水位控制器范文1
关键词：汽包水位 仿人智能PID 三冲量
1. 引言
蒸汽锅炉汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一。
传统的锅炉汽包水位控制策略包括基于PID 控制的单冲量、引入蒸汽流量前馈的双冲量和给水流量闭环串级三冲量控制等[1]。目前各种锅炉汽包水位绝大多数采用三冲量控制方案。三冲量水位控制系统以锅炉汽包水位作为主控信号，实时检测锅炉的蒸汽流量作为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力和汽包压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。但三冲量汽包水位控制系统PID参数选择关系很大，不容易整定，随着设备运行时间的增加及环境因素变化，这三个参数可能需要不定期的重新整定，控制效果常出现大的振荡和超调[2]。借助于三冲量控制策略的结构, 通过智能方法来对PID 控制器的参数进行整定或直接采用先进控制策略成为目前研究的热点。本文基于锅炉汽包水位的三冲量控制策略，采用一种仿人智能PID 控制方法，实际应用表明该控制方案能够获得理想的控制效果。
2. 控制系统设计
神华哈尔乌素露天矿集中供热锅炉房是神华哈尔乌素露天矿供热系统的热源，现装备20T循环流化床蒸汽锅炉三台，低温采暖换热器两台、上煤皮带、水处理等其他辅助设备。整个锅炉车间选用西门子公司S7-414H构成一套冗余容错热备控制系统实现锅炉水位自动控制、锅炉燃烧自动控制、低温采暖温度自动控制和上煤、水处理等其他辅助设备的集中控制。控制系统构成如图1所示。
由图1可以看出，为了保证系统的可靠性，系统的主要部件包括电源模块（PS）、CPU模块（S7-414H）、通讯模块（SM341）、通讯网络（ProfiBUS）、通讯接口模块（IM153-2）均采用冗余结构。其中蒸汽流量变送器、给水流量变送器、汽包水位变送器、AI模块、CPU模块、ProfiBus现场总线、水泵变频器和给水泵构成汽包水位自动控制系统。
3. 串级三冲量水位控制
蒸汽锅炉汽包水位控制的调节量是给水流量，通过对给水流量的调节,使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位的变化在允许范围之内。但是蒸汽锅炉在负荷(蒸气流量)急剧增加时，却表现为“逆响应特性”，变现为“虚假水位”，造成这一现象的原因是由于负荷增加导致汽包压力下降时，汽包内水的沸点温度下降，沸腾突然加剧，形成大量气泡而使水位抬高。以汽包水位为唯一调节信号的单回路恒值控制系统对汽包的假水位现象会发出相反的补偿动作，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。
如果利用蒸汽流量变化信号对给水量进行补偿控制，就可以减小和消除“虚假水位”现象对汽包水位的影响，从而减少水位的波动，改善控制品质。同时为了对变频调速给水泵的工作特性进行静态补偿和克服蒸汽压力、给水压力变化引起的给水流量扰动，将给水流量信号作为副参数，构成图2所示的三冲量控制系统：
其中：H:汽包水位；
W:给水流量；
D:蒸汽流量；
γD：蒸汽流量变送器的传递系数；
γW：给水流量变送器的传递系数；
γH：汽包水位变送器的传递系数；
αD：蒸汽流量变送器的灵敏度；
αw：给水流量变送器的灵敏度；
Kz：变频调速器特性系数；
Kp：给水泵的特性系数；
Δf：蒸汽流量和给水流量差值。
GW(s)：给水流量扰动下水位变化的传递函数；
GD(s)：蒸汽流量扰动下水位变化的传递函数；
水位调节控制器GC1(s)采用仿人智能PID控制算法，该算法在选用汽包水位误差e(k)和汽包水位误差变化量Δe(k) 作为控制器的输入变量的基础上，还选用蒸汽流量和给水流量差值Δf(k)作为控制器的输入变量，实时整定PID参数，克服虚假水位引起PID饱和以及系统振荡和超调。给水流量调节控制器GC2(s) 采用仿人智能PID控制算法以快速消除给水扰动[3]，控制器GC2(s)除了接受主调节器的设定信号外，还接受蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，抵消由于虚假水位引起的反向作用，减少水位和给水流量的波动幅度。
4. 仿人智能PID控制算法及其实现
