單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)
2013/7/16 15:16:10??????點(diǎn)擊：
單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)
近年來(lái)隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)的更新。目前對(duì)高樓恒壓供水控制的研究以及已開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)各有所長(zhǎng)。隨著微機(jī)技術(shù)及變頻技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)能高效的控制系統(tǒng)將是高樓恒壓供水系統(tǒng)研究的方向。
介紹了用 AT89C51單片機(jī)控制的變頻調(diào)速高樓恒壓供水系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及單片機(jī)控制程序框圖。在系統(tǒng)中，AT89C51CPU 產(chǎn)生三相交流調(diào)頻控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后，輸送到逆變主橋路，實(shí)現(xiàn)恒壓調(diào)速。
1 緒論
供水系統(tǒng)的動(dòng)力，通常優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)中，水的流出量是隨用戶(hù)用水需求變化而變化的，傳統(tǒng)的控制方法是調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)。隨著電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速方法在高樓恒壓供水控制系統(tǒng)得以應(yīng)用，這不僅大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，而且也有效地解決了這一問(wèn)題，減少了能源浪費(fèi)。
近年來(lái)，隨著居民區(qū)的不斷擴(kuò)建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國(guó)居民用水難問(wèn)題越來(lái)越突出，特別是高層建筑居民，原有的自來(lái)水管網(wǎng)的壓力出現(xiàn)不足，大部分地區(qū)普遍存在著用水高峰期高層供不上水，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問(wèn)題，給生活帶來(lái)極大的不便，特別在大城市這類(lèi)問(wèn)題特別突出。
針對(duì)上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)與變頻調(diào)速相結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)高樓恒壓供水，該控制器是以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，通過(guò)控制變頻器的輸出頻率從而自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)(PID)，使供水系統(tǒng)自動(dòng)恒穩(wěn)于設(shè)定的壓力值。即用水量增加時(shí)，頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量相應(yīng)增大，當(dāng)用水量超過(guò)一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過(guò)控制器加泵;用水量減少時(shí)，頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量也相應(yīng)減小。也就是根據(jù)用水量的大小，由供水控制器控制水泵數(shù)量以及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水。同時(shí)達(dá)到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。
采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱，水塔，水質(zhì)無(wú)二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水方案。此外，恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于某些工業(yè)或特殊用戶(hù)是非常重要的。例如：在某些生產(chǎn)過(guò)程中，若自來(lái)水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若供水壓力不足或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以采用以前很難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法，控制性能也有了很大提高。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中控制器的智能化，為解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供了有效的理論和方法。運(yùn)動(dòng)控制方法較為成熟的有：PID控制算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專(zhuān)家控制、仿人智能控制等。
PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的、應(yīng)用領(lǐng)域至今仍然廣泛的控制方法之一，它是基于對(duì)象數(shù)學(xué)模型的方法，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。
在城市建設(shè)的發(fā)展過(guò)程中，智能建筑已成為人們追求良好居住條件的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而高樓恒壓供水是智能建筑群不可缺少的環(huán)節(jié)，合理選擇水泵的控制方式，不僅可以降低工程造價(jià)，還能節(jié)能。
針對(duì)特定對(duì)象，用戶(hù)用水最突出的特點(diǎn)是隨機(jī)性，哪個(gè)用戶(hù)用水、用多少水、什么時(shí)候用水等，都具有很大的不確定性。從宏觀(guān)角度考慮，供水系統(tǒng)特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性；
（2）系統(tǒng)滯后的未知性和時(shí)變性；
（3）系統(tǒng)嚴(yán)重的非線(xiàn)性；
（4）系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性；
（5）環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。
上述特性，屬于不確定性的復(fù)雜對(duì)象（或過(guò)程）的控制問(wèn)題，傳統(tǒng)控制已經(jīng)無(wú)能為力，主要表現(xiàn)在：
