劉賢鋒， 王茗倩， 王景勝

(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164；2.江蘇省物聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)信息化工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 江蘇 常州 213164)

ZigBee技術(shù)在PID控制器參數(shù)整定中的應(yīng)用研究

劉賢鋒1,2， 王茗倩1， 王景勝1

(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164；2.江蘇省物聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)信息化工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 江蘇 常州 213164)

針對傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方式存在的電纜安裝和布線繁瑣、操作缺乏靈活性等問題，提出將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于PID控制器參數(shù)整定中,通過ZigBee無線組網(wǎng)方式實現(xiàn)PID參數(shù)整定控制器主機與現(xiàn)場測試設(shè)備之間的通信，從而達到使PID參數(shù)整定設(shè)備微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的目的。仿真結(jié)果表明，運用ZigBee技術(shù)進行PID控制器參數(shù)整定可有效減少參數(shù)整定試驗工作量，并提高控制器的靈活性和控制質(zhì)量，擴展其適用范圍。

PID控制器； 參數(shù)整定； ZigBee

0 引言

PID參數(shù)整定方法眾多，主要有理論計算整定法和工程整定法兩大類。理論計算整定法主要依據(jù)自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論推演計算來確定整定參數(shù)，并將計算所得數(shù)據(jù)通過工程應(yīng)用進行調(diào)整和修改；工程整定法主要依賴實際工程經(jīng)驗，整定直接在自動控制系統(tǒng)的試驗中進行。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多自適應(yīng)參數(shù)整定方法[1-5]?；谟芯€通信的PID參數(shù)整定方法存在電纜安裝和布線繁瑣、操作缺乏靈活性等問題[6]?？紤]ZigBee技術(shù)具備自組織、低功耗、低復(fù)雜度、低成本等優(yōu)點，且可以很方便地嵌入到各種控制設(shè)備[7]中，本文將其引入PID控制器參數(shù)自整定過程，以期降低成本，提升控制品質(zhì)。

1 應(yīng)用方案

應(yīng)用ZigBee技術(shù)的PID參數(shù)整定控制方案如圖1所示，PID參數(shù)整定控制器主機選用嵌入式控制器ARM9TDMI。

圖1 應(yīng)用ZigBee技術(shù)的PID參數(shù)整定控制方案

PID控制器參數(shù)整定控制流程如圖2所示。

圖2 PID控制器參數(shù)整定控制流程

PID參數(shù)整定控制器主機開機后，進行系統(tǒng)初始化，通過操作嵌入式控制器，定義不同現(xiàn)場無線輸入輸出節(jié)點的功能。通過組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，連接控制器與多個現(xiàn)場無線輸入輸出節(jié)點，并進行數(shù)據(jù)交互。PID參數(shù)整定控制器根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號和控制信號等系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，剔除不必要的數(shù)據(jù),以增加運算的準(zhǔn)確性，在進行自整定運算前對數(shù)據(jù)進行限幅濾波處理。系統(tǒng)根據(jù)處理數(shù)據(jù)選擇合適的參數(shù)整定算法[1-5]，并進行PID的參數(shù)整定，運算得出適合被測現(xiàn)場設(shè)備的最優(yōu)PID參數(shù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 PID參數(shù)整定控制器

以ARM9TDMI1為核心的PID參數(shù)整定控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，無線通信模塊用于實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，采用了廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的射頻模塊CC1101；嵌入式控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信接口與中央管理計算機相連。

圖3 PID參數(shù)整定控制器結(jié)構(gòu)

2.2 無線輸入輸出節(jié)點

無線輸入輸出節(jié)點用于向PID參數(shù)整定控制器發(fā)送被測現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號和控制信號，它通過永磁吸力模塊吸附在現(xiàn)場測試裝置表面，在現(xiàn)場測量時減少了布置設(shè)備安放點的工作量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括輸入模塊、輸出模塊、CPU模塊(MSP100)和射頻模塊(CC1101)，無線輸入輸出節(jié)點的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無線輸入輸出節(jié)點的電路結(jié)構(gòu)

