基于PID的流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計

俞志勇，李 青，王燕杰，周澤正，王先進(jìn)

（中國計量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018）

基于PID的流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計

俞志勇，李 青，王燕杰，周澤正，王先進(jìn)

（中國計量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018）

針對流量控制，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、精度高的基于PID的流量調(diào)節(jié)閥；流量調(diào)節(jié)閥主要由手動平衡閥、流量傳感器、步進(jìn)電機(jī)和控制器四部分組成，控制器采用PID算法控制步進(jìn)電機(jī)；檢測步進(jìn)電機(jī)電流的大小不僅能確定手動平衡閥是否到達(dá)了極限調(diào)節(jié)值，也可以防止過電流損壞電機(jī)；實(shí)驗(yàn)測試中，用PC機(jī)對輸出流量值進(jìn)行設(shè)定和對流量調(diào)節(jié)閥的控制效果進(jìn)行分析；通過反復(fù)試驗(yàn)，證明了輸出的流量值能準(zhǔn)確快速的跟隨設(shè)定值的變化而變化；研究表明，基于PID的流量調(diào)節(jié)閥能實(shí)現(xiàn)高精度的流量控制。

流量控制；調(diào)節(jié)閥；PID；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)生產(chǎn)工藝的控制要求也愈加苛刻。流量、溫度、壓力和物位一起被稱為過程控制的四大參數(shù)［1］。對液體流量進(jìn)行測量和調(diào)節(jié)是保證安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。調(diào)節(jié)閥作為一種常見的控制元件，其作用就是通過調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號，來改變調(diào)節(jié)參數(shù)，把被調(diào)參數(shù)控制在工藝所要求的范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化［2］。

調(diào)節(jié)閥主要分為平衡閥（包括手動平衡閥和自力式平衡閥）、溫控閥和電動調(diào)節(jié)閥3種［3］。手動平衡閥是一次性手動調(diào)節(jié)的，不能夠自動地隨系統(tǒng)工況變化而改變阻力系數(shù)，控制不方便；自力式調(diào)節(jié)閥不具有判斷和泄水功能，當(dāng)壓差超過正常范圍時，就不能很好發(fā)揮應(yīng)有的功能，甚至不能工作；溫控閥主要用于供暖系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)，其電熱驅(qū)動器的動作反應(yīng)速度慢，當(dāng)進(jìn)水溫度變化較大時混水溫度會出現(xiàn)波動；電動調(diào)節(jié)閥電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的內(nèi)熱會導(dǎo)致熱保護(hù)，使調(diào)節(jié)閥停止工作，且由于運(yùn)動部件多，容易產(chǎn)生故障。因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、精度高的流量調(diào)節(jié)閥具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

1 基于PID的流量調(diào)節(jié)閥的原理

1.1 流量控制

基于PID的流量調(diào)節(jié)閥包括流量傳感器、手動平衡閥、步進(jìn)電機(jī)和控制器等。流量調(diào)節(jié)閥的原理如圖1所示。步進(jìn)電機(jī)與手動平衡閥用聯(lián)軸器相連，只要控制步進(jìn)電機(jī)，就能控制手動平衡閥開閉的大小，從而控制輸出流量的大小。流量傳感器將當(dāng)前輸出流量反饋回控制器，控制器根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際輸出值的偏差，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)的角度，從而控制調(diào)節(jié)閥打開的大小，使輸出的流量等于設(shè)定值。

圖1 流量調(diào)節(jié)閥原理圖

控制器采用STM32單片機(jī)。單片機(jī)控制驅(qū)動電路調(diào)節(jié)輸出流量大小，流量傳感器將當(dāng)前流量反饋回單片機(jī)形成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對流量的精確控制。PC機(jī)和單片機(jī)通過RS232電路進(jìn)行串口通訊，PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送流量設(shè)定值，單片機(jī)向PC機(jī)時時傳送當(dāng)前的流量，憑借PC機(jī)強(qiáng)大的處理能力和豐富的資源，可以方便的對流量調(diào)節(jié)閥的控制效果進(jìn)行分析。

