单片机在高楼恒压供水系统中的应用设计
2013/7/16 15:16:10 点击：
单片机在高楼恒压供水系统中的应用设计
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测的更新。目前对高楼恒压供水控制的研究以及已开发的系统各有所长。随着微机技术及变频技术的发展，设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强、节能高效的控制系统将是高楼恒压供水系统研究的方向。
介绍了用 AT89C51单片机控制的变频调速高楼恒压供水系统，给出了系统的硬件结构及单片机控制程序框图。在系统中，AT89C51CPU 产生三相交流调频控制信号，经驱动后，输送到逆变主桥路，实现恒压调速。
1 绪论
供水系统的动力，通常优先选用结构简单、运行可靠、价格低廉的三相鼠笼式异步电动机。系统中，水的流出量是随用户用水需求变化而变化的，传统的控制方法是调节风门。随着电子技术、交流调速技术的不断完善和计算机技术的迅速发展，变频调速方法在高楼恒压供水控制系统得以应用，这不仅大大提高了系统的自动化程度，而且也有效地解决了这一问题，减少了能源浪费。
近年来，随着居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难问题越来越突出，特别是高层建筑居民，原有的自来水管网的压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大的不便，特别在大城市这类问题特别突出。
针对上述问题，本设计采用单片机与变频调速相结合起来实现高楼恒压供水，该控制器是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵;用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量也相应减小。也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。
采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案。此外，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如：在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
随着自动化程度的不断提高，运动控制系统可以采用以前很难实现的复杂算法，控制性能也有了很大提高。运动控制系统中控制器的智能化，为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制提供了有效的理论和方法。运动控制方法较为成熟的有：PID控制算法、人工神经网络控制、模糊控制、专家控制、仿人智能控制等。
PID控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然广泛的控制方法之一，它是基于对象数学模型的方法，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。
在城市建设的发展过程中，智能建筑已成为人们追求良好居住条件的一个标准，而高楼恒压供水是智能建筑群不可缺少的环节，合理选择水泵的控制方式，不仅可以降低工程造价，还能节能。
针对特定对象，用户用水最突出的特点是随机性，哪个用户用水、用多少水、什么时候用水等，都具有很大的不确定性。从宏观角度考虑，供水系统特性主要表现在以下几个方面：
（1）系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；
（2）系统滞后的未知性和时变性；
（3）系统严重的非线性；
（4）系统各变量间的关联性；
（5）环境干扰的未知性、多样性和随机性。
上述特性，属于不确定性的复杂对象（或过程）的控制问题，传统控制已经无能为力，主要表现在：
（1）不确定性问题。供水系统中的很多控制问题具有不确定性，用传统方法难以建模，因而也无法实现有效的控制。
（2）高度非线性。在供水系统中有大量的非线性问题存在，传统控制理论中，非线性理论远不如线性理论成熟，因方法过分复杂而难以应用。
（3）半结构化与非结构化问题。传统控制理论无法解决供水系统中的半结构化与非结构化问题。
（4）供水系统复杂性问题。复杂系统中各子系统间关系错综复杂，各要素间高度耦合，互相制约，外部环境又极其复杂，传统控制缺乏有效的解决方法。
（5）可靠性问题。常规的基于数学模型的控制问题倾向于是一个相互依赖的整体，对简单系统的控制的可靠性问题并不突出。而对供水系统，如果采用上述文章综述了运动控制的主要方法，并针对供水系统的特性、控制中存在的问题，进行了供水泵站最佳控制策略的选取方法，则可能由于条件的改变使整个控制系统崩溃。
由此可见，用传统的方法不能对这类系统进行有效的控制，必须探索更有效的控制方法。无论采用什么样的控制手段，都要满足用户用水需求（即维持一定的水压）、保护环境不受噪声污染，此外还要考虑节能。因此，控制要求可以确定为在满足用户对供水要求的前提下，尽可能减少环境污染和节约能源。控制策略选取与被控对象特性是紧密相关的，错误或不当的控制策略往往会导致控制效果极差，甚至导致系统失控。
目前，在现代的供水泵站中为了节能都普遍采用了变频器，为提高控制品质创造了良好条件。变频器里一般都有PID控制模块，但对不确定性的供水复杂系统，用PID算法并不恰当。人工神经网络，因方法的局限性，同样也难于对所讨论的对象实现有效的控制。专家控制系统（ECS），由于特征信息的采集、特征信息的表达以及完备知识库的建立实现难度大，采用专家控制系统也不一定是一个好的选择。以模糊控制理论为基础的模糊控制器（FC）能够实现对复杂工业过程的控制。其控制品质和效果还是令人满意的，是一种可供选择的策略。
智能控制已广泛应用于工业、农业、军事等多个领域，已经解决了大量的传统控制无法解决的实际控制应用问题，呈现出强大的生命力和发展前景，随着基础理论研究和实际应用的扩展，智能控制将会实现控制领域的一个大的飞跃。
1.2 单片机介绍
1.2.1 单片机概述
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是用程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板。但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。
1.2.2 单片机的汇编语言
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸。对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
1.2.3 单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
1.2.4 单片机学习应用的6大重要部分
总线：我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。
