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经 验 交 流 T e ch n ic al Comm u nlc a t io ns 自动化技 术与应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 9期 一 款高性价比的 P I D流量控制器 蓝 若 明 山东师范大学 物理与电子科学学院 山东 济南 2 5 0 0 1 4 摘要 一 般P I D控制器采用A D芯片和D A芯片进行数据采集和控制输出 价格高 本文介绍了 一 种高性价比的P I D流量控制器 计数电磁流量计 的脉冲输出采集流量 通过数字通讯控制变频器 方法 简单叮靠 论文详细的介绍了控制器的硬件电路 井给 m了实用的 P I D控制芹法 关键字 流量 通讯 P I D 巾图分类号 TP 2 7 3 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 9 0 0 8 1 0 2 A Co s t E ff e c t i v e PI D F l o w Co n t r o l l e r LAN Ru o ru in g P h y s ic s a n d E l e c t r o n ic S c ie n c e Co l l e g e S h a n d o n g No ma l Un iv e r s it y J in a n 2 5 0 0 1 4 Ch in a Abs t r a c t Th e p r i c e o f g e n e r a l PI D c o n t r o l l e r u s e s A D c h i p a n d D A c h ip f o r d a t a a c q u is it io n a n d c o n t r o l o u t p u t i s h ig h Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a h ig h l y e ffic ie n t a n d c o s t e f f e c t iv e P I D flo w c o n t r o l l e r F l o w c o l l e c t io n is u s e d b y c o u n t in g e l e c t r o ma g n e t ic f l o wm e t e r p u l s e o u t p u t I n v e r t e r is c o n t r o l e d b y d ig it a l c o mm u n ic a t io n Th e me t h o d is s imp l e a n d r e l ia b l e Th e p a p e r d e s c r ib e s c o n t r o l l e r S h a r d wa r e a n d P I D c o n t r o l a l g o r it h m is g iv e n K e y wo r d s fl o w c o mmu n ic a t io n PI D 1 引言 流量的闭环控制一般是采用通用的 P I D控制器完 成 价格较高 通用的P I D控制器一般以单片机为核心 输入端采用 A D芯片将现场变送器输出的4 2 0 mA信 号转换为数字量 输出端再采用 D A芯片将 P I D运算结 果转换为 4 2 0 mA信号送至相关的执行机构 在笔者从 事的钢材淬火 系统 设计 中 流量 采集采用 带脉冲输 出的 电磁流 量计 流量控 制 采用 带通 讯 功 能的 西 门子变 频 器 如果采用通用的 P I D控制器 系统成本较高 针对于 特殊的设备条件 笔者设计了一款高性价比的 P I D流量 控制器 由于该控制器中没有 A D和 D A芯片 成本大 大降低 对单片机的要求也不高 2 控制器的总体结构 控制器的硬件组成如图 1所示 控制器以高性能低价位的 AT 8 9 C 2 0 5 1 为核心 它是 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 3 1 8 0 5 l 单片机的子类 它的引脚是 2 0 脚 使用方便 非常 适合那些不需要很多引脚的控制领域 流量采集采用 了开封仪表厂的E ma g E型电磁流量计 该流量计同 时支持 4 2 0 mA模 拟信号 输出和脉冲计数输 出 流量控 制采用了西门子MM4 3 0变频器 1 来控制水泵的转速 该 变频器带有 RS 4 8 5 通讯 接 口 单片机可 以通过通用 的 串行接口协议 US S 对变频器进行控制 图 1 控制器的硬件组成 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 8 卷 第9 期 经 验 交 流 T e c hn ic a 1 Co m mU ni c at ion s 3 接 口电路 3 1 流量检测电路 本控制器的流量检测电路如 图2所示 2 4 V 图2 流量检测电路 流量脉冲信号来 自电磁流量计 其单位时间内的脉 冲数与流量成正 比 脉冲信号经过光 电隔离后送入 A T8 9 C 2 0 5 1 的P 3 4 引脚 P 3 4 引脚是单片机内部计数 器 0的输入引脚 通过计数单位时间内的脉冲数 代人 换算公式即可以计算出相应的流量值 3 2 变频器控制电路 本控制器的流量控制电路如图 3所示 5V Ma x 4 5 兰 三 图 3 变频器控制电路 西门子MM4 3 0 变频器具有RS 4 8 5 接口 P 3 0 和P 3 1 分别为 AT8 9 C2 0 5 1串行通讯的接收和发送引脚 通过 MA X 4 8 5 转换芯片将串行通讯接口转换为 R S 4 8 5 接口 完 成单片机与变频器 的通讯连接 AT 8 9 C 2 0 5 1 的 P 3 2引脚 用于控制串行通讯的方向 通讯协议遵循通用的串行接 口协议 US S 它按照串行总线的主 从通讯原理来确定 访问的方法 即由单片机发起通讯请求 变频器响应单片 机的请求 再向单片机发送数据 US S协议以报文为单位 单片机通过通讯报文向变 频器发送命令 可以完成变频器的启动 停止 频率设 置 其它参数设置和运行参数读取等操作 变频器接收 到单片机发送过来的命令后 会根据命令完成相应的操 作并返回单片机请求读取的参数值 4 P l D控制算法 本控 制器 是一 个 闭环 控制 系 统 首先 单片 机对 被 控量 流量 进行采样 与设定值 比较并经过控制算法算 出控制量 以此控制量作为输出控制变频器 进而控制 水泵实现对 流量的控制 控制框图如 图4所示 图4 控制器闭环控制框图 P I D的调节规律按照离散化后的位置式 P I D算法近 似计算 J i K 等 一 A I 一 M j o 式中 为控制量 为第 f 次实际输出值 为采 样周期 为比例系数 为积分时问 为微分时间 u 为偏差为零时的控制作用 A Z f o 一 为设定 值 为了保证控制精度 采用周期应足够的小 5 结束语 本控制器采用 AT 8 9 C 2 0 5 l 单片机作为控制核心 流 量检测和流量控制均采用数字方式完成 抗干扰能力很 强 已应用于 实际工程 精度

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