流量調(diào)節(jié)閥的控制流程如圖2所示，控制算法采用PID。PID控制原理簡單、適應(yīng)性和魯棒性強(qiáng)、對被控對象的變化不敏感，適用于環(huán)境惡劣的工作生產(chǎn)現(xiàn)場。

圖2 流量調(diào)節(jié)閥控制流程圖

1.2 PID控制原理

在連續(xù)時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用的非常廣泛，技術(shù)成熟。長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求［4 5］。數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛嬎銠C(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法［6］。數(shù)字PID控制算法可分為位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和速度式PID算法。由于計算量少，抗干擾強(qiáng)，計算機(jī)故障對設(shè)備的影響小。因此，在3種控制算法中，增量式PID控制算法最為常用。

數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此公式1的積分和微分項不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。當(dāng)采樣周期T足夠短時，以一系列的采集時刻點(diǎn)k T代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分。k是采樣序號，u（k）為第k次采樣時刻數(shù)字控制器或計算機(jī)的輸出值，e（k）是第k次采樣時刻輸入的偏差。

增量式PID控制規(guī)律：

式中，A＝kp（1＋T／Ti＋Td／T），B＝Kp（1＋2Td／T），C＝KpTd／T，kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

增量式PID控制算法是對偏差增量進(jìn)行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。增量式PID數(shù)字控制器不會出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計算機(jī)出現(xiàn)故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此在設(shè)計中增量式算法被采用作為編程算法來使用。

1.3 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中將脈沖電信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)［7-8］。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響；繞組激磁時，電機(jī)停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩；由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；步進(jìn)電機(jī)最有意義的一個優(yōu)點(diǎn)就是在開環(huán)系統(tǒng)里可以實(shí)現(xiàn)精確的控制，只需要跟蹤輸入的步進(jìn)脈沖就可以知道轉(zhuǎn)子的位置。步進(jìn)電機(jī)的步距角為：

其中：m為相數(shù)，采用單拍制時，k取1，采用雙拍制時，k取2。減小步距角，可以增加控制流量的精度。由公式（2）可知，增加步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和采用雙拍制，都可以減小步距角。但是隨著電機(jī)相數(shù)的增加，電機(jī)的結(jié)構(gòu)會變得復(fù)雜，電機(jī)的成本也會隨著增加。采用雙拍制步距角只能減小一半，滿足不了高精度的要求。將步距角進(jìn)行細(xì)分，既能減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，也可以減小電機(jī)的振動、降低噪聲，提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度。

基于二相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片種類較多，因此，流量調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器件選擇兩相步進(jìn)電機(jī)。兩相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源電路

12 V穩(wěn)壓電源原理如圖4所示，為步進(jìn)電機(jī)提供電源。單相220 V交流電經(jīng)單相變壓器變壓可得12 V交流電源，經(jīng)過整流二極管D1到D4組成的整流橋及電容C1和C2的濾波，理論上可得到電壓幅值為17 V的直流電，但整流橋會有1 V左右的壓降，實(shí)際得到的電壓只有16 V。再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器78H12，就可得到12 V電壓。

圖4 電源電路

自恢復(fù)保險絲PTC起到過流保護(hù)的作用，當(dāng)電路發(fā)生短路或過載時，流經(jīng)自恢復(fù)保險絲的大電流產(chǎn)生的熱量使聚合樹脂融化，體積迅速增長，形成高阻狀態(tài)，工作電流迅速減小，從而對電路進(jìn)行限制和保護(hù)。當(dāng)電流故障排除后，自恢復(fù)保險絲重新冷卻結(jié)晶，體積收縮，導(dǎo)電粒子重新形成導(dǎo)電通路，自恢復(fù)保險絲恢復(fù)為低阻狀態(tài)，從而完成對電路的保護(hù)［9］。

