液位控制器的設計（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）

液位控制器的設計液位控制器的設計（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）1引言在自動控制領域里,如果被控制對象是個比較復雜的非線性、時變而且又有大的滯后的系統的話,往往很難獲得精確的數學模型,并且由于傳統的經典控制方法是建立在數學模型的基礎上的,沒有數學模型,這些經典的控制方法是很難獲得良好的動態和靜態性能的。而模糊控制是一種模仿人的智能的控制方法,它不依賴于對象的數學模型,而是通過對模糊信息的處理做出對復雜對象的控制。模糊控制技術在復雜、大滯后、難以建立精確數學模型的非線性控制過程中表現出了優越的性能。本文針對鋼水液位控制系統的時變、非線性特性,設計出模糊控制器,并且將其應用到鋼水的液位控制中。2鋼水液位控制系統的組成在鋼鐵生產的連鑄工藝流程中,鋼水從鋼包流入中間包,然后通過浸入式水口流入結晶器,結晶器中鋼水液位的調節一般通過調節中間包內可以上下移動的導塞桿的位置來實現。它的簡化結構框圖如圖1所示。和傳統的開環控制或PID閉環控制方式不同的是,本系統的控制器采用模糊控制器（虛線框內部分）。圖1鋼水液位控制系統2.1系統部件介紹鋼水液位控制系統中的執行機構采用電液伺服驅動裝置來驅動導塞桿的上下位移,從而實現液位的調節。電液伺服驅動裝置由伺服放大器和電液伺服閥組成。本系統采用的伺服放大器是為動圈式電液伺服閥設計的專用配套放大器,它采用固體組件,集成度高,并備有多種附件插板可擴展電路功能,且能方便地與計算機相連。其輸入為電壓信號,輸出為電流信號。電液伺服閥是電液伺服驅動裝置中的一個核心部件,本系統采用DY系列伺服閥將電氣部分和液壓部分連接起來,用輸入為毫安級電流去控制液體流動,來驅動活塞在液壓缸中的位移,液壓缸活塞的位移帶動導塞桿上升或下降,從而實現液位的調節。電液伺服驅動裝置不僅能自動跟隨控制器電輸入信號而動作,而且起到信號功率放大作用。液位信號的檢測通過WY型差動變壓器式位移傳感器來實現,該傳感器是基于變壓器原理,通過一次線圈與二次線圈弱電磁耦合,使得鐵心的位移變化量與電壓信號成近似的線性關系。在使用時將它與浮子相連,可以把直線移動的鐵心位移變換成電壓信號,經APD轉換后輸入計算機進行處理。2.2模糊控制器的設計本系統采用的是mamdani推理型模糊控制器。模糊控制器采用雙輸入、單輸出的結構,輸入量選用設定的液位值與采樣液位值之間的偏差E以及液位偏差值的變化率EC,輸出量選用液位控制量U。模糊控制器的設計是模糊控制中的重點,它由模糊化、模糊算法、模糊判決三部分組成。2.2.1精確量的模糊化過程根據本系統的實際性質和要求,對輸入量E、EC和輸出控制量U的模糊語言描述（模糊集）定義如下:描述輸入量E、EC和輸出控制量U的語言值模糊子集均選為{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB},量化論域均取為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。輸入量E的基本論域為[-1.2%～+1.2%],輸入量EC的基本論域為[-0.6%～+0.6%],輸出量U的基本論域為[-12～+12],則量化因子分別為:K1=3P1.2%=250,K2=3P0.6%=500,K3=12P3=4。根據實際系統可寫出輸入量和輸出量各檔的隸屬函數。本系統所選擇的隸屬函數均為三角形分布。這樣就完成了精確量的模糊化過程。需要注意的是,不同系統中,模糊集的隸屬函數是不同的,要根據實際情況和實踐經驗而定。2.2.2模糊控制算法模糊控制的核心是模糊控制規則的建立,模糊控制規則的實質是把操作者的經驗加以總結,并將在控制過程中由經驗得來的相應措施總結成一條條控制規則。在得到輸入偏差量E,偏差變化率EC和控制量U的模糊集后,就可以利用“若E且EC,則U”的控制規則進行模糊控制器的建立。這種控制規則是總結人們的操作經驗和思維過程,根據測得的偏差和偏差變化率,來判斷應該施加的控制量。表1為總結出各種情況時的控制規則表。該表總結出一個完整的控制策略,表中每項對應一條模糊條件推理語句。每一條模糊條件推理語句,對應一個模糊關系為:R=E×EC×U。按上式即可計算出每一條模糊條件推理語句所對應的一個模糊關系矩陣R1,R2,……,Rn,將所有的模糊關系矩陣求并集運算,即:R=R1∪R2∪?∪Rn,即可求出總的模糊關系R。在計算出總的模糊關系R后,在輸入已知的條件下,輸出由這個總控制規則的模糊關系確定,例如當有任意輸入偏差E1和偏差變化率EC1時,用推理合成原理即可算出相應的控制量U1:U1=E1×EC1×R。2.2.3模糊判決由模糊數學理論知道,總的模糊關系矩陣R是一個49×7的矩陣,每次控制計算都處理這樣一個矩陣是很困難的,為此,事前先將R矩陣算出,然后算出每種輸入狀態下的模糊控制輸出,最后用最大隸屬度決策算法,將模糊控制輸出轉化為精確的實際輸出動作。經過計算的模糊查詢表如表2所示。在實時控制時,先將該表存入計算機,只要測得E和EC,通過查詢計算機內存中的總控制表,即可得到相應的控制量U去控制生產過程。3模糊控制系統的MATLAB仿真為了驗證模糊控制器在鋼水液位控制系統中的使用效果,同時為了在仿真過程中及時調整模糊控制器的控制規則和各項參數,我們利用MATLAB軟件進行了仿真研究。在仿真過程中對于執行器和被控對象,近似等效為帶滯后的二階慣性環節。在進行MATLAB仿真時,首先在模糊邏輯工具箱的圖形用戶界面（GUI）下建立上述的模糊控制器,然后在SIMULINK環境下,選擇所需的模塊,建立系統仿真模型進行仿真。圖2是選取大小為0.3的常值信號作為系統的設定輸入,選取階躍信號對系統作定值擾動時的仿真曲線。從圖中可以明顯看出模糊控制具有較好的動態性能和抗干擾能力,不但有較短的響應時間,而且超調量小。4結束語用MATLAB軟件進行模糊控制器的仿真是一種直觀而且簡便的方法,它可以大大縮短模糊控制器的設計周期。從鋼水液位控制系統的仿真情況來看,模糊控制的快速性、跟蹤性能和定位準確性比傳統PID控制時有較大的改善。在實際應用中,還需要根據現場運行情況的變化對模糊查詢表進行不斷修正,以獲得更佳的控制效果。纜式浮球液位控制開關規格：UQK-246產品詳細說明：UQK-246型纜式浮球開關，是采用意大利MAC3（馬赫）公司的原裝組件組裝。由于其采用塑料一體成形，所以結構堅固，壽命長。對長距離、多點液位控制，應用尤為方便，可廣泛應用于給水、排水及含腐蝕性液體的液位自動控制。該浮球開關是根據重力與浮力的原理設計而成，用大容量微動開關作為節點輸出，當浮球與水平面上仰角度超過28°時，便會輸出一個開關量信號。檢測范圍：0～15m（分別為1m、3m、5m、15m五種規格，如長度超過15m，需另行定制）

