CN102073290A - 一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，包括PID参数整定控制器主机和至少一个用于连接现场测试装置的无线输入输出节点，PID参数整定控制器主机包括壳体、与壳体相连接的天线、固定设置在壳体内的无线接收模块、主板和电源模块；无线输入输出节点包括输入模块、输出模块、模块和射频模块，PID参数整定控制器主机通过基于Zigbee协议的无线信号与无线输入输出节点相连接。该PID参数整定控制器通过微型化网络化设计、网络覆盖好、便于安装使用，适用于工业自动化中信号的采集和测量。

Description

一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器 

技术领域

本发明涉及民用及工业自动化中信号采集和测量技术领域，具体地说是一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器 

背景技术

在自动化工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，简称PID控制。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制参数进行控制的。 

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程对象的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 

PID控制器参数的工程整定方法，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。自适应参数整定控制要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应参数整定控制包括性能估计(辨别)、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握，目前推广起来尚有一些难以解决的问题，所以应用还不是很多，而更多的工程控制参数需要参数现场整定实验。在设备投入应用前，设备运行一段时间后及设备控制效果出现比较大的偏差时都需要做参数现场整定实验。 

目前常见的参数现场整定实验是由专门的PID参数整定软件，加上数据输入输出设备(通常是带计算机通讯接口的数据卡)，然后通过电缆连接到传感器和执行器的控制端子上。由于现场的实际设备安装情况，设备信号采集和控制信号的输出的电缆安装往往会花费比较多的时间，消耗大量的线缆和人工。 

对PID参数的现场工程整定实验来说迫切需要一种可快速开展测试实验的数据源输入输出设备和直接计算出PID参数的主控制器。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供微型化网络化设计、网络覆盖好、便于安装使用的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，包括PID参数整定控制器主机和至少一个用于连接现场测试装置的无线输入输出节点，PID参数整定控制器主机包括壳体、与壳体相连接的天线、固定设置在壳体内的无线接收模块、主板和电源模块；无线输入输出节点包括输入模块、输出模块、模块和射频模块，PID参数整定控制器主机通过基于Zigbee协议的无线信号与无线输入输出节点相连接。 

为优化上述技术方案，采取的措施还包括： 

上述的PID参数整定控制器主机的壳体配装有液晶显示器和键盘，主板和电源模块通过固定件与壳体的底板固定配合；主板设置有用于连接中央管理电脑的通讯接口；电源模块连接有备用电池。 

上述的PID参数整定控制器主机与无线输入输出节点之间设置有至少一个网络中继站。 

上述的无线输入输出节点至少为二个，其中至少一个无线输入输出节点将接收到无线信号转发至其他的无线输入输出节点或PID参数整定控制器主机。无线输入输出节点可以自动转换成兼具有无线信号中继器的功能，以提高数据的传输可靠性和传输距离。 

上述的输入模块的第一放大器的同相输入端接收检测到的差分信号的正极端VIN+信号，第一放大器的反相输入端接收差分信号的负极端VIN-信号，差分信号的负极端VIN-同时通过输入模块的第四电阻连接到第一放大器的输出端，形成一个电压比较和跟随电路输出信号Vout，信号Vout经过稳压元件，输入到模块的端口。 

上述的输出模块接收模块的端口发出的占空比能调节的波信号，波信号经过输出模块的第六限流电阻、第七限流电阻，第三稳压电容和第四稳压电容；输出模块的第二放大器的负相输入端通过第十电阻和零电平连接，同时该负相输出端通过与第十一电阻、第十电阻相连接，构成电压跟随放大电路；第二放大器的输出信号经过第十二电阻，再进入第三放大器的正相输入端，输出模块的第三放大器的负相输入端通过第十三电阻连接到第三放大器的输出端，构成电压跟随电路；第三放大器的输出端输出一个电压信号Vout，电压信号Vout根据模块的端口发出的PWM波对电压幅度进行调整。 

上述的射频模块包括无线单片机CC1101，无线单片机CC1101接收模块以串行通讯的形式发出的数据，然后将信号按Zigbee协议调制，然后通过不平衡天线发送。 

上述的无线输入输出节点设置有稳压电源模块，稳压电源模块包括电源输入接口、变压器、整流桥、稳压芯片和电源输出接口，以及电池电量检测和电池充电电路。 

上述的无线输入输出节点的壳体固定设置有用于连接配合现场测试装置的永磁吸力模块，在现场测量时可直接把无线输入输出节点吸在控制对象表面，减少了布置设备安放点的工作量。 

