智能給水控制器設(shè)計(jì)

3．6 繼電器控制輸出電路
主控制器驅(qū)動(dòng)5個(gè)靈敏繼電器K1～K5，分別控制1個(gè)泄流閥和2個(gè)泵電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄流閥的打開與關(guān)斷控制和泵的變頻或工頻狀態(tài)切換。單片機(jī)通過信號(hào)線RX與TX將繼電器狀態(tài)控制信號(hào)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(dá)林頓管ULN2003提高驅(qū)動(dòng)能力，以控制水泵電機(jī)的工作狀態(tài)和泄流閥的動(dòng)作。

4 控制器的軟件設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)中對(duì)變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)采用PID控制算法，其控制算法就是對(duì)偏差的比例、積分和微分。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛的一種算法，特別是在工業(yè)控制中，因?yàn)榭刂茖?duì)象的精確數(shù)學(xué)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(xué)表達(dá)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(jì)算機(jī)很方便地實(shí)現(xiàn)，其位置式PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：e(j)為第j次采樣的誤差值；T為采樣周期。
在實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇增量式PID控制規(guī)律。因?yàn)樵隽啃退惴ㄅc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(dòng)作的影響比較小，更易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。增量式數(shù)字PID控制算式為：

在該設(shè)計(jì)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用變頻器，由于采用增量式數(shù)字PID控制算法，所以對(duì)于每個(gè)采樣周期，控制器輸出的控制量都相對(duì)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(gè)系統(tǒng)中的控制流程，每次進(jìn)入A／D定時(shí)采集中斷，壓力信號(hào)便會(huì)被轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，PID控制模塊便將壓力信號(hào)的數(shù)字量通過算法處理得出相應(yīng)的控制輸出數(shù)字量，接著啟動(dòng)D／A將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)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(guān)輸出模塊和壓力采集模塊，通過相應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量和控制，保持供水管網(wǎng)壓力的動(dòng)態(tài)平衡。為了方便現(xiàn)場調(diào)試，在設(shè)計(jì)中使PID調(diào)整的上升、下降和跟蹤采樣周期的設(shè)定值可變，可以在開機(jī)時(shí)通過鍵盤改變其值，從而改變PID參數(shù)，以適應(yīng)不同場合的控制需要。如圖8所示，曲線1是參數(shù)調(diào)整前電機(jī)模塊控制電壓隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線；曲線2為參數(shù)經(jīng)過多次調(diào)整之后的響應(yīng)曲線。可以看出，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，系統(tǒng)的響應(yīng)性能有了較大的提高，所以在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中需要經(jīng)過多次調(diào)整設(shè)定值，以保證達(dá)到最佳的控制性能。

5 結(jié)語
分析了智能給水控制器的軟件和硬件設(shè)計(jì)。該控制器以SoC單片機(jī)C8051F410為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管網(wǎng)壓力的采集，對(duì)變頻器輸出的控制，而且擁有獨(dú)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(hù)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(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)，不僅大大提高了供水質(zhì)量，而且節(jié)能降耗效果也較為顯著，在當(dāng)今國家能源緊張的情況下，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。