仿人智能控制是人工智能、控制理论和计算机科学的交叉结合，其基本思想是采用分层控制机理，在上层采用智能控制方法，模拟具有丰富控制经验的操作人员的行为，通过特征辨识最大限度的判别当前的工作状态。在底层采用常规PID控制方法，对辨识出的状态配置相应的PID参数，从而实现多模态控制和决策[4]。算法采用产生式规则对专家经验进行描述，规则表示为：IF（condition）THEN(action)
这种基于规则的符号化模型适用于描述因果关系，定性的非解析关系，便于表达人的直觉推理逻辑和各种定性的模糊信息，推理和决策迅速准确。
水位调节控制器GC1(s)仿人智能PID控制算法选用汽包水位误差e(k) 、汽包水位误差变化量Δe(k)、蒸汽流量和给水流量差值Δf(k) 作为控制器的输入变量，描述系统的动态特征，表征其所处的工作状态。控制器输出v(k)的控制算法如图3所示。其中：em(k)为汽包水位误差e的第k个极值；k1：调节增益放大系数，k1>1；k2为调节抑制系数，0C2；
给水流量调节控制器GC2(s)仿人智能PID控制算法选用流量误差e(k) 、流量误差变化量Δe(k)作为控制器的输入变量，描述系统的动态特征，表征其所处的工作状态。控制器输出u(k)的控制算法如图4所示。其中：em(k)为流量误差e的第k个极值；k1：调节增益放大系数，k1>1；k2 为调节抑制系数，0
5. 结论
本文基于锅炉汽包水位的三冲量控制策略, 采用一种仿人智能PID控制算法,用以克服蒸汽流量变化产生的扰动。该控制系统在神华准能黑实公司哈尔乌素露天矿3台20T/h循环流换床蒸汽锅炉的实际使用证明，采用基于仿人智能PID汽包水位三冲量控制策略的自动控制系统能在锅炉负荷波动情况下调节给水量汽包水位维持稳定，系统的控制性能得到大幅度的提高，也充分表明了该控制策略在解决汽包水位存在的大滞后、特性时变等热工控制难题的有效性。
参考文献：
[1] 周佳,曹小玲,刘永文.锅炉汽包水位控制策略的现状分析[J].锅炉技术,2005，36(3):5-10.
[2] 韩光信，施云贵，胡忆沩.先进PID 在锅炉汽包水位控制中的应用研究[J].微计算机信息,2006,12(1):72-74.
水位控制器范文2
关键词:JY32水泵液位控制器;给排液双控;枯液满液报警;自动化给排水
中图分类号:TU991文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0018-02
近年来,随着城市建设的发展,大规模住宅小区及标准高、功能复杂的各类建筑越来越多,居民用水需求不断发展,工业也对供水系统提出了更高的要求。如何确保城市给排水的可靠性,已成为一个焦点问题。传统的控制系统已经很难保证这样复杂系统的安全可靠供水。经常出现水箱溢水、井源干枯水泵空转等事故。本控制系统利用JY32和液位传感器通过对水池(箱)和井源液位进行实时监控,实现给水排水双控制、枯水溢水越限报警(停机)控制。
一、液位控制器的工作原理
JY32的接线端子如图1所示,其中5、6为工作电源输入AC380V或AC220V,端0、1、2、3、4为型控制器的弱电信号端子。其中,端子1、2应分别接到低位水池的上、下探头;3、4应分别接到高位水池的上、下探头。端子0为公共信号端。5、6、7、8、9为强电端子。其中,7、8、9为一组电隔离的输出转换触点(7、8常开,8、9常闭)。通过输入点探头的通断,判断井源、水箱的液位,从而控制泵的启停。
二、给水排水双控
给排水的应用场合有自动给水、自动排水,或者两者同时控制――双控。本论文以双控为例介绍。双控同时控制低位水水源池(水井、地面水箱)和高位水池(水塔、楼顶水箱)。接线图如图2所示,其工作过程是:在低位水池水位高于1端探头(准备开泵水位)的前提下,如果高位水池(箱)内水位下降至刚好脱开4端探头时,则控制器端子7、8闭合启动电泵开始供水,直至水位上升至3端探头或低位水池水位下降至刚好脱开2端探头时(强制停泵水位),控制器端子7、8断开电泵停止供水。当低位水池水位高于1端探头同时高位水池水位低于4端探头才开始重新启动,如此循环。需要指出的是:如果低位水池中的水源充足(水位始终能保持高于1端探头,即1端与公共端0始终接通),则工作过程等同单独的给水控制方式。如果低位水池水源不足,或高位水池水量消耗太大(持续缺水,4端持续与公共端0断开),则工作过程等同于单独的排水控制方式。通常情况下二者同时起作用。
三、枯水溢水越限报警/停机控制
