cf i e l d s 1 1 l ee m b e d d e d s y s t e mi sat e c h n o l o g yi n t e n s i v ea n dc o n t i n u o u s l yi n n o v a t i v ei n t e g r a t e ds y s t e m n o w , t h e l e v e lo fa u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n c e i sr e l a t i v e l yl o wi nm o d e me q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g a n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s i t su r g e n tt oa p p l ye m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yt ot h e t e c h n i c a lr e n o v a t i o n so fe q u i p m e n t s ，w h i c hc o n t r i b u t e st ot e c h n i c a li n n o v a t i o na n de n t e r p r i s e d e v e l o p m e n t b a s e do na d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n de m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m s ，t h e t h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fa ne m b e d d e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r u s i n gt h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rw i l lg r e a t l yi m p r o v et h el e v e lo fd i g i t a la n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo f t h es y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) 1 1 1 ea p p l i c a t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ， a n dt h ed e v e l o p m e n to f c o m m o nc o n t r o ls t r a t e g i e si nc o n t r o le n g i n e e r i n gw e r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e d s o l i df o u n d a t i o n sw e r el a i df o rt h ed e s i g no ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r sa n dt h e r e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d st h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l s t r a t e g i e s ( 2 ) t h er e a ld e v i c e ，t h es e es a ww a sd e s i g n e da n dm a d eb a s e do nat h o r o u g h u n d e r s t a n d i n go ft h ef u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea v rs e r i e sm i c r o p r o c e s s o r a t m e g a l 6a n da v r x e m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m s a f t e rd e s i g no f t h ep c bb o a r d d r a w i n gw i t h p r o t e la n dt h ec o n t r o l l e rt u n i n gf o rt h ew a t e rs e e s a ww i t hn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s ，t h eh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rw a sm a d ea n dc o m p l e t e d t h i s p r o v i d e st h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ee m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h er u n n i n g o f t h e a p p l i c a t i o n s ( 3 ) t h ec o r ef u n c t i o n so ft h ea v r xr e a lt i m eo p e r a t i n gs y a e m 、v e r ca n a l y z e d ，c u ta n d t r a n s p l a n t e dt ot h ea t m e g a1 6p r o c e s s o r cs o u r c ec o d ew a sw r i t t e nf o rt h ef u z z yp i d c o n t r o lm e t h o da n dg c c c o m p i l e rw a su s e df o rc o m p i l ea n dp r o g r a md e b u g g i n g n l ct a r g e t 沈阳1 = 业大学硕士学位论文 c o d ew a sd o w n l o a d e dt ot h ee m b e d d e dc o n t r o l l e ra n dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e d i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rw a sc o m p l e t e d ( 4 ) e x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n sa n dd i s t u r b a n c e sw e r ec o n d u c t e du s i n g t h ee m b e d d e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r c o u l da c h i e v er a p i db a l a n c ec o n t r o lo ft h ew a t e rs e e s a w ，a n dh a v eb e t t e rc o n t r o lp e r f o r m a n c e t h a nt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，w a t e rs e e s a w ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，a v r x 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：笾日期：竺望翌! ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：歪皇：隧导师签名：磕鱼；3日期：趣z ：2 - 2 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着电子技术，特别是大规模集成电路的快速发展而产生的微型机，使现代科学研 究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则给现代工业控制领域带来了一次新 的技术革命，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机 u 】。在工业领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器人。工业控制正 在逐渐改变着传统的工业生产方式。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就是 可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。嵌入式系统不仅是一种新的计算机系统应用 技术，更是现代电子系统的核心技术之一。它一般由嵌入式微处理器、外围设备、嵌入 式操作系统及用户的应用程序四个部分组成，用于实现对被嵌入设备的控制，监视或管理 等功能【2 】。当前，我国已经进入了“后p c 时代” 3 1 ，而嵌入式系统，正成为这一时期发 展的热点。随着人们的计算需求更为广泛，嵌入式技术的应用形式也越来越多。目前， 嵌入式系统已经在国防、国民经济及社会生活各领域普遍应用，小到电视机上一个小小 的机顶盒，大到军队的通信装备、智能炸弹制导引爆装置等等4 1 ，都要依靠嵌入式技术 来实现，因此嵌入式系统在中国有巨大的发展潜力和市场需求。 本课题以沈阳市嵌入式重点实验室项目为背景，以具有非线性特性的水秋千为控制 对象，采用智能控制策略设计嵌入式智能控制器。 1 2 嵌入式系统介绍 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。由于目前嵌入式系统己经渗透到日常生活 中的各个方面，在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围不断扩大，使得难以给出 “嵌入式系统”一个明确的定义。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅 助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o ro ra s s i s tt h e o p e r a t i o n o f e q u i p m e n t m a c h i n e r y o r p l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看 出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装副5 1 。 嵌入式智能控制器研究 不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的 定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统，对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【6 8 】。 嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特 点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难给它下一个准确的定义。 现在人们讲嵌入式系统时。某种程度上是指近些年来比较热的具有操作系统的嵌入 式系统。一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分( 如图1 1 所示) ，处理器、存 储器、输入输出( i o ) 和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结 合的，在这里对其不加区分，这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的最大区别) 。 图1 1 嵌入式系统的组成 f i g 1 ic o m p o n e n t so f e m b e d d e ds y s t e m 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征1 9 】【1 0 1 ： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限， 所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核只 有8 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统 硬件的变化和增减进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程 序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功 能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储， 以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统 的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用 系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软 件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主 开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套 开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机下的软硬件设备 以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用 于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 1 3 嵌入式系统的分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行 划分。 1 3 ，1 嵌入式系统的硬件分类 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。 目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器己经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u 、 m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都开始大规 模生产嵌入式处理器，各大公司自主设计处理器也已经成了未来嵌入式应用领域的一大 趋势，其中从单片机、d s p 到f p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越强， 价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从4 k b 到1 6 m b ，处理速度最快可 以达到2 0 0 0 m i p s 。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类i l l 】： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i tm c u ) ；嵌入式微控制器的典型代表是单 片机。从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现到今天，虽然己经经过了很长的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成 r o m 、e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i 2 c 总线、串行口、 嵌入式智能控制器研究 脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理 器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠 性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰 富，适合于控制，因此称为微控制器。 近来a t m e l 推出的a v r 单片机由于集成了f p g a 等器件，所以具有很高的性价 比，势必将推动单片机获得更大的发展。