倪敏+魏向國

摘要：目前，高職自動化專業(yè)使用的與自動控制系統(tǒng)相關(guān)的實訓(xùn)教學(xué)裝置普遍體積大、成本高，給實訓(xùn)教學(xué)帶來諸多不便。本文設(shè)計的小型水位紅外遙控系統(tǒng)，可實現(xiàn)水位的遙控給定和自動調(diào)節(jié)，以及高、低限報警、保護(hù)等功能。該系統(tǒng)的主要特點是成本低、體積小、重量輕，而且水箱對象慣性小、響應(yīng)快、控制精度高、使用維護(hù)方便。此外，系統(tǒng)綜合了控制儀表、閉環(huán)控制系統(tǒng)、開關(guān)量控制、電子電路設(shè)計等自動化專業(yè)的諸多基礎(chǔ)知識，適合用作相關(guān)課程的演示教具、實驗實訓(xùn)設(shè)備、教師科研和學(xué)生課外興趣小組設(shè)備等。

關(guān)鍵詞：水位控制系統(tǒng) 紅外遙控 教具 實訓(xùn)設(shè)備 自動化專業(yè)

目前，高職自動化專業(yè)使用的與自動控制系統(tǒng)相關(guān)的實訓(xùn)教學(xué)裝置大多以大型水箱（雙容或以上）為控制對象，實現(xiàn)PLC、DCS或其他工業(yè)控制軟件的計算機控制，其特點是體積大、成本高，且水箱對象的慣性參數(shù)較大，給調(diào)節(jié)時間和控制精度帶來一定影響。這樣，就導(dǎo)致其較少應(yīng)用于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，而多數(shù)應(yīng)用于課上認(rèn)識或演示環(huán)節(jié)。

一、小型水位紅外遙控系統(tǒng)簡介

小型水位紅外遙控系統(tǒng)是一套體積小、成本低、使用維護(hù)方便的水箱水位控制裝置，以單容或雙容水箱為控制對象，利用遙控器設(shè)定水位的目標(biāo)值，再通過閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)水位的自動控制。該系統(tǒng)可用于演示水位檢測、控制儀表以及整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理和工作過程，水箱水位在受到干擾后的變化過程及系統(tǒng)的抗干擾過程，調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)調(diào)節(jié)過程，水位遙控設(shè)定信號與調(diào)節(jié)器給定信號的轉(zhuǎn)換原理，水位的高、低限報警及保護(hù)等開環(huán)控制過程等。

二、系統(tǒng)控制方案

圖1 小型水位紅外遙控系統(tǒng)控制方案示意圖

該系統(tǒng)用到的主要設(shè)備及其連接方式、信號轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。為使系統(tǒng)達(dá)到快速響應(yīng)和克服水位干擾的目的，水位的控制采用單回路閉環(huán)控制方案。用戶利用遙控器設(shè)置水位的目標(biāo)值，接收器接收到遙控設(shè)定信號后，利用轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化為水位調(diào)節(jié)器的輸入信號，即水位的給定信號。同時，水位調(diào)節(jié)器的另一路輸入信號是水位檢測變送器輸出的實際水位信號。當(dāng)二者的偏差超出一定范圍，則水位調(diào)節(jié)器開始其調(diào)節(jié)作用，根據(jù)偏差信號及調(diào)節(jié)器內(nèi)部設(shè)定好的PID參數(shù)進(jìn)行運算，輸出控制指令信號給執(zhí)行機構(gòu)，用以調(diào)節(jié)閥門開度，改變進(jìn)入（或流出）水箱的水流量，從而達(dá)到使水位等于水位目標(biāo)值的目的。

水位遙控信號的發(fā)射和接收采用紅外信號發(fā)射接收技術(shù)。接收器接收到的紅外信號需要通過自主設(shè)計的轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化為能夠與水位檢測變送器輸出的4～20mA DC相匹配的模擬量信號，輸出至調(diào)節(jié)器作為水位的給定信號。另一方面，轉(zhuǎn)換電路通過將水位的目標(biāo)值信號與實際水位信號作比較，根據(jù)其偏差性質(zhì)輸出開關(guān)量控制信號，來控制四個截止閥，以實現(xiàn)水箱和儲水罐之間的進(jìn)出水交換。當(dāng)水位設(shè)定值比實際值高時，水箱進(jìn)水，此時水箱進(jìn)水閥和儲水罐排水閥開，水箱排水閥和儲水罐進(jìn)水閥關(guān);反之，水箱排水，四個截止閥的開關(guān)狀態(tài)與前述相反。當(dāng)水位超過上限值或低于下限值時，同樣需要在水箱與儲水罐之間進(jìn)行進(jìn)出水交換，如前所述。

