基于内模数字控制的陀螺温控系统的研究与实现
摘要
本文从工程实际出发，以内模控制理论为基础，利用AVR单片机(ATmega16)，设计了具有非线性、大惯性的陀螺内部温度控制系统。文中着重研究了温控模型的建模、内模控制系统的设计、四阶龙格—库塔算法以及整个温控系统的硬、软件设计。并进行了控制系统的仿真和调试。
在陀螺内部，对象的时滞、各种不可测干扰等都是普遍存在的，也是较难控制的，而普通的PID控制器，虽然其控制规律、参数设置简单、稳态性能好、可靠性高等优点得到广泛应用，但它对过程的品质指标恶化；对周期性、多频扰动等控制精度要求高的场合，常规的PID控制器调节就难以得到满意的控制效果。内模控制一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略，这一控制的优点是能将PID控制、Smith预估控制、确定性线性二次最优反馈控制和多种预测控制等归纳在同一架构之下，它的设计原理简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强、参数整定直观明了、能消除不可测干扰的影响，是一种设计和分析预测控制系统的有力工具。
另外，为了能够准确得到温控模型，采用了最小二乘拟合；为了提高整个控制系统的精度，利用ATmega16单片机的丰富资源、四阶龙格-库塔法，设计了可靠的软件系统。通过对整个系统的仿真和调试，证明了该系统具有良好的位置跟随性能、抗干扰性能、鲁棒性和实用性。
This paper describes the designing of gyro temperature control system with non-linear, large inertia on the base of IMC (Inner Model Control) theory and AVR MCU (Micro programmed Control Unit) from project reality. It emphasizes on the study of the modeling of the temperature control model, the design of IMC system, the program of four-ladder Runge-Kutta algorithm and the software and hardware design of the whole temperature control system.
Inside the gyro, object's large time lag and all kinds of unmeasurement disorders are ubiquitous and hard to control. One side, traditional PID control is widely used for its simpleness of control and parameter's setup, the stable state's good performance and high dependability, etc. But traditional PID control can hardly get satisfactory control result on the occasion of process quality index's worsen and high control precision to periodicity and multi-frequency disorders. The other side, IMC is a kind of powerful design, analyses and predict tool and a new-type control strategy that the controller is designed on the basis of process mathematics model. The advantage of IMC is that IMC can sum up PID control, Smith predict control, the determinacy linear optimum square feedback control and many kinds of prediction control under the same framework. IMC has simplicity of design principle and parameter alignment and good characters of track adjustability and robust.
In addition, for getting actual temperature control model, use the least square weighted fusion algorithm; for increasing whole systems' control precision, take advantage of AVR MCU, four-ladder Runge-Kutta algorithm and high credibility software. Through simulation of the control system, the result makes clear that the controller has very good characteristics of adjustability, anti-jamming and robust.
在陀螺内部，对象的时滞、各种不可测干扰等都是普遍存在的，也是较难控制的，而普通的PID控制器，虽然其控制规律、参数设置简单、稳态性能好、可靠性高等优点得到广泛应用，但它对过程的品质指标恶化；对周期性、多频扰动等控制精度要求高的场合，常规的PID控制器调节就难以得到满意的控制效果。内模控制一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略，这一控制的优点是能将PID控制、Smith预估控制、确定性线性二次最优反馈控制和多种预测控制等归纳在同一架构之下，它的设计原理简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强、参数整定直观明了、能消除不可测干扰的影响，是一种设计和分析预测控制系统的有力工具。
另外，为了能够准确得到温控模型，采用了最小二乘拟合；为了提高整个控制系统的精度，利用ATmega16单片机的丰富资源、四阶龙格-库塔法，设计了可靠的软件系统。通过对整个系统的仿真和调试，证明了该系统具有良好的位置跟随性能、抗干扰性能、鲁棒性和实用性。
This paper describes the designing of gyro temperature control system with non-linear, large inertia on the base of IMC (Inner Model Control) theory and AVR MCU (Micro programmed Control Unit) from project reality. It emphasizes on the study of the modeling of the temperature control model, the design of IMC system, the program of four-ladder Runge-Kutta algorithm and the software and hardware design of the whole temperature control system.
