嵌入式采煤工作面安全集中监控系统

PID是比例、积分、微分的缩写，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器就称为PID控制器。本次设计之所以选择PID控制器，主要是考虑到PID具有以下优点：技术成熟、易被人们熟悉和掌握、不需要建立数学模型、控制效果好。

如图3.4.2.1-1所示，该系统有模拟PID控制器和被控对象组成。图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)，有e(t)=r(t)-y(t)。e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为控制器的输出和被控对象的输入。

模拟PID控制器的控制规律为：

式3.4.2.1

其中：y(t) ——调节器的输出信号；

e(t) ——调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差；

K_P——调节器的比例系数；

T_I——调节器的积分时间；

T_D——调节器的微分时间。

在式3.4.2.1中，比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制的过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差e(t)=0，输出的u(t)才可能维持在某一常量，是系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。微分环节的作用是组织偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变化之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减少超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。

(2)瓦斯控制模块程序流程

瓦斯控制模块的流程如如图3.4.2.1-2所示：

本程序在采样时刻到达以时，才会打开相关信号通道，在本模块中先采集瓦斯浓度信号，然后程序运行。

为了保证所设计产品的实用性和灵活性，允许其根据实际需要，因使用环境的不同或其它一些因素调节相应的初始参数。在程序的每次运行的开始都要检测是否有修改参数的请求，若有则保存修改后的参数，然后采集经A/D转换后的瓦斯浓度信号。通过数字信号滤波以后，将有用的信号传寄给PID控制单元，并通过网络模块上传到上位机。

数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。常用的数字滤波方法有算数平均值滤波、中位值滤波、惯性滤波、加权平均值滤波和限幅滤波。从实际需要，本次设计采用的是算数平均值滤波。公式如下所示：

算数平均值滤波可以对周期脉动的采样值进行平滑加工。可以提高本次设计所采集数据的精确度。

（3）自动闭环过程控制模块框图

自动闭环控制过程如图3.4.2.1-4所示

PID算法的基本概念已经在(1)中介绍过，如图3.4.2.1-4整个过程为一个闭环控制。通过瓦斯浓度传感器检测到的浓度信号，经过模拟信号处理电路以后过滤掉干扰信号，然后经A/D转换器转换为便于MCU处理的数字信号。为了提高测量的精确度需要对数字信号进行滤波处理。经过数字滤波处理后，进入PID控制单元，控制信息经过D/A转换后成为模拟信号，为了对执行机构形成有力的驱动需要对其进行放大，因此添加了功率放大模块。这里执行机构主要指电机等电气设备，通过对其控制将被控对象（瓦斯）等控制在一个合理的范围，同时起到整体减少功耗的目的。

针对PID控制模块的程序实现，如图3.4.2.1-3所示。在本模块程序运行之前先要检测是否有来自于上位机的控制信号，若有，在跳过PID运算模块直接对被控量进行控制，否则，通过采集到得相关数据，自动的计算出用于PID运算的相关参数，然后利用这些参数进行PID运算，并产生信号量对被控端进行控制，努力使环境变量维持在正常水平。例如瓦斯浓度过高则加大通机转速，如瓦斯浓度正常维持通风机速率不变，若瓦斯浓度很低可以适度的降低通风机的转速以减小功耗。此外通过检测e(t)的大小判断瓦斯浓度是否超过正常值，若超过则产生报警信号。

3.4.2.2 图像信号处理

为了更快更好的网络中的传输图像，需要对采集到的信号进行压缩处理，压缩后的图像在保持不失真的情况下，可以降低网络流量，加快传输速度。

在综合考虑对采集到的图像信号进行处理可以选用的各种算法后，我们最后决定选用JPEG图像压缩算法。通过JPEG图片压缩算法能够将所采集到得图像压缩成可以满足需求的数据格式，而且考虑到JPEG格式是使用最广泛的图片格式，它采用的是特殊的压缩算法，将不易被人眼察觉的图像颜色删除，从而达到较大的压缩比（可达到2:1甚至40:1），有“身材娇小，容貌姣好”的美称，同时其算法在本次有限资源的开发平台中可以得以实现，因此本次设计选用JPEG压缩算法。