一种用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节方法

摘要

一种用比例及微积分算法的自动调光装置，包括：单运放芯片、滤波电路、红外发光管、网络标签及限流电阻；网络标签与滤波电路的输入端连接，滤波电路将输入的脉冲宽度调制信号转化为模拟信号，滤波电路的输出端与单运放芯片的输入端连接，单运放芯片用于放大电流，使输出的电流满足红外发光管的额定电流，确保红外发光管正常发光，红外发光管通过限流电阻与单运放芯片的输出端及反馈端连接。本发明专门引入自动调节红外发光强度的技术，利用PID算法来不断的调整光线强度，这是个闭环的运算方式，通过整套设备的通讯网络，定时的不断反馈对面CCD所接收到信号强度，用PID算法来调整发光的强度，使测得的数据精准度调高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动调光装置，具体涉及一种在CCD四轮定位仪产品中 的用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节方法。

背景技术

在CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)四轮定位仪产品中， 红外发光的强度直接影响到CCD的图像接收信号，如果光线强了，CCD信号 会太大，由于电路中运放的增益有电源电压限制，很多信号被截掉，导致测 量出来的数据误差大。如果光线弱了，CCD信号小的话，又会测不到正确的 信号。在同类产品中，往往存在一个问题，就是红外发光的强度是固定的， 而不同的汽车轮距轴距都不尽相同，所以测出来的数据多少都会有点误差。

鉴于上述问题，本发明公开了一种用比例及微积分算法的自动调光装置 及其调节方法。其具有如下文所述之技术特征，以解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节 方法，它利用PID(P：比例；I：积分；D：微分)算法来不断的调整光线强 度，这是个闭环的运算方式，通过整套设备的通讯网络，定时的不断反馈对 面CCD所接收到信号强度，用PID算法来调整发光的强度。

本发明用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节方法是通过以下技 术方案实现的：一种用比例及微积分算法的自动调光装置，包括：单运放芯 片、滤波电路、红外发光管、网络标签及限流电阻；所述的网络标签用于输 入脉冲宽度调制信号，网络标签与所述的滤波电路的输入端连接，所述的滤 波电路将输入的脉冲宽度调制信号转化为模拟信号，滤波电路的输出端与所 述的单运放芯片的输入端连接，所述的单运放芯片用于放大电流，使输出的 电流满足所述的红外发光管的额定电流，确保红外发光管正常发光，所述的 红外发光管通过所述的限流电阻与单运放芯片的输出端及反馈端连接，所述 的限流电阻用于限制流经红外发光管的电流大小，保护所述的红外发光管。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置，其中，所述的单运放芯片 设有五个端口，分别是：输出端口、接地端口、输入端口、反馈输入端口及 电源输入端口。

所述的红外发光管设有四个端口，分别是：端口一、端口二、端口三及 端口四。

所述的滤波电路包括滤波电阻及滤波电容，所述的网络标签与所述的滤 波电阻的一端连接，所述的滤波电阻的另一端与所述的单运放芯片的输入端 口及滤波电容的一端连接，滤波电容的另一端与所述的单运放芯片的接地端 口连接，并接地，所述的单运放芯片的电源输入端口外接直流电源，所述的 单运放芯片的输出端口及反馈输入端口分别与所述的限流电阻的一端连接， 限流电阻的另一端与所述的红外发光管的端口三连接，所述的红外发光管的 端口三向单运放芯片的反馈输入端口单向传输反馈电压信号c(k)，红外发 光管的端口四接地。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置，其中，给所述的单运放芯 片预设一个采样值及一个目标电压r(k)，所述的单运放芯片通过目标电压r (k)及反馈电压信号c(k)计算偏差量，从而形成一个闭环控制。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置，其中，所述的目标电压r (k)为2.5V。

一种应用于上述的用比例及微积分算法的自动调光装置的调节方法，其 中，该方法至少包括如下步骤：

步骤1，单运放芯片根据电压r(k)及反馈电压信号c(k)计算偏差量 e(k)。

步骤2，对偏差量e(k)进行限幅。

步骤3，在系统控制进入稳态后，单运放芯片预设一个输出允许带e₀，e₀是允许电压波动范围。

步骤4，偏差量e(k)通过比例、积分及微分控制计算得到控制量u(k)。

步骤5，计算脉冲宽度调制的占空比变化量ΔD。

步骤6，更新u(k)，e(k)为目前值；u(k-1)＝u(k)，e(k-1)＝e (k)，e(k-2)＝e(k-1)。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置的调节方法，其中，所述的 步骤1中，偏差量e(k)通过如下公式计算得到：

|e(k)|＝r(k)-c(k)。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置的调节方法，其中，所述的 步骤2中还包括：

步骤2.1，单运放芯片预设一个偏差量限幅值e_M，当|e(k)|＞e_M时， 使|e(k)|＝e_M，进行步骤4。

步骤2.2，当|e(k)|≤e_M时，进行步骤3。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置的调节方法，其中，所述的 步骤3中还包括：

