嵌入式采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)

PID是比例、積分、微分的縮寫，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器就稱為PID控制器。本次設(shè)計(jì)之所以選擇PID控制器，主要是考慮到PID具有以下優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、易被人們熟悉和掌握、不需要建立數(shù)學(xué)模型、控制效果好。

如圖3.4.2.1-1所示，該系統(tǒng)有模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。圖中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)，有e(t)=r(t)-y(t)。e(t)作為PID控制器的輸入，u(t)作為控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。

模擬PID控制器的控制規(guī)律為：

式3.4.2.1

其中：y(t) ——調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；

e(t) ——調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于給定值與測(cè)量值之差；

K_P ——調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

T_I ——調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；

T_D——調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。

在式3.4.2.1中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制的過(guò)程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)不斷增大。直到偏差e(t)=0，輸出的u(t)才可能維持在某一常量，是系統(tǒng)在給定值r(t)不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。微分環(huán)節(jié)的作用是組織偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)(變化速度)進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變化之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減少超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

(2)瓦斯控制模塊程序流程

瓦斯控制模塊的流程如如圖3.4.2.1-2所示：

本程序在采樣時(shí)刻到達(dá)以時(shí)，才會(huì)打開(kāi)相關(guān)信號(hào)通道，在本模塊中先采集瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，然后程序運(yùn)行。

為了保證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)用性和靈活性，允許其根據(jù)實(shí)際需要，因使用環(huán)境的不同或其它一些因素調(diào)節(jié)相應(yīng)的初始參數(shù)。在程序的每次運(yùn)行的開(kāi)始都要檢測(cè)是否有修改參數(shù)的請(qǐng)求，若有則保存修改后的參數(shù)，然后采集經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的瓦斯?jié)舛刃盘?hào)。通過(guò)數(shù)字信號(hào)濾波以后，將有用的信號(hào)傳寄給PID控制單元，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊上傳到上位機(jī)。

數(shù)字濾波具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。常用的數(shù)字濾波方法有算數(shù)平均值濾波、中位值濾波、慣性濾波、加權(quán)平均值濾波和限幅濾波。從實(shí)際需要，本次設(shè)計(jì)采用的是算數(shù)平均值濾波。公式如下所示：

算數(shù)平均值濾波可以對(duì)周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工?？梢蕴岣弑敬卧O(shè)計(jì)所采集數(shù)據(jù)的精確度。

（3）自動(dòng)閉環(huán)過(guò)程控制模塊框圖

自動(dòng)閉環(huán)控制過(guò)程如圖3.4.2.1-4所示

PID算法的基本概念已經(jīng)在(1)中介紹過(guò)，如圖3.4.2.1-4整個(gè)過(guò)程為一個(gè)閉環(huán)控制。通過(guò)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測(cè)到的濃度信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)處理電路以后過(guò)濾掉干擾信號(hào)，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為便于MCU處理的數(shù)字信號(hào)。為了提高測(cè)量的精確度需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理。經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后，進(jìn)入PID控制單元，控制信息經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后成為模擬信號(hào)，為了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成有力的驅(qū)動(dòng)需要對(duì)其進(jìn)行放大，因此添加了功率放大模塊。這里執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要指電機(jī)等電氣設(shè)備，通過(guò)對(duì)其控制將被控對(duì)象（瓦斯）等控制在一個(gè)合理的范圍，同時(shí)起到整體減少功耗的目的。

針對(duì)PID控制模塊的程序?qū)崿F(xiàn)，如圖3.4.2.1-3所示。在本模塊程序運(yùn)行之前先要檢測(cè)是否有來(lái)自于上位機(jī)的控制信號(hào)，若有，在跳過(guò)PID運(yùn)算模塊直接對(duì)被控量進(jìn)行控制，否則，通過(guò)采集到得相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)的計(jì)算出用于PID運(yùn)算的相關(guān)參數(shù)，然后利用這些參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算，并產(chǎn)生信號(hào)量對(duì)被控端進(jìn)行控制，努力使環(huán)境變量維持在正常水平。例如瓦斯?jié)舛冗^(guò)高則加大通機(jī)轉(zhuǎn)速，如瓦斯?jié)舛日＞S持通風(fēng)機(jī)速率不變，若瓦斯?jié)舛群艿涂梢赃m度的降低通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以減小功耗。此外通過(guò)檢測(cè)e(t)的大小判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯^(guò)正常值，若超過(guò)則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

3.4.2.2 圖像信號(hào)處理

為了更快更好的網(wǎng)絡(luò)中的傳輸圖像，需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，壓縮后的圖像在保持不失真的情況下，可以降低網(wǎng)絡(luò)流量，加快傳輸速度。

在綜合考慮對(duì)采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行處理可以選用的各種算法后，我們最后決定選用JPEG圖像壓縮算法。通過(guò)JPEG圖片壓縮算法能夠?qū)⑺杉降脠D像壓縮成可以滿足需求的數(shù)據(jù)格式，而且考慮到JPEG格式是使用最廣泛的圖片格式，它采用的是特殊的壓縮算法，將不易被人眼察覺(jué)的圖像顏色刪除，從而達(dá)到較大的壓縮比（可達(dá)到2:1甚至40:1），有“身材嬌小，容貌姣好”的美稱，同時(shí)其算法在本次有限資源的開(kāi)發(fā)平臺(tái)中可以得以實(shí)現(xiàn)，因此本次設(shè)計(jì)選用JPEG壓縮算法。