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p ) ：d s p 处理器是专门用于信号 处理的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和 指令执行速度。在数字滤波、f f t ，频谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 目前最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s 一2 9 6 和s i e m e n s 的t f i c o 也有各自的应用范围。 ( 3 1 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i tm p u ) ：嵌入式微处理器是由通用计算机 中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能。但与计 算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密帽关的功能硬件， 去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和 工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。 目前主要的嵌入式处理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、 a r m s t r o n ga r m 系列等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i ps o c ) ：片上系统s o c 是追求产品系统最大包 容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了 软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的 综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需 要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用 精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真 之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个 系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设 计生产效率。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的s o c 产品是 p h i l i p s 的s m a r tx a 。少数通用系列如s i e m e n s 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ，某些 a r m 系列器件、e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。 1 3 2 嵌入式系统的软件分类 软件方面，主要可以依据操作系统的类型划分。目前嵌入式系统的软件主要有两大 类；实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统陀】。如 图卜2 所示。 图1 2 嵌入式系统的分类 f 塘1 2s o r t o f e m b e d d e ds y s t e m 实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。其最大 的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现 某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统”l 。而在软实时系 统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在 硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方 面通过编程实现时限的管理。比如w i n d o w sc e2 0 就是一个多任务分时系统，而p c o s 则是典型的实时操作系统【1 4 1 。 1 4 嵌入式系统与p f d 控制策略的发展 1 4 1 嵌入式系统的发展 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并不是最近才出现。从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用， 嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史。 嵌入式智能控制器研究 作为一个系统，往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和成 熟，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。2 0 世纪7 0 年代单 片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌 电子装置来获得更佳的使用性能，更容易使用，更快、更便宜。这些装置已经初步具备 了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8 位的芯片，执行一些单线程的程序， 还谈不上“系统”的概念。 从8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入 式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效率。 1 9 8 1 年，r e a d ys y s t e m 开发出世界上第1 个商业嵌入式实时内核( v t r x 3 2 ) 。这个实时 内核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、 中断支持、内存管理等功能。此后一些公司也纷纷推出了自己的嵌入式操作系统，如 i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s 和w i n d r i v e r 的v x w o r k s ，q n x 公司的q n x 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点! 它们均采用占先式的调度，响应的时 间很短，任务执行的时间可以确定，系统内核很小，具有可裁减性、可扩充性和可移植 性，可以移植到各种处理器上；较强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实 时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员从小范围的开发中解放出来，同时也促使 嵌入式有了更为广阔的应用空间。 9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为 实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主 流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式 操作系统。除了上面的几家公司以外，还出现了p a l m o s ，w i n d o w sc e 。嵌入式l i n u x ， l y n x ，n u c l e u s 以及国内的h o p c n ，d e l t a o s 等嵌入式操作系统。同时，嵌入式技术全面 展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面 取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，数字音频广 播( d a b ) 也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作 用也日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。在大众产品领域中，嵌入 式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机 6 沈阳工业大学硕士学位论文 交互界面，g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人以很大的亲和力。