数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的——数字，或者说都是一串“0”和“1”组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令是由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。地址是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的。数据是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：
（1）地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。
（2）方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。
（3）常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。
（4）实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞，会把数据当成指令来执行了。
程序的执行过程： 单片机在通电复位后AT89C51内的程序计数器（PC）中的值为“0000”，所以程序总是从“0000”单元开始执行，也就是说：在系统的ROM中一定要存在“0000”这个单元，并且在“0000”单元中存放的一定是一条指令。
堆栈：堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的“先进后出，后进先出”，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即“PUSH”和“POP”，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP，每当执一次PUSH指令时，SP就自动加1，每当执行一次POP指令，SP就自动减1。由于SP中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时，用一条MOV SP，#5FH指令，就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令，因为开机时，SP的初始值为07H，这样就使堆栈从08H单元开始往后，而08H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数据的混乱。
1.2.5 单片机引脚
以AT89C51单片机为例讲解单片机的引脚及相关功能：40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。
（1）电源：VCC-芯片电源，接+5V；VSS-接地端。
用万用表测试单片机引脚电压一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平。但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这是万用表的响应速度没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电压仍保持在0v或者5v。
（2）时钟：XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
（3）控制线：控制线共有4根。
ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。
ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。
PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
PSEN：外ROM读选通信号。
RST/VPD：复位/备用电源。
RST（Reset）功能：复位信号输入端。
VPD功能：在VCC掉电情况下，接备用电源。
EA/VPP：内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能：内外ROM选择端。
VPP功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源VPP。
（4）I/O线
AT89C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
1.3 传感器介绍
1.3.1 传感器定义
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
1.3.2 传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理、它们的用途、它们的输出信号类型以及制作它们的工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器。
按照其用途传感器可分类为：压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。
以其输出信号为标准将传感器分为：模拟传感器、数字传感器、开关传感器。
按照其制造工艺，可以将传感器区分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。
1.3.3 传感器的特性
（1）传感器静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
（2）传感器动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
（3）传感器的线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
（4）传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输入输出特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
（5）传感器的分辨力
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。
（6）传感器的迟滞特性
迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输入输出特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F•S的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
1.4 变频器介绍
1.4.1 变频器概述
变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。
变频器通常包含3个组成部分：整流器和逆变器,还有直流部分。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。除了这2个部分之外，变频器还有可能包含变压器和电池。其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的。
1.4.2 变频器构成
