计算机控制技术 第2版 课件 第5章计算机控制系统设计

5.1计算机控制系统设计方法及步骤5.2设计实例1(DDC控制系统)——湿热试验箱控制系统5.3设计实例2（现场总线控制系统）——列车试风试验控制系统5.4研究性学习项目1——LED照明闭环控制系统5.5研究性学习项目2——智能小车控制系统5.6本章小结第5章计算机控制设计5.1计算机控制系统的设计方法及步骤5.1.1设计控制系统的知识能力要求、基本原则和设计内容1.计算机控制系统设计需要具备的知识和能力2.计算机控制系统设计原则3.计算机控制系统设计主要内容5.1.2控制系统总体方案的确定

确定控制系统方案

选择检测元件

选择执行机构

选择输入／输出通道及外围设备

硬件、软件功能的划分

建立总体方案文档5.1.3控制用微型计算机的选择1.选用成品微型计算机系统2.利用微处理器芯片自行设计5.1.4建立数学模型，确定控制策略和控制算法

在硬件系统确定后，计算机控制系统的控制效果的优劣，主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适。5.1.5控制系统硬件设计1.存储器扩展根据所选微处理器以及系统的可能程序量、存储的数据量，并考虑今后控制系统可能的扩展，扩展存储器是必要的。（1）数据采集通道的结构形式

数据采集通道的结构形式有三种：独立采样保持器（S/H）和A/D形式、共享A/D和S/H形式、多路S/H和共享A/D形式。分时采样、分时转换型多路模拟量输入通道同时采样、分时转换型多路模拟量输入通道2.模拟量输入通道设计（2）A/D转换器的选择

根据A/D转换器的分辨率、转换精度、转换时间等性能参数选择。根据数据的传输形式，选用并行A/D或者串行A/D。3.模拟量输出通道的扩展（1）输出通道的连接方式每通道一个D/A转换器原理图多通道共享D/A转换器的结构形式（2）D/A转换器的选择要根据设计要求选择性能参数合适的D/A转换器4.开关量I/O接口设计5.操作面板6.系统速度匹配问题

逻辑电路间的接口及负载匹配问题

微处理器负载匹配问题5.1.6控制系统软件设计

控制系统对应用软件的要求：实时性灵活性和通用性可靠性5.2设计实例1(DDC控制系统)以湿热试验箱控制系统为例湿热试验微机测控系统硬件原理框图控制算法：积分分离PID式中：

升温阶段积分分离PID控制框图：

5.3设计实例2（现场总线控制系统）以列车试风试验控制系统为例

试验系统硬件原理框图单片机系统及控制器局域网原理框图控制算法：模糊控制算法1.充风试验模糊控制算法输入EP的语言变量为{NB，NS，Z，PS，PB}，ΔEP的语言变量为{N，Z，P}，三角形均匀分布、全交叠函数输出U的语言变量为{NB，NS，Z，PS，PB}，棒形函数表1充风试验模糊控制规则UΔEP

NZPEPNBNCNBNCNSNCNSNCZNSZPSPSNCPSNCPBNCPBNC2.安定试验模糊控制算法输入EP的语言变量为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，三角形不均匀分布输出U的语言变量为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，棒形函数表2安定试验模糊控制规则EPNBNMNSZPSPMPBUNBNMNSZPSPMPBCAN节点的主要程序流程图5.4研究性学习项目1——LED照明闭环控制系统5.4.1系统总体设计要求1.设计要求设计一个光强采集系统，能实时采集日光光线强度；设计一个控制器，根据日光光线强度，自动调节LED亮度，在日光不足时自动补偿，使总光照不变。光强采集采用光敏电阻，采用12个3mm白光LED，组成LED闭环控制照明系统。LED采用电流驱动，电流步距可调。通过AD采集光线强度，运用单片机I/O口实现PWM功率控制。2.设计方案（1）工程量转换。应用光敏电阻检测LED和室内环境的光照强度总和，并设计整形和放大电路，建立光照强度与A/D转换之间的关系。（2）系统的硬件电路设计。系统硬件原理框图：（3）控制算法选择。PID算法（4）LED控制方式选择。可采用PWM方式（脉冲调制方式）调节LED两端平均电压值，从而改变LED光照强度。建立PID算法的输出值与PWM的占空比的关系，以及PWM的占空比与LED光照强度的关系5.4.2控制算法要求1.PID控制算法2.对象模型3.PID参数闭环系统阶跃响应：4.仿真模型控制量变化曲线：5.4.3系统硬件设计要求（1）微处理器选型。单片机（2）检测电路设计。光敏电阻（3）整形和放大电路设计。（4）A/D转换电路设计。（5）驱动电路设计。PWM（6）LED显示电路设计。5.4.4预处理要求（1）根据测量LED光照强度（流明）与LED两端的平均电压（占空比）、A/D转换后的数字量，进行拟合。（2）流明度与占空比拟合曲线（3）数字量与流明度拟合曲线5.4.5系统软件设计要求汇编或C5.4.6制作及实验要求1）万用板制作2）完成主程序和子程序的编制及调试3）完成系统的主功能实验，测试是否能够自动调节亮度。5.5研究性学习项目2——智能小车控制系统5.5.1系统总体设计要求

智能小车控制系统使智能小车实时避障、测距和路径跟踪，应用相应的路径规划法、避障算法，根据障碍物距离及目标位置距离，判断出最优路径，并以最快、最稳的方式到达终点。（1）智能小车车体结构和控制系统原理设计。智能小车车体结构系统硬件原理框图：（2）测距及避障设计方案：红外和超声（3）路径规划算法选择。能够选择最优路径到达给定的目标位置。人工势场法（4）智能小车车体方位确定。完成车体方位计算的基本数据是车轮前进或后退的距离，这是通过对驱动车轮的电机转动角度的周期性采样而获取的。光电编码器5.5.2系统硬件设计要求（1）微处理器选型。单片机（2）电机驱动电路设计。H桥H桥驱动电路桥路工作：ENA正反转：IN1\IN2转速：PWM转向：左右轮转速差5.5.2系统硬件设计要求（3）测距和避障电路设计。障碍物检测：红外障碍物0：有1：无测距：超声超声波传播速度：v=331.5+0.607T（T为现场的温度）超声波测距：S=vt/2，（t为发射和接收回波时间差）5.5.3算法设计要求1.路径规划（1）人工势场法智能小车受力图Fa：目标对小车的引力。Fr：障碍物对小车的引力。F合力，小车沿着合力的方向运动。X为小车空间位置合成力：X为小车空间位置，Xg为目标点位置，ρ为障碍物的范围，X0为障碍物位置。（2）Matlab进行仿真智能小车受力图2智能小车实时方位确定左右轮驱动电机