無線輸入模塊的主要功能是把現(xiàn)場測試裝置的測量信號(如溫濕度、壓力等測量信號)轉(zhuǎn)換成CPU模塊可讀取的信號值，并通過A/D端口再發(fā)送至CPU模塊，通過循環(huán)采樣的方式定時讀取這些信號的實時值。

無線輸出模塊的主要功能是對現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送執(zhí)行命令，如輸出一個0～10 V(或者4～20 mA)的標(biāo)準(zhǔn)信號作為激勵信號,以控制、供氣管路或水閥的開度。經(jīng)脈沖帶寬調(diào)制后控制信號被送入CPU模塊處理。

射頻模塊的主要功能是實現(xiàn)輸入輸出信號的發(fā)送。CPU模塊以串行通信形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C1101，將數(shù)據(jù)按照ZigBee協(xié)議進行封裝，再經(jīng)載波調(diào)制后以無線信號的方式發(fā)射。無線輸入輸出節(jié)點可以通過該射頻模塊與其他節(jié)點組成ZigBee無線局域網(wǎng)，傳輸速率可達到250 kbit/s，直線傳輸距離可達到100～200 m。

3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器和終端三類節(jié)點所組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建、管理和維護網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址并管理節(jié)點的離開和加入等，是組建網(wǎng)絡(luò)的核心[8]；路由器主要負(fù)責(zé)識別終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址并選擇合適的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑；終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，PID參數(shù)整定控制器和現(xiàn)場測試設(shè)備為嵌入了ZigBee無線通信模塊的終端節(jié)點。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建流程如圖5所示。

圖5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建流程

(1) 系統(tǒng)上電，實現(xiàn)初始化[9]。

(2) 應(yīng)用層協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)請求(即原語后)，表明一個新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)開始建立；網(wǎng)絡(luò)層收到請求后，要求MAC層執(zhí)行信道能量掃描，尋找到可用信道后對執(zhí)行活動情況進行掃描，最終找到最優(yōu)信道，確定網(wǎng)絡(luò)ID和地址，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

(3) 路由節(jié)點和終端節(jié)點掃描已創(chuàng)建完成的信道，運用請求原語發(fā)現(xiàn)建網(wǎng)成功的協(xié)調(diào)器，通過NLME_JOIN_request原語請求加入到指定ID的網(wǎng)絡(luò)；協(xié)調(diào)器收到請求后，查詢節(jié)點地址列表，若列表未滿則響應(yīng)請求，允許該節(jié)點加入指定ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為其分配唯一地址。

ZigBee通信過程：

(1) 當(dāng)ZigBee局域網(wǎng)組建完成后，被測現(xiàn)場設(shè)備將自身的狀態(tài)信號和所接收的控制器控制信號通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器。

(2) 協(xié)調(diào)器經(jīng)串行通信接口將信息輸入至PID參數(shù)整定控制器中。

(3) 根據(jù)所選用的整定算法，參數(shù)整定控制器計算出最優(yōu)的PID參數(shù)值，再通過協(xié)調(diào)器經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)輸出到現(xiàn)場設(shè)備的控制器，保證系統(tǒng)的控制性能。ZigBee通信流程如圖6所示。

圖6 ZigBee通信流程

4 仿真結(jié)果與分析

為驗證本文設(shè)計方案的可靠性，以單容液位控制系統(tǒng)為例進行仿真測試。該系統(tǒng)具有非線性、滯后、耦合等特征，能夠很好地模擬工業(yè)過程。首先建立單容液位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，其傳遞函數(shù)如圖7所示。其中Q(s)和H(s)為水流輸入量和液位輸出量的Laplace變換形式;R(s),Y(s),E(s)分別為理想液位、實際液位和誤差的Laplace變換形式;μ為調(diào)節(jié)閥開度,控制流入量Qi,由控制器LC控制;Tv為時間常數(shù);Kv為閥門靜態(tài)增益，即當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)定時閥門的增益，由于閥門為氣關(guān)式，所以Kv=28 cm3/s·mA，可將閥門看成一個靜態(tài)增益為Kv的一階慣性環(huán)節(jié)；液位變送器靜態(tài)增益Km為儀表的輸出/輸入范圍，假設(shè)液位變送器為線性儀表，則其可看成是增益為Km=1 mA/cm的比例環(huán)節(jié)。假設(shè)液位的初始值為H0=16 cm，則單容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為