与现有技术相比，本发明的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其PID参数整定控制器主机和其他无线输入输出节点，Zigbee网络中继站间的无线通讯，是通过能组成具有多种网路拓扑结构的无线传感器网络，这使得整个无线PID参数整定设备的微型化，网络化成为可能。无线数据传输可以有效减少PID参数整定过程中数据采集和控制点的布线工程量，数据的数字化传输将有效地减少了测量误差，无线输入输出节点带永磁吸力模块，在现场测量时可直接把无线输入输出节点吸在控制对象表面，减少了布置设备安放点的工作量；同时PID参数整定控制器主机可以直接根据发出的激励信号值和收到的反馈信号值进行控制对象的模型识别，直至计算出整定参数，能对整定对象的控制系统的架构和布线做到最大程度的保留。以上这些措施可以有效减少PID参数现场工程整定实验的工作量，方便用户的使用，扩大PID控制参数整定控制器的应用范围，提高控制系统的控制质量。 

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器的结构示意图； 

图2是本发明实施例的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器的内部定位图； 

图3是本发明实施例的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器的系统拓扑图； 

图4是本发明实施例的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器的控制流程图； 

图5是本发明实施例的无线输入输出节点的电路结构示意图； 

图6a是本发明实施例的无线输入输出节点的输入模块电路图； 

图6b是本发明实施例的无线输入输出节点的输出模块电路图； 

图7是本发明实施例的无线输入输出节点的射频模块电路图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。 

图1至图7所示为本发明实施例的示意图。 

其中的附图标记为：PID参数整定控制器主机1、天线11、无线接收模块12、液晶显示器13、键盘14、电源模块15、RS232通讯接口16、备用电池17、壳体18、底板18a、主板19、无线输入输出节点2、输入模块21、第一放大器21a、输出模块22、第二放大器22a、第三放大器22b、CPU模块23、射频模块24、不平衡天线24a、Zigbee网络中继站3、现场测试装置4、中央管理电脑5。 

本发明的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其PID参数整定控制器主机1和其他无线输入输出节点2，Zigbee网络中继站3间的无线通讯，是通过能组成具有多种网路拓扑结构的无线传感器网络，这使得整个无线PID参数整定控制器的微型化，网络化成为可能。无线数据传输可以有效减少PID参数整定过程中数据采集和控制点的布线工程量，数据的数字化传输将有效地减少了测量误差，这些措施可以有效减少PID参数现场工程整定实验的工作量，方便用户的使用，扩大PID控制参数整定控制器的应用范围。 

实施例 

本实施例的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，包括PID参数整定控制器主机1和至少一个用于连接现场测试装置4的无线输入输出节点2。PID参数整定控制器主机1包括壳体18、与壳体相连接的天线11、固定设置在壳体18内的无线接收模块12、主板19和电源模块15；无线输入输出节点2包括输入模块21、输出模块22、CPU模块23和射频模块24，PID参数整定控制器主机1通过基于Zigbee协议的无线信号与无线输入输出节点2相连接。 

PID参数整定控制器主机1的壳体18配装有液晶显示器13和键盘14，主板19和电源模块15通过固定件与壳体18的底板18a固定配合。主板19设置有用于连接中央管理电脑5的RS232通讯接口16。电源模块15连接有备用电池17。 

其中，天线11和无线接收模块12用于接收无线输入输出节点2发送的数据，然后把数据传送给主板19进行处理，主板19通过液晶显示器13和键盘14进行数据的显示和输入，RS232通讯接口16用于与中央管理电脑5通讯的插口，可以把PID参数整定控制器主机1的内部数据传输给中央管理电脑5，电源模块15主要是用于实现对电池的管理、功率转换盒负载管理，对备用电池17进行充电、保护以及电压的转换，以满足不同负载的需求，并加以隔离，以防止干扰。 

另外，该控制器还包括底板18a和壳体18。其中，底板18a用于支撑和定位，主板19、电源模块15和备用电池17分别通过至少一对定位销固定于底板18a之上。壳体18通过螺丝孔与底板18a固定连接在一起，将整个装置封闭。所述底板18a由铝板加工而成，起支撑和定位作用，底板18a有三处定位销，其中一处用于定位主板19，一处用于定位电源模块15，最后一处用于定位备用电池17。定位销的运用降低由于安装不准而带来的误差。底板18a上还进一步包含用于整个装置安装的定位孔，用于整个装置的固定。 

如图3系统拓扑图所示，PID参数整定控制器主机1通过无线Zigbee网络与无线输入输出节点2相连，现场测试装置4则通过电缆与无线输入输出节点2相连。无线输入输出节点2可以实现两种形式的数据传输功能：1、把现场测试装置4的数据通过无线Zigbee网络传输给PID参数整定控制器主机1；2、PID参数整定控制器主机1通过无线Zigbee网络把控制信号传输给现场执行器。另外无线输入输出节点2还可以通过Zigbee网络中继站3把信号传输更远的距离，解决了有线自整定控制器对测试点与执行器距离过长而不能测量的问题。在无线输入输出节点2的个数超过二个时，其中至少一个无线输入输出节点2还可将接收到无线信号转发至其他的无线输入输出节点2或PID参数整定控制器主机1，以增大信号传播范围。PID参数整定控制器主机1还可以通过RS232通讯接口16与计算机连接，把PID参数整定控制器主机1中储存的数据传输到中央管理电脑5中，以便以后的分析、运算和储存。在Zigbee协议的组网规则中，其最大的组网节点数可以达到65000个，但工业应用中，PID整定控制器的组网节点数最常见是2个，或者4个。 

