智能(néng)控制器原理和應用簡介

智能(néng)控制器是家電及智能(néng)家居、汽車電子、電動工具等多個領域的核心器件，近年來各個應用市場的發(fā)展使得智能(néng)控制器市場需求持續增長(cháng)，同時行業相關政策的出台推動智能(néng)控制器行業市場規模持續擴大。那究竟什麼(me)是智能(néng)控制器？它的技術原理又是什麼(me)呢？本文將(jiāng)爲您詳細介紹。

智能(néng)控制器定義

智能(néng)控制器是内置于電子設備中的一種(zhǒng)計算機控制單元，其通過(guò)接口獲取設備工作狀态、命令執行結果以及環境數據等信息，執行内部控制程序，輸出控制信号來控制設備，實現對(duì)被(bèi)控設備參數（如溫度、運動、光照等）的自動控制。

智能(néng)控制器一般由微控制器芯片和執行電路兩(liǎng)個主要部分組成(chéng)，其中微控制器芯片承載控制程序的運行，從而輸出控制信号；執行電路由隔離、放大芯片、功率器件和電阻電容電感等分立器件組成(chéng)，負責控制信号的隔離和增強輸出。

智能(néng)控制器工作原理和分類

相比傳統機械控制器，智能(néng)控制器能(néng)夠通過(guò)内部處理器的計算處理能(néng)力，針對(duì)複雜參數特征，進(jìn)行更加完善的控制。

例如新型的電飯煲爲達到米飯的最佳口感，需要對(duì)不同時間的加熱溫度進(jìn)行精确控制，相對(duì)于傳統機械控制僅能(néng)實現線性控制，使用智能(néng)控制器能(néng)實現更加精準和智能(néng)的溫度控制。

圖1 智能(néng)控制器相比于傳統機械控制器對(duì)溫度的控制更加精準

智能(néng)控制器是整個系統的大腦，其工作原理是通過(guò)接收傳感器傳送回來的反饋信号，與用戶設定的預期輸出量進(jìn)行比對(duì)計算出控制偏差，然後(hòu)根據當前和曆史的偏差大小按預先設計好(hǎo)的控制算法進(jìn)行運算，最後(hòu)將(jiāng)運算結果轉換爲被(bèi)控對(duì)象能(néng)夠接收的控制量對(duì)被(bèi)控對(duì)象進(jìn)行控制。這(zhè)一控制過(guò)程將(jiāng)一直持續到輸出量達到用戶預期或者用戶主動停止控制爲止。

圖2 智能(néng)控制器工作原理

除了上述提到的溫度控制，智能(néng)控制器還(hái)被(bèi)廣泛應用很多其他領域，按照被(bèi)控對(duì)象物理類型的不同，智能(néng)控制器可分爲溫度控制器、運動控制器、光照控制器、電功率控制器、開(kāi)關控制器[1]。此外，還(hái)可按照應用領域不同，將(jiāng)智能(néng)控制器分爲汽車電子控制器、家用電器控制器、電動工具控制器、智能(néng)建築和家具控制器、醫療器械控制器、工業控制器和電源控制器。

圖3 智能(néng)控制器分類

智能(néng)控制器硬件組成(chéng)

智能(néng)控制器屬于智能(néng)控制系統的組成(chéng)部分，智能(néng)控制系統的組成(chéng)框圖如圖4，包含智能(néng)控制器、被(bèi)控對(duì)象、反饋3個部分。智能(néng)控制器主要包含微控制器和執行電路兩(liǎng)個部分，其中微控制器負責反饋信号的讀取、控制算法的運算和控制信号的輸出，執行電路負責根據控制信号對(duì)被(bèi)控對(duì)象進(jìn)行驅動。除了上述兩(liǎng)個主要組成(chéng)硬件外，智能(néng)控制器作爲硬件産品，還(hái)包含了PCB闆、電容電阻等硬件通用材料[2]。

圖4 智能(néng)控制系統硬件組成(chéng)框圖

智能(néng)控制器軟件組成(chéng)

智能(néng)控制器中的軟件運行于MCU上，進(jìn)行設定值和反饋信号的讀取、當前控制效果的評估、下一步控制量的運算和輸出。其軟件組成(chéng)一般包括硬件驅動模塊、輸入讀取模塊、控制算法模塊及控制輸出模塊。在較爲複雜的控制系統中，也會使用RTOS進(jìn)行不同控制和通訊任務的調度。

圖5 智能(néng)控制器軟件框圖

智能(néng)控制器的軟件組成(chéng)中，控制算法模塊是控制軟件的核心。控制算法通過(guò)預先标定對(duì)被(bèi)控對(duì)象進(jìn)行建模，反推設計出達到預期控制效果需要的控制模型，并將(jiāng)控制模型實現爲軟件模塊，集成(chéng)在控制器軟件中，對(duì)被(bèi)控對(duì)象進(jìn)行控制，常用的控制算法有基于控制理論的PID、LQR、模糊控制等傳統控制算法和基于深度學(xué)習的強化學(xué)習控制算法。其中，傳統控制算法發(fā)展成(chéng)熟，對(duì)處理器算力要求低，在智能(néng)控制器中的應用更爲廣泛。

智能(néng)控制器的應用領域

如上述智能(néng)控制器可應用于家用電器、汽車電子、電動工具、電源控制等各個領域。

表1 智能(néng)控制器應用領域和相關産品

智能(néng)控制器的下遊應用領域衆多，對(duì)于每一種(zhǒng)下遊産品，對(duì)于智能(néng)控制器功能(néng)和性能(néng)上的要求都(dōu)有所不同。即使是針對(duì)同一下遊産品的智能(néng)控制器，不同下遊的不同廠家往往也會根據産品營銷策略和産品定位提出不同的定制化需求，這(zhè)就導緻了智能(néng)控制器廠家的産品型号非常多，難以進(jìn)行标準化[3]。

總結

層出不窮的智能(néng)控制算法和算力越來越強大的芯片器件，使得智能(néng)控制器發(fā)展越來越迅速。同時行業相關政策的出台推動智能(néng)控制器行業市場規模持續擴大。根據Frost&Sullivan的預測，到2024年全球智能(néng)控制器市場規模有望達到2萬億美元，國(guó)内智能(néng)控制器市場將(jiāng)達到3.8萬億元。總而言之，智能(néng)控制器可以幫助各個領域提高自動化水平、優化控制策略，并實現智能(néng)化決策和調節，從而提升效率、降低成(chéng)本和安全性的提高。

參考文獻

[1] Li, H., Zhang, L., & Xia, X. (2018). Intelligent control in smart homes: A systematic review of control algorithms and their applications. Energy and Buildings, 165, 88-104.

[2] Pan, Y., Huang, J., Wang, Y., Yu, H., & Li, X. (2019). A survey on intelligent control methods for industrial processes. IEEE Access, 7, 23060-23076.

[3] Wang, D., Liu, Y., Liu, S., Gao, F., & Wang, Y. (2020). Intelligent control for power systems: A comprehensive survey. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16(1), 296-307.