(1)

圖7 單容液位控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

被控對象傳遞函數(shù)為

(2)

單容液位控制系統(tǒng)選用模糊PID控制算法，系統(tǒng)模型如圖8所示。最后，利用Simulink對本文設(shè)計的ZigBee無線傳輸方案與傳統(tǒng)有線方案進行了控制性能對比測試。仿真結(jié)構(gòu)如圖9所示，兩者的響應(yīng)性、適應(yīng)性比較如圖10所示。

從圖10(a)中可以看出，在相同控制對象和控制條件下，2種方案均可達到控制目的，但本文方案具有更小的超調(diào)，收斂速度更快，液面在上升過程中更加穩(wěn)定，動態(tài)性能優(yōu)于傳統(tǒng)方式。從圖10(b)中明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)變化時，傳統(tǒng)傳輸方式下的系統(tǒng)超調(diào)增大，動態(tài)性能下降，而本文方案的響應(yīng)曲線與原響應(yīng)較接近，未發(fā)生性能改變。

圖8 單容液位控制系統(tǒng)模型

圖9 Simulink仿真結(jié)構(gòu)

(a) 響應(yīng)性

(b) 適應(yīng)性

5 結(jié)語

介紹了應(yīng)用ZigBee技術(shù)的PID參數(shù)整定控制方案及其軟硬件設(shè)計，并進行了仿真分析。在PID參數(shù)整定過程中，采用無線數(shù)據(jù)傳輸可以有效減少數(shù)據(jù)采集和控制點的布線工程量，考慮無線輸入輸出節(jié)點帶有永磁吸力模塊，可直接把無線輸入輸出節(jié)點吸附在控制對象表面，從而減少布置設(shè)備安放點的工作量。在實際使用中，PID參數(shù)整定控制器主機可根據(jù)發(fā)出的激勵信號值和收到的反饋信號值進行控制設(shè)備的模型識別，并計算出整定參數(shù)，從而對控制系統(tǒng)的布線和構(gòu)建做到最大程度的保留。

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Research on application of ZigBee technology in PID controller parameter tuning

LIU Xianfeng1,2, WANG Mingqian1, WANG Jingsheng1

(1.School of Information Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China; 2.Jiangsu Internet of Things and Manufacturing Industry Informatization Engineering Technology Research and Development Center, Changzhou 213164, China)

In view of problem of traditional PID parameter tuning such as installation and wiring of cable are quite cumbersome,operation lacks flexibility, the paper proposed to apply ZigBee technology to PID parameter tuning. Communication between PID parameter tuning controller host and field test equipment is achieved through ZigBee wireless networking method, so as to achieve the purposes of making PID parameter tuning device miniaturization, networking and intelligent. Simulation results show that the ZigBee technology can effectively reduce workload of parameter tuning experiment and improve flexibility and control quality of the PID controller, and extend its scope of application.

PID controller; parameter tuning; ZigBee

2016-10-20；

2016-11-03；責(zé)任編輯：胡嫻。

江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015031-01)；江蘇省高?！扒嗨{工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)對象資助項目(蘇教師〔2014〕23號)。

劉賢鋒(1974-)，男，江蘇南京人，副教授，碩士，主要研究方向為軟件工程、計算機控制、物聯(lián)網(wǎng)工程等，E-mail:9755724@qq.com。

1671-251X(2016)12-0088-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.019

TD655.3

A

時間：2016-12-01 10:59

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1059.019.html

劉賢鋒，王茗倩，王景勝.ZigBee技術(shù)在PID控制器參數(shù)整定中的應(yīng)用研究[J].工礦自動化，2016,42(12)：88-92.