嵌入式采煤工作面安全集中監控系統

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)通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，這樣的控制器就稱為PID控制器。本次設計之所以選擇PID控制器，主要是考慮到PID具有以下優點：技術成熟、易被人們熟悉和掌握、不需要建立數學模型、控制效果好。

如圖3.4.2.1-1所示，該系統有模擬PID控制器和被控對象組成。圖中，r(t)是給定值，y(t)是系統的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差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象的輸入。

模擬PID控制器的控制規律為：

式3.4.2.1

其中：y(t) ——調節器的輸出信號；

e(t) ——調節器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差；

K_P ——調節器的比例系數；

T_I ——調節器的積分時間；

T_D——調節器的微分時間。

在式3.4.2.1中，比例環節的作用是對偏差瞬間做出快速反應。偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。積分環節的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制的過程中，只要有偏差存在，積分環節的輸出就會不斷增大。直到偏差e(t)=0，輸出的u(t)才可能維持在某一常量，是系統在給定值r(t)不變的條件下趨于穩態。微分環節的作用是組織偏差的變化。它是根據偏差的變化趨勢(變化速度)進行控制。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行修正。微分作用的引入，將有助于減少超調量，克服震蕩，使系統趨于穩定。

(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：

本程序在采樣時刻到達以時，才會打開相關信號通道，在本模塊中先采集瓦斯濃度信號，然后程序運行。

為了保證所設計產品的實用性和靈活性，允許其根據實際需要，因使用環境的不同或其它一些因素調節相應的初始參數。在程序的每次運行的開始都要檢測是否有修改參數的請求，若有則保存修改后的參數，然后采集經A/D轉換后的瓦斯濃度信號。通過數字信號濾波以后，將有用的信號傳寄給PID控制單元，并通過網絡模塊上傳到上位機。

數字濾波具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復用、便于集成等優點。常用的數字濾波方法有算數平均值濾波、中位值濾波、慣性濾波、加權平均值濾波和限幅濾波。從實際需要，本次設計采用的是算數平均值濾波。公式如下所示：

算數平均值濾波可以對周期脈動的采樣值進行平滑加工。可以提高本次設計所采集數據的精確度。

（3）自動閉環過程控制模塊框圖

自動閉環控制過程如圖3.4.2.1-4所示

PID算法的基本概念已經在(1)中介紹過，如圖3.4.2.1-4整個過程為一個閉環控制。通過瓦斯濃度傳感器檢測到的濃度信號，經過模擬信號處理電路以后過濾掉干擾信號，然后經A/D轉換器轉換為便于MCU處理的數字信號。為了提高測量的精確度需要對數字信號進行濾波處理。經過數字濾波處理后，進入PID控制單元，控制信息經過D/A轉換后成為模擬信號，為了對執行機構形成有力的驅動需要對其進行放大，因此添加了功率放大模塊。這里執行機構主要指電機等電氣設備，通過對其控制將被控對象（瓦斯）等控制在一個合理的范圍，同時起到整體減少功耗的目的。

針對PID控制模塊的程序實現，如圖3.4.2.1-3所示。在本模塊程序運行之前先要檢測是否有來自于上位機的控制信號，若有，在跳過PID運算模塊直接對被控量進行控制，否則，通過采集到得相關數據，自動的計算出用于PID運算的相關參數，然后利用這些參數進行PID運算，并產生信號量對被控端進行控制，努力使環境變量維持在正常水平。例如瓦斯濃度過高則加大通機轉速，如瓦斯濃度正常維持通風機速率不變，若瓦斯濃度很低可以適度的降低通風機的轉速以減小功耗。此外通過檢測e(t)的大小判斷瓦斯濃度是否超過正常值，若超過則產生報警信號。

3.4.2.2 圖像信號處理

為了更快更好的網絡中的傳輸圖像，需要對采集到的信號進行壓縮處理，壓縮后的圖像在保持不失真的情況下，可以降低網絡流量，加快傳輸速度。

在綜合考慮對采集到的圖像信號進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JPEG圖片壓縮算法能夠將所采集到得圖像壓縮成可以滿足需求的數據格式，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，將不易被人眼察覺的圖像顏色刪除，從而達到較大的壓縮比（可達到2:1甚至40:1），有“身材嬌小，容貌姣好”的美稱，同時其算法在本次有限資源的開發平臺中可以得以實現，因此本次設計選用JPEG壓縮算法。