如图4所示，本发明的PID参数整定控制器的控制流程主要有9部分组成，第一系统开机，第二系统初始化，第三输入输出端口定义，第四无线网络建立，第五数据限幅滤波，第六整定算法选择，第七整定过程开始，第八整定结束，第八数据存储及处理。当PID参数整定控制器主机1开机并初始化后，开始通过操作PID参数整定控制器主机1，来定义不同现场无线输入输出节点2的功能。然后通过Zigbee网络与多块现场无线输入输出节点2建立连接，进行数据的交换。PID参数整定控制器主机1从现场得到的数据在进行自整定运算前必须要经过数据限幅滤波，剔除不必要的数据以增加运算的准确性。接着分析得到的数据选择合适的算法，通过PID参数整定控制器主机1内部程序结合收集到的数据，开始运算所需要的PID参数。最后，得到的PID参数存储在PID参数整定控制器主机1中，方便分析。 

图5是无线输入输出节点2的电路结构示意图，从图中可以看出无线输入输出节点2主要包括输入模块21、输出模块22、CPU模块23和射频模块24。输入模块21主 要把现场测试装置4的测量信号，如温湿度，压力，0至10V测量信号等，通过电路转换成CPU模块23可以读取的信号值，并通过AD端口发送到CPU模块23，CPU模块23通过循环采样的方式定时读取这些信号的实时值，具体的信号采集方式的电路说明在以下的图6a中描述。输出模块22主要发送对现场设备的执行命令，如水阀开度，供气管路的开度为输出一个0至10V或者4至20mA的标准信号，主要用做PID参数整定过程中的激励信号。输入模块21的信号送到CPU模块23的AD端口，执行命令的信号通过CPU模块23的PWM端口通过输出模块22的转换产生，具体的执行命令信号输出的电路说明在以下的图6b中描述。CPU模块23可以设定为定时读取输入模块21的输入信号。 

图6a是无线输入输出节点2的输入模块电路图，如图6a所示，在该电路中，差分信号的正极端VIN+经过第二限流电阻R2进入第一放大器21a的同相输入端，差分信号的负极端VIN-经过第三限流电阻R3进入第一放大器21a的反相输入端，差分信号的负极端VIN-同时通过第四电阻R4连接到第一放大器21a的输出端，引成一个电压比较和跟随电路输出信号Vout。Vout信号经过第五电阻R5的限流连接到稳压管D1，稳压管D1对信号做过压保护，同时经过电容C2的稳压，输入到CPU模块23的AD端口。 

图6b是无线输入输出节点2的输出模块电路图，如图6b所示，在该电路中，CPU模块23的PWM端口通过发出占空比可调节的PWM波信号，经过第六限流电阻R6、第七限流电阻R7，第三稳压电容C3和第四稳压电容C4；第二放大器22a的负相输入端通过第十电阻R10和零电平连接。第二放大器22a的输出端通过与第十一电阻R11、第十电阻R10相连接，构成电压跟随放大电路。第二放大器22a的输出信号经过第十二电阻R12，再进入第三放大器22b的正相输入端，第三放大器22b的负相输入端通过第十三电阻R13连接到第三放大器22b的输出端，构成电压跟随电路，第三放大器22b的输出端输出一个电压信号Vout，此电压信号Vout可随着CPU模块23的PWM端口发出的占空比可调节的PWM波进行电压幅度的调整。本实施例中，图6a和图6b中的第一放大器21a、第二放大器22a和第三放大器22b都采用放大器LM324。 

如图7所示无线输入输出节点2的射频模块24的电路图，图5中CPU模块23发出的数据以串行通讯的形式连接到无线单片机CC1101上，无线单片机CC1101处理这部分数据并且给数据加上Zigbee协议，然后将调制的无线信号发射出去。具体连接为：CPU模块23的SI端口、SCLK端口、SO端口、GDO2端口、GDO0端口、CSN端口对应地连接到无线单片机CC1101的SI端口、SCLK端口、SO端口、GDO2端口、GDO0端口、CSN端口上。无线单片机CC1101的发射端RG_N和发射端RF_P输出至不平衡天线24a，以保证不平衡天线24a的性能，不平衡天线24a由电容C1，电感L1和PCB传输线组成，整个结构满足RF输入输出阻抗匹配的要求。无线输入输出节点2可以通过射频模块24与其他模块组成网状或者串状网络等多种网路拓扑结构，传输速率可达到250kbps，直线传输距离可达到100至300米左右。 

