试析智能控制器的基本控制规律
随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A／D、D／A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。
以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能控制器。
传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A／D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等)；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内FlashROM(闪速存储器)或E2PROM(电可擦除存贮器)内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。
此外，智能控制器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机，由PC机进行全局管理。
智能控制器基本构成 1、硬件部分 （1）主机电路 主要由微处理器CPU、只读存储器ROM和EPROM、随机存储器RAM、定时/计数器CTC以及输入/输出接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理。
（2）过程输入通道 包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样/保持器和A/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号。
（3）过程输出通道 主要包括模拟量输出通道和开关量输出通道两部分，其中模拟量输出通道由D/A转换器、多路模拟开关输出保持器和V/I转换器等组成，其作用是将数字信号转换为1～5V模拟电压或4～20mA模拟电流信号。
开关量输出通道则通过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制继电器触点或无触点开关等。
（4）人/机联系部件 主要包括显示仪表或显示器、手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正面和侧面。
正面的设置与常规模拟式控制器相似，有测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态切换按钮、设定值增/减按钮、手动操作按钮等。
侧面则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等。
（5）通信部件 主要包括通信接口、发送和接收电路等。
通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电路接收并将其转换成计算机能接收的数据。
数字通信大多采用串行方式。
2、软件部分 （1）系统管理软件 主要包括监控程序和中断处理程序两部分，它们是控制器软件的主体。
监控程序又包含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块。
（2）用户应用软件用户应用软件由用户自行编制，采用POL(面向过程语言)编程，因而设计简单、操作方便。
在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统。
与传统仪器仪表相比，智能控制器具有以下功能特点： ①操作自动化。
仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。
②具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。
智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。
这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。
智能控制器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。
④具有友好的人机对话能力。
智能控制器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。
与此同时，智能控制器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。
⑤具有可程控操作能力。
一般智能控制器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。
基本控制规律。
对偏差e进行比例、积分和微分的综合运算，使控制器产生一个能使偏差至零或很小值的控制信号u(t)。
所谓控制器的控制规律就是指控制器的输入e(t)与u(t)输出的关系，即 在生产过程常规控制系统中，应用的基本控制规律主要有位式控制、比例控制、积分控制和微分控制。
1、比例控制规律 比例控制规律(P)可以用下列数学式来表示： 式中△u――控制器输出变化量；e――控制器的输入，即偏差； Kc一一控制器的比例增益或比例放大系数。
由上式可以看出，比例控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上是没有延滞的，比例控制器的输出是与输入一一对应的。
比例放大系数Kc是可调的。
所以比例控制器实际上是一个放大系数可调的放大器。
Kc愈大，在同样的偏差输入时，调节器的输出愈大，因此比例控制作用愈强；反之，Kc值愈小，表示比例控制作用愈弱。
2、积分控制规律 当控制器的输出变化量△u与输入偏差e的积分成比例时，就是积分控制规律（I）。
其数学表达式为： 式中KI――积分比例系数。
当控制器的输入偏差是一幅值为A的阶跃信号时，写为 积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。
这就说明了积分控制规律的特点是：只要偏差存在，控制器的输出就会变化，执行器就要动作，系统就不可能稳定。
只有当偏差消除（即e = o）时，输出信号不再变化，执行器停止动作，系统才可能稳定下来。
积分控制作用达到稳定时，偏差等于零，这是它的一个显著特点，也是它的一个主要优点。
也可以改写为： 式中TI――积分时间。
3、微分控制规律 具有微分控制规律（D）的控制器，其输出△u与偏差e的关系可用下式表示： 式中TD――微分时间。
对于一个固定不变的偏差，不管这个偏差有多大，微分怍用的输出总是零，这是微分作用的特点。
由于控制器的输出与控制器输入信号的变化速度有关系，变化速度越快，控制器的输出就越大；如果输入信号恒定不变，则微分控制器就没有输出，因此微分控制器不能用来消除静态偏差。
而且当偏差的变化速度很慢时，输入信号即使经过时间的积累达到很大的值，微分控制器的作用也不明显。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。