聊聊控制器的实现

先拿上古时期的瓦特蒸汽机来开头，虽然也是个被用烂了的例子。。电机调速大家都是非常熟悉了，那么在蒸汽机诞生之初，该是怎么调速的呢？它的调速装置主要就是靠一对飞锤。下面是一张从网上扒来的图，看左边那个“调速机构”，如果蒸汽机的转速变快，这一对飞锤张开的角度就会变大，根据动力学，它的惯量会变大,带动调节阀门开度，从而使得转速下降，这样就使得蒸汽机的转速能比较好的稳定在一定的转速上。看看，上古时期的自动控制装置，这控制律还是非线性的呢。。

其实说起来如何实现控制器，不仅仅是只有模拟运放电路和单片机PLC，还有很多机械机构，比如大家说烂了的指南车，抽水马桶。。。其实早期的导弹也都是类似于这种机械结构的控制系统的，v2导弹是明确的使用了机械陀螺仪来调整位姿的，可惜详细资料看不到。猜想起来，也应该是陀螺仪的输出是个机械杆之类的，带动着导弹的尾翼吧。

要说到现在大家常用的，还是放大器搭的模拟电路的放大器，还有数字控制器比较常见。从Franklin的Feedback Control of Dynamic Systems拔下来的两张图，超前和滞后控制器的放大器实现。

为啥大家现在很少见模拟的控制器了呢？还在用模拟控制器的场合往往比较low，大家意识不到他们的存在。。。再就是用我一个老师的话说：“你们这代学生基本功都不行，就会偷懒用单片机实现各种逻辑，我们那个年代只能用模拟电路，甚至继电器来做各种逻辑。”的确你要实现个if or and什么的，再来个加减乘除，用模拟电路来，反正我是不行，得回去补课。

调侃完了说正事，模拟控制器被数字控制器大量替代是有原因的：

（1）模拟电路复杂逻辑和运算实现困难。加法器，减法器，比较器。。。可不是编程里面那样写几行就行的。

（2）模拟电路抗干扰能力差。用示波器看模拟电路的输出，往往是夹杂着很多毛刺的，也就是噪声。如何设计一个低噪声，高可靠的模拟电路，是十分有挑战性的。而数字电路由于使用高低电平，对于噪声抑制有着天生的优势。模拟电路对于温漂是十分敏感的，而数字电路就好得多。

不过模拟实现也有着其优势，那就是

1.模拟电路的速度快，带宽高。适合高速，但是控制逻辑又比较简单的场合，asic和传感器里面多有使用。

2.便宜，简单。很多简单的场合，几块电路一搭就行了。

那么数字实现都有哪些常见的途径呢？

1.不一定是控制系统中用的最多的，但一定是诸位见过的最多的，PC机。不一定是个人电脑那样的，有很多是可靠性更高的工控机。

优点是运算能力强，能进行开发的群体大，门槛低（没看见知乎有多少程序员，以及喊着CS无敌，一定要转专业去CS的么）。常用于对空间不敏感，成本不敏感，功耗不敏感，计算量需求大，人机界面交互复杂的控制系统。比如视觉控制的机器人，化工厂过程控制的中控系统等。

除了空间成本功耗的缺点之外，PC机的另一个问题就是实时性。win和linux都是非实时系统，如果控制频率很高的话是很难实现的，这时候就往往需要额外的实时板卡来帮忙。再就是PC机的外设接口现在一般只有串口，并口，USB，而传感/执行设备往往是五花八门的接口，这时候就需要额外的转接设备，不论是硬件复杂度还是软件开发难度，往往都会增加。

2.PLC。化工人的最爱，皮实耐用可靠。可以使用梯形图来开发逻辑，降低了开发复杂度，使得很多计算机编程能力、电子电路知识不太足的人，可以依靠着众多有着标准接口的自动化设备和仪表，来搭建一个控制系统。缺点就是略贵，空间和功耗也要求高。

3.单片机。每一个自动化系的学生，都应该有一款自己心爱的单片机，咳咳。。。

单片机到了今天，真的是已经体积又小，功耗又低，开发门槛对于众多的科班生不是问题（绝大部分支持c语言甚至c++，甚至c#，而且大部分厂家提供了library），性能够强(100MHz主频轻轻松松)，外设接口灵活（AD，DA，CAN，SPI，I2C等），真的是搞控制杀人越货的利器啊。。

想十年之前，单片机普遍只有10MHz出头的主频，2-8K的内存（开个60乘60的char数组就要占用3.6k内存，内存告急！），操作硬件还需要自己算地址，给地址上赋的值都是2进制或者16进制的数，具体什么数需要看手册，现在开发单片机真是幸福。

单片机的做控制器的问题在于，人机交互不太友好，单片机上挂个屏幕，用按钮操作之类的，简单界面还行，复杂了开发起来比较费劲。这时候往往会用电脑做个“上位机程序”和其配合。再就是单片机的计算能力虽然已经很强了，但是对于越来越复杂的先进算法也是有点力不从心。对于大吞吐量的数据，比如图像，算起来也比较困难。

4. DSP。我并没用过DSP，了解的比较浅。这个东西有点像单片机，但是更适合算浮点数，外设相对没那么丰富，再往前几年，手持的多媒体设备用的很多，据我了解，控制器里用dsp的多的时候，主要还是在单片机计算能力严重不足的时候，还希望懂行的给指正。

5.FPGA。这里我首先要说的一家公司，就是NI。为啥呢？我看过的控制的论文，使用fpga实现的，清一色的是用的NI的盒子！

这玩意儿，外围是高速AD，DA，逻辑芯片是FPGA，用labview画好功能框图，就会自动将其逻辑功能部署到这个盒子的fpga芯片里面去，一股熟悉的PLC的味道啊！怪不得知乎上有人问PLC和FPGA的区别呢。但是我的心里fpga绝不是这个百盒子，而是

用有数百万逻辑门的，带宽以G来论的可编程数字逻辑芯片。NI对其易用性和性能做了折中，而其性能的潜力还没有被学界给挖掘出来。

使用fpga的一大优势就是，其描述好的数字逻辑，可以送去IC加工厂流片，做成ASIC，做出来实用的，小型低功耗的控制器。

作者：李崇