在自动控制领域，用于 a t m 机、自动售货机、工业控制等，嵌入式系统都发挥巨大的作用。 从中可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势： ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬 件系统木身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点 推广。比如三星在推广a r m 7 ，a r m 9 芯片的同时还提供开发板和板级支持包( b s p ) ， 而w i n d o w sc e 在主推系统时也提供e m b e d d e dv c + + 作为开发工具，还有v x w o r k s 的 t o r n a d o 开发环境、d e l t a o s 的l i m d a 编译环境等都是这一趋势的典型体现。 ( 2 ) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高，使得 以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。这 就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。为了满足应用功能的升级，设计师们一 方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片，同时增加功能接1 3 ( 如u s b ) ， 扩展总线类型( 如c a n b u s ) ，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统( s o c ) 的概念。软件方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性， 简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。 ( 3 ) 网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要 求硬件上提供各种网络通信接口【1 5 l 。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入 式处理器己经开始内嵌网络接1 3 ，除了支持t c p 1 p 协议，有的还支持i e e e l 3 9 4 、u s b 、 c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一种或者几种，同时也提供相应的通信组网协议 软件和物理层驱动软件。软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入 w e b 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 ( 4 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧 密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功 能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的 编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，软件开发人员既要有丰富的硬件知 识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 等。 嵌入式智能控制器研究 ( 5 1 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就 是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设 备就像是一个熟悉的老朋友。综上所述，无论是在工业控制领域，还是消费电子领域将 网络、控制结合起来形成智能化、网络化将是工业控制器及家用电器发展的新趋势【i 6 j 。 1 4 2p i d 控制策略的发展 p i d 调节是一种古老的控制系统调节方式，其在工业生产过程控制中的应用程序已 经有几十年的历史【1 7 】【1 8 l 。这是因为p i d 控制器结构简单，且综合了关于系统过去( 指积 分环节i ) 、现在( 指比例环节p ) 和未来( 指微分环节d ) 三方面信息，对动态过程无需太 多的预先知识，鲁棒性强【1 9 1 。控制制效果一般令人满意，为广大工程技术人员所熟知自 从有了p i d 控制，参数整定及与其它智能控制方法相结合以期获得控制的高质量就一直 是人们研究的问题之一，许多整定方法及公式已经开发出来。 最早提出p i d 参数自整定方法是在1 9 4 2 年由z i e g l e r 和n i c h o l s 提出的简称为z n 的整定公式【2 0 】，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中继续应用。1 9 5 3 年c o h e n 和c o o n 继承发展了z n 公式也提出了一种考虑被控过程时滞大小的c c 整定 公式 2 1 - 2 3 】。常规p i d 控制器的传统整定方法往往是技巧多于科学，整定参数的选择取决 于多种因素，如被控过程的动态性能、控制目标以及操作人员对过程的理解等等，回路 整定仍然比较费时费力，而有些系统含有多个变量。对于变量互不相关的多变量系统可 以采用多回路p i d 控制；变量相关的可以采用解耦p i d 控制2 4 ) 【2 5 】。但是过程特性及操 作条件的频繁变化，操作人员对回路整定方法不熟悉都可能造成整定失误。 随着自适应控制理论及基于专家知识经验的智能控制理论的发展，7 0 年代根据闭环 响应特性确定控制过程的理论渐渐成熟，人们明白，没有其它控制策略而仅凭p i d 控制 器本身是无法完成对各种过程动态特性识别的。在这种背景下，1 9 8 4 年瑞典著名自动控 制学者k j a s t r o m 提出了基于继电反馈的方法【2 6 】，经过2 0 多年的发展，基于继电反馈 方法出现了众多的扩展和改进方法【2 ”3 1 ，几名新加坡学者对于继电反馈的发展做出了重 要贡献。h a n g 等在2 0 0 2 年的一篇论文中阐述了继电反馈自整定技术的发展【3 4 】。w a n g 等在2 0 0 3 年出版了关于继电反馈的专著继电反馈一分析、辨识与控制 3 5 1 。 8 沈阳t ：业大学硕士学位论文 继电反馈方法的基本思路是在继电反馈下观测过程的极限环振荡，并由极限环的特 征来确定过程的基本性质，然后算出p i d 调节器的参数。这使得自整定调节器产品开发 出来。该法是受控振荡，克服了传统z - n 法可能产生增幅振荡的危险，除此以外，还包 括非模型方法、非参数模型方法及参数模型方法【3 6 】【3 7 】。 8 0 年代中期随着控制理论的不断发展以及高性能微机的使用，才使得商品化的自整 定p i d 调节器和p i d 自整定软件包的出现成为可能。 近年来随着智能控制理论的迅速发展，使传统的工业控制技术不断革新成为可能。 涂象初等人在1 9 8 5 年提出了自寻优f u z z y p i d 调节器，具有模糊推理的自整定p i d 控 制器也出现了，模糊推理功能的p i d 参数自整定控制器正逐步商品化，如日本三菱电机 公司在1 9 8 8 年开发了m a c t u s2 1 0 系列的模糊p i d 自校正调节器，这类控制器用模糊 控制规则和推理去优化p i d 控制器的参数，有较强的适应性，但调节过程复杂。 9 0 年代初，随着人们对神经元网络了解的深入，1 9 9 3 年胡建元等人提出了基于神经 元p i d 学习控制器，日本山武、霍尼韦尔公司在1 9 9 5 年开发出了商品化的s d c 3 0 系列 智能型数字调节器，由人工神经元和模糊控制整定p i d 控制器，夏红等人在1 9 9 6 年也 提出了一种基于a s t r o m 继电振荡法和神经网络结构的p i d 调节器 目前国内尚未自行研制出成功的商品化自整定智能控制器，主要原因有两个：第一， 自整定技术是一门集自适应控制、智能控制、自动化过程控制为一体的高科技工程新技 术，由于商业上保密的原因，国外许多关键设计技术细节都没有公开发表，如何在线利 用最少的被控过程数学模型信息来自动获取鲁棒性强且可靠的最优化p i d 整定参数，以 适应不同的被控过程，这种理论及实践方法在国内还处在理论分析、仿真实验阶段。第 二，自整定控制器是集微处理计算机、新型精密电子元器件及高密度的工艺制作技术为 一体的高集成度的自动化仪表，国内在这些方面与国外同类技术差距较大，影响了国内 自整定控制器商品化的研制。 