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(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，實(shí)現對泄流閥的打開(kāi)與關(guān)斷控制和泵的變頻或工頻狀態(tài)切換。單片機通過(guò)信號線(xiàn)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(guò)達林頓管ULN2003提高驅動(dòng)能力，以控制水泵電機的工作狀態(tài)和泄流閥的動(dòng)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。它是連續系統中技術(shù)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學(xué)模型很難建立，系統參數又經(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。

它的數學(xué)表達式為：

式中：KP，KI和KD分別為比例系數、積分系數和微分系數；e(t)為誤差。
式(1)離散化后可以用計算機很方便地實(shí)現，其位置式PID控制規律的數學(xué)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(shí)際應用中，一般選擇增量式PID控制規律。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(dòng)作的影響比較小，更易于實(shí)現手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。增量式數字PID控制算式為：

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

圖7為增量式數字PID算法在整個(gè)系統中的控制流程，每次進(jìn)入A／D定時(shí)采集中斷，壓力信號便會(huì )被轉化為數字量，PID控制模塊便將壓力信號的數字量通過(guò)算法處理得出相應的控制輸出數字量，接著(zhù)啟動(dòng)D／A將數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(kāi)關(guān)輸出模塊和壓力采集模塊，通過(guò)相應的控制策略實(shí)現實(shí)時(shí)測量和控制，保持供水管網(wǎng)壓力的動(dòng)態(tài)平衡。為了方便現場(chǎng)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(kāi)機時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)改變其值，從而改變PID參數，以適應不同場(chǎng)合的控制需要。如圖8所示，曲線(xiàn)1是參數調整前電機模塊控制電壓隨時(shí)間變化的響應曲線(xiàn)；曲線(xiàn)2為參數經(jīng)過(guò)多次調整之后的響應曲線(xiàn)?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)參數調整，系統的響應性能有了較大的提高，所以在實(shí)際應用環(huán)境中需要經(jīng)過(guò)多次調整設定值，以保證達到最佳的控制性能。

5 結語(yǔ)
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(shí)現了對管網(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(hù)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，保證了控制器的穩定性和安全性。采用控制器和變頻器構成的恒壓供水系統，不僅大大提高了供水質(zhì)量，而且節能降耗效果也較為顯著(zhù)，在當今國家能源緊張的情況下，具有重要的現實(shí)意義。