变频器主要是由主电路、控制电路组成。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
1.4.3 变频器的应用
变频器除了可以用来改变交流电源的频率之外，还可以用来改变交流电动机的转速和扭矩。在该应用环境下，最典型的变频器结构是三相二级电压源变频器。该变频器通过半导体开关和脉冲宽度调节（PWM）来控制各相电压。变频器还可以在航空航天业中。例如：飞机上的电力设备通常需要400Hz的交流电，而地面上使用的交流电一般为50Hz或60Hz。因此，当飞机停在地面上时，需要使用变频器将地面上的50Hz或60Hz的交流电变为400Hz的交流电供飞机使用。
1.5 仿真机介绍
计算机仿真技术，利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统的重要工具。
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。
传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设输入，进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成，各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系，在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型――状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型――状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型――上述两种的混合。
为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配 有控制和显示设备。
2 系统工作原理与构成
2.1 恒压供水系统的基本原理
压力传感器将总水管的水压变换为电信号，经放大器放大、D/A转换，输入到单片机，由单片机对D/A转换值进行PID运算处理，进而控制变频器的输出频率。当水压低于给定压力时，变频器的频率增加；当水压高于给定压力时，变频器的频率减小。这种变化，直至水管压力与给定值相当。
2.2 系统组成及实现原理
恒压供水的基本控制策略是：采用单片机与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量，自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值，既可以满足高楼供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现高楼恒压供水。
变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能PID调节器、压力变送器、单片机等部分组成，控制系统原理图如图2.1所示。
其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现管网水压的PID调节。单片机则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和单片机的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。
2.3 硬件结构
如图 2.2所示。恒压供水系统的动力通常都使用三相异步电动机，其三相交流电源通过半控全波整流电路整流成直流，再经逆变器逆变获得。电源频率的大小取决于大功率晶体管的导通频率。改变晶体管基极的控制信号，就可以很容易地改变三相电源的频率，实现电动机的变频调速。
AT89C51是高档8位单片机，它留有P0、P1、P2、P3 4个I/O接口，内部有256BRAM、4KB ROM和2个16位定时器/计数器与5个中断源。系统把P0.7～P0.0作为系统运行压力与给定压力信号差输入端，把 作为外部中断源的请求信号，把P1.3～P1.7作为单片机的输出端。P1.3～P1.5输出信号经驱动器电路放大，用于控制逆变电路中大功率晶体管的通断；P1.6～P1.7输出信号经驱动电路放大，用于控制晶闸管的触发导通。
3 硬件设计
3.1 硬件技术
本系统主要是针对高楼恒压供水进行控制。因此我们要求的水压不是一个点，而是一个范围，因此我们设定了一个压力值，在此压力值的上下限附近设定一个回差带
3.2 硬件组成
针对硬件技术要求，本系统以AT89C51单片机为核心，组成一个集压力的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框如图3.2。图中硬件组成主要由以下几部分组成：单片机信息处理、压力采集、信号转换、显示、报警、键声及控制部分。
具体工作如下：
利用集成压力传感器实现对压力的采集，然后信号通过运算放大器、保持器和 A/D转换器将模拟量变为数字量送入单片机进行处理。我们预先从键盘输入一个压力范围（上限报警值和下限报警值、上限值、上限复位值、下限值、下限复位值），通过压力采集系统检测出水泵的压力，由数字显示电路显示出当时的压力，当压力高于上限值时，系统将起动降压设备，把压力降下来，根据采样压力值与下限值的差值占上限与下限之间的差值的百分比平均地起动设备的台数，当压力低于上限复位值时，才关闭全部的设备。升压设备停止工作。当压力低于下限值时，与高于上限值的控制方法相同。当压力高于或低于报警的上下限值时，报警器发声，提醒工作人员此时压力太高或太低，以做出相应的措施。
其中：
（1）为使整个系统的运行更加完善，本系统在设计时匹配了矩阵式键盘以及由四位LED数码管组成的显示器以显示实时的温度值及事先给定的温度值。
（2）为提高系统的抗干扰能力，在原有硬件的基础上设计了电源检测、报警等电路以促进整个系统的功能更加完善。
（3）为使掉电后上次设定的参数不至于丢掉，本系统采用串行EEPROM－24C02进行掉电前的参数存储。24C02和AT89C51的典型接口电路如下：
4 软件设计
4 .1 PID控制
4.1.1 PID控制规律
其中 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为 ，式中积分的上下限分别是0和t。因此它的传递函数为： 。其中 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。
它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化的产品，使用中只需设定三个参数（ ， 和 ）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。PID参数较易整定，也就是，PID参数 , 和 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
4.1.2 PID控制器的分析
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。