圖2 小型水位紅外遙控系統(tǒng)外形示意圖

圖2是小型水位紅外遙控系統(tǒng)的外形示意圖。水箱采用透明有機玻璃制作，一側(cè)的干擾水龍頭用以給系統(tǒng)施加干擾信號，其余的設(shè)備和管道均放置于控制柜內(nèi)?？刂乒耖T板上裝有水位顯示儀表和調(diào)節(jié)器面板，可以方便地對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。控制柜門打開后，學(xué)生可以觀察到系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行儀表的拆裝實驗等。

三、系統(tǒng)主要功能及應(yīng)用

（一）系統(tǒng)主要功能

該系統(tǒng)的主要功能是水位的遙控設(shè)定和自動調(diào)節(jié)。當(dāng)用遙控器設(shè)定水位的目標(biāo)值后，系統(tǒng)在較短時間內(nèi)將實際水位控制在目標(biāo)值附近，且控制過程中水位不出現(xiàn)大幅波動;當(dāng)水位目標(biāo)值不變，人為設(shè)置干擾因素（如向水箱中注水或放水），系統(tǒng)仍能達(dá)到上述控制目標(biāo)。此外，系統(tǒng)可實現(xiàn)水位的高、低限報警和保護(hù)等輔助功能，防止出現(xiàn)水箱中缺水或溢水的情況。

（二）系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)可應(yīng)用于以下三方面：1.用作檢測儀表、控制裝置、自動控制系統(tǒng)、電子設(shè)計與制作、開關(guān)量控制等課程的演示教具;2.可開設(shè)與上述課程相關(guān)的實驗實訓(xùn)項目，如儀表拆裝、控制系統(tǒng)硬件調(diào)試、控制器參數(shù)調(diào)試、對象特性測試、系統(tǒng)干擾實驗、電子電路設(shè)計、開關(guān)量控制等，供學(xué)生動手操作練習(xí);3.可用作上述課程的教師科研設(shè)備，或組建學(xué)生課外興趣小組等。

目前，高職自動化專業(yè)使用的與自動控制系統(tǒng)相關(guān)的實訓(xùn)教學(xué)裝置普遍體積大、成本高，給實訓(xùn)教學(xué)帶來諸多不便。本文設(shè)計的小型水位紅外遙控系統(tǒng)，具有水位的遙控給定和自動調(diào)節(jié)功能，同時，可實現(xiàn)水位的高、低限報警和保護(hù)等輔助功能。與大型實訓(xùn)設(shè)備相比，該系統(tǒng)具有成本低、體積小、重量輕的便攜式特點，而且水箱對象慣性小、響應(yīng)快、控制精度高、結(jié)實耐用、使用維護(hù)方便。此外，系統(tǒng)綜合了控制儀表、閉環(huán)控制系統(tǒng)、開關(guān)量控制、電子電路設(shè)計等自動化專業(yè)的諸多基礎(chǔ)知識，適合用作相關(guān)課程的演示教具、實驗實訓(xùn)設(shè)備、教師科研和學(xué)生課外興趣小組設(shè)備等。因此，該系統(tǒng)彌補了自動控制系統(tǒng)類教具和實訓(xùn)設(shè)備的不足，具有一定的成果應(yīng)用和推廣價值。

該系統(tǒng)后續(xù)的改進(jìn)方向是系統(tǒng)的硬件組成、結(jié)構(gòu)和控制方案，此外，還可以將遙控器設(shè)定改進(jìn)為手機APP設(shè)定和藍(lán)牙接收方式。

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[2]余翔翔，陳德傳，鄭忠杰.無線電遙控式直流電機控制系統(tǒng)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2013.

（責(zé)編 田彩霞）