五分鐘技術(shù)趣談 | 智能控制器原理和應用簡介

作者：潘曉宇，單位：中國移動智慧家庭運營中心

智能控制器是家電及智能家居、汽車電子、電動工具等多個領(lǐng)域的核心器件，近年來各個應用市場的發(fā)展使得智能控制器市場需求持續(xù)增長，同時行業(yè)相關(guān)政策的出臺推動智能控制器行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)擴大。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)備中的一種計算機控制單元，其通過接口獲取設(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，輸出控制信號來控制設(shè)備，實現(xiàn)對被控設(shè)備參數(shù)（如溫度、運動、光照等）的自動控制。

智能控制器一般由微控制器芯片和執(zhí)行電路兩個主要部分組成，其中微控制器芯片承載控制程序的運行，從而輸出控制信號；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，負責控制信號的隔離和增強輸出。

2、智能控制器工作原理和分類?●

相比傳統(tǒng)機械控制器，智能控制器能夠通過內(nèi)部處理器的計算處理能力，針對復雜參數(shù)特征，進行更加完善的控制。

例如新型的電飯煲為達到米飯的最佳口感，需要對不同時間的加熱溫度進行精確控制，相對于傳統(tǒng)機械控制僅能實現(xiàn)線性控制，使用智能控制器能實現(xiàn)更加精準和智能的溫度控制。

圖1 智能控制器相比于傳統(tǒng)機械控制器對溫度的控制更加精準

智能控制器是整個系統(tǒng)的大腦，其工作原理是通過接收傳感器傳送回來的反饋信號，與用戶設(shè)定的預期輸出量進行比對計算出控制偏差，然后根據(jù)當前和歷史的偏差大小按預先設(shè)計好的控制算法進行運算，最后將運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為被控對象能夠接收的控制量對被控對象進行控制。這一控制過程將一直持續(xù)到輸出量達到用戶預期或者用戶主動停止控制為止。

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用很多其他領(lǐng)域，按照被控對象物理類型的不同，智能控制器可分為溫度控制器、運動控制器、光照控制器、電功率控制器、開關(guān)控制器[1]。此外，還可按照應用領(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、被控對象、反饋3個部分。智能控制器主要包含微控制器和執(zhí)行電路兩個部分，其中微控制器負責反饋信號的讀取、控制算法的運算和控制信號的輸出，執(zhí)行電路負責根據(jù)控制信號對被控對象進行驅(qū)動。除了上述兩個主要組成硬件外，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行于MCU上，進行設(shè)定值和反饋信號的讀取、當前控制效果的評估、下一步控制量的運算和輸出。其軟件組成一般包括硬件驅(qū)動模塊、輸入讀取模塊、控制算法模塊及控制輸出模塊。在較為復雜的控制系統(tǒng)中，也會使用RTOS進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。控制算法通過預先標定對被控對象進行建模，反推設(shè)計出達到預期控制效果需要的控制模型，并將控制模型實現(xiàn)為軟件模塊，集成在控制器軟件中，對被控對象進行控制，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習的強化學習控制算法。其中，傳統(tǒng)控制算法發(fā)展成熟，對處理器算力要求低，在智能控制器中的應用更為廣泛。

5、智能控制器的應用領(lǐng)域?●

如上述智能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(lǐng)域。

表1 智能控制器應用領(lǐng)域和相關(guān)產(chǎn)品

智能控制器的下游應用領(lǐng)域眾多，對于每一種下游產(chǎn)品，對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根據(jù)產(chǎn)品營銷策略和產(chǎn)品定位提出不同的定制化需求，這就導致了智能控制器廠家的產(chǎn)品型號非常多，難以進行標準化[3]。

6、總結(jié)?●

層出不窮的智能控制算法和算力越來越強大的芯片器件，使得智能控制器發(fā)展越來越迅速。同時行業(yè)相關(guān)政策的出臺推動智能控制器行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)擴大。根據(jù)Frost&Sullivan的預測，到2024年全球智能控制器市場規(guī)模有望達到2萬億美元，國內(nèi)智能控制器市場將達到3.8萬億元?？偠灾?，智能控制器可以幫助各個領(lǐng)域提高自動化水平、優(yōu)化控制策略，并實現(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

[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.