智能給水控制器設計

3．6 繼電器控制輸出電路
主控制器驅動5個靈敏繼電器K1～K5，分別控制1個泄流閥和2個泵電機，實現(xiàn)對泄流閥的打開與關斷控制和泵的變頻或工頻狀態(tài)切換。單片機通過信號線RX與TX將繼電器狀態(tài)控制信號串行輸出給串行移位寄存器芯片74HC595D，由74HC595D將輸出狀態(tài)的硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾，最后通過達林頓管ULN2003提高驅動能力，以控制水泵電機的工作狀態(tài)和泄流閥的動作。

4 控制器的軟件設計
該設計中對變頻器輸出頻率的調節(jié)采用PID控制算法，其控制算法就是對偏差的比例、積分和微分。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟，應用最廣泛的一種算法，特別是在工業(yè)控制中，因為控制對象的精確數(shù)學模型很難建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因此常采用PID控制算法，其控制示意圖如圖6所示。

它的數(shù)學表達式為：

式中：KP，KI和KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e(t)為誤差。
式(1)離散化后可以用計算機很方便地實現(xiàn)，其位置式PID控制規(guī)律的數(shù)學表達式為：

式中：e(j)為第j次采樣的誤差值；T為采樣周期。
在實際應用中，一般選擇增量式PID控制規(guī)律。因為增量型算法與位置型算法相比，前者不需要做累加，不易產(chǎn)生大的累加誤差，而且得出的是控制量的增量，誤動作的影響比較小，更易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。增量式數(shù)字PID控制算式為：

在該設計中，執(zhí)行機構采用變頻器，由于采用增量式數(shù)字PID控制算法，所以對于每個采樣周期，控制器輸出的控制量都相對于上次的增加量，其系統(tǒng)控制算法流程如圖7所示。

圖7為增量式數(shù)字PID算法在整個系統(tǒng)中的控制流程，每次進入A／D定時采集中斷，壓力信號便會被轉化為數(shù)字量，PID控制模塊便將壓力信號的數(shù)字量通過算法處理得出相應的控制輸出數(shù)字量，接著啟動D／A將數(shù)字輸出轉換為模擬電壓輸出，其模擬電壓輸出用以控制變頻器。此模塊配合繼電器開關輸出模塊和壓力采集模塊，通過相應的控制策略實現(xiàn)實時測量和控制，保持供水管網(wǎng)壓力的動態(tài)平衡。為了方便現(xiàn)場調試，在設計中使PID調整的上升、下降和跟蹤采樣周期的設定值可變，可以在開機時通過鍵盤改變其值，從而改變PID參數(shù)，以適應不同場合的控制需要。如圖8所示，曲線1是參數(shù)調整前電機模塊控制電壓隨時間變化的響應曲線；曲線2為參數(shù)經(jīng)過多次調整之后的響應曲線?？梢钥闯?，經(jīng)過參數(shù)調整，系統(tǒng)的響應性能有了較大的提高，所以在實際應用環(huán)境中需要經(jīng)過多次調整設定值，以保證達到最佳的控制性能。

5 結語
分析了智能給水控制器的軟件和硬件設計。該控制器以SoC單片機C8051F410為核心，實現(xiàn)了對管網(wǎng)壓力的采集，對變頻器輸出的控制，而且擁有獨特靈活的用戶界面?？刂破鞑坏蓸雍涂刂凭雀?，而且有多種保護和抗干擾功能，保證了控制器的穩(wěn)定性和安全性。采用控制器和變頻器構成的恒壓供水系統(tǒng)，不僅大大提高了供水質量，而且節(jié)能降耗效果也較為顯著，在當今國家能源緊張的情況下，具有重要的現(xiàn)實意義。