實(shí)用案例：嵌入式采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)

3.4.2信號(hào)處理模塊的軟件設(shè)計(jì)流程

根據(jù)信號(hào)的特征和信號(hào)處理的方式，這一模塊的實(shí)現(xiàn)主要可以分為兩大部分：第一部分為對(duì)傳感器傳來(lái)信號(hào)的處理，它們的信號(hào)處理流程相似，我們一瓦斯信號(hào)的處理流程做例進(jìn)行詳解；第二部分為圖像信號(hào)處理模塊，不同于前面所提到的信號(hào)的處理方式，其設(shè)計(jì)到圖像采集和壓縮等問(wèn)題，因此我們將其實(shí)現(xiàn)流程單獨(dú)講解。

3.4.2.1非圖像信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)

（1）PID算法介紹

為了將瓦斯?jié)舛染S持在一個(gè)正常的水平，要求系統(tǒng)能夠接受地面控制中心的控制參數(shù)對(duì)通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)為了體現(xiàn)靈活性，要求系統(tǒng)在平時(shí)能夠自我調(diào)控，減少人的工作量。本次設(shè)計(jì)選用PID控制器實(shí)現(xiàn)平時(shí)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)。系統(tǒng)能夠根據(jù)瓦斯的濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)又能保證在緊急時(shí)刻將控制權(quán)交給地面控制中心。PID算法控制原理如圖3.4.2.1-1所示：

PID是比例、積分、微分的縮寫(xiě)，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。