5.1計算機控制系統設計方法及步驟5.2設計實例1(DDC控制系統)——濕熱試驗箱控制系統5.3設計實例2（現場總線控制系統）——列車試風試驗控制系統5.4研究性學習項目1——LED照明閉環控制系統5.5研究性學習項目2——智能小車控制系統5.6本章小結第5章計算機控制設計5.1計算機控制系統的設計方法及步驟5.1.1設計控制系統的知識能力要求、基本原則和設計內容1.計算機控制系統設計需要具備的知識和能力2.計算機控制系統設計原則3.計算機控制系統設計主要內容5.1.2控制系統總體方案的確定

確定控制系統方案

選擇檢測元件

選擇執行機構

選擇輸入／輸出通道及外圍設備

硬件、軟件功能的劃分

建立總體方案文檔5.1.3控制用微型計算機的選擇1.選用成品微型計算機系統2.利用微處理器芯片自行設計5.1.4建立數學模型，確定控制策略和控制算法

在硬件系統確定后，計算機控制系統的控制效果的優劣，主要取決于采用的控制策略和控制算法是否合適。5.1.5控制系統硬件設計1.存儲器擴展根據所選微處理器以及系統的可能程序量、存儲的數據量，并考慮今后控制系統可能的擴展，擴展存儲器是必要的。（1）數據采集通道的結構形式

數據采集通道的結構形式有三種：獨立采樣保持器（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。分時采樣、分時轉換型多路模擬量輸入通道同時采樣、分時轉換型多路模擬量輸入通道2.模擬量輸入通道設計（2）A/D轉換器的選擇

根據A/D轉換器的分辨率、轉換精度、轉換時間等性能參數選擇。根據數據的傳輸形式，選用并行A/D或者串行A/D。3.模擬量輸出通道的擴展（1）輸出通道的連接方式每通道一個D/A轉換器原理圖多通道共享D/A轉換器的結構形式（2）D/A轉換器的選擇要根據設計要求選擇性能參數合適的D/A轉換器4.開關量I/O接口設計5.操作面板6.系統速度匹配問題

邏輯電路間的接口及負載匹配問題

微處理器負載匹配問題5.1.6控制系統軟件設計

控制系統對應用軟件的要求：實時性靈活性和通用性可靠性5.2設計實例1(DDC控制系統)以濕熱試驗箱控制系統為例濕熱試驗微機測控系統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設計實例2（現場總線控制系統）以列車試風試驗控制系統為例

試驗系統硬件原理框圖單片機系統及控制器局域網原理框圖控制算法：模糊控制算法1.充風試驗模糊控制算法輸入EP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、全交疊函數輸出U的語言變量為{NB，NS，Z，PS，PB}，棒形函數表1充風試驗模糊控制規則UΔEP

NZPEPNBNCNBNCNSNCNSNCZNSZPSPSNCPSNCPBNCPBNC2.安定試驗模糊控制算法輸入EP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}，棒形函數表2安定試驗模糊控制規則EPNBNMNSZPSPMPBUNBNMNSZPSPMPBCAN節點的主要程序流程圖5.4研究性學習項目1——LED照明閉環控制系統5.4.1系統總體設計要求1.設計要求設計一個光強采集系統，能實時采集日光光線強度；設計一個控制器，根據日光光線強度，自動調節LED亮度，在日光不足時自動補償，使總光照不變。光強采集采用光敏電阻，采用12個3mm白光LED，組成LED閉環控制照明系統。LED采用電流驅動，電流步距可調。通過AD采集光線強度，運用單片機I/O口實現PWM功率控制。2.設計方案（1）工程量轉換。應用光敏電阻檢測LED和室內環境的光照強度總和，并設計整形和放大電路，建立光照強度與A/D轉換之間的關系。（2）系統的硬件電路設計。系統硬件原理框圖：（3）控制算法選擇。PID算法（4）LED控制方式選擇。可采用PWM方式（脈沖調制方式）調節LED兩端平均電壓值，從而改變LED光照強度。建立PID算法的輸出值與PWM的占空比的關系，以及PWM的占空比與LED光照強度的關系5.4.2控制算法要求1.PID控制算法2.對象模型3.PID參數閉環系統階躍響應：4.仿真模型控制量變化曲線：5.4.3系統硬件設計要求（1）微處理器選型。單片機（2）檢測電路設計。光敏電阻（3）整形和放大電路設計。（4）A/D轉換電路設計。（5）驅動電路設計。PWM（6）LED顯示電路設計。5.4.4預處理要求（1）根據測量LED光照強度（流明）與LED兩端的平均電壓（占空比）、A/D轉換后的數字量，進行擬合。（2）流明度與占空比擬合曲線（3）數字量與流明度擬合曲線5.4.5系統軟件設計要求匯編或C5.4.6制作及實驗要求1）萬用板制作2）完成主程序和子程序的編制及調試3）完成系統的主功能實驗，測試是否能夠自動調節亮度。5.5研究性學習項目2——智能小車控制系統5.5.1系統總體設計要求

智能小車控制系統使智能小車實時避障、測距和路徑跟蹤，應用相應的路徑規劃法、避障算法，根據障礙物距離及目標位置距離，判斷出最優路徑，并以最快、最穩的方式到達終點。（1）智能小車車體結構和控制系統原理設計。智能小車車體結構系統硬件原理框圖：（2）測距及避障設計方案：紅外和超聲（3）路徑規劃算法選擇。能夠選擇最優路徑到達給定的目標位置。人工勢場法（4）智能小車車體方位確定。完成車體方位計算的基本數據是車輪前進或后退的距離，這是通過對驅動車輪的電機轉動角度的周期性采樣而獲取的。光電編碼器5.5.2系統硬件設計要求（1）微處理器選型。單片機（2）電機驅動電路設計。H橋H橋驅動電路橋路工作：ENA正反轉：IN1\IN2轉速：PWM轉向：左右輪轉速差5.5.2系統硬件設計要求（3）測距和避障電路設計。障礙物檢測：紅外障礙物0：有1：無測距：超聲超聲波傳播速度：v=331.5+0.607T（T為現場的溫度）超聲波測距：S=vt/2，（t為發射和接收回波時間差）5.5.3算法設計要求1.路徑規劃（1）人工勢場法智能小車受力圖Fa：目標對小車的引力。Fr：障礙物對小車的引力。F合力，小車沿著合力的方向運動。X為小車空間位置合成力：X為小車空間位置，Xg為目標點位置，ρ為障礙物的范圍，X0為障礙物位置。（2）Matlab進行仿真智能小車受力圖2智能小車實時方位確定左右輪驅動電機