有些水池要求保证既不能干枯也不能溢水。JY32可以同时检测到枯水、溢水两种情况并即时给出报警信号。实现方法是:将0端接公共大地,2端探头设置在地面低位水池的最低限报警位置,3端引出探头设置在楼顶高位水池的最高限报警位置。也可如图3(a)所示,分别将探头2、3设置在同一水池内最低超限水位(枯水)和最高超限水位(溢水)的位置。如水面可能存在波浪抖动,还应加装液面防抖复位探头1、4。则当液面低于2或高于3时,8、9闭合驱动电铃报警(可同时引作强停泵信号),而在液面位于1、4两点之间的正常范围内,8、9分断不报警。由于1、4为防抖动复位探头,应设置探头4略低于探头3,探头1略高于探头2。一般设置防抖探头与报警探头之间的高差为1～3cm,略微大于实际液面波动落差。
单独用于监控枯水或溢水的报警方式接线图如图3(b)、(c)所示。由于这种接线方式在液位正常及电源接通或断开时能自动复位,而且枯水或溢水报警信号发生后能够自动保持,故不需要设置防抖探。
四、防止空泵运转自动给排水控制
在单独用于给水控制的情况下,可利用JY32的空余端1、2对管道内的存水量进行监控,即在高于水泵叶轮以上的任何高度部位设置探头1、2,从而实现引水缺乏状态(1、2与公共端0断开)水泵不工作(7、8分断),同时“排水等待”指示灯亮。一般也可在高位池内比4端探头略低3～30mm的位置范围内,增设超低水位监控探头1、2(2端比1端略低可起防抖稳定作用),如开机后液面不上升反而下降到了2点,便自动关机,同时排水等待指示灯“亮”表示报警信号。这种情况可能是引水漏空、管道堵塞导致水泵空抽、出水量太小,也可能是控制柜主回路、二次回路出现了故障或电机烧毁。自动排水控制方式下防止空泵运转的原理于给水控制方式类似。其原理分别如图4、图5所示。
五、结语
本论文提供了利用JY32液位控制器实现给水排水同时控制,并有效的防止溢水枯水、泵空转的方法。该方法简单实用,可广泛的应用于各类生活泵、消防泵、污水泵、工业泵等,为自动化给排水提供一种行之有效的方案。
参考文献
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水位控制器范文3
【关键词】电容式；液位变送器；水电厂；集水井；自动控制；应用
水电厂中，集水井的排水装置是用于排除厂房的渗漏水以及生产污水，为了保证排水装置的正常运行，防止厂房被淹以及潮湿，集水井的排水装置要实现自动控制。集水以及排水装置的自动控制中在关键设备在于液位传感器，早期广泛使用的液位传感器，当集水井内部水有油污之时将经常产生故障而导致装置质控。新型的液位传感器在在实际的发展过程中得到了持续的研究和应用。电容式的液位变送器也是新型研发的变送器装置，通过将电容式的液位变送器在集水井的自动控制中进行应用，同时实现了其与智能控制器的配套使用，从而能有效解决上述问题，有效提高了集水井系统运行的可靠性。
一、概述
电容式液位传感器能在高温、高压、易结晶、强腐蚀以及易堵塞等恶劣条件下实现各种液体的连续检测，同时也能把污水、锅炉水位以及酸碱溶液进行测量，整机不具备任何可动以及弹性部件，由此耐冲击、便于安装且可靠性和精度都较高。电容式的液位传感器的使用，能替代传统的浮球式、压差式以及投入式的液位变送器。
电容式的液位变送器使用陷阱的射频电容的检测电路，同时通过16位的单片机经过精确的温度补偿以及线性修正，可将其转化为标准的电信号，一般其运行的电信号范围为4～20mA，可选择CANBUS、HART、485等通讯协议进行系统的组态。整个变送器都具有自校准的功能，用户可通过两个按键进行零点以及量程的自动校准，由此适应了不同场所下的不同测量的要求。
二、特点
结构相对简单，相应体系中不存在任何可动或者弹性的元部件，由此具有极高的可靠性，维护量也极少。一般状况下，可不进行常规的维修；能实现多信号的输出，便于不同应用系统的配置；能在高温以及高压容器环境下进行液位的测量，并且其测量的值不受到所测试液体的温度、比重和容器形状以及压力等因素的影响；同时还能适应酸性以及碱性等强腐蚀性液体的测量；相应的设备具有完善的过压、过流以及电源的极性保护。
三、电容式液位变送器以及智能控制器
1.电容式液位变送器
以前所是用的电容式液位变送器一般为二线或者四线制，在DC 24V以及4-20mA或者1～5V输出的条件下运行。不限制被测试的液位高度。通过测量探极，一般是特制的软线，和变送器两个部分所构成。金属的探极与被测试的介质完全绝缘，同时与变送器连接起来，而变送器的外壳与被测试介质的金属箱体、连接以及固定的金属部分构成电容的两极。在实际的测量过程中，将水作为电容两极之间的介质，电容量将随着水位的上升而增加，下降而减少，电容量与水位之间呈正比的关系。变送器对探极所检测到的电容量实行C/U转换，并输出直流电流以及电压的信号。
