計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第2版 課件 第5章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及步驟5.2設(shè)計(jì)實(shí)例1(DDC控制系統(tǒng))——濕熱試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)5.3設(shè)計(jì)實(shí)例2（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）——列車試風(fēng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)5.4研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目1——LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)5.5研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目2——智能小車控制系統(tǒng)5.6本章小結(jié)第5章計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)5.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及步驟5.1.1設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的知識(shí)能力要求、基本原則和設(shè)計(jì)內(nèi)容1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要具備的知識(shí)和能力2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容5.1.2控制系統(tǒng)總體方案的確定

確定控制系統(tǒng)方案

選擇檢測(cè)元件

選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)

選擇輸入／輸出通道及外圍設(shè)備

硬件、軟件功能的劃分

建立總體方案文檔5.1.3控制用微型計(jì)算機(jī)的選擇1.選用成品微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2.利用微處理器芯片自行設(shè)計(jì)5.1.4建立數(shù)學(xué)模型，確定控制策略和控制算法

在硬件系統(tǒng)確定后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制效果的優(yōu)劣，主要取決于采用的控制策略和控制算法是否合適。5.1.5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.存儲(chǔ)器擴(kuò)展根據(jù)所選微處理器以及系統(tǒng)的可能程序量、存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，并考慮今后控制系統(tǒng)可能的擴(kuò)展，擴(kuò)展存儲(chǔ)器是必要的。（1）數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式

數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式有三種：獨(dú)立采樣保持器（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。分時(shí)采樣、分時(shí)轉(zhuǎn)換型多路模擬量輸入通道同時(shí)采樣、分時(shí)轉(zhuǎn)換型多路模擬量輸入通道2.模擬量輸入通道設(shè)計(jì)（2）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間等性能參數(shù)選擇。根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸形式，選用并行A/D或者串行A/D。3.模擬量輸出通道的擴(kuò)展（1）輸出通道的連接方式每通道一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖多通道共享D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式（2）D/A轉(zhuǎn)換器的選擇要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇性能參數(shù)合適的D/A轉(zhuǎn)換器4.開關(guān)量I/O接口設(shè)計(jì)5.操作面板6.系統(tǒng)速度匹配問題

邏輯電路間的接口及負(fù)載匹配問題

微處理器負(fù)載匹配問題5.1.6控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件的要求：實(shí)時(shí)性靈活性和通用性可靠性5.2設(shè)計(jì)實(shí)例1(DDC控制系統(tǒng))以濕熱試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)為例濕熱試驗(yàn)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件原理框圖控制算法：積分分離PID式中：

升溫階段積分分離PID控制框圖：

5.3設(shè)計(jì)實(shí)例2（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）以列車試風(fēng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)為例

試驗(yàn)系統(tǒng)硬件原理框圖單片機(jī)系統(tǒng)及控制器局域網(wǎng)原理框圖控制算法：模糊控制算法1.充風(fēng)試驗(yàn)?zāi)：刂扑惴ㄝ斎隕P的語言變量為{NB，NS，Z，PS，PB}，ΔEP的語言變量為{N，Z，P}，三角形均勻分布、全交疊函數(shù)輸出U的語言變量為{NB，NS，Z，PS，PB}，棒形函數(shù)表1充風(fēng)試驗(yàn)?zāi)：刂埔?guī)則UΔEP

