五分鐘技術(shù)趣談 | 智能控制器原理和應(yīng)用簡(jiǎn)介

作者：潘曉宇，單位：中國(guó)移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營(yíng)中心

智能控制器是家電及智能家居、汽車電子、電動(dòng)工具等多個(gè)領(lǐng)域的核心器件，近年來(lái)各個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展使得智能控制器市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)行業(yè)相關(guān)政策的出臺(tái)推動(dòng)智能控制器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。那究竟什么是智能控制器？它的技術(shù)原理又是什么呢？本文將為您詳細(xì)介紹。

1、智能控制器定義 ●

智能控制器是內(nèi)置于電子設(shè)備中的一種計(jì)算機(jī)控制單元，其通過(guò)接口獲取設(shè)備工作狀態(tài)、命令執(zhí)行結(jié)果以及環(huán)境數(shù)據(jù)等信息，執(zhí)行內(nèi)部控制程序，輸出控制信號(hào)來(lái)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備參數(shù)（如溫度、運(yùn)動(dòng)、光照等）的自動(dòng)控制。

智能控制器一般由微控制器芯片和執(zhí)行電路兩個(gè)主要部分組成，其中微控制器芯片承載控制程序的運(yùn)行，從而輸出控制信號(hào)；執(zhí)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，負(fù)責(zé)控制信號(hào)的隔離和增強(qiáng)輸出。

2、智能控制器工作原理和分類?●

相比傳統(tǒng)機(jī)械控制器，智能控制器能夠通過(guò)內(nèi)部處理器的計(jì)算處理能力，針對(duì)復(fù)雜參數(shù)特征，進(jìn)行更加完善的控制。

例如新型的電飯煲為達(dá)到米飯的最佳口感，需要對(duì)不同時(shí)間的加熱溫度進(jìn)行精確控制，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械控制僅能實(shí)現(xiàn)線性控制，使用智能控制器能實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)和智能的溫度控制。

圖1 智能控制器相比于傳統(tǒng)機(jī)械控制器對(duì)溫度的控制更加精準(zhǔn)

智能控制器是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，其工作原理是通過(guò)接收傳感器傳送回來(lái)的反饋信號(hào)，與用戶設(shè)定的預(yù)期輸出量進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出控制偏差，然后根據(jù)當(dāng)前和歷史的偏差大小按預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為被控對(duì)象能夠接收的控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。這一控制過(guò)程將一直持續(xù)到輸出量達(dá)到用戶預(yù)期或者用戶主動(dòng)停止控制為止。

圖2 智能控制器工作原理

除了上述提到的溫度控制，智能控制器還被廣泛應(yīng)用很多其他領(lǐng)域，按照被控對(duì)象物理類型的不同，智能控制器可分為溫度控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、光照控制器、電功率控制器、開(kāi)關(guān)控制器[1]。此外，還可按照應(yīng)用領(lǐng)域不同，將智能控制器分為汽車電子控制器、家用電器控制器、電動(dòng)工具控制器、智能建筑和家具控制器、醫(yī)療器械控制器、工業(yè)控制器和電源控制器。

圖3 智能控制器分類

3、智能控制器硬件組成?●

智能控制器屬于智能控制系統(tǒng)的組成部分，智能控制系統(tǒng)的組成框圖如圖4，包含智能控制器、被控對(duì)象、反饋3個(gè)部分。智能控制器主要包含微控制器和執(zhí)行電路兩個(gè)部分，其中微控制器負(fù)責(zé)反饋信號(hào)的讀取、控制算法的運(yùn)算和控制信號(hào)的輸出，執(zhí)行電路負(fù)責(zé)根據(jù)控制信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。除了上述兩個(gè)主要組成硬件外，智能控制器作為硬件產(chǎn)品，還包含了PCB板、電容電阻等硬件通用材料[2]。

圖4 智能控制系統(tǒng)硬件組成框圖

4、智能控制器軟件組成?●

智能控制器中的軟件運(yùn)行于MCU上，進(jìn)行設(shè)定值和反饋信號(hào)的讀取、當(dāng)前控制效果的評(píng)估、下一步控制量的運(yùn)算和輸出。其軟件組成一般包括硬件驅(qū)動(dòng)模塊、輸入讀取模塊、控制算法模塊及控制輸出模塊。在較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，也會(huì)使用RTOS進(jìn)行不同控制和通訊任務(wù)的調(diào)度。

圖5 智能控制器軟件框圖

智能控制器的軟件組成中，控制算法模塊是控制軟件的核心。控制算法通過(guò)預(yù)先標(biāo)定對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行建模，反推設(shè)計(jì)出達(dá)到預(yù)期控制效果需要的控制模型，并將控制模型實(shí)現(xiàn)為軟件模塊，集成在控制器軟件中，對(duì)被控對(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(tǒng)控制算法和基于深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制算法。其中，傳統(tǒng)控制算法發(fā)展成熟，對(duì)處理器算力要求低，在智能控制器中的應(yīng)用更為廣泛。

5、智能控制器的應(yīng)用領(lǐng)域?●

如上述智能控制器可應(yīng)用于家用電器、汽車電子、電動(dòng)工具、電源控制等各個(gè)領(lǐng)域。

表1 智能控制器應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)產(chǎn)品

智能控制器的下游應(yīng)用領(lǐng)域眾多，對(duì)于每一種下游產(chǎn)品，對(duì)于智能控制器功能和性能上的要求都有所不同。即使是針對(duì)同一下游產(chǎn)品的智能控制器，不同下游的不同廠家往往也會(huì)根據(jù)產(chǎn)品營(yíng)銷策略和產(chǎn)品定位提出不同的定制化需求，這就導(dǎo)致了智能控制器廠家的產(chǎn)品型號(hào)非常多，難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[3]。

6、總結(jié)?●

層出不窮的智能控制算法和算力越來(lái)越強(qiáng)大的芯片器件，使得智能控制器發(fā)展越來(lái)越迅速。同時(shí)行業(yè)相關(guān)政策的出臺(tái)推動(dòng)智能控制器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù)Frost&Sullivan的預(yù)測(cè)，到2024年全球智能控制器市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到2萬(wàn)億美元，國(guó)內(nèi)智能控制器市場(chǎng)將達(dá)到3.8萬(wàn)億元。總而言之，智能控制器可以幫助各個(gè)領(lǐng)域提高自動(dòng)化水平、優(yōu)化控制策略，并實(shí)現(xiàn)智能化決策和調(diào)節(jié)，從而提升效率、降低成本和安全性的提高。

參考文獻(xiàn)

[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.