觸點容量：220V，10A（阻性）

觸點形式：一常開一常閉（每個浮球）

介質溫度：0～80℃

防爆等級：隔爆型

電氣接口：φ11電纜夾KEY電纜浮球液位開關(TEK-1)KEY電纜浮球液位開關免予維修無毒環保性能穩定價格低廉

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1。水電行業：集水井、清水井、頂蓋排水、生活水塔、貯水池、前池的水位控制與報警；

2。給排水行業：自來水廠的混合池、砂石過濾池、沉淀池、取水口、貯水池、水塔的水位報警與控制；

3。污水處理廠的消化池初沉池、平衡池、污水池、曝汽池、欄污格柵、濃縮池的水位控制與報警。1.性能特點

(tek-1)key電纜浮球液位開關是一個能夠調節桶、槽或井中液位的控制裝置。它可自動調節，易于操作，便于安裝，安全可靠，免予維修，無毒環保。它對污水有抵抗作用，廣泛應用于家庭，廠礦等的水池，油，酸和堿的池，桶，槽，灌等的容器中。如果聯兩個控制器。一個放至水塔，另一個放至水井中控制水泵，就能防止因水源不足開空泵而損壞水泵設備；也可以三有控制器串聯，一個放至水塔，另一個放過濾池和一個放至河水（水井）能同時控件，就能防止因水源不足開空泵而損壞水泵設備；也可以三個控制器串聯，一個放至河水（水井）能同時控制兩臺水泵設備。(可參考下圖)2.安裝示意圖(供用戶參考)