晶閘管VT、電阻R1和穩(wěn)壓二極管DZ組成過壓保護(hù)電路。穩(wěn)壓二極管選擇1N717，穩(wěn)壓值為13 V。當(dāng)V1處的電位小于13 V時，穩(wěn)壓二極管DZ處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)V1處的電位大于13 V時，由于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用，將V2處的電位鉗位在（V1－13）V，此時，晶閘管導(dǎo)通。從而使整流橋、自恢復(fù)保險絲PTC和晶閘管VT形成回路。此時的回路電流非常大，引起自恢復(fù)保險絲PTC形成高阻狀態(tài)。當(dāng)電壓故障排除后，自恢復(fù)保險絲恢復(fù)為低阻狀態(tài)，從而完成對電路的保護(hù)。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

TB67S169是東芝公司推出的一種配置PWM斬波器的兩相雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片。其主要特點(diǎn)有：采用BiCD工藝，額定值為50 V／4 A；允許全步，半步，1／4，1／8，1／16，1／32步運(yùn)行；可通過外電阻與電容自定義電機(jī)的斬波頻率；內(nèi)置錯誤檢測電路，過電流關(guān)斷以及上電復(fù)位等。

TB67S169芯片管腳如圖5所示。步進(jìn)電機(jī)控制信號主要有6個，分別為電機(jī)脫機(jī)控制端EN、脈沖信號輸入端CLK、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端DIR和3個細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定端（M1、M2和M3）。

圖5 電機(jī)驅(qū)動電路

3個細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定端用于細(xì)分步距角。步進(jìn)電機(jī)選擇步進(jìn)角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)，如果當(dāng)前水流量非常接近設(shè)定流量，如果調(diào)整最小角度1.8°，就會超出需要調(diào)整的水流量?？梢酝ㄟ^驅(qū)動器程序?qū)⒉竭M(jìn)角細(xì)分，步進(jìn)角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)在8細(xì)分下步距角為1.8°／8＝0.225°，細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計算：步距角＝電機(jī)固有步距角／細(xì)分?jǐn)?shù)。

第一個虛線框中是步進(jìn)電機(jī)斬波振蕩電路；第二個虛線框中是步進(jìn)電機(jī)電角復(fù)位電路；第3個虛線框中是步進(jìn)電機(jī)鎖相電流控制。

VREF的電壓范圍為0～3.6 V，VREF所接電壓的大小決定步進(jìn)電機(jī)鎖相電流的大小。步進(jìn)電機(jī)要減少發(fā)熱，就要減少銅損和鐵損。減小銅損就是減小電阻和電流，要求在選型時盡量選擇電阻小和額定電流小的電機(jī)。但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對于已選定的電機(jī)，可以充分利用驅(qū)動器的自動半流控制功能，自動半流在電機(jī)處于靜態(tài)時自動減小電流，脫機(jī)功能是將輸出電機(jī)電流切斷。

圖6 半流電路

步進(jìn)電機(jī)半流電路如圖6所示。改變電機(jī)的驅(qū)動電流，就可以改變電機(jī)輸出扭矩的大小。自動半流電路設(shè)計選用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路芯片74HC123，用電機(jī)的驅(qū)動脈沖CLK作為單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖。單穩(wěn)態(tài)電路的A1端接驅(qū)動脈沖CLK，B1端接高點(diǎn)平。當(dāng)CLK出現(xiàn)從高電平到低電平跳變時，Q1端出現(xiàn)一個高電平脈沖。高電平脈沖的寬度可以通過改變和的值改變。

當(dāng)Cext1＞10nF，Q1輸出的脈沖寬度公式為：

因?yàn)樾酒墓╇婋妷簽? V，所以系數(shù)k取0.55，電阻單位為kΩ，電容單位為p F，計算可得，Q1輸出的脈沖寬度為55 ms。

2.3 電機(jī)保護(hù)電路

電流檢測的方法主要有串電阻檢測、電流互感器檢測和基于霍爾感應(yīng)原理的電流檢測3種。串電阻檢測溫漂較大，無隔離效果，量程較大時，需要分多個擋來處理結(jié)果且容易受地線干擾。電流互感器檢測電流互感器重量大、易受高頻干擾?；诨魻柛袘?yīng)原理的電流檢測既能檢測交流電流的大小，也能檢測直流電流的大小，具有低偏置、低噪音和響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)，適合測量步進(jìn)電機(jī)的電流。