NZPEPNBNCNBNCNSNCNSNCZNSZPSPSNCPSNCPBNCPBNC2.安定試驗(yàn)?zāi)：刂扑惴ㄝ斎隕P的語言變量為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，三角形不均勻分布輸出U的語言變量為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，棒形函數(shù)表2安定試驗(yàn)?zāi)：刂埔?guī)則EPNBNMNSZPSPMPBUNBNMNSZPSPMPBCAN節(jié)點(diǎn)的主要程序流程圖5.4研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目1——LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)5.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)光強(qiáng)采集系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)采集日光光線強(qiáng)度；設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，根據(jù)日光光線強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度，在日光不足時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償，使總光照不變。光強(qiáng)采集采用光敏電阻，采用12個(gè)3mm白光LED，組成LED閉環(huán)控制照明系統(tǒng)。LED采用電流驅(qū)動(dòng)，電流步距可調(diào)。通過AD采集光線強(qiáng)度，運(yùn)用單片機(jī)I/O口實(shí)現(xiàn)PWM功率控制。2.設(shè)計(jì)方案（1）工程量轉(zhuǎn)換。應(yīng)用光敏電阻檢測(cè)LED和室內(nèi)環(huán)境的光照強(qiáng)度總和，并設(shè)計(jì)整形和放大電路，建立光照強(qiáng)度與A/D轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系。（2）系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件原理框圖：（3）控制算法選擇。PID算法（4）LED控制方式選擇?？刹捎肞WM方式（脈沖調(diào)制方式）調(diào)節(jié)LED兩端平均電壓值，從而改變LED光照強(qiáng)度。建立PID算法的輸出值與PWM的占空比的關(guān)系，以及PWM的占空比與LED光照強(qiáng)度的關(guān)系5.4.2控制算法要求1.PID控制算法2.對(duì)象模型3.PID參數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)：4.仿真模型控制量變化曲線：5.4.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求（1）微處理器選型。單片機(jī)（2）檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。光敏電阻（3）整形和放大電路設(shè)計(jì)。（4）A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。（5）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。PWM（6）LED顯示電路設(shè)計(jì)。5.4.4預(yù)處理要求（1）根據(jù)測(cè)量LED光照強(qiáng)度（流明）與LED兩端的平均電壓（占空比）、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，進(jìn)行擬合。（2）流明度與占空比擬合曲線（3）數(shù)字量與流明度擬合曲線5.4.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求匯編或C5.4.6制作及實(shí)驗(yàn)要求1）萬用板制作2）完成主程序和子程序的編制及調(diào)試3）完成系統(tǒng)的主功能實(shí)驗(yàn)，測(cè)試是否能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。5.5研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目2——智能小車控制系統(tǒng)5.5.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求

智能小車控制系統(tǒng)使智能小車實(shí)時(shí)避障、測(cè)距和路徑跟蹤，應(yīng)用相應(yīng)的路徑規(guī)劃法、避障算法，根據(jù)障礙物距離及目標(biāo)位置距離，判斷出最優(yōu)路徑，并以最快、最穩(wěn)的方式到達(dá)終點(diǎn)。（1）智能小車車體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)。智能小車車體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件原理框圖：（2）測(cè)距及避障設(shè)計(jì)方案：紅外和超聲（3）路徑規(guī)劃算法選擇。能夠選擇最優(yōu)路徑到達(dá)給定的目標(biāo)位置。人工勢(shì)場(chǎng)法（4）智能小車車體方位確定。完成車體方位計(jì)算的基本數(shù)據(jù)是車輪前進(jìn)或后退的距離，這是通過對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的周期性采樣而獲取的。光電編碼器5.5.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求（1）微處理器選型。單片機(jī)（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。H橋H橋驅(qū)動(dòng)電路橋路工作：ENA正反轉(zhuǎn)：IN1\IN2轉(zhuǎn)速：PWM轉(zhuǎn)向：左右輪轉(zhuǎn)速差5.5.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求（3）測(cè)距和避障電路設(shè)計(jì)。障礙物檢測(cè)：紅外障礙物0：有1：無測(cè)距：超聲超聲波傳播速度：v=331.5+0.607T（T為現(xiàn)場(chǎng)的溫度）超聲波測(cè)距：S=vt/2，（t為發(fā)射和接收回波時(shí)間差）5.5.3算法設(shè)計(jì)要求1.路徑規(guī)劃（1）人工勢(shì)場(chǎng)法智能小車受力圖Fa：目標(biāo)對(duì)小車的引力。Fr：障礙物對(duì)小車的引力。F合力，小車沿著合力的方向運(yùn)動(dòng)。X為小車空間位置合成力：X為小車空間位置，Xg為目標(biāo)點(diǎn)位置，ρ為障礙物的范圍，X0為障礙物位置。（2）Matlab進(jìn)行仿真智能小車受力圖2智能小車實(shí)時(shí)方位確定左右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)