步骤3.1，当|e(k)|＜e₀时，不改变控制量u(k)，从而不改变脉冲宽度 调制的占空比变化量ΔD，使过程能够稳定的进行，进行步骤6。

步骤3.2，当|e(k)|＞e₀时，进行步骤4。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置的调节方法，其中，所述的 步骤4中的控制量u(k)通过如下公式计算得到：

u(k)＝u(k-1)+a₀e(k)+a₁e(k-1)+a₂e(k-2)

其中，a₀＝K_p+K_i+K_d＝K_p[1+T/T_i+T_d/T]；a₁＝-K_p-2K_d＝-K_p[1+2T_d/T]；a₂＝K_d＝K_pT_d/T。

K_p为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数；K_p为比例系数； K_i为积分系数，K_i＝K_p/T_i；K_d为微分系数，K_d＝K_pT_d；K_i＝K_pT/T_i；K_d＝K_pT_d/T。

上述的用比例及微积分算法的自动调光装置的调节方法，其中，所述的 步骤5中的脉冲宽度调制的占空比变化量ΔD可通过如下公式计算得到：

ΔD＝u(k)/TxPR。

其中，TxPR为周期寄存器的值。

本发明用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节方法由于采用了上 述方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节方法专门引入自动 调节红外发光强度的技术，利用PID算法来不断的调整光线强度，这是个闭 环的运算方式，通过整套设备的通讯网络，定时的不断反馈对面CCD所接收 到信号强度，用PID算法来调整发光的强度，使测得的数据精准度调高。

以下，将通过具体的实施例做进一步的说明，然而实施例仅是本发明可 选实施方式的举例，其所公开的特征仅用于说明及阐述本发明的技术方案， 并不用于限定本发明的保护范围。

附图说明

为了更好的理解本发明，可参照本说明书援引的以供参考的附图，附图 中：

图1是本发明用比例及微积分算法的自动调光装置的PID控制的原理框 图；

图2是本发明用比例及微积分算法的自动调光装置的电路图；

图3是本发明用比例及微积分算法的自动调光装置的调节方法的流程 图。

具体实施方式

根据本发明的权利要求和发明内容所公开的内容，本发明的技术方案具 体如下所述。

请参见附图1及附图2所示，本发明用比例及微积分算法的自动调光装 置包括：单运放芯片01、滤波电路02、红外发光管03、网络标签04及限流 电阻R2；网络标签04用于输入脉冲宽度调制信号，网络标签04与滤波电路 02的输入端连接，滤波电路02将输入的脉冲宽度调制信号转化为模拟信号， 滤波电路02的输出端与单运放芯片01的输入端连接，单运放芯片01用于放 大电流，使输出的电流满足红外发光管03的额定电流，确保红外发光管03 正常发光，红外发光管03通过限流电阻R2与单运放芯片01的输出端及反馈 端连接，限流电阻R2用于限制流经红外发光管03的电流大小，保护红外发 光管03。

单运放芯片01设有五个端口，分别是：输出端口011、接地端口012、 输入端口013、反馈输入端口014及电源输入端口015；红外发光管03设有 四个端口，分别是：端口一031、端口二032、端口三033及端口四034；滤 波电路02包括滤波电阻R1及滤波电容C3，网络标签04与滤波电阻R1的一 端连接，滤波电阻R1的另一端与单运放芯片01的输入端口013及滤波电容 C3的一端连接，滤波电容C3的另一端与单运放芯片01的接地端口012连接， 并接地，单运放芯片01的电源输入端口015外接直流电源，单运放芯片01 的输出端口011及反馈输入端口014分别与限流电阻R2的一端连接，限流电 阻R2的另一端与红外发光管03的端口三033连接，红外发光管03的端口三 033向单运放芯片01的反馈输入端口014单向传输反馈电压信号c(k)，红 外发光管03的端口四034接地。滤波电阻R1的阻值为100KΩ，滤波电容C3 的电容量为1uf，限流电阻R2的阻值为22Ω。

给单运放芯片01预设一个采样值及一个目标电压r(k)，该目标电压r (k)为2.5V，单运放芯片01通过目标电压r(k)及反馈电压信号c(k) 计算偏差量，从而形成一个闭环控制。

其电路实现的原理是：从网络标签04输入脉冲宽度调制(PWM)信号， 这个是根据接收到CCD信号来进行调整，就是个闭环控制系统，经过滤波电 阻R1和滤波电容C3滤波后，PWM载波信号变成了模拟信号，就是直接转化 成可变化的稳压信号，与其连接的单运放芯片01是个简单的射随电路，作用 是放大电流，因为红外发光管03的电流要求是最大到40mA，一般的运放最 大的驱动电流只能到20mA，再经过一个22Ω的限流电阻R2来使红外发光管 03发出光线，这个限流电阻R2是起到限流作用，保护红外发光管03的。