该种模式的电容式液位变送器，在工作中的电流在35mA左右，若是将该种电容器与智能控制器结合起来，那么智能控制其所配备的DC24V无法满足二者的电压需要，而SX-92B二线制的电容式液位变送器则可直接与智能控制器结合使用。
2.智能控制器
该智能控制器实现了与电容式液位变送器的配套使用，型号为WP-C80，该种型号的智能控制器能使用双重显示模式，也就是数字以及光柱的共同显示方式。电压为AC220V，输入4～20mA，同时实现一组控制接点输出。例如可实现多组控制输出，例如双泵工作加报警输出，同时还应配备多继电器输出的控制器。
四、电容式液位变送器在水位控制系统中的应用
水电厂的集水井中设置有两台水泵，相互作为备用准备。在水位过高时发出报警信号，根据这一要求，可选择四组继电器接点所输出的智能控制器与液位变送器共同配套使用。由于所使用的SX一9213四线制的电容液位变送器的工作电流约为35mA，无法与智能控制器所配套的DC24V结合使用，由此还应另外配备一台DC24V电源，从而保障电动机的安全持续运行。同时还在电动机的控制回路当中安装了电动机的保护器。
五、电容式液位变送器以及智能控制器的安装
1.安装电容式液位变送器
通过将原有集水井的环境磁钢浮子以及导向管等拆除，保留金属钢管的部分。一般状况下为一段金属钢管，并使用混凝土浇筑在蜗壳层水泥地面上。通过将电容式的液位变送器安装在钢管上的相关位置，同时将变送器固定在安装架上，从而使传感器的金属软线位于钢管的中心位置，同时保证芯线向下。电容器金属探极的下部分应使用重锤进行悬吊，从而保证重锤下段与地面距离约10cm，或者在井底加设一个固定环，使用绝缘线将探极拉直固定。无论怎样固定，都应将探极的下部套上一段绝缘管，从而防止对金属探极造成损坏。若是探极过长，则应截掉上部，重新剥去一段绝缘皮，并将探极的头部进行折回。为了保证连接的牢固可靠，为防止螺钉损坏探极当中的金属丝，还应套上一小段薄金属管，并将其放入变送器的连接孔，拧紧固定螺钉。固定变送器的金属钢管要使用圆钢，实现与集水井与周围混凝土当中的钢筋焊接上，从而构成了电容的一极；或者在距离探极1m位置垂直固定一根钢管，并将钢管与固定变送器的钢管连接起来。
2.安装智能控制器
要将智能控制器安装在主控室返回屏上的适当位置，从而便于相关的运行人员进行观察和监视。若是需要安装外配的DC24V电源，则应选择在靠近距离控制器较近的位置。智能控制器与水泵的控制柜或者控制箱之间使用KVV8×1.5mm2的电缆进行连接，为了有效提高智能控制器的抗干扰的能力，智能控制器的标识也要使用大于2.5mm2的单芯铜线可靠接地，在电容式变送器以及控制器之间的导线要使用屏蔽线。
六、集水井自动控制系统的调试运行
在电容式液位变送器以及智能控制器安装完毕之后，要对电容式液位变送器以及智能控制器进行使用前的调试。
1.调试电容式液位变送器
通过将电容式液位变送器和智能控制器进行连接，不连接控制线，而后在液位变送器的信号回路上串接上毫安测试表，打开液位变送器上盖实现对液位变送器的通电。通过将集水井抽干，保持其零水位，同时实现对零点电位器的调整，使其毫安表指示为4mA；当集水井达到最高水位，则实现对电位器的调整，将毫安表指示为20mA，通过反复的检查和调整，直到电流符合要求。
2.设定智能控制器的参数
由于智能控制器的参数不同，相应的设定方法以及设定的步骤也有所区别，由此要根据实际的智能控制器的说明书进行设定。以及WP-C80型号的智能控制器为例，自动启泵水位2.1m、停泵水位为0.2m、备用泵启动水位2.3m、显示范围0～3m、报警水位2.5m、分辨率为0.01m。四路输出代号分别为ALM1，ALM2，ALM3，ALM4。同时由于该种型号的继电器具有滞回特性，由此只能用其开接点进行控制，并不需要加设自保持。其中ALM1可作为自动起泵使用。启泵的水位为2.1m、停泵水位为0.2m；ALM2则是备用泵，启泵水位2.3m、停泵水位0.2m；ALM3路为报警使用，报警水位2.5m，返回水位2.1m；ALM4未用。
七、电容式液位变送器在实际使用中的维护
1.使用
电容式液位变送器外壳的防水性能较差，由此应采用防水措施，同时防止外壳遭到硬性损伤，从而防止对探极的绝缘外皮造成损伤而导致绝缘能力下降，同时可拆除绝缘外皮遭到损坏的探极，使用防水的万能胶封好破损的部位，经过实践了解到，探极与水之间的绝缘电阻要大于5MΩ，过小则应及时更换。而智能控制器的工作电源的电压范围在180～250V，若是电压的波动超过该工作电压范围，则可考虑增设稳压电源装置。
