水塔自动供水控制系统设计 复杂详细 (2)

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2 系统方案

水温控制系统设计任务和要求： 该系统为一实验系统，系统设计任务：

设计一个水塔自动供水控制系统，水位可以在一定范围内由人工设定，实现自动调整，以保持设定的水位基本不变。

系统设计具体要求：

⑴ 当水位到达上线时，绿色报警灯亮，通知水满，并自动停止抽水； ⑵ 当水位到达下线时，红色报警灯亮，通知缺水，并自动开始抽水； ⑶ 水位检测电极要考虑对水质无不良影响；

2.1 红外式自动供水电部分确定

温控制系统是一个过程控制系统，在设计过程中，必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图1

给定值 控制器 执行器 被控对象 被控参数 测量变送

图1 过程控制组成框图

由图1可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的

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选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容怱视的工作。

2.2 红外式自动供水电分析

水位是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对水位进行测量和控制。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批水位控制器，如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。

⑴ 常规PID

PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有PID结构，在目前的温度控制领域应用十分广泛，即使在科技发达的日本，PID在其温度控制应用中仍然占80%的比例。其主要构成如图2所。

由图可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差

图2 模拟PID控制

e = w-y

并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：

u(t)?Kpe(t)?Ki?e(t)dt?Kdde(t)dt

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其中Kp---为调节器的比例放大系数

Ki---为积分时间常数 Kd---为微分时间常数 PID调节器的离散化表达式为

u(k)?Kpe(k)?KiTe(k)?其增量表达形式为：

?u(k)?u(k)?u(k?1)Kd[e(k)?e(k?1)]T?Kp[e(k)?e(k?1)]?KiTe(k)?

其中T为采样周期。

Kd[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]T可见温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数Kp、积分时间常数Ki微分时间常数Kd。

比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差；

积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定； 微分作用能有效的减小动态偏差。

在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护。 常规PID控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用PID控制，控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。对一个控制系统而言， 只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。

⑵ 自动控制方式

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为了实现温度的自动控制，必须要组成一定的系统结构。该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合），并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。

用的控制算法有以下几种：

(1)经典的比例积分微分控制算法。

(2)根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。

自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时，所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。

2.3 变频恒压供水系统的设计

供水泵组存在的问题和用水负荷的实际情况，我们设计采用11kW富士变频器，压力传感器，微电脑控制器(包括PID调节)等组成闭环调节垣压控制系统， 使水泵恒压供水，其供水压力可调。图3为供水控制系统组成方框图

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电 源 控制器 电气设备 水箱 变频器 红外传感器 水位开关 水池

图3 供水控制系统组成方框图

2.3.1 工作原理分析

三相动力变频应急电源供电对象和控制对象是电动机，那么设计思路要围绕电动机的特性而设计，要考虑电机的启动、调速、停止，要避免电机起动过程中的冲击电流。与其他EPS的不同的是这类EPS一般只有单路输出。当三相输入市电，正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对蓄电池组充电,蓄电池组处于全浮充状态，蓄电池组的电压比变频器支流环节的电压略低，当三相输入断电或异常时，自动转换由蓄电池组给变频器提供直流电。当需要电机负载工作时，送给变频器运行信号，变频器会立即启动并输出。变频器的频率给定可采用面板控制，也可采用远程给定，当然也可采用闭环工艺控制。

变频器的选择要从实际出发，由于在这里对变频器能使用到的功能不多。所以选择变频器要主要考虑三个因素：质量、价格和可操作性。

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