请参见附图3所示，本发明用比例及微积分算法的自动调光装置的调节 方法至少包括如下的步骤：

步骤1，单运放芯片01根据电压r(k)及反馈电压信号c(k)计算偏 差量e(k)。

偏差量e(k)通过下述公式计算得到：|e(k)|＝r(k)-c(k)，为 了确保装置的稳定运行，应尽量使|e(k)|＝0。

步骤2，为了防止在运行初期，由于控制量u(k)过大使得脉宽调制解 调占空比过大，对偏差量e(k)进行限幅。因为瞬间过大的占空比有时候可 能会引起过大的电流，从而导致单运放芯片01的损坏。

步骤2.1，单运放芯片01预设一个偏差量限幅值e_M，当|e(k)|＞e_M时， 使|e(k)|＝e_M，进行步骤4；

步骤2.2，当|e(k)|≤e_M时，进行步骤3。

步骤3，在系统控制进入稳态后，偏差量e(k)是很小的，如果偏差量 e(k)在一个很小的范围内波动，单运放芯片01对这样微小的偏差量e(k) 计算后，将会输出一个微小的控制量u(k)，此时输出的控制量u(k)在一 个很小的范围内，不断改变自己的方向，频繁动作，发生振颤，这样不利于 正在充电的蓄电池。在控制进入稳定状态后，单运放芯片01预设一个输出允 许带e₀，e₀是允许电压波动范围，即目标值为2.5V、e₀为0.1V时，则允许 电压在2.4V-2.6V之间不做调整。

步骤3.1，当|e(k)|＜e₀时，不改变控制量u(k)，从而不改变脉冲宽 度调制的占空比变化量ΔD，使过程能够稳定的进行，进行步骤6。

步骤3.2，当|e(k)|＞e₀时，进行步骤4。

步骤4，偏差量e(k)通过比例、积分及微分控制计算得到控制量u(k)。

控制量u(k)通过下述公式计算得到：

$u\left(k\right)=k_p[e\left(k\right)+\frac{1}{T_i}{\int }_0^{k}e\left(\tau \right)\mathrm{d\tau }+T_d\frac{\mathrm{de}\left(k\right)}{\mathrm{dt}}];---\left(1\right)$

其中，e(k)为系统偏差量，e(k)＝r(k)-c(k)；

K_p为比例系数；

T_i为积分时间常数；

T_d为微分时间常数。

式(1)也可以写成：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i{\int }_0^{k}e\left(\tau \right)\mathrm{d\tau }+k_d\frac{\mathrm{de}\left(k\right)}{\mathrm{dt}};---\left(2\right)$

其中，K_p为比例系数；

K_i为积分系数，K_i＝K_p/T_i；

K_d为微分系数，K_d＝K_pT_d。

式(1)和式(2)均为模拟PID控制器的控制表达式。将微分项用差分 代替，积分项用矩形和式代替，数字PID控制器的控制表达式如式(3)：

$u\left(k\right)=k_p\{e\left(k\right)+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}e\left(j\right)+\frac{T_d}{T}[e\left(k\right)-e(k-1)\left]\right\};---\left(3\right)$

同样的，式(3)也可以写成：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}e\left(j\right)+k_d[e\left(k\right)-e(k-1)];---\left(4\right)$

其中：K_i＝K_pT/T_i；

K_d＝K_pT_d/T。

由式(4)可得，第K-1时刻PID调节的表达式为：

$u(k-1)=k_{p}e(k-1)+k_i\underset{j=0}{\overset{k-1}{\Sigma }}e\left(j\right)+k_d[e(k-1)-e(k-2)];---\left(5\right)$

将式(4)减式(5)，便可得到位置式PID控制算法表达式为：

u(k)＝u(k-1)+a₀e(k)+a₁e(k-1)+a₂e(k-2)；(6)

其中，a₀＝K_p+K_i+K_d＝K_p[1+T/T_i+T_d/T]；

a₁＝-K_p-2K_d＝-K_p[1+2T_d/T]；

a₂＝K_d＝K_pT_d/T。

PID控制中各校正环节的作用如下：

(1)比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一 旦产生，控制器立即产生调节作用，以减少偏差。

(2)积分环节：主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱 取决于积分时间常数T_i，T_i越大，积分作用越弱，反之则越强。

(3)微分环节：能够反映偏差信号的变化趋势，即偏差信号的变化速率， 并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号， 从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

步骤5，计算脉冲宽度调制的占空比变化量ΔD。

脉冲宽度调制的占空比变化量ΔD可通过以下公式计算得到：

ΔD＝u(k)/TxPR。

其中，TxPR为周期寄存器的值。

步骤6，更新u(k)，e(k)为目前值；u(k-1)＝u(k)，e(k-1)＝e (k)，e(k-2)＝e(k-1)。

综上所述，本发明用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节方法专 门引入自动调节红外发光强度的技术，利用PID算法来不断的调整光线强度， 这是个闭环的运算方式，通过整套设备的通讯网络，定时的不断反馈对面CCD 所接收到信号强度，用PID算法来调整发光的强度，使测得的数据精准度调 高。

上述内容为本发明用比例及微积分算法的自动调光装置及其调节方法的 具体实施例的列举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本 领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。