1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 水位控制的研究 摘要： 随着城市高层建筑供水问题的日益突出，保持供水的自动控制、提高供水质量是相当重要的，本文主要是对水位的控制方式如电极式，浮球式，单片机式， PID 控制式作了一个简单的比较说明。 关键词： 液位；自动控制； PID 控制；单片机控制 一、前言 在工农业生产以及日常生活应用中 ,常常会需要对容器中的液位 (水位 )进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量 ,生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技 术要求不同 ,精度不同 ,但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控
2、制方式 ,它们的主要区别在于检测液位的方式、反馈形式 ,以及控制器上的区别 。下面就生活给水系统的水位控制进行分析与探讨。 二 、 液位控制的方式 对于液位进行控制的方式有很多 ,而应用较多的主要有 2种 ,一种是简单的机械式控制装置控制 ,一种是复杂的控制器控制方式 1。 1 简单的机械式控制方式 其常用形式有浮标式、电极式等 ,这种控制形式的优点是结构简单 ,成本低廉。存在问题是精度不高 ,不能进行数值显示 ,另外很容易引起误动作 ,且只能单独控制 ,与计算机进行通信 较难实现。 1.1 浮球自动控制水位 当清水被消耗后 ,蓄水池内水位下降 ,浮球下降 ， 杠杆 A端下降 ,以 O点为中心
3、轴的另一端 B开始上升 ,带动截止阀手柄 (截止阀手柄内部改制后将螺丝旋转升降变为直杆直线升降 ),闸阀逐渐打开 ,清水开始进入蓄水池 ;水位上升 ,托起浮球 ,杠杆 A端开始上升 ,以 O点为中心轴的另一端开始下降 ,牵动截止阀手柄下降。当水位上升到一定高度时 ,截止阀手柄将水关闭 ,清水不再流入池内 2。通过浮球控制闸阀手柄升降进行自动水位调节 ,可以保证水不外流 ,轧机用多少水 ,闸阀就会自动供应多少。该装置优点是结构简单 ,成 本低廉，存在的问题是精度不高。 1.2 电极式液位计 需 要 4个电极。这些电极皆接直流电源的负极 ,长度分别等于各控制点的深度。如果池体不导电 ,还需要一个公
4、用正极。电极棒可呈圆周分布 ,中间为公用正极棒 ,一周均布若干个负极棒 ,结构紧凑，视具体情况电极棒也可呈直线分布 ,结构简乳制造容易 ,特别适用子不需要公用电极的场合。它有 4个控制极和一个公用正极。当液位升至某一位置接触电极后 ,三极管立即导通 ,继电器通电工作 ,通过继电器通控制显示元件、报普器件发出声、光信号 ,并控制其它相关电器的工作 3。结构简单、价格底廉 ,适用于 电导较大的液体。 2 复杂控制器控制方式 这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器 ,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号 ,经过前置放大、多路切换、 A/D变换成数字信号传送到单片机 ,经单片机运算和给定
5、参量的比较 ,进行 PID运算 ,得出调节参量 ;经由 D/A变换给调压 /变频调速装置输入给定端 ,控制其输出电压变化 ,来调节电机转速 ,以达到控制水箱液位的目的。 2.1 基于 Proteus 和 keil 软件 的控制 该系统硬件包括 振荡电路和复位电路，水位检测电路，水位显示电路，报警电路，电机控制电路，电机工作指示 灯电路；软件部分包括初始化程序，延时程序，水位控制电路程序，显示电路程序，报警电路程序，工作指示灯电机控制部分程序。该方案在硬件基础上配合软件实现了高、低警戒水位报警、人工给水的工作方式，并对水塔水位控制系统模型进行了仿真，改造后的水塔水位自控系统，能实现水塔水位自动控
