六、系统控制方案和算法设计

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六、系统控制方案和算法设计 [复制链接]

“控制类”赛题中所涉及到的一些知识点，特别是有关自动控制理论与算法方面，对有些专业的同学来讲，在专业课程中是没有的，需要自己去搞清楚。这一点很重要。理论用来指导行动。没有理论基础，盲人摸象，行动一定会有困难。

“系统控制方案和算法设计”是控制类赛题的重点，对于不同的赛题，控制目的和要求都是不相同的，其“系统控制方案和算法设计”也都是不相同的。而“系统控制方案和算法设计” 往往决定该赛题能否成功的关键之一。在训练过程中可以选择一些往届的赛题，适当做一些修改，进行培训。

系统方案的确定，可以分为总体实现方案、子系统实现方案、部件实现方案几个层次进行。
1.    确定设计的可行性
方案论证最重要的一点是要确定设计的可行性，需要考虑的问题有：
a.    原理的可行性？解决同一个问题，可以有许多种方法，但有的方法是不能够达到设   计要求的，千万要注意。
b.    元器件的可行性？如采用什么器件？微控制器？可编程逻辑器件？能否采购得到？
c.    测试的可行性？有无所需要的测量仪器仪表？
d.    设计、制作的可行性？如难度如何？本组队员是否可以完成？ e. 时间的可行性？4 天 3 晚能否完成？
设计的可行性需要查阅有关资料，充分地进行讨论、分析比较后才能确定。在方案设计过程中要要提出几种不同的方案，从能够完成的功能、能够达到的技术性能指标、元器件材料采购的可能性和经济性、采用元器件、设计技术的先进性、以及完成时间等方面进行比较，要敢于创新，敢于采用新器件新技术，对上述问题经过充分、细致的考虑和分析比较后，拟订较切实可行的方案。

2.    明确方案的内容
拟订的方案要明确以下内容：
a. 系统的外部特性

• 系统具有的主要功能？引脚数量？功能？
• 输入信号和输出信号形式（电压？电流？脉冲？等）、大小（量级？）、相互之间的关系？
• 输入信号和输出信号相互之间的关系？函数表达式？线性？非线性？测量仪器仪表与方法？ b. 系统的内部特性。
• 系统的基本工作原理？系统的实现方法？数字方式？模拟方式？数字模拟混合方式？ 系统的方框图？ 系统的控制流程？系统的硬件结构？系统的软件结构？
• 系统中各子系统、部件之间的关系？接口？尺寸？安装方法？ c. 系统的测量方法和仪器仪表
• 作品设计制作是否成功是通过能够实现的功能和达到的技术性能指标来表现的。在拟订方案时，应认真讨论系统功能和技术性能指标的测量方法和测量用仪器仪表。需要考虑的问题有：仪器仪表的种类？仪器仪表的精度？测量参数形式？测量方法？测试点？
• 测量数据的记录与处理？表格形式？数据处理工具？matlab?

 
3.    示例 1：水温控制系统（1997 年 C 题）的控制方案和算法
水温控制系统以 AT89S52 单片机最小系统为核心，由传感器检测电路、A/D 转换电路、单片机系统、加热控制电路、键盘显示器电路、打印机接口电路等组成。在“水温控制系统” 中采用的控制算法有：DDC 控制算法、分段非线性加积分分离 PI 算法、模糊控制算法等。

DDC 控制算法利用三阶多项式拟合 t-T 曲线，建立系统数学模型，然后采用递归差分算法实现系统控制。在分段非线性加积分分离 PI 算法中，分段点是设定温度的函数。模糊控制算法利用典型的模糊控制系统规则和 PWM 技术实现温度的自动调节和控制。

4.    示例 2：悬挂运动控制系统（2005 年 E 题）的控制方案和算法
根据赛题要求，悬挂运动控制系统应包含有控制和信号检测两部分，其中信号检测部分通过光电传感器检测黑色轨迹，并将检测信号传回控制器进行处理；控制部分接收并处理检测信号以及键盘输入的控制信息，通过控制步进电机的转动改变吊绳长度，实现对悬挂物体的运动控制，并实时显示悬挂物体的坐标。

控制模块为系统的核心，可以采用主、从单片机控制方式。其中，主单片机通过键盘与显示器与用户沟通，读入键盘控制信息，控制画笔伸缩模块；而从单片机控制电机的驱动和寻黑线，以及实时显示笔的坐标位置。

悬挂物体的运动控制通过控制步进电机的转动改变吊绳长度实现。两个步进电机的驱动可以采用 L298N 芯片实现。控制悬挂物体运动的关键是根据目标点的当前坐标和目标坐标计算出两个步进电机所需要转动的步数。

根据赛题要求，以 80 cm×100 cm 图纸的左下角口点为坐标原点，水平向右为 x 轴正方向，竖直向上为 y 轴正方向。并设两滑轮的中心分别为 A，B，笔尖的位置为 C 点，L1 和 L2 可确定其结点（即重物）的位置。因此，要想使重物运动到给定的位置 C’，只需要确定 L1’ 和 L2’的长度。通过单片机精确控制步进电机 1 和步进电机 2 的转动角度，使 L1 和 L2 收缩或者伸长相应的距离，则可使重物在整个平面内任意运动。

在悬挂运动控制系统（2005 年 E 题）中需要按照赛题给出的要求计算笔尖的位置为 C 点的坐标。

5.    示例 3：电动车跷跷板（2007 年 F 题）【本科组】的控制方案和算法
根据赛题要求，一个典型的系统以两片单片机作为电动车运动控制系统的核心，两片单片机协同工作，利用角度传感器、光电传感器等检测电动车运动状态，对步进电机或者直流减速电机进行控制，实现小车在跷跷板上的往返运动、寻找平衡点以及自动循迹驶上跷跷板等功能。

在电动车跷跷板（2007 年 F 题）【本科组】中，采用的控制算法有：PID 控制算法、模糊控制算法等。

6.    示例 4：声音引导系统（2009 年 B 题）【本科组】的控制方案和算法
分析赛题要求，将声音导引系统可以分为两部分，一部分是主控制台，另一部分是以小车为载体的可移动声源。可移动声源的音频信号发生模块用于产生一定频率的音频信号，声光提示模块用于定位后的提示；主控制台的 3 个接收器模块用于接收音频信号，人机界面模块用于输入指示信号和显示系统数据，语音模块用于播报提示信息，无线收发模块用于两部分之间数据通信。

在声音引导系统（2009 年 B 题）【本科组】中，通过对声源的检测与计算，控制小车达到赛题指定的位置。

人去搂空

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