1 5 论文的主要工作内容 本文以a v r 微处理器和嵌入式实时操作系统a v r x 为基础设计完成了基于模糊 p i d 控制策略的智能控制器并用于具有非线性特性的水秋千控制中，论文的主要内容如 下： 嵌入式智能控制器研究 ( 1 ) 本文对嵌入式系统的应用、特点、技术发展及在控制工程中常用的控制策略进 行详细的阐述和分析。 ( 2 ) 以a t m e g e l 6 型号的a v r 系列微处理器为核心，水秋千为控制对象，使用p r o t e l 软件绘制设计完成了嵌入式控制器的p c b 板图和原理图，最后焊接各元器件完成控制 器设计。 ( 3 ) 以上述的硬件平台为基础，通过对控制对象和智能控制策略的分析，对a v r x 实时操作系统的内核功能进行分析剪裁并移植到a t m e g a l 6 。采用c 语言和g c c 编译 器编译，设计并完成了嵌入式应用软件。 ( 4 ) 使用以上设计的嵌入式智能控制器对控制对象一水秋千进行了各种干扰及各种 初始偏角条件下的控制实验。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 嵌入式智能控制器设计基础 随着各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求 越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。诸如被控对象或过程的非线性、时变性、较 大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建 立被控对象的数学模型。虽然常规自适应控制技术可以解决些问题，但范围是有限的。 p i d 控制是工业控制中应用最广泛，也是结构最简单的控制方法，但是它的缺点就是对 于非线性被控制对象、具有时变特性的对象等，不能够获得良好的控制性能，采用模糊 控制，过程的动态响应品质优于常规p i d 控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。 而模糊控制能够很好的解决被控对象参数的非线性、不确定性等因素造成的难于控制阅 题。本章通过对p i d 、模糊控制理论方法进行分析，结合p i d 控制与模糊控制的优点， 为智能控制器的设计提供了理论基础。 2 1p l d 控制理论 p i d 控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器。 p i d 控制器的数学模型可以用式2 ，1 表示【3 8 1 ： 娴甜，+ 砉弘m + 掣i ( 2 - ) 其中：“( r ) 一控制器的输出，p o ) 一控制器的给定值与被控制对象输出量的差值， 称为偏差信号，k 。一控制器输出量的比例系数，z 一控制器的积分时间常数，乃一控制 器的微分时间常数 在p i d 控制器的数学模型中，它由比例、积分、微分三部分组成。以下分别说明： ( 1 ) 比例部分：比例部分的表达式如下是：女。p o ) 。这部分的作用是当偏差信号一 旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量向着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱 取决于比例系数七，后，越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小； k p 越大， 超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。因此， 比例系数k 。选择必须适当，这样才能取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的效果。 嵌入式智能控制器研究 ( 2 ) 积分部分：积分部分数学表达式表示：f e ( t ) d t 。从积分部分的数学表达式可 1 ， 以看出，只要控制系统存在偏差，那么它的控制作用“( f ) 就会不断地积累，输出控制量 将增加或减少以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。但是由于积分 作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动念性能变差，甚至 会使闭环系统不稳定。 积分时间f 对积分部分的作用影响极大。当z 较大时，这时的积分作用较弱，这样 有利于控制系统减小超调量，过渡过程不易产生振荡。但是消除稳态误差所需的时间较 长。当，较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除稳态 误差所需的时间较时短，所以适当的选择积分时间常数，能够使系统的控制精度得到提 高。 ( 3 ) 微分部分：微分部分数学表达式表示式：七，乃堕掣。微分控制对偏差的变化趋 “l 势很敏感，增大微分控制作用能够加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的 稳定性，但是这样会使系统抑制干扰的能力降低。 微分部分的作用的强弱由控制器的微分时问常数乃决定。乃越大，则它抑制口( f ) 变 化的作用越强，乃越小，它反抗e ( f ) 变化的能力越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。 合理选择控制器的微分时间常数可以改善系统的控制性能。 在计算机自接数字控制系统中，p i d 控制器是通过计算机p i d 控制算法程序实现的。 计算机自接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。采集到计算机的连续时间信号， 必须经过采样和整量化后，变成数字量，才能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字 计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。 在数字计算机中，p i d 控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相 当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使p i d 算法离散化，将描述连续时l b jp i d 算法的微分方程，变为描述离散时间p i d 算法的差分方程，即为数字p i d 位置型控制算 式，如式2 2 【3 9 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 出冲，h 号翻i = o + 乃竽掣 弦z ， l 1 f1 j j 其中：“( ) 一第k 次采样时刻的输出量，p ( 后) 一第k 次采样时刻的偏差， 瓦一控制系统的采样周期 经过变换可得下式： “g ) = 惫。4 0 + k , z 4 0 + k 4 k ) - e ( k - o ( 2 3 ) 鼽仁略，k d = k p 荨 2 2 模糊控制策略 模糊控制是以模糊数学为理论基础，即以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推 理为基础的一种计算机数字控制智能控制方法 4 0 - 4 2 】。它可以把人的经验用模糊条件语句 表示，然后用模糊集合理论对语言变量进行量化，再用模糊推理对系统的实时输入进行 处理，产生相应的控制作用。这就是模糊控制器的工作过程。 模糊控制的基本原理如图2 2 所示。 图2 2 模糊控制的基本原理框图 f i g 2 2f u z z yc o n t r o lp r i n c i p l ed i a g r a m 其中的核心部分为模糊控制器，由于模糊控制器的控制规则是根据操作人员的控制 经验取得的，所以它的作用就是模仿人的控制。模糊控制器的控制规律由计算机的程 序实现。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信 息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得 输出控制量的模糊集，再经去模糊化处理得到输出控制的精确量，作用于被控对象。因 嵌入式智能控制器研究 此，模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合 成和模糊判决等部分组成。 模糊控制器实质上是反映输入偏差及偏差变化的控制规则的模糊定量关系算法结 构，一般常用的是二维模糊控制器，即以偏差和偏差变化率作为输入【4 3 1 ，工作过程可概 括为下述几个步骤： ( 1 ) 将输入变量的精确值变为模糊量； 如图2 2 所示的模糊控制系统，是一个最为普遍和典型的模糊控制系统。