6、制系统，远程监控，实现无人值守 4。 2.2 单片机的液位控制 这是一种数字式水箱液位实时监控系统 ,该控制系统是用 MCS-51系列单片机及其相关硬件来实现的 ,利用传感器测量液位数据 ,应用 VB6.0MSComm控件 ,通过 RS-232串口传送数 据到上位机实时显示现场测量数据。液位低于用户设定的值时 ,系统自动打开泵上水 ;当水位到达设定值时 ,系统自动关闭水泵。 该系统采用下位机以单片机为核心的控制系统。方便监控室工作人员对水箱液位进行监控 ,从而达到对水箱设备监控的要求 ,也实现了测量控制的智能化与数字化，其结构小巧、运行速度快 ,具有多功能和多用途的特点 5。 2.3 超声波水
7、位测量 传统的水位测量方法是在测验断面设立水尺 ,人工定时观测水位。这种测验方法不适应自动化迅速发展的需要。而先进的超声波测量系统克服了上述缺点 ,完整的探头系列可完成非接触连续地测量水位。该系统测量部分由 FDU(传感器 )系列及与之配套使用的 FMU(变送器 )系列组成 ,其可用于淡水和废水处理的测量 . 传感器内的放射源电动激励向物体表面发射超声波 ,物体反射部分回波。这种反射波被同一传感器探测 ,同时做为一个定向的传送器 ,转换成电信号 ,脉冲传送接收时间 (波的运动时间 )与距离 (探头与物体表面的距离 )成正比。这段距离通过声速 C和运动时间 t被表示为 :D=C*T/26。 当然
8、用超声波传感器时要注意盲区的存在与避免。 超声波对于每种应用提供单独程序。在敞口和封闭的罐和仓储中的液体和固体的物偿位测量 ,位差 测量为毫米级精度。被测介质可以是腐蚀性的液体如碱或酸 ,或是粉状和块状固体物料等。超声波探头可在 不同工况下可靠地测量。 2.4 模糊 PID控制器控制 常规的 PID控制虽有着原理简单、使用方便等优点但却不具备在线调整参数 P、 I、 D的功能 ,使其不能满足系统在不同条件下对 PID参数自调整的要求 ,模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工规则组织决策表，且由该表决定控制量的大小 3。模糊控制器代替了传
9、统的控制器，它是模糊控制系统的核心部分。由输入量模糊化、模 糊控制规则、模糊决策等几部分组成， 模糊 PID控制器是以误差 e和误差变化率 ec作为输入 ,根据不同的偏差和偏差率对 PID参数进行在线调整 ,以满足不同时刻对控制参数的不同要求 ,而使被控对象有良好的动、静态性能 4，如图 2所示。根据 Kp、 Ki、 Kd对控制精度的影响，可得出在不同的水位偏差 e和偏差变化率 ec时系统参数自整定的原则：当 e较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的 Kp，同时为了避免过大的超调量，应使 Ki=0；当 e和 ec为中等大小时，即处于过渡过程时，为了减小系统的超调量， Kp的值应适中 , 不
10、能取太 大， Ki的值应取小一点；当 e较小时 ,为了使系统具有较好的稳态特性，应增大 Ki，而适当减小 Kd,因为 Ki的作用是消除系统的稳态误差， 而 Kd的作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差进行提前预报 ,以避免出现振荡现象 7。 三、结论 随着电子技术、计算机技术及信息技术的高速发展 ,水位监控系统也由 简单的机械式控制方式 向复杂控制器控制方式即 微型化、智能化、信息化方向发展。本系统 基于单片机的水塔水位自动控制系统的设计 是对水塔水位监控的智能化、信息化发展的初探。 参考文献： 1钟晓强 .基于单片机实现的液 位控制器设计 J.现代电子技术 ,2009 年 ,第 2 期 . 2向运吉，钱志林 .浮球自动控制水位 J.冶金能源， 1984 年， 02 期 . 3胡振国 .电极式液位计的制造 J.电镀与环保， 1993 年， 01 期 . 4王琪 .基于 Proteus 和 keil 软件的水塔水位控制系统设计 J.中国科技息 ,2009,11 期 5陈霞 ,白小军 .基于单片机的液位监控系统 J.武汉理工大学学报 ,2007,03. 6郭清，王兴泽 .超声波水位测量系统 J.东北水利水电 ,1999年 ,第 02期 7殷兴光，王晓华 .模糊 PID 在水位控制系统中的应用 J.制造业自动化， 2009， 07.