（1）不確定性問(wèn)題。供水系統(tǒng)中的很多控制問(wèn)題具有不確定性，用傳統(tǒng)方法難以建模，因而也無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的控制。
（2）高度非線(xiàn)性。在供水系統(tǒng)中有大量的非線(xiàn)性問(wèn)題存在，傳統(tǒng)控制理論中，非線(xiàn)性理論遠(yuǎn)不如線(xiàn)性理論成熟，因方法過(guò)分復(fù)雜而難以應(yīng)用。
（3）半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題。傳統(tǒng)控制理論無(wú)法解決供水系統(tǒng)中的半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題。
（4）供水系統(tǒng)復(fù)雜性問(wèn)題。復(fù)雜系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，各要素間高度耦合，互相制約，外部環(huán)境又極其復(fù)雜，傳統(tǒng)控制缺乏有效的解決方法。
（5）可靠性問(wèn)題。常規(guī)的基于數(shù)學(xué)模型的控制問(wèn)題傾向于是一個(gè)相互依賴(lài)的整體，對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的控制的可靠性問(wèn)題并不突出。而對(duì)供水系統(tǒng)，如果采用上述文章綜述了運(yùn)動(dòng)控制的主要方法，并針對(duì)供水系統(tǒng)的特性、控制中存在的問(wèn)題，進(jìn)行了供水泵站最佳控制策略的選取方法，則可能由于條件的改變使整個(gè)控制系統(tǒng)崩潰。
由此可見(jiàn)，用傳統(tǒng)的方法不能對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，必須探索更有效的控制方法。無(wú)論采用什么樣的控制手段，都要滿(mǎn)足用戶(hù)用水需求（即維持一定的水壓）、保護(hù)環(huán)境不受噪聲污染，此外還要考慮節(jié)能。因此，控制要求可以確定為在滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)供水要求的前提下，盡可能減少環(huán)境污染和節(jié)約能源。控制策略選取與被控對(duì)象特性是緊密相關(guān)的，錯(cuò)誤或不當(dāng)?shù)目刂撇呗酝鶗?huì)導(dǎo)致控制效果極差，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失控。
目前，在現(xiàn)代的供水泵站中為了節(jié)能都普遍采用了變頻器，為提高控制品質(zhì)創(chuàng)造了良好條件。變頻器里一般都有PID控制模塊，但對(duì)不確定性的供水復(fù)雜系統(tǒng)，用PID算法并不恰當(dāng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因方法的局限性，同樣也難于對(duì)所討論的對(duì)象實(shí)現(xiàn)有效的控制。專(zhuān)家控制系統(tǒng)（ECS），由于特征信息的采集、特征信息的表達(dá)以及完備知識(shí)庫(kù)的建立實(shí)現(xiàn)難度大，采用專(zhuān)家控制系統(tǒng)也不一定是一個(gè)好的選擇。以模糊控制理論為基礎(chǔ)的模糊控制器（FC）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的控制。其控制品質(zhì)和效果還是令人滿(mǎn)意的，是一種可供選擇的策略。
智能控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)解決了大量的傳統(tǒng)控制無(wú)法解決的實(shí)際控制應(yīng)用問(wèn)題，呈現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和發(fā)展前景，隨著基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際應(yīng)用的擴(kuò)展，智能控制將會(huì)實(shí)現(xiàn)控制領(lǐng)域的一個(gè)大的飛躍。
1.2 單片機(jī)介紹
1.2.1 單片機(jī)概述
單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。
單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類(lèi)似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線(xiàn)，還有和硬盤(pán)作用相同的存儲(chǔ)器件，不同的是它的這些部件性能都相對(duì)我們的家用電腦弱很多，不過(guò)價(jià)錢(qián)也是低的，一般不超過(guò)10元即可。用它來(lái)做一些控制電器一類(lèi)不是很復(fù)雜的工作足矣了。
它是一種在線(xiàn)式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線(xiàn)式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線(xiàn)式計(jì)算機(jī)的（比如家用PC）的主要區(qū)別。
單片機(jī)是用程序的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó)50年代開(kāi)發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來(lái)搞定的話(huà)，電路一定是一塊大PCB板。但是如果要是用美國(guó)70年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別。只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。
1.2.2 單片機(jī)的匯編語(yǔ)言
由于單片機(jī)對(duì)成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級(jí)匯編語(yǔ)言，它是除了二進(jìn)制機(jī)器碼以上最低級(jí)的語(yǔ)言了，既然這么低級(jí)為什么還要用呢？很多高級(jí)的語(yǔ)言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡(jiǎn)單，就是單片機(jī)沒(méi)有家用計(jì)算機(jī)那樣的CPU，也沒(méi)有像硬盤(pán)那樣的海量存儲(chǔ)設(shè)備。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十K的尺寸。對(duì)于家用PC的硬盤(pán)來(lái)講沒(méi)什么，可是對(duì)于單片機(jī)來(lái)講是不能接受的。單片機(jī)在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。如果把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來(lái)運(yùn)行，家用PC的也是承受不了的。