Inside the gyro, object's large time lag and all kinds of unmeasurement disorders are ubiquitous and hard to control. One side, traditional PID control is widely used for its simpleness of control and parameter's setup, the stable state's good performance and high dependability, etc. But traditional PID control can hardly get satisfactory control result on the occasion of process quality index's worsen and high control precision to periodicity and multi-frequency disorders. The other side, IMC is a kind of powerful design, analyses and predict tool and a new-type control strategy that the controller is designed on the basis of process mathematics model. The advantage of IMC is that IMC can sum up PID control, Smith predict control, the determinacy linear optimum square feedback control and many kinds of prediction control under the same framework. IMC has simplicity of design principle and parameter alignment and good characters of track adjustability and robust.
In addition, for getting actual temperature control model, use the least square weighted fusion algorithm; for increasing whole systems' control precision, take advantage of AVR MCU, four-ladder Runge-Kutta algorithm and high credibility software. Through simulation of the control system, the result makes clear that the controller has very good characteristics of adjustability, anti-jamming and robust.
引文
[1] 舒迪前，预测控制系统及其应用．机械工业出版社，1996
[2] 金以慧，过程控制．清华大学出版社，1993
[3] 何克忠，李伟．计算机控制系统．清华大学出版社，2000
[4] 黄德鸣，程禄．惯性导航系统．国防工业出版社，1999
[5] 耿德根，宋建国，马潮，叶永建．AVR 高速嵌入式单片机原理与应用．北京航空航天大学出版社，2001
[6] 黄忠霖．控制系统MATLAB计算及仿真．国防工业出版社，2003
[7] 林成森．数值计算方法．科学出版社，2004
[8] 丁化成，耿德根，李君凯．AVR 单片机应用设计．北京航空航天大学出版社，2002
[9] 沈文，Eagle lee，詹卫前．AVR 单片机 C 语言开发入门指导．清华大学出版社，2003
[10] 郭素云．陀螺仪原理及应用．哈尔滨工业大学出版社，1985
[11] 黄德鸣，张树侠，孙枫．平台罗经．国防工业出版社，1990
[12] 赵国量，姜仁锋．自适应控制及应用技术．人民交通出版社，1991
[13] 陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型 PID 控制及其应用．机械工业出版社，1998
[14] 李友善．自动控制原理 (上册)．国防工业出版社，1989
[15] 赵文常．自动控制元件．哈尔滨工程大学出版社，1992
[16] 章燕申，袁增任．控制系统的设计与实践．清华大学出版社，1992：239-245页
[17] 谈振藩，谈封．MATLAB 语言程序设计5．2版．哈尔滨工程大学出版社，2000
[18] 薛定宇．控制系统计算机辅助设计——MATLAB 语言及应用．清华大学出版社，1996：10-45页
[19] 楼顺天，于卫，基于MATLAB 的系统分析与设计—控制系统．西安电子科技大学出版社，1999
[20] 张郁弘，庄灿涛．晶体管运算放大器及其应用．国防工业出版社，1978
[21] 李广军，王厚军．实用接口技术．电子科技大学出版社，1998
[22] 孙曾圻．计算机控制理论及应用．清华大学出版社，1989
[23] 戴梅萼．计算机控制理论及应用．清华大学出版社，1992
[24] 俞云奎，张仁忠．PC机原理与应用．哈尔滨工程大学出版社，1996
[25] 谈振藩，周洪宇，袁赣南．导航系统信息转换．国防工业出版社，1997
[26] 谈振藩．自动控制专业英语．哈尔滨工程大学出版社，1999
[27] 陀螺仪生产与试验文集编写组．陀螺仪生产与试验文集pagel27用实验方法确定陀螺马达转子轴的惯量矩．国防工业出版社，1972
[28] 童诗白．模拟电子技术基础．人民教育出版社，1981．1
[29] 尔桂花，窦日轩．运动控制系统．清华大学出版社，2002．10
[30] C．F．奥唐纳等．惯性导航分析与设计．国防工业出版社，1972
[31] 赵文峰．Matlab 控制系统设计与仿真．西安电子科技大学出版社，2002
[32] 李广军，王厚军．实用接口技术．电子科技大学出版社，1997．10
[33] Graham C. Goodwin, Stefan F. Graede, Mario E. Salgado. CONTROL SYSTEM DESIGN, Tsinghua University Press. 2002.1
[34] Kenneth R. Britting. INERTIAL NAVIGATION SYSTEMS ANALYSIS .1971
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