2.维护
在电容式液位变送器投入使用之后，应建立定期检测机制，一般为半年检测一次。检测的内容为，金属探极与水之间的绝缘电阻要大于5MΩ，在电阻测量之前应断开探极与水之间的绝缘电阻的连接线。若是小于标准的数值则应对金属探极进行更换，测试实际的水位是否与显示的水位保持一致，若是相差超过0.1m甚至以上则应进行调试处理，首先应对探极杂物进行处理，并使用擦机布擦拭干净探极，而后再检查其是否符合要求，若是依旧不符合要求，可能是由于电容式液位变送器的动作点漂移所导致的，由此则应对工作点进行测试，知道符合要求；对控制器的工作进行检查，明确相应的动作值是否发生了变化，若是动作值发生了变化，则应检查设定值，若是设定值准确，那么需要及时更换控制器。
参考文献
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水位控制器范文4
引言
近年来，随着电力电子器件及控制理论的迅速发展，永磁直流无刷电机以其高效性，良好的调速性，易于维护性而得到了广泛的应用。传统的永磁直流无刷电机往往采用位置传感器来确定转子的位置，这不仅增大了电机的安装体积，增加了成本，而且降低了电机的可靠性。目前，无传感器直流无刷电机一般采用三段式起动方式，起动转矩在开始起动时比较小，并且有脉动，对于有起动转矩要求的系统存在着局限性，而在中小型太阳能光伏水泵系统中，负载转矩是随着转速的增加而增加的，不计摩擦力，在静止时负载转矩为零，所以，直流无刷电机可以应用于光伏水泵系统，并且整个系统是直流的，无须逆变，那么，在光伏水泵系统中应用直流无刷电机，对于提高系统效率,简化系统装置就具有重大的意义。
1 光伏水泵系统简介
光伏水泵系统由光伏阵列，控制器，电机，水泵4部分组成。光伏阵列由许多太阳电池串并联构成，直接把太阳能转化为直流电能。目前所用的太阳电池都为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。由于光伏阵列的输出伏－安特性曲线具有强烈的非线性，而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系,所以，如果要使光伏水泵系统工作在比较理想的工况，就需要用控制器去调节、控制整个系统。电机是用来驱动水泵的，由于电机的功率因数及电压等级在很大程度上受到太阳电池阵列的电压等级和功率等级的制约，因此，对水泵扬程、流量的要求被反映到电机上，往往在兼顾阵列结构的条件下专门进行设计。对于要求流量小、扬程高的用户，宜选用容积式水泵；对于需要流量较大，但扬程却较低的用户，一般宜采用自吸式水泵。
2 单片机M68HC908JK3ECP介绍
这是Motorola公司的8位单片机家族中的成员之一，同样具有高性能，低成本的优点。它内嵌4k闪速存储器FLASH，128字节RAM；具有10个通道的8位精度ADC模块，15个I/O端口；时钟模块具有输入捕捉，输出比较及脉宽调制等功能，能满足系统要求。
3 无传感器直流无刷电机控制原理
无刷电机的定子为三相对称绕组，采用两相通电方式时控制电路按照一定的顺序向定子的两相通入直流电流，产生定子磁势Fa；转子为永磁材料，产生磁势Ff，通过两者的相互作用，可以产生电磁转矩T=FaFf|sinθ|，显然，当θ=60°～120°时，平均电磁转矩最大。故检测转子磁势位置时，当定转子磁势夹角为60°时，三相绕组中的某两相导通，转过60°时，其中一相的功率管关断，另一相中的功率管导通。这样，保证定转子磁势夹角为60°～120°，达到转矩最大的目的。由于每次转过60°只关断一个功率管，故每个功率管导通角度为120°，这种方式为120°导通方式。
主电路采用三相全控桥，如图1所示。图2为三相6拍工作方式下典型的相电压反电势波形图。由图2我们可以清楚地看到，在该相悬空状态（过零点前后30°区域）下，绕组感应反电势按正弦规律变化，平顶部分为绕组通电激励时逆变换相主电路电压钳位引起的。换相点发生在过零点后30°，使用反电势法来实现电子换相，就是在过零点检测电路检测到过零点后30°进行换相。三相6拍工作方式下，导通次序为S1，S2－S2，S3－S3，S4－S4，S5－S5，S6－S6，S1－S1，S2。基于反电势的电子换相方法有多种，如“1/2母线电压比较法”、“端电压比较法”等，但这些测量方法都存在抗干扰能力弱的问题，特别是在PWM调制情况下，测量时必须采取专门措施避开或抑制干扰，增加了控制电路的复杂性，并且可能产生换相滞后。采用“虚拟中点法”可以解决以上问题，并且在PWM调制情况下，其开关噪声不会影响相绕组的过零测量，检测电路也较简单。
