智能控制器原理和应用简介

Labs 导读

智能控制器是家电及智能家居、汽车电子、电动工具等多个领域的核心器件，近年来各个应用市场的发展使得智能控制器市场需求持续增长，同时行业相关政策的出台推动智能控制器行业市场规模持续扩大。

Part 01、智能控制器定义

智能控制器是内置于电子设备中的一种计算机控制单元，其通过接口获取设备工作状态、命令执行结果以及环境数据等信息，执行内部控制程序，输出控制信号来控制设备，实现对被控设备参数（如温度、运动、光照等）的自动控制。

智能控制器一般由微控制器芯片和执行电路两个主要部分组成，其中微控制器芯片承载控制程序的运行，从而输出控制信号；执行电路由隔离、放大芯片、功率器件和电阻电容电感等分立器件组成，负责控制信号的隔离和增强输出。

Part 02、智能控制器工作原理和分类

相比传统机械控制器，智能控制器能够通过内部处理器的计算处理能力，针对复杂参数特征，进行更加完善的控制。

例如新型的电饭煲为达到米饭的最佳口感，需要对不同时间的加热温度进行精确控制，相对于传统机械控制仅能实现线性控制，使用智能控制器能实现更加精准和智能的温度控制。

智能控制器是整个系统的大脑，其工作原理是通过接收传感器传送回来的反馈信号，与用户设定的预期输出量进行比对计算出控制偏差，然后根据当前和历史的偏差大小按预先设计好的控制算法进行运算，最后将运算结果转换为被控对象能够接收的控制量对被控对象进行控制。这一控制过程将一直持续到输出量达到用户预期或者用户主动停止控制为止。

除了上述提到的温度控制，智能控制器还被广泛应用很多其他领域，按照被控对象物理类型的不同，智能控制器可分为温度控制器、运动控制器、光照控制器、电功率控制器、开关控制器^[1]。此外，还可按照应用领域不同，将智能控制器分为汽车电子控制器、家用电器控制器、电动工具控制器、智能建筑和家具控制器、医疗器械控制器、工业控制器和电源控制器。

Part 03、智能控制器硬件组成

智能控制器属于智能控制系统的组成部分，智能控制系统的组成框图如图4，包含智能控制器、被控对象、反馈3个部分。智能控制器主要包含微控制器和执行电路两个部分，其中微控制器负责反馈信号的读取、控制算法的运算和控制信号的输出，执行电路负责根据控制信号对被控对象进行驱动。除了上述两个主要组成硬件外，智能控制器作为硬件产品，还包含了PCB板、电容电阻等硬件通用材料^[2]。

Part 04、智能控制器软件组成

智能控制器中的软件运行于MCU上，进行设定值和反馈信号的读取、当前控制效果的评估、下一步控制量的运算和输出。其软件组成一般包括硬件驱动模块、输入读取模块、控制算法模块及控制输出模块。在较为复杂的控制系统中，也会使用RTOS进行不同控制和通讯任务的调度。

智能控制器的软件组成中，控制算法模块是控制软件的核心。控制算法通过预先标定对被控对象进行建模，反推设计出达到预期控制效果需要的控制模型，并将控制模型实现为软件模块，集成在控制器软件中，对被控对象进行控制，常用的控制算法有基于控制理论的PID、LQR、模糊控制等传统控制算法和基于深度学习的强化学习控制算法。其中，传统控制算法发展成熟，对处理器算力要求低，在智能控制器中的应用更为广泛。

Part 05、智能控制器的应用领域

如上述智能控制器可应用于家用电器、汽车电子、电动工具、电源控制等各个领域。

智能控制器的下游应用领域众多，对于每一种下游产品，对于智能控制器功能和性能上的要求都有所不同。即使是针对同一下游产品的智能控制器，不同下游的不同厂家往往也会根据产品营销策略和产品定位提出不同的定制化需求，这就导致了智能控制器厂家的产品型号非常多，难以进行标准化^[3]。

Part 06、总结

层出不穷的智能控制算法和算力越来越强大的芯片器件，使得智能控制器发展越来越迅速。同时行业相关政策的出台推动智能控制器行业市场规模持续扩大。根据Frost&Sullivan的预测，到2024年全球智能控制器市场规模有望达到2万亿美元，国内智能控制器市场将达到3.8万亿元。总而言之，智能控制器可以帮助各个领域提高自动化水平、优化控制策略，并实现智能化决策和调节，从而提升效率、降低成本和安全性的提高。