ACS712是一種基于霍爾感應(yīng)原理的芯片，由一個精確的低偏移線性霍爾傳感器電路與位于接近IC表面的銅箔組成，電流流過銅箔時，產(chǎn)生一個磁場，霍爾元件根據(jù)磁場感應(yīng)出一個線性的電壓信號，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波、斬波與修正電路，輸出一個電壓信號，該信號從芯片的第七腳輸出，直接反應(yīng)出流經(jīng)銅箔電流的大小。

圖7 電流檢測電路

由于步進(jìn)電機(jī)額定電流為0.8 A，選擇量程為A的ACS712，此時的電壓電流轉(zhuǎn)化系數(shù)為185 mV／A。輸出電壓Vout和被檢測的電流IP間的關(guān)系為：Vout＝0.185 IP＋2.5。ACS712的電壓輸出范圍為1.575～3.425 V，量程為1.85 V。由于ACS712的最大輸出電壓為3.425 V，而STM32單片機(jī)的供電電壓為3.3 V，因此，需要在ACS712輸出端進(jìn)行分壓。

2.4 STM32程序

STM32是一款高性能、低成本、低功耗嵌入式單片機(jī)。STM32程序主要由主程序和定時中斷處理兩部分組成。

主程序流程如圖8所示，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括啟動定時器，設(shè)置串口等。然后不停的更新采集到的流量值Qnow和電流值Inow，并通過串口向PC機(jī)發(fā)送Qnow和Inow。當(dāng)STM32的串口接收到PC機(jī)命令時，更新流量設(shè)定值Qset和流量控制開始標(biāo)志變量start Flag。

定時中斷處理程序流程如圖9所示，定時器中斷程序用于在固定周期內(nèi)進(jìn)行PID計算。當(dāng)定時時間到時，先將定時值初始化，如果流量控制開始標(biāo)志變量startFlag的值不等于1時，說明此時不對流量進(jìn)行控制，中斷直接返回。當(dāng)start-Flag的值等于1時，對流量進(jìn)行控制，根據(jù)流量設(shè)定值和時時值之間的偏差，用PID算法得到輸出值，并控制執(zhí)行模塊進(jìn)行相應(yīng)動作后，中斷再返回。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

C＃是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運(yùn)行于.NET Framework的高級程序設(shè)計語言［10］。C＃綜合了VB簡單的可視化操作和C＋＋的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為微軟公司極力推薦的新一代程序開發(fā)語言。

圖8 STM32主程序流程圖

圖9 定時中斷處理程序流程圖

圖10 C＃編程界面

微軟公司的.NET開發(fā)平臺為基于C＃的應(yīng)用程序開發(fā)提供了豐富的類庫，軟件主要用到了chart類（圖表類）和SerialPort類 （串口通訊類）。軟件界面如圖10所示，應(yīng)用SerialPort類能簡單的實(shí)現(xiàn)串口通訊，通過chart類可以方便的把從串口獲取的流量值和電流值轉(zhuǎn)化為波形，從而可以直觀便捷的對流量調(diào)節(jié)閥的控制效果進(jìn)行分析和評價。

4 系統(tǒng)測試及性能分析

當(dāng)手動平衡閥已轉(zhuǎn)到最大極限位置時，電機(jī)輸出扭矩將會急劇變大，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)電流也隨著變大。因此，只要檢測步進(jìn)電機(jī)電流的大小就能確定手動平衡閥是否到達(dá)了極限調(diào)節(jié)值。