1.2.3 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域
目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域。
1.2.4 單片機(jī)學(xué)習(xí)應(yīng)用的6大重要部分
總線(xiàn)：我們知道，一個(gè)電路總是由元器件通過(guò)電線(xiàn)連接而成的，模擬電路中，連線(xiàn)并不成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楦髌骷g一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線(xiàn)并不很多，但計(jì)算機(jī)電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以需要的連線(xiàn)就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨(dú)連線(xiàn)，線(xiàn)的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機(jī)中引入了總線(xiàn)的概念，各個(gè)器件共同享用連線(xiàn)，所有器件的8根數(shù)據(jù)線(xiàn)全部接到8根公用的線(xiàn)上，即相當(dāng)于各個(gè)器件并聯(lián)起來(lái)，但僅這樣還不行，如果有兩個(gè)器件同時(shí)送出數(shù)據(jù)，一個(gè)為0，一個(gè)為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過(guò)控制線(xiàn)進(jìn)行控制，使器件分時(shí)工作，任何時(shí)候只能有一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)（可以有多個(gè)器件同時(shí)接收）。器件的數(shù)據(jù)線(xiàn)也就被稱(chēng)為數(shù)據(jù)總線(xiàn)，器件所有的控制線(xiàn)被稱(chēng)為控制總線(xiàn)。在單片機(jī)內(nèi)部或者外部存儲(chǔ)器及其它器件中有存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號(hào)的形式給出的，由于存儲(chǔ)單元比較多，所以，用于地址分配的線(xiàn)也較多，這些線(xiàn)被稱(chēng)為地址總線(xiàn)。
數(shù)據(jù)、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因?yàn)檫@三者的本質(zhì)都是一樣的——數(shù)字，或者說(shuō)都是一串“0”和“1”組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令是由單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不可以由單片機(jī)的開(kāi)發(fā)者更改。地址是尋找單片機(jī)內(nèi)部、外部的存儲(chǔ)單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設(shè)計(jì)者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機(jī)開(kāi)發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的。數(shù)據(jù)是由微處理機(jī)處理的對(duì)象，在各種不同的應(yīng)用電路中各不相同，一般而言，被處理的數(shù)據(jù)可能有這么幾種情況：
（1）地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。
?。?）方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。
（3）常數(shù)（如MOV TH0，#10H）10H即定時(shí)常數(shù)。
?。?）實(shí)際輸出值（如P1口接彩燈，要燈全亮，則執(zhí)行指令：MOV P1，#0FFH，要燈全暗，則執(zhí)行指令：MOV P1，#00H）這里0FFH和00H都是實(shí)際輸出值。又如用于LED的字形碼，也是實(shí)際輸出的值。理解了地址、指令的本質(zhì)，就不難理解程序運(yùn)行過(guò)程中為什么會(huì)跑飛，會(huì)把數(shù)據(jù)當(dāng)成指令來(lái)執(zhí)行了。
程序的執(zhí)行過(guò)程： 單片機(jī)在通電復(fù)位后AT89C51內(nèi)的程序計(jì)數(shù)器（PC）中的值為“0000”，所以程序總是從“0000”單元開(kāi)始執(zhí)行，也就是說(shuō)：在系統(tǒng)的ROM中一定要存在“0000”這個(gè)單元，并且在“0000”單元中存放的一定是一條指令。
堆棧：堆棧是一個(gè)區(qū)域，是用來(lái)存放數(shù)據(jù)的，這個(gè)區(qū)域本身沒(méi)有任何特殊之處，就是內(nèi)部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即“PUSH”和“POP”，有一個(gè)特殊的專(zhuān)為其服務(wù)的單元，即堆棧指針SP，每當(dāng)執(zhí)一次PUSH指令時(shí)，SP就自動(dòng)加1，每當(dāng)執(zhí)行一次POP指令，SP就自動(dòng)減1。由于SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開(kāi)始階段更改了SP的值，就可以把堆棧設(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開(kāi)始時(shí)，用一條MOV SP，#5FH指令，就時(shí)把堆棧設(shè)置在從內(nèi)存單元60H開(kāi)始的單元中。一般程序的開(kāi)頭總有這么一條設(shè)置堆棧指針的指令，因?yàn)殚_(kāi)機(jī)時(shí)，SP的初始值為07H，這樣就使堆棧從08H單元開(kāi)始往后，而08H到1FH這個(gè)區(qū)域正是8031的第二、三、四工作寄存器區(qū)，經(jīng)常要被使用，這會(huì)造成數(shù)據(jù)的混亂。
1.2.5 單片機(jī)引腳
以AT89C51單片機(jī)為例講解單片機(jī)的引腳及相關(guān)功能：40個(gè)引腳按引腳功能大致可分為4個(gè)種類(lèi)：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。
（1）電源：VCC-芯片電源，接+5V；VSS-接地端。
用萬(wàn)用表測(cè)試單片機(jī)引腳電壓一般為0v或者5v，這是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。但有時(shí)候在單片機(jī)程序正在工作時(shí)候測(cè)試結(jié)果并不是這個(gè)值而是介于0v-5v之間，其實(shí)這是萬(wàn)用表的響應(yīng)速度沒(méi)這么快而已，在某一個(gè)瞬間單片機(jī)引腳電壓仍保持在0v或者5v。
（2）時(shí)鐘：XTAL1、XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。
（3）控制線(xiàn)：控制線(xiàn)共有4根。
