江若薇，江永鑫，張麗慧，張春梅

（廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024）

1 概況

在現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域，流量控制是一個(gè)重要的控制手段。流量控制過(guò)程中需要精準(zhǔn)控制每分鐘流量，還需在流量控制的過(guò)程中保持流量的穩(wěn)定流入和流出，過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。運(yùn)用流量傳感器可實(shí)現(xiàn)流量的遠(yuǎn)程控制、立即測(cè)量和精確調(diào)節(jié)等。通過(guò)流量檢測(cè)裝置，在很大程度上提高了流體計(jì)量的準(zhǔn)確度和調(diào)節(jié)的自動(dòng)化程度[1]。此外，系統(tǒng)還可以隨時(shí)隨地記錄測(cè)試流量，使系統(tǒng)更加可用[2-3]。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展[4-8]，這一概念逐漸被引入儀器儀表領(lǐng)域。如何實(shí)現(xiàn)流量控制系統(tǒng)的隨時(shí)隨地控制、查詢、記錄工作，使得流量控制系統(tǒng)智能化程度進(jìn)一步提高[1-3]。文獻(xiàn)[9]使用RFID實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程流量控制，由于RFID通訊距離有限，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程控制。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于GSM的遠(yuǎn)程流量控制系統(tǒng)，但GSM傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有限，難以實(shí)現(xiàn)云處理。由于微信平臺(tái)是一個(gè)成熟的、開(kāi)放的、用戶群體龐大的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，本文采用微信作為流程控制的用戶智能控制平臺(tái)，很大程度上有利于平臺(tái)的應(yīng)用和推廣，使得微信成為用戶智能設(shè)備系統(tǒng)的理想控制終端[11]。

本系統(tǒng)無(wú)需開(kāi)發(fā)APP軟件，用戶只需通過(guò)訂閱微信公眾號(hào)，在公眾號(hào)中輸入設(shè)備號(hào)和參考流量值即可。微信公眾號(hào)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至微信服務(wù)器，微信服務(wù)器通過(guò)URL接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ENC28J60以太網(wǎng)收發(fā)芯片。ENC28J60以太網(wǎng)收發(fā)芯片通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32f103。之后，STM32f103采用改進(jìn)的PID算法通過(guò)操作流量控制器來(lái)控制流量。同時(shí)，用戶可以通過(guò)微信官方賬號(hào)將控制指令發(fā)送到流量主板，通過(guò)設(shè)備服務(wù)器可以查詢當(dāng)前流量和歷史流量。

2 系統(tǒng)組成

流量控制器主要由水泵、電機(jī)、變頻器、流量傳感器、驅(qū)動(dòng)電路組成。當(dāng)水流流進(jìn)流量控制器系統(tǒng)時(shí)，流量傳感器開(kāi)始工作，水流沖擊傳感器的葉片(像風(fēng)車葉原理)，產(chǎn)生正比于水流速度的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)一個(gè)小磁鐵周期性觸發(fā)脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖數(shù)量知道水流速度，然后根據(jù)管徑算成流量，將當(dāng)前流量顯示在液晶屏幕上。水泵控制流量的穩(wěn)定，當(dāng)水流量大于一定的值時(shí)，變頻器開(kāi)始工作，通過(guò)調(diào)整交流電的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)流量的大小。[12]

系統(tǒng)電路連接如圖1、2所示。其中流量控制傳感器將流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32f103ZET6中，STM32f103ZET6控制驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制，進(jìn)而完成對(duì)水流量的最終控制。

微信公眾號(hào)是用戶與設(shè)備之間的中繼，微信公眾號(hào)提供了友好的人機(jī)界面和良好的操作體驗(yàn)。用戶可以通過(guò)手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備方便地向微信公眾號(hào)發(fā)送消息。用戶發(fā)送的消息將通過(guò)微信服務(wù)器發(fā)送到控制板，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)查詢。然而，微信公眾號(hào)只提供消息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，而定制的服務(wù)系統(tǒng)需要具備多種定制功能，在這種情況下，設(shè)備服務(wù)器非常需要高效的遠(yuǎn)程控制。

設(shè)備服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)云操作數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，以太網(wǎng)芯片ENC28J60可以直接與微信公眾號(hào)通信，也可以通過(guò)設(shè)備服務(wù)器與微信公眾號(hào)通信。以太網(wǎng)模塊也可替換為WIFI模塊。