每隔30 min，使水流量的設(shè)定值依次為50 L／min、100 L／min、150 L／min、200 L／min和250 L／min，時時采集輸出的流量值和步進(jìn)電機(jī)電流的最大值。得到的流量和電流波形如圖11所示。

圖11 流量調(diào)節(jié)閥性能分析軟件

從圖11的流量波形中可以看出，當(dāng)流量從50 L／min增加到200 L／min過程中，輸出的流量能準(zhǔn)確的跟隨設(shè)定值。當(dāng)流量設(shè)定值從200 L／min增加到250 L／min時，因?yàn)槭謩悠胶忾y已轉(zhuǎn)到最大極限位置處，手動平衡閥無法再打開的更大，所以輸出的流量無法繼續(xù)跟隨流量設(shè)定值，由此產(chǎn)生了無法消除的穩(wěn)態(tài)誤差。

從圖11流量波形中可以得到，當(dāng)流量從50 L／min增加到200 L／min過程中，步進(jìn)電機(jī)供電電流的保持在0.8 A左右，說明電機(jī)一直在動作，調(diào)節(jié)著輸出流量。當(dāng)流量設(shè)定值從200 L／min增加到250 L／min時，步進(jìn)電機(jī)電流急劇變大，可知手動平衡閥已轉(zhuǎn)到最大極限位置，通過控制電機(jī)脫機(jī)控制端，使電機(jī)停止工作，起到保護(hù)電機(jī)和手動平衡閥的作用。此時，從電流波形圖中可以看出，步進(jìn)電機(jī)供電電流迅速降為0 A，電機(jī)已處于停止?fàn)顟B(tài)。

基于PID的流量調(diào)節(jié)閥的控制精度如表1所示，當(dāng)流量調(diào)節(jié)閥正常工作時，流量的誤差很小。當(dāng)流量設(shè)定值從200 L／min增加到250 L／min時，由于此時手動平衡閥已轉(zhuǎn)到最大極限位置，步進(jìn)電機(jī)的電流急劇增大，電流保護(hù)電路使步進(jìn)電機(jī)停止工作，從而導(dǎo)致輸出的流量值波動開始變大。

表1 流量調(diào)節(jié)閥的控制精度

5 結(jié)束語

針對流量控制，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、精度高的流量調(diào)節(jié)閥。重點(diǎn)介紹了流量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果驗(yàn)證了基于PID的流量調(diào)節(jié)閥能使輸出的流量值準(zhǔn)確快速的跟隨設(shè)定值的變化，能實(shí)現(xiàn)高精度的流量控制。

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Design of Flow Regulating Valve Based on PID

Yu Zhiyong，Li Qing，Wang Yanjie，Zhou Zezheng，Wang Xianjin
（Institute of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China ）

Aiming at the flow control，the flow regulating valve based on PID with simple structure，convenient control and high precision is designed.The flow regulating based on PID is mainly composed of four parts，which are manual balancing valve，flow sensor，stepping motor and controller，The controller uses PID algorithm to control the stepping motor.Detection of stepping motor current value will be able to determine whether the manual balancing valve reaches the limit value，making the motor to stop working，thereby the motor and manual balancing valve are protected.In the experiment，the output flow value is set and the control effect of the flow regulator value is analyzed by using the PC.Through repeated experiments，it is proved that the output flow value can accurately and quickly follow the change of the set value.Research shows that the flow regulator valve based on PID can achieve high accuracy of flow control.

flow control；regulating valve；PID；stepping motor

1671-4598（2016）08-0118-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.032

：TH134

：A

2016-03-03；

：2016-03-28。

國家自然科學(xué)基金項目（60772008）；國家自然科學(xué)基金項目（41376111）；國家科技支撐計劃子課題（2012BAK10B05－3）；浙江省科技計劃項目（2015C33045）。

俞志勇（1990-），男，浙江紹興人，碩士研究生，主要從事檢測技術(shù)方向的研究。

李 青（1955-），男，浙江杭州人，教授，主要從事檢測技術(shù)方向的研究。