3.技術參數

1、工作電壓：250V～380V。

2、工作電流：10(8A)～10(4A)。

3、工作溫度：0～80℃。

4、電壽命：1×100000次。

5、機械壽命：5×100000次。

6、引線長度：3m4m5m10m等特殊長度及材料可訂制

4.安裝方法

1、使用黑色和藍色的電線

浮球在上液位時，接點是不通的狀態，浮球在下液位時，接點是接通的狀態。

2、使用黑色和黃色的電線

浮球在上液位時，接點是接通的狀態，浮球在下液位時，接點是不通的狀態。

3、固定重錘的安裝

液位的控制高度是由(tek-1)Key電纜浮球液位開關的電纜在液體中的長度及重錘在電纜的位置決定的。

固定(tek-1)Key電纜浮球液位開關重錘的方法是：

1、先將塑料重錘非喇叭口一端的卡環拆下，將其套在電纜的適當位置上

2、然后再將電纜從塑料重錘喇叭口一端穿入，套在電纜上的卡環就限定了重錘的位置。

3、最后將電纜在容器外的適當處固定。將電纜線端接到控制箱，盡量避免使用中間接頭，若需有接頭時，絕對不可將接頭浸入液體中。

(注：塑料重錘非喇叭口端卡環也可以不拆，直接將電纜從喇叭口端穿入，然后用廢舊裸線纏繞在電纜適當位置卡住塑料重錘即可)液位控制器設計與制作功能說明在水塔中經常要根據水面的高低進行水位的自動控制，同時進行水位壓力的檢測和控制。本液位器具有水位檢測、報警、自動上水和排水（上水用電機正轉模擬，下水用電機反轉模擬）、壓力檢測功能。該控制器主要由89S52單片機，0809A/D轉換器，A、B、C三點水位檢測電路，壓力檢測電路、數碼顯示電路、鍵盤和電源電路組成。原理簡介由三路“傳感器”（三根插入水中的導線）檢測液位的變化，由89S52控制液位的顯示及電泵的抽放水，由ADC0809采集水位壓力的變化并由數碼管顯示壓力。1．液位采集電路三路液位檢測都采用簡單的三極管檢測電路檢測液位變化，將電平信號分別送入單片機。實際檢測時，從P3焊接出四根導線，分別將接A、B、C和VCC的導線放入水杯（模擬水塔）中，位置如圖1所示。2．壓力檢測電路該電路主要由LM324運放組成測量放大器，放大器可分為前后兩級。測量的模擬信號經過ADC0809轉換為數字信號并傳輸給單片機，經單片機處理后送數碼管顯示。圖1電路功能介紹圖11．液位檢測的調試電路焊接好后，接通電源，改變液位使檢測點變化，當液位在A點以下時紅燈連續亮并且發出頻率較高的報警聲，顯示00，電機正轉；當A≤液位<B時，顯示0A，電機正轉；當B≤液位<C時，顯示0B，電機不轉；液位在C點及以上時，綠燈連續亮并且發出報警聲，顯示0C，電機反轉。2．按鍵電路調試AT89S52圖2AT89S52引腳圖按鍵S1是復位按鍵AT89S52圖2AT89S52引腳圖按下S3切換到溫度顯示。芯片介紹1．AT89S52引腳如圖2所示。引腳功能說明：（1）輸入/輸出引腳（I/O口線）P0.0～P0.7:P0口8位雙向I/O口，占39～32腳；P1.0～P1.7:P1口8位準雙向I/O口，占1～8腳；P2.0～P2.7:P2口8位準雙向I/O口，占21～28腳；P3.0～P3.7:P3口8位準雙向I/O口，占10～17腳；（2）控制口線(29腳)：外部程序存儲器讀選通信號。ALE/(30腳)：地址鎖存允許/編程信號。/VPP(31腳)：外部程序存儲器地址允許/固化編程電壓輸入端。RST/VPD(9腳)：RST是復位信號輸入端,VPD是備用電源輸入端。（3）電源及其它Vcc(40腳)：電源端+5V。GND(20腳)：接地端。XTALl、XTAL2(19～18腳)：時鐘電路引腳。當使用內部時鐘時，這兩個引腳端外接石英晶體和微調電容。當使用外部時鐘時，用于外接外部時鐘源。2．ADC0809ACDC0809位8路A/D轉換集成芯片。可實現8路模擬信號的分時采集，片內有8路模擬選通開關，以及相應的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉換時間為100us左右。