ALE/PROG：地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖。
ALE功能：用來(lái)鎖存P0口送出的低8位地址。
PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。
PSEN：外ROM讀選通信號(hào)。
RST/VPD：復(fù)位/備用電源。
RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。
VPD功能：在VCC掉電情況下，接備用電源。
EA/VPP：內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。
EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。
VPP功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源VPP。
（4）I/O線(xiàn)
AT89C51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。
P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線(xiàn)）。
1.3 傳感器介紹
1.3.1 傳感器定義
傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。
1.3.2 傳感器的分類(lèi)
可以用不同的觀(guān)點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類(lèi)：它們的轉(zhuǎn)換原理、它們的用途、它們的輸出信號(hào)類(lèi)型以及制作它們的工藝等。
根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器。
按照其用途傳感器可分類(lèi)為：壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、射線(xiàn)輻射傳感器、振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。
以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)將傳感器分為：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開(kāi)關(guān)傳感器。
按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為：集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器。
1.3.3 傳感器的特性
（1）傳感器靜態(tài)特性
傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫(huà)出的特性曲線(xiàn)來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線(xiàn)性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
（2）傳感器動(dòng)態(tài)特性
所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。
（3）傳感器的線(xiàn)性度
通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線(xiàn)而非直線(xiàn)。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線(xiàn)近似地代表實(shí)際的特性曲線(xiàn)、線(xiàn)性度（非線(xiàn)性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。
擬合直線(xiàn)的選取有多種方法。如將零輸入和滿(mǎn)量程輸出點(diǎn)相連的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)；或?qū)⑴c特性曲線(xiàn)上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，此擬合直線(xiàn)稱(chēng)為最小二乘法擬合直線(xiàn)。
（4）傳感器的靈敏度
靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對(duì)輸入量變化△x的比值。它是輸入輸出特性曲線(xiàn)的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線(xiàn)性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。
（5）傳感器的分辨力
分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。
通常傳感器在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿(mǎn)量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿(mǎn)量程的百分比表示，則稱(chēng)為分辨率。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負(fù)相相關(guān)性。
（6）傳感器的遲滯特性
遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減小）行程間輸入輸出特性曲線(xiàn)不一致的程度，通常用這兩條曲線(xiàn)之間的最大差值△MAX與滿(mǎn)量程輸出F•S的百分比表示。遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成。
1.4 變頻器介紹
1.4.1 變頻器概述
變頻器是一種用來(lái)改變交流電頻率的電氣設(shè)備。此外，它還具有改變交流電電壓的輔助功能。過(guò)去，變頻器一般被包含在電動(dòng)發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器等電氣設(shè)備中。隨著半導(dǎo)體電子設(shè)備的出現(xiàn)，人們已經(jīng)可以生產(chǎn)完全獨(dú)立的變頻器。
變頻器通常包含3個(gè)組成部分：整流器和逆變器,還有直流部分。其中，整流器將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，逆變器將直流電再轉(zhuǎn)換成所需頻率的交流電。除了這2個(gè)部分之外，變頻器還有可能包含變壓器和電池。其中，變壓器用來(lái)改變電壓并可以隔離輸入/輸出的電路，電池用來(lái)補(bǔ)償變頻器內(nèi)部線(xiàn)路上的能量損失。不同的變頻器能夠處理的電源功率是不一樣的。
1.4.2 變頻器構(gòu)成
變頻器主要是由主電路、控制電路組成。
主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類(lèi)：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。
（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。