因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器，电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司都开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器，还有可实现PID控制的PC系统等等。
（1）开环控制系统
开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
（2）闭环控制系统
闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后做出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。
（3）阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
4.1.3 PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例
关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
4.1.4 PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
4.1.5 PID控制实现
各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。系统设计时应以所选用变频器的说明书介绍为准。所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。
要实现闭环的PID控制功能，首先应将PID功能预置为有效。其方法有两种：一是通过变频器的功能参数码预置，例如，康沃CVF-G2系列变频器，将参数H-48设为O时，则无PID功能；设为1时为普通PID控制；设为2时为恒压供水PID。二是由变频器的外接多功能端子的状态决定。例如安川CIMR-G7A系列变频器，在多功能输入端子Sl-S10中任选一个，将功能码H1-01～H1-10(与端子S1-S10相对应)预置为19，则该端子即具有决定PID控制是否有效的功能，该端子与公共端子SC“ON”时无效，“OFF”时有效。应注意的是大部分变频器兼有上述两种预置方式，但有少数品牌的变频器只有其中的一种方式。
在一些控制要求不十分严格的系统中，有时仅使用PI控制功能、不启动D功能就能满足需要，这样的系统调试过程比较简单。
欲使变频系统中的某一个物理量稳定在预期的目标值上，变频器的PID功能电路将反馈信号与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转速。所以，变频器的PID控制至少需要两种控制信号：目标信号和反馈信号。这里所说的目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或给定值；而该物理量通过传感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。
将目标值(目标信号)的命令信息传送给变频器，各种变频器选择了不同的方法，而归结起来大体上有如下两种方案：一是自动转换法，即变频器预置PID功能有效时，其开环运行时的频率给定功能自动转为目标值给定。
由于目标信号和反馈信号通常不是同一种物理量。难以进行直接比较，所以，大多数变频器的目标信号都用传感器量程的百分数来表示。例如，某储气罐的空气压力要求稳定在1.2MPa，压力传感器的量程为2MPa，则与1.2MPa 对应的百分数为60％，目标值就是60％。而有的变频器的参数列表中，有与传感器量程上下限值对应的参数。例如富士P11S变频器，将参数E40(显示系数A)设为2，即压力传感器的量程上限2MPa；参数E41(显示系数B)设为0，即量程下限为0，则目标值为1.2。即压力稳定值为1.2MPa。目标值即是预期稳定值的绝对值。
各种变频器都有若干个频率给定输入端，在这些输入端子中，如果已经确定一个为目标信号的输入通道，则其他输入端子均可作为反馈信号的输入端。可通过相应的功能参数选择其中的一个使用。
P、I、D参数的预置与调整
(1) 比例增益P
变频器的PID功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益P是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数P都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。
(2) 积分时间Ｉ
如上所述，比例增益P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节I，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大(或减小)，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。
(3) 微分时间D
微分时间D是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。D的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。
(4) P、I、D参数的调整原则
P、I、D参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。
5 单片机应用系统的测试
5.1 仿真器选择
本系统选用ME-52单片机仿真开发系统，它实时仿真频率高达33MHz，提供2～24MHz的时钟信号。同时它提供64KB程序代码存储器，支持仿真所有程序和数据地地址空间，支持Franklin V3.XX／Kiel6.xx编译连接工具。具有分别独立控制项目文件的项目管理器。另外具有VC++风格的窗口驻留，窗口动态切分和工作簿模式窗口界面。
5.2 仿真调试
仿真调试阶段，采用“自底向上逐步集成”的策略，逐模块进行仿真测试，在此基础上逐步集成。譬如可先仿真显示模块、测温子模块、测湿度子模块等，然后将仿真成功的模块逐个加入主程序进行仿真，在仿真过程中发现错误，采用“分块压缩策略”快速找到并改正错误。在集成过程中出现的问题，大多是由于模块间资源使用冲突引起的。当软件模块仿真成功后，可与硬件一起进行在线仿真，此时在调试中出现的问题大多是由于连接线连接错误、虚焊、布线不合理等一些原因造成的。随着电子技术的广泛应用，智能控制必将成为一种发展趋势，本设计提出利用单片机和新型传感器对高楼恒压供水的压力环境进行测试，目前原型机已取得成功。调试结果表明，本系统可靠性高、使用方便。
6 结 论
以AT89C51CPU为核心的变频调速恒压供水控制系统，控制灵活，调速方便，且节水节电效果显著。同时，消除了原有系统供水管网经常出现的超压现象，有利于减小管网、阀门等损坏的可能性，延长供水管网的寿命，在生产中有很广泛的推广价值。
整个系统的设计以单片机为核心，实现对压力的采样、处理及控制。本系统运行稳定、工作精度高，且通过键盘可以方便地进行参数修改，真正达到对高楼恒压供水的智能控制。
- 上一篇：变频无塔供水系统的产生和基本参数 2013/7/16
- 下一篇：恒压供水系统plc实现恒压供水的系统设计 2013/7/16