在静止或低速状态下反电势值为0或很小，无法用反电势法来判定转子的位置，通常采用三段式起动方式来解决这个问题，即先按他控式同步电机的运行状态从静止开始加速，当达到一定的转速时再切换到反电势法控制状态，包括转子定位，步进起动和自由切换三个阶段。转子定位时首先导通两个功率管，一般来说先导通S6及S1，一定时间后就完成转子的初始定位。步进起动时从初始位置开始，按前面的导通次序依次导通各功率管，但导通时间按一定规律递减，以达到提速的目的。步进起动结束后进行自由切换，保证换相的正确性，同时，PWM斩波使直流侧电压逐渐加到主电路上，使无刷电机的转速按控制要求加速，相当于电机转速的软起动过程，这样就避免了电机在起动初期会产生大电流，减少了对主电路的冲击，延长了功率管的寿命。
4 系统实现
系统硬件电路由主电路、驱动电路、过零点检测电路、采样电路、各种保护电路组成。过零点检测电路检测到过零信号，并把过零信号送到JK3单片机的捕捉口，JK3单片机接收到过零信号，由软件计算出延迟时间，并在延迟时间到后发出换相脉冲信号，经驱动电路转换为驱动信号去驱动各功率管，这样就实现了单片机对直流无刷电机的控制。保护电路主要有过电压充电保护，低水位保护。
系统软件采用模块化设计，包括初始化模块，PWM中断模块，捕捉中断模块，采样保护模块。PWM中断模块实现了无刷电机的步进起动，自由切换运行。PWM中断模块的流程图如图3所示。
初始化模块主要完成程序所用变量的初始化，PWM中断初始化，捕捉中断初始化，发初始定位脉冲；捕捉中断完成反电势过零点的捕捉及换相周期的确定；采样保护模块主要用来采集直流侧电压和电流，以及判定和处理故障。实验数据证明，换相时刻的准确性和相位跟踪的快速性对电机控制的性能影响极大，电子开关的准确换相点每次都在该相不激励绕组的反电势过零后30°的电角度位置，由于电机的运行是变速运行，换相周期是变化的，所以并不能准确确定延迟30°电角度的换相时间，只能根据前若干个换相周期的变化趋势，对该次换相时刻进行合理有效的滤波和预估，有数字滤波和锁相跟踪两种方式。
图4为系统正常运行时测得的线电压波形，毛刺部分是由PWM斩波和换相引起的。从图中可以看出，电压波形比较接近于理想情况，说明换相点准确，从而验证了对整个系统控制思想是正确的。
水位控制器范文5
【关键词】 汽包水位 PID 自抗扰
锅炉的汽包水位参数是衡量锅炉安全运行的重要标志，体现了给水量与蒸汽流量之间的动态平衡关系。蒸汽流量增加时，容易使得过热器积垢，损坏管道，从而汽包水位不能过高。当汽包水位过于满水时，容易造成蒸汽温度下降，对汽轮机叶片造成严重的水冲击以至于腐蚀而破坏。当汽包水位过低时，容易破坏水循环，出现严重的缺水使水冷壁的安全受到破坏或威胁[1]。因此，传统的PID控制很难对各种工况下的汽包水位控制好。由于自抗扰控制器是在汲取了PID控制的精华，融入了现代控制理论，使其具有良好的控制性能。
1 自抗扰控制器
自抗扰控制技术是一种建立在PID控制的基础上，结合了PID和现代控制理论的成果。它最初由韩京清研究员提出，成功应用在风力发电中。自抗扰控制器主要由3部分组成，它们是一个非线性跟踪微分器，一个非线性状态误差反馈控制器和一个非线性扩张状态观测器。跟踪微分器的作用为控制系统的暂态提供过渡过程，使得控制系统响应更快且无超调。非线性状态误差反馈率可以认为是整个自抗扰控制器的神经中枢，为被控对象提供控制输入，采用比例微分控制结合最优综合函数，使得自抗扰控制由PID的连续控制转化为非线性控制。非线性扩张状态观测器为自抗扰控制器提供实时的估计变量，把被控对象及其扰动转化为积分串联型结构。一般来说，只要某个控制器具有非线性状态扩张器或其他观测器，可以估计扰动并补偿，就可以称其控制方法为自抗扰控制。一般高阶对象都可以近似转化为二阶对象。
2 自抗扰控制器在汽包水位上的应用
火电厂的汽包锅炉水位的典型三冲量控制结构如图1所示。图中的H为被控对象汽包水位，D为蒸汽流量，W为给水流量。H0为汽包水位的设定值，Gd蒸汽流量对汽包水位的传递函数，Kd为蒸汽流量测量变送器的传递函数，Kw为给水流量的传感变送器，Kh为汽包水位的传感变送器的传递函数。Kv为控制调节阀的传递函数，Gb为蒸汽流量扰动的前馈传递函数，Gf为给水流量扰动的反馈传递函数。Gc1为内环PID控制器的传递函数，Gc2为外环调节器的传递函数。
某锅炉在某一运行工况下的水位传递函数的及参数为：