（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。
（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開(kāi)關(guān)時(shí)間和電壓波形。
控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。
（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。
?。?）電壓、電流檢測(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。
?。?）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。
（4）速度檢測(cè)電路：以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
?。?）保護(hù)電路：檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。
1.4.3 變頻器的應(yīng)用
變頻器除了可以用來(lái)改變交流電源的頻率之外，還可以用來(lái)改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。在該應(yīng)用環(huán)境下，最典型的變頻器結(jié)構(gòu)是三相二級(jí)電壓源變頻器。該變頻器通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）來(lái)控制各相電壓。變頻器還可以在航空航天業(yè)中。例如：飛機(jī)上的電力設(shè)備通常需要400Hz的交流電，而地面上使用的交流電一般為50Hz或60Hz。因此，當(dāng)飛機(jī)停在地面上時(shí)，需要使用變頻器將地面上的50Hz或60Hz的交流電變?yōu)?00Hz的交流電供飛機(jī)使用。
1.5 仿真機(jī)介紹
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門(mén)綜合性技術(shù)。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時(shí)間比例尺等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)價(jià)、培訓(xùn)系統(tǒng)的重要工具。
仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進(jìn)行試驗(yàn)，從中得到所需的信息，然后幫助人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的某一層次的問(wèn)題做出決策。仿真是一個(gè)相對(duì)概念，任何逼真的仿真都只能是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對(duì)所欲處理的客觀(guān)系統(tǒng)的問(wèn)題，又要針對(duì)提出處理者的需求層次，否則很難評(píng)價(jià)一個(gè)仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣。
傳統(tǒng)的仿真方法是一個(gè)迭代過(guò)程，即針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)某一層次的特性（過(guò)程），抽象出一個(gè)模型，然后假設(shè)輸入，進(jìn)行試驗(yàn)，由試驗(yàn)者判讀輸出結(jié)果和驗(yàn)證模型，根據(jù)判斷的情況來(lái)修改模型和有關(guān)的參數(shù)。如此迭代地進(jìn)行，直到認(rèn)為這個(gè)模型已滿(mǎn)足試驗(yàn)者對(duì)客觀(guān)系統(tǒng)的某一層次的仿真目的為止。
模型對(duì)系統(tǒng)某一層次特性的抽象描述包括：系統(tǒng)的組成，各組成部分之間的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、邏輯關(guān)系，在某些輸入條件下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)等。根據(jù)系統(tǒng)模型狀態(tài)變量變化的特征，又可把系統(tǒng)模型分為：連續(xù)系統(tǒng)模型――狀態(tài)變量是連續(xù)變化的；離散（事件）系統(tǒng)模型――狀態(tài)變化在離散時(shí)間點(diǎn)（一般是不確定的）上發(fā)生變化；混合型――上述兩種的混合。
為了建立一個(gè)有效的仿真系統(tǒng)，一般都要經(jīng)歷建立模型、仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、分析驗(yàn)證等步驟。為了構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的較大規(guī)模的仿真系統(tǒng)，除仿真機(jī)外，還需配 有控制和顯示設(shè)備。
2 系統(tǒng)工作原理與構(gòu)成
2.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本原理
壓力傳感器將總水管的水壓變換為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大、D/A轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換值進(jìn)行PID運(yùn)算處理，進(jìn)而控制變頻器的輸出頻率。當(dāng)水壓低于給定壓力時(shí)，變頻器的頻率增加；當(dāng)水壓高于給定壓力時(shí)，變頻器的頻率減小。這種變化，直至水管壓力與給定值相當(dāng)。
2.2 系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)原理
恒壓供水的基本控制策略是：采用單片機(jī)與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵的數(shù)量，自動(dòng)補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值，既可以滿(mǎn)足高樓供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高樓恒壓供水。
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由變頻器、泵組電機(jī)、供水管網(wǎng)、儲(chǔ)水箱、智能PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、單片機(jī)等部分組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示。