与现有技术相比，本发明的提供一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其PID参数整定控制器主机1和其他无线输入输出节点2，Zigbee网络中继站3间的无线通讯，是通过能组成具有多种网路拓扑结构的无线传感器网络，这使得整个无线PID参数整定设备的微型化，网络化成为可能。无线数据传输可以有效减少PID参数整定过 程中数据采集和控制点的布线工程量，数据的数字化传输将有效地减少了测量误差，无线输入输出节点2带永磁吸力模块，在现场测量时可直接把无线输入输出节点2吸在控制对象表面，减少了布置设备安放点的工作量；同时PID参数整定控制器主机1可以直接根据发出的激励信号值和收到的反馈信号值进行控制对象的模型识别，直至计算出整定参数，能对整定对象的控制系统的架构和布线做到最大程度的保留。以上这些措施可以有效减少PID参数现场工程整定实验的工作量，方便用户的使用，扩大PID控制参数整定控制器的应用范围，提高控制系统的控制质量。 

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。 

Claims (9)

1.一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，包括PID参数整定控制器主机(1)和至少一个用于连接现场测试装置(4)的无线输入输出节点(2)，其特征是：所述的PID参数整定控制器主机(1)包括壳体(18)、与壳体相连接的天线(11)、固定设置在壳体(18)内的无线接收模块(12)、主板(19)和电源模块(15)；所述的无线输入输出节点(2)包括输入模块(21)、输出模块(22)、CPU模块(23)和射频模块(24)，所述的PID参数整定控制器主机(1)通过基于Zigbee协议的无线信号与所述的无线输入输出节点(2)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：所述的PID参数整定控制器主机(1)的壳体(18)配装有液晶显示器(13)和键盘(14)，所述的主板(19)和电源模块(15)通过固定件与壳体(18)的底板(18a)固定配合；所述的主板(19)设置有用于连接中央管理电脑(5)的RS232通讯接口(16)；所述的电源模块(15)连接有备用电池(17)。

3.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：所述的PID参数整定控制器主机(1)与所述的无线输入输出节点(2)之间设置有至少一个Zigbee网络中继站(3)。

4.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：无线输入输出节点(2)至少为二个，其中至少一个无线输入输出节点(2)将接收到无线信号转发至其他的无线输入输出节点(2)或PID参数整定控制器主机(1)。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：所述的输入模块(21)的第一放大器(21a)的同相输入端接收检测到的差分信号的正极端VIN+信号，第一放大器(21a)的反相输入端接收差分信号的负极端VIN-信号，差分信号的负极端VIN-同时通过输入模块(21)的第四电阻R4连接到第一放大器(21a)的输出端，形成一个电压比较和跟随电路输出信号Vout，所述的信号Vout经过稳压元件，输入到CPU模块(23)的AD端口。

6.根据权利要求5所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：所述的输出模块(22)接收CPU模块(23)的PWM端口发出的占空比能调节的PWM波信号，所述的PWM波信号经过输出模块(22)的第六限流电阻(R6)、第七限流电阻(R7)，第三稳压电容(C3)和第四稳压电容(C4)；输出模块(22)的第二放大器(22a)的负相输入端通过第十电阻(R10)和零电平连接，同时该负相输出端通过与第十一电阻(R11)、第十电阻(R10)相连接，构成电压跟随放大电路；所述的第二放大器(22a)的输出信号经过第十二电阻(R12)，再进入第三放大器(22b)的正相输入端，输出模块(22)的第三放大器(22b)的负相输入端通过第十三电阻(R13)连接到第三放大器(22b)的输出端，构成电压跟随电路；第三放大器(22b)的输出端输出一个电压信号Vout，所述的电压信号Vout根据CPU模块(23)的PWM端口发出的PWM波对电压幅度进行调整。

7.根据权利要求6所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：所述的射频模块(24)包括无线单片机CC1101，所述的无线单片机CC1101接收CPU模块(23)以串行通讯的形式发出的数据，然后将信号按Zigbee协议调制，然后通过不平衡天线(24a)发送。

8.根据权利要求7所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：上述的无线输入输出节点(2)设置有稳压电源模块，所述的稳压电源模块包括电源输入接口、变压器、整流桥、稳压芯片和电源输出接口，以及电池电量检测和电池充电电路。

9.根据权利要求8所述的一种基于Zigbee协议的PID参数整定控制器，其特征是：所述的无线输入输出节点(2)的壳体固定设置有用于连接配合现场测试装置(4)的永磁吸力模块。

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