2.1 PID和自抗扰的鲁棒性单位阶跃对比试验
从（图2）可以看出，PID串级控制系统在参数不变的情况下基本满足控制要求，但是当汽包锅炉水位的参数发生变化时，调节时间和超调量明显变大进而发散不能控制；而自抗扰串级控制的调节时间更短、超调量更小、抗干扰能力更强，且对于参数的变化不太敏感，具有较强的鲁棒性。
2.2 PID和自抗扰的蒸汽扰动单位阶跃对比试验
在300s加入蒸汽扰动，当蒸汽流量扰动为蒸汽流量D在25%外扰时，PID与自抗扰的对比试验如（图3）所示。从图中可以看出，PID抗蒸汽扰动能力较弱，当加入蒸汽扰动时，水位发生了振荡并经过数次振荡才渐趋平衡状态，而自抗扰抗扰能力更强，几乎不受蒸汽扰动太大影响。
3 结语
自抗扰控制系统对非线性、强干扰、时变性、时不变性、不确定性、强耦合和大时滞等复杂系统均具有较好的控制性能，是一种非常实际运用的非线性鲁棒控制器。锅炉汽包水位的自抗扰控制效果比常规PID控制等方案控制效果较好，它具有水位的抗干扰性更高、恢复能力更强、鲁棒性更强、算法简单等特点，能够有效控制汽包水位等比较复杂的热工对象，具有一定的实际应用价值。
参考文献：
水位控制器范文6
关键词：水位;S7-200;PID
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）36-0009-02
1 水位控制设计背景
据统计，地球上29%的面积是陆地，而71%的面积被水覆盖，水的总量约为13.6亿 km3，可以看出地球上绝大部分都是水，可以说地球就是一个水球。同样，人体中70%都是水，水在人体中的比例也相当大。水在人们日常生活和生产中的重要性不言而喻，但任何物质都有两面性，水在给人民生活带来极大方便的同时，也会危害人类，比如洪涝灾害（大雨、暴雨或持续降雨使低洼地区淹没、渍水的现象）。形成洪涝的原因不仅有自然条件的影响，也有社会经济条件的影响，因为洪水是形成洪涝灾害的直接原因，而中下游地区由于其水源充足、地势平坦，是经济发达地区，常是洪涝多发区。控制洪涝灾害的最好方式就是设置大坝，严格控制外部水的流入与流出，这就需要通过水位控制器实时检测并控制好水位。
水位控制器应用广泛。在以前，传统的供水系统是通过水塔控制，但是其能耗大、控制精度低，同时，还需要人进行操作，无法对水位进行时刻监视，这是非常大的缺点。水位控制器对于人们的生活非常重要，它可自动对水位进行实时监控，当水位过高时，开启水泵让水抽出去，水位过低时，可以开启阀门让水流进来，这样可以合理的控制水位，对灌溉庄稼，防洪工作具有巨大的作用。
过程控制，指为达到规定的目标而对影响过程状况的变量所进行的操纵控制，也就是说对生产工艺流程进行检测和控制。在工业控制中，很多对象都是通过数字信号进行处理的，还有一些模拟信号需要进行处理，如压力、流量、水位、温度等信号，由于控制器内部处理的是数字信号，不能直接处理模拟信号，这时需要借助于传感器或者变送器，传感器能将检测的物理量转化为标准的电信号，再将该模拟电信号转位数字信号，输入到PLC中，这就是A/D转换。同样，也需要将数字信号转换为模拟信号，即D/A转换，通过模拟信号来控制电动阀、电磁阀等。
2 水位控制系统原理
水位控制系统主要由控制环节、执行环节、被控对象及测量环节组成，其控制原理可以描述为：用户通过计算机设定给定信号，同时得到测量环节测出的被控量，将两者相减得到偏差信号，再将该信号输入到PID调节器中，经过PID控制算法的处理，得到调节器的输出电量信号，该信号需要经过D/A转换成0～10 V、0～20 mA或者4～20 mA的工业标准模拟信号，控制调节阀的开度，进而控制水的流量。由于该系统是闭环控制系统，这样可以使水位保持在给定值，同时采用PID算法可以提高对外界的抗干扰能力和快速响应外部给定信号。
在自动控制系统中，常用的经典闭环控制方法有PI、PD、PID控制，其中应用最为广泛的是PID控制，称为比例、积分、微分控制，该控制方法问世至今已有70多年，是一种相对成熟的控制方法。先前的工业控制系统中多采用气动式PID控制器，由于气动组件维修简单，使用安全可靠，在爆炸性等特殊场合应用广泛。但随着运算放大器的飞速发展，电子式的PID控制器已经逐步取代气动式的PID控制器，之后随着微处理器的处理能力加强，PID控制算法可以通过程序来实现，这大大简化了硬件结构。该控制器就是根据系统的偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量，对被控参数进行调节控制。
在连续控制系统中，模拟PID的数学表达式为：