其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時(shí)變頻器還可作為電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，限制電機(jī)啟動(dòng)電流。壓力變送器的作用是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。智能PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的PID調(diào)節(jié)。單片機(jī)則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)還是變頻器的驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動(dòng)調(diào)整其它工頻泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。變頻器和單片機(jī)的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng), 消除了對(duì)電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)機(jī)電設(shè)備的使用壽命。
2.3 硬件結(jié)構(gòu)
如圖 2.2所示。恒壓供水系統(tǒng)的動(dòng)力通常都使用三相異步電動(dòng)機(jī)，其三相交流電源通過(guò)半控全波整流電路整流成直流，再經(jīng)逆變器逆變獲得。電源頻率的大小取決于大功率晶體管的導(dǎo)通頻率。改變晶體管基極的控制信號(hào)，就可以很容易地改變?nèi)嚯娫吹念l率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。
AT89C51是高檔8位單片機(jī)，它留有P0、P1、P2、P3 4個(gè)I/O接口，內(nèi)部有256BRAM、4KB ROM和2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器與5個(gè)中斷源。系統(tǒng)把P0.7～P0.0作為系統(tǒng)運(yùn)行壓力與給定壓力信號(hào)差輸入端，把 作為外部中斷源的請(qǐng)求信號(hào)，把P1.3～P1.7作為單片機(jī)的輸出端。P1.3～P1.5輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器電路放大，用于控制逆變電路中大功率晶體管的通斷；P1.6～P1.7輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，用于控制晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 硬件技術(shù)
本系統(tǒng)主要是針對(duì)高樓恒壓供水進(jìn)行控制。因此我們要求的水壓不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)范圍，因此我們?cè)O(shè)定了一個(gè)壓力值，在此壓力值的上下限附近設(shè)定一個(gè)回差帶
3.2 硬件組成
針對(duì)硬件技術(shù)要求，本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，組成一個(gè)集壓力的采集、處理、顯示、自動(dòng)控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理框如圖3.2。圖中硬件組成主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)信息處理、壓力采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換、顯示、報(bào)警、鍵聲及控制部分。
具體工作如下：
利用集成壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的采集，然后信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器、保持器和 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量變?yōu)閿?shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行處理。我們預(yù)先從鍵盤(pán)輸入一個(gè)壓力范圍（上限報(bào)警值和下限報(bào)警值、上限值、上限復(fù)位值、下限值、下限復(fù)位值），通過(guò)壓力采集系統(tǒng)檢測(cè)出水泵的壓力，由數(shù)字顯示電路顯示出當(dāng)時(shí)的壓力，當(dāng)壓力高于上限值時(shí)，系統(tǒng)將起動(dòng)降壓設(shè)備，把壓力降下來(lái)，根據(jù)采樣壓力值與下限值的差值占上限與下限之間的差值的百分比平均地起動(dòng)設(shè)備的臺(tái)數(shù)，當(dāng)壓力低于上限復(fù)位值時(shí)，才關(guān)閉全部的設(shè)備。升壓設(shè)備停止工作。當(dāng)壓力低于下限值時(shí)，與高于上限值的控制方法相同。當(dāng)壓力高于或低于報(bào)警的上下限值時(shí)，報(bào)警器發(fā)聲，提醒工作人員此時(shí)壓力太高或太低，以做出相應(yīng)的措施。
其中：
?。?）為使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加完善，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)匹配了矩陣式鍵盤(pán)以及由四位LED數(shù)碼管組成的顯示器以顯示實(shí)時(shí)的溫度值及事先給定的溫度值。
?。?）為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在原有硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電源檢測(cè)、報(bào)警等電路以促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的功能更加完善。
?。?）為使掉電后上次設(shè)定的參數(shù)不至于丟掉，本系統(tǒng)采用串行EEPROM－24C02進(jìn)行掉電前的參數(shù)存儲(chǔ)。24C02和AT89C51的典型接口電路如下：
4 軟件設(shè)計(jì)
4 .1 PID控制
4.1.1 PID控制規(guī)律
其中 為比例系數(shù)， 為積分時(shí)間常數(shù)， 為微分時(shí)間常數(shù)。
當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。
PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。
PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為 ，式中積分的上下限分別是0和t。因此它的傳遞函數(shù)為： 。其中 為比例系數(shù)， 為積分時(shí)間常數(shù)， 為微分時(shí)間常數(shù)。
它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化的產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（ ， 和 ）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。
雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線(xiàn)性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。PID參數(shù)較易整定，也就是，PID參數(shù) , 和 可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。