3 控制算法

圖1 STM32f103ZET電路控制部分連接框圖

圖2 電路連接框圖

圖3 整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖

傳統(tǒng)的PID控制方法簡(jiǎn)單有效，但也存在一些缺陷，其中之一就是積分環(huán)節(jié)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差。本節(jié)將給出一種基于系統(tǒng)模型的改進(jìn)PID算法。整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。

傳統(tǒng)的PID表達(dá)式為：

其中，RFerr(t)=RFset-RFnow(t)是動(dòng)態(tài)誤差，Tu(t)是溫度的設(shè)定值，Kp,Ti和Td是比例常數(shù)。dt初始化為20ms由STM32f103ZET6的TIM3產(chǎn)生，公式離散為：

其中，Ki=1/RFi,Kd=RFd。

在PID控制中引入積分的目的是消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。但是，在設(shè)定開(kāi)始和結(jié)束或大大增加或減少的過(guò)程中，輸出系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)的較大偏差會(huì)導(dǎo)致PID的操作整體累加。因此，最終控制量超過(guò)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)所允許的最大作業(yè)范圍所對(duì)應(yīng)的極限控制量，從而造成更大的超調(diào)和更大的振蕩。

考慮積分分離，公式可改寫(xiě)為：

其中， nu(k)預(yù)期角度，nerr(k) 是轉(zhuǎn)速誤差，nmax是近似的最大轉(zhuǎn)速線性區(qū)域，nmin為近似線性區(qū)域的最小轉(zhuǎn)速。

當(dāng)流量低于-△RF,驅(qū)動(dòng)電路啟用，電機(jī)開(kāi)始工作。流量的差異轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)啟和關(guān)閉頻率。在這里，一個(gè)周期由打開(kāi)和關(guān)閉的時(shí)間組成，打開(kāi)時(shí)間占整個(gè)周期的50%。驅(qū)動(dòng)電路的觸發(fā)頻率可描述為:

其中，ε=(emax-|RFerr(k) | )是階躍函數(shù)，emax是與系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)。

流量控制系統(tǒng)的流量控制過(guò)程都是高度時(shí)變的控制過(guò)程；特別是在低壓和高壓區(qū)域，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓的非線性關(guān)系尤為明顯。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要反積分飽和。流量控制內(nèi)圈設(shè)計(jì)為：

其中，μ是一個(gè)頻率乘積常數(shù)，它依賴于流量效率和驅(qū)動(dòng)電路的最大允許觸發(fā)頻率，通常限制在0＜frelay＜100Hz(過(guò)高將超過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的允許頻率并造成損壞)。

△RF為考慮到惰性層段會(huì)減緩振蕩，為防止快速振蕩引起的超調(diào)而設(shè)置。當(dāng)流速RFnow高于RFset+△RF，電機(jī)開(kāi)始工作。電機(jī)的流量可描述為:

其中，δ是計(jì)算X9C103型數(shù)字電位器設(shè)定電阻的乘積常數(shù)，P是電力供應(yīng)，Ui是輸入電壓的有效值ω1圓周率的電源，s是傳輸速率，np是額定角度, Rsum是數(shù)字電位器的總電阻,為電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

系統(tǒng)在流量控制環(huán)節(jié)中均采用了級(jí)聯(lián)PID控制。各PID控制器都采用了積分分離和積分飽和理論。外環(huán)為流量環(huán)，內(nèi)環(huán)為電機(jī)和水泵速度環(huán)。RFu(k)·Gi(Z)由外圈得到的內(nèi)環(huán)的目標(biāo)值。 fnow(k), nnow(k)都是內(nèi)環(huán)的反饋。

在這個(gè)模型中， G1(Z) =μ 如上所述， G2(Z)可以描述為：

傳遞函數(shù)G3(Z)和G4(Z)與設(shè)備性能、流速速率等因素有關(guān)。由于 G3(Z)和G4(Z) 的復(fù)雜性和不確定性，無(wú)法計(jì)算出其精確的傳遞函數(shù)，也沒(méi)有給出具體的分析。該系統(tǒng)由流量傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)RFerr(k)的計(jì)算反饋。傳感器通過(guò)單線總線將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到單片機(jī)，這樣系統(tǒng)就不需要在AD轉(zhuǎn)換上花費(fèi)太多的資源和時(shí)間。系統(tǒng)的精度由RFerr(k)的精度決定，因此系統(tǒng)使用變頻器、電機(jī)、水泵進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以獲得準(zhǔn)確的值。