u（t）=Kp[e（t）+■？蘩e（t）DT+TD■]（1）
式（1）中，
u（t）为控制器的输出;
e（t）给定值和被控对象输出的差值，称为偏差信号，也是控制器的输入;
Kp为控制的比例系数;
TI为控制器的积分时间;
TD为控制器的微分时间。
由于控制器处理的离散信号，因此需要将连续形式的微分方程转化为离散形式，其数学表达式为：
u（k）=u（k-1）+？驻u（k）=u（k-1）+KP[e2（k）-e2（k-1）]+KIe2（k）+KD[e2（k）-2e2（k-1）+e2（k-2）]（2）
式（2）中，
KP为PID控制的比例系数;
KI=KPT/Tl为积分系数;
KD=KPT/TDT为微分系数。
从以上分析可以得出，设计PID控制器的核心就是它的参数整定，这需要根据被控对象的特性合理选择控制器的比例系数、积分时间和微分时间。在计算PID参数时，运用自动控制原理知识可以构造系统的数学模型，经过理论计算控制器的3个参数，这种方法得到的计算数据放到实际的被控系统中还需要调整，经过不断的调试最后才能够得到比较理想的参数值。还可以通过工程师的工程经验，通过工程整定法，直接在控制系统进行试验，该方法比较快捷，该方法易于掌握，但需要工程经验的积累。其他参数的整定方法还很多，最常用的还是上述两种方法。
3 系统硬件设计
通过上述系统的结构原理，在实际系统应用中，实现水位控制的基本思路：测量环节采用差压变送器，水位通过变送器，把水位高度量转化为相关的电信号，通过A/D转换输入到PLC中，PLC接收到的信号与设定值进行做差运算，差值经过PID控制调节，通过D/A转化模块，送至外部执行器。系统的硬件设计包括传感器、控制器、执行器、模拟量输入、模拟量输出等元件。
该控制系统中，选择西门子公司的S7系列的CPU224，该PLC共24点，集成了14点输入和10点输出，可连接7个扩展模块，按此计算可以扩展到168个数字I/O，因此其输入、输出点数可以满足该控制系统的要求。同时由于其内部集成了PID控制功能，可进行控制算法的处理，同时该PLC性价比较高。
在该控制系统中，水位的检测是关键，水位量的精确度直接影响到控制系统的准确性，本系统选用SP 0018G水位变送器，它属于静压力式水位变送器，最大值可以测量10 kPa，供电电压为直流24 V电源，输出为4～20 mA的直流电流信号。
该控制器的执行器主要改变调节阀的流通面积，从而控制水量的排放大小，实现过程参数的自动控制。执行机构首先来自调节器的信号改变成推力或位移，调节机构根据推力或位移，改变调节阀的阀芯的流通面积，最终调节被控对象，本系统中选用QS型智能型调节阀，它主要接收0～10 V信号来进行开度调节。
在模拟量输入、输出模块方面，选用S7-200 EM235混合模块，该模块具有最佳适应性、方便性、灵活性等特点，具有1路模拟量输出和4路模拟量输入模块，它适用于电压、电流信号，由开关SW1～SW6设定。
4 控制系统的软件设计
根据上述水位控制的基本思路以及系统硬件的设计，可以设计出该控制系统的程序流程图。控制程序的编写利用STEP7-Micro Win32软件来完成。整个程序分为主程序、各个子程序和中断采样程序。主程序主要处理逻辑运算部分，子程序主要处理系统初始化和水位显示，PID功能可以通过软件的指令。其中的控制程序流程图如图1所示，首先进行设定值、控制参数、定时参数的初始化，定时器作为采样周期的时基，当采样周期到了进入采样滤波，通过A/D转化，将反馈的值与给定的值进行做差，其差值进入PID算法，得到的控制信号再通过D/A转化，控制调节阀的开度大小。
5 结 语
本文首先阐述了水对于人类的重要性，但如果不控制好水的流量会给人类带来灾难，而大坝的设计能控制好水的流量，其中水位控制器特别关键。通过对水位控制器的原理结构分析，采用PID控制算法能够提高对外界的抗干扰能力和快速响应外部给定信号，这对于水位控制系统非常重要。硬件上采用S7系列的CPU 224为控制核心，SP0018G水位变送器采集水位信号，信号转化采用S7-200 EM235混合模块，执行器采用调节阀。软件上设计了主程序、各个子程序和中断采样程序。
参考文献：
[1] 胡寿松.自动控制原理（第四版）[M].北京：科学出版社，2011.
[2] 龚威，张树臣.实例解读西门子PLC[M].北京：中国电力出版社，2013.
[3] SiemensAG.SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manua