4.1.2 PID控制器的分析
在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖趩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線(xiàn)尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒(méi)有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。
因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開(kāi)環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過(guò)程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù)。
PID在控制非線(xiàn)性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。
雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器。
目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志?？刂评碚摰陌l(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司都開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。
（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴(lài)將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。
（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱(chēng)為負(fù)反饋，若極性相同，則稱(chēng)為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱(chēng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后做出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）階躍響應(yīng)
階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。
4.1.3 PID控制的原理和特點(diǎn)
在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例
關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。
4.1.4 PID控制器的參數(shù)整定
PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。
4.1.5 PID控制實(shí)現(xiàn)
各種變頻器的反饋邏輯稱(chēng)謂各不相同，甚至有類(lèi)似的稱(chēng)謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以所選用變頻器的說(shuō)明書(shū)介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測(cè)到的反饋信號(hào)對(duì)變頻器輸出頻率的控制極性。
要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的PID控制功能，首先應(yīng)將PID功能預(yù)置為有效。其方法有兩種：一是通過(guò)變頻器的功能參數(shù)碼預(yù)置，例如，康沃CVF-G2系列變頻器，將參數(shù)H-48設(shè)為O時(shí)，則無(wú)PID功能；設(shè)為1時(shí)為普通PID控制；設(shè)為2時(shí)為恒壓供水PID。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如安川CIMR-G7A系列變頻器，在多功能輸入端子Sl-S10中任選一個(gè)，將功能碼H1-01～H1-10(與端子S1-S10相對(duì)應(yīng))預(yù)置為19，則該端子即具有決定PID控制是否有效的功能，該端子與公共端子SC“ON”時(shí)無(wú)效，“OFF”時(shí)有效。應(yīng)注意的是大部分變頻器兼有上述兩種預(yù)置方式，但有少數(shù)品牌的變頻器只有其中的一種方式。
在一些控制要求不十分嚴(yán)格的系統(tǒng)中，有時(shí)僅使用PI控制功能、不啟動(dòng)D功能就能滿(mǎn)足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程比較簡(jiǎn)單。
欲使變頻系統(tǒng)中的某一個(gè)物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，變頻器的PID功能電路將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的PID控制至少需要兩種控制信號(hào)：目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)。這里所說(shuō)的目標(biāo)信號(hào)是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，亦稱(chēng)目標(biāo)值或給定值；而該物理量通過(guò)傳感器測(cè)量到的實(shí)際值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)稱(chēng)為反饋信號(hào)，亦稱(chēng)反饋量或當(dāng)前值。
將目標(biāo)值(目標(biāo)信號(hào))的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結(jié)起來(lái)大體上有如下兩種方案：一是自動(dòng)轉(zhuǎn)換法，即變頻器預(yù)置PID功能有效時(shí)，其開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)的頻率給定功能自動(dòng)轉(zhuǎn)為目標(biāo)值給定。
由于目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)通常不是同一種物理量。難以進(jìn)行直接比較，所以，大多數(shù)變頻器的目標(biāo)信號(hào)都用傳感器量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如，某儲(chǔ)氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在1.2MPa，壓力傳感器的量程為2MPa，則與1.2MPa 對(duì)應(yīng)的百分?jǐn)?shù)為60％，目標(biāo)值就是60％。而有的變頻器的參數(shù)列表中，有與傳感器量程上下限值對(duì)應(yīng)的參數(shù)。例如富士P11S變頻器，將參數(shù)E40(顯示系數(shù)A)設(shè)為2，即壓力傳感器的量程上限2MPa；參數(shù)E41(顯示系數(shù)B)設(shè)為0，即量程下限為0，則目標(biāo)值為1.2。即壓力穩(wěn)定值為1.2MPa。目標(biāo)值即是預(yù)期穩(wěn)定值的絕對(duì)值。
