發展基于嵌入式計算機的控制系統

一．嵌入式控制在微波設備控制上的實現： 大型系統我們一般采用工業PC的方式集中控制，但面對小型系統我們如采用工業PC的方法則有點大馬拉小車的概念了。一方面，對于向小系統應用必須考慮成本，另一方面的要求是穩定與可靠。因而，采用嵌入式計算機是我們的首選。 對于嵌入式控制系統有兩個種類： 1、基于無操作系統的嵌入式芯片的控制技術。 2、基于有操作系統的嵌入式芯片的控制技術。 第一種我們一般性的可將之認為是在微控制器的層面上，我國一般稱為單片機。它一般用于對處理數據要求相對較低的場合，設計者一般采用匯編語言對其進行開發，此種控制不具有良好的人機界面。 第二種實際就是一臺PC，但要比一般PC及工業計算機都來得穩定，這一穩定性促使嵌入式計算機的應用領域十分寬廣。以目前的發展速度，今后的工業控制方面大有取代工業控制計算機的趨勢。它所用的操作系統一般為：Linux、MS－dos、Windows CE等。WinCE是微軟公司基于NT控制技術的基礎上開發產生的操作系統，被廣泛應用于Pocket PC 以及一些嵌入式計算機中。這里特別要一提的是Windows CE.net，它的出現使原來在PC上開發的程序員能最小縫隙的過渡到面向嵌入式系統進行開發，同時具有.net的框架。對于設備控制系統我們一般選擇此系統。 這里一般單臺次的工業控制基本采用Windows CE＋組態軟件＋觸摸屏的形式來實現。這里的組態軟件與上面的組態軟件本質和功能基本是一樣的，所不同的是支持它運行的平臺為Windows CE操作系統。目前我國的一些組態軟件廠家都看到了這一巨大的市場，因而紛紛推出自己基于CE系統的組態軟件，如昆侖通態的MCGS等。 當然，在針對相對簡單或用戶要求不高的系統的時候，也可以使用WinCE平臺下的開發軟件自己進行相關編程，其開發軟件一般使用Microsoft的eMbedded Visual basic 和 eMbedded Visual C++等。其具體控制方式可參見“自動控制技術在微波工業設備中的應用”內的相關介紹。 二．在工業控制領域經常應用的若干控制算法 在使用嵌入式計算機進行工業自動化控制過程中，有一些相關的算法是較為常用的，作為工程開發設計人員必須通曉相關的控制算法，這樣有助于實現可靠使用的控制。 1． 常規PID控制算法 PID算法是工業控制中最常用的一種數學算法，它的基本公式如下： 直接計算公式： Pout(t)=KP*e(t)+Ki*∑e(t)+Kd*(e(t)-e(t-1)); 上一次的計算： Pout(t-1)=Kp*e(t-1)+Ki*∑e(t)＋Kd*(e(t-1)-e(t-2)); 兩式相減得到增量法計算公式： Pdlt=Kp*(e(t)+Ki*∑e(t)+Kd*(e(t)-2*e(t-1)+e(t-2)); 其中三個基本參數Kp、Ki、Kd在實際控制中的作用： Kp－比例調節作用：是按比例反映系統的偏差，系統一旦出現偏差，比例調節立即產生調節作用用以減少誤差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。 Ki－積分調節作用：是使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器 Kd－微分調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。 該PID算法應用范圍十分廣泛，最常見的是用于對溫度控制要求較高的環境。 2． 預測控制算法 預測控制就是利用內部模型（開環和閉環預測模型）預估過程的未來輸出（被控變量）與設定值之間的誤差，基于該誤差采用“滾動式”優化策略計算當前的控制輸入。基本原理見下圖。 3. 其他各種控制算法 計算機技術的發展使得將一些先進的控制算法應用于工業控制中成為了可能，如推理控制算法、優化控制算法、分解－協調算法、以及模糊控制算法等等。 結束語 微波設備作為提供給生產用戶使用的平臺，首先必將隨用戶不斷提高的要求而更新。同時作為生產設計微波設備的企業更應該把握先進控制技術的脈搏，不斷將先進的技術應用到設備中去。大致我們認為： 1.微波設備的標準化接口 隨著生產力的發展，用戶對微波的不斷認識，因而微波設備往往會作為生產流水線中的一部分，用戶僅使用微波的某一特性以達到自己工藝的要求。因此要求微波設備能很好的與流水的前后道工序友好的銜接。這一要求包括了設備的三維尺寸、功率配置以及控制系統。 同時將微波設備的底層元件的標準化與模塊化也是企業發展的需要。 2.未來基于瀏覽器技術的監控軟件和基于無線系統的控制 目前，我們一般使用的控制軟件是基于硬件平臺的，隨著網絡的飛速發展和.net框架的普及，微波設備在控制上也力求利用internet網絡，使用戶能通過網絡實現對設備的監控，對生產質量的控制等。 值得注意的是當今無線技術的發展的速度，一些可以應用的方案如：引入GPRS網絡對設備進行相關檢測與控制；引入IEEE802.11b的無線連接模塊使設備與控制臺無連接線。 最后，祝愿工業微波控制技術更上一層樓！