4 遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)

設(shè)備服務(wù)器由STM32f103和ENC28J60以太網(wǎng)收發(fā)芯片組成。設(shè)備服務(wù)器提供一個(gè)接口URL來(lái)與微信服務(wù)器交換數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)微信平臺(tái)API時(shí)，隨機(jī)生成URL、令牌和EncodingAESKey(如表1所示)。

表1 名詞的含義

提供消息后，微信服務(wù)器將向URL地址發(fā)送GET請(qǐng)求以填寫(xiě)，并檢查微信服務(wù)器發(fā)送的簽名，以驗(yàn)證消息是否來(lái)自微信服務(wù)器。

Access_token是公眾號(hào)的全局唯一接口調(diào)用憑證，當(dāng)微信公眾號(hào)調(diào)用每個(gè)接口時(shí)，將使用Access_token令牌。開(kāi)發(fā)人員需要得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。訪問(wèn)Access_token令牌的存儲(chǔ)必須保留至少512個(gè)字符空間。

發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，需要三個(gè)參數(shù):grant_type、access_token和appid。參數(shù)grant_type用于獲取access_token以完成客戶端憑據(jù)。參數(shù)appid用于第三方認(rèn)證，第三方用戶密鑰即appsecret需要參數(shù)secret證書(shū)。通常，微信服務(wù)器會(huì)將JSON包返回到公眾號(hào)。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，微信服務(wù)器與用戶設(shè)備服務(wù)器之間的連接是有效的。用戶可以通過(guò)微信公眾號(hào)與設(shè)備之間的通信間接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)查詢。用戶需要的只是一個(gè)移動(dòng)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程。

設(shè)置流量時(shí)，用戶可以通過(guò)微信公眾號(hào)底部的菜單欄選擇設(shè)備并設(shè)置流量，該菜單欄是可視化的。接收到微信服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將消息打包成字符串，例如“Device:001,Temp:20”，并嚴(yán)格執(zhí)行。STM32f103ZET6接收到數(shù)據(jù)包后，得到的流量控制器設(shè)備號(hào)為001。當(dāng)用戶需要查詢流量控制器的當(dāng)前流量時(shí)，向微信公眾號(hào)發(fā)送請(qǐng)求，如“Device:001,query”。設(shè)備服務(wù)器接收到微信服務(wù)器發(fā)送的字符串后，首先保存該字符串，然后使用正則表達(dá)式語(yǔ)法檢測(cè)字符串中是否包含單詞“Query”。如果該單詞確實(shí)存在，將使用鍵“001”找到對(duì)應(yīng)的值。由STM32f103ZET6發(fā)送到設(shè)備服務(wù)器的流量值將提前以字典的形式提前保存在設(shè)備服務(wù)器中。

5 結(jié)論

結(jié)合本設(shè)計(jì)實(shí)例，給出了基于電機(jī)的力學(xué)特性模型，流量控制模型和改進(jìn)的PID算法。通過(guò)具有積分分離和抗積分飽和度的三環(huán)級(jí)聯(lián)PID算法，流量控制器的誤差可以限制在0.5之內(nèi)。整體分離確保了系統(tǒng)的快速響應(yīng)。反積分飽和理論避免了異步電動(dòng)機(jī)缺陷引起的延遲。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和微信公眾號(hào)的使用，實(shí)現(xiàn)了利用該平臺(tái)進(jìn)行的設(shè)備遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)查詢。此外，許多廠商提供的云接口(如GIZWITS)也可以作為設(shè)備服務(wù)器的替代品。云提供商為數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間，還包括HTML控件的接口。在測(cè)試距離較遠(yuǎn)或測(cè)試周期較長(zhǎng)的情況下，用戶可以通過(guò)這些云服務(wù)平臺(tái)查詢之前的流量狀態(tài)，分析之前的數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制和監(jiān)控。使用這些工具，單片機(jī)只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)固定的URL來(lái)控制和管理設(shè)備。