各種變頻器都有若干個(gè)頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個(gè)為目標(biāo)信號(hào)的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號(hào)的輸入端。可通過(guò)相應(yīng)的功能參數(shù)選擇其中的一個(gè)使用。
P、I、D參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整
(1) 比例增益P
變頻器的PID功能是利用目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)的差值來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)無(wú)限接近，即差值很小，從而滿(mǎn)足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，我們又希望調(diào)節(jié)信號(hào)具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號(hào)進(jìn)行放大。比例增益P是用來(lái)設(shè)置差值信號(hào)的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù)P都給出一個(gè)可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時(shí)，P可按中間偏大值預(yù)置或者暫時(shí)默認(rèn)出廠(chǎng)值，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再按實(shí)際情況細(xì)調(diào)。
(2) 積分時(shí)間Ｉ
如上所述，比例增益P越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動(dòng)系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳時(shí)不能立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過(guò)來(lái)調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié)I，使經(jīng)過(guò)比例增益P放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)間內(nèi)逐漸增大(或減小)，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間I太長(zhǎng)，又會(huì)當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些；拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。
(3) 微分時(shí)間D
微分時(shí)間D是根據(jù)差值信號(hào)變化的速率，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)短些；反之，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。
(4) P、I、D參數(shù)的調(diào)整原則
P、I、D參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間I，還可加大微分時(shí)間D。
5 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試
5.1 仿真器選擇
本系統(tǒng)選用ME-52單片機(jī)仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它實(shí)時(shí)仿真頻率高達(dá)33MHz，提供2～24MHz的時(shí)鐘信號(hào)。同時(shí)它提供64KB程序代碼存儲(chǔ)器，支持仿真所有程序和數(shù)據(jù)地地址空間，支持Franklin V3.XX／Kiel6.xx編譯連接工具。具有分別獨(dú)立控制項(xiàng)目文件的項(xiàng)目管理器。另外具有VC++風(fēng)格的窗口駐留，窗口動(dòng)態(tài)切分和工作簿模式窗口界面。
5.2 仿真調(diào)試
仿真調(diào)試階段，采用“自底向上逐步集成”的策略，逐模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，在此基礎(chǔ)上逐步集成。譬如可先仿真顯示模塊、測(cè)溫子模塊、測(cè)濕度子模塊等，然后將仿真成功的模塊逐個(gè)加入主程序進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，采用“分塊壓縮策略”快速找到并改正錯(cuò)誤。在集成過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，大多是由于模塊間資源使用沖突引起的。當(dāng)軟件模塊仿真成功后，可與硬件一起進(jìn)行在線(xiàn)仿真，此時(shí)在調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題大多是由于連接線(xiàn)連接錯(cuò)誤、虛焊、布線(xiàn)不合理等一些原因造成的。隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能控制必將成為一種發(fā)展趨勢(shì)，本設(shè)計(jì)提出利用單片機(jī)和新型傳感器對(duì)高樓恒壓供水的壓力環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，目前原型機(jī)已取得成功。調(diào)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可靠性高、使用方便。
6 結(jié) 論
以AT89C51CPU為核心的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)，控制靈活，調(diào)速方便，且節(jié)水節(jié)電效果顯著。同時(shí)，消除了原有系統(tǒng)供水管網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的超壓現(xiàn)象，有利于減小管網(wǎng)、閥門(mén)等損壞的可能性，延長(zhǎng)供水管網(wǎng)的壽命，在生產(chǎn)中有很廣泛的推廣價(jià)值。
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的采樣、處理及控制。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作精度高，且通過(guò)鍵盤(pán)可以方便地進(jìn)行參數(shù)修改，真正達(dá)到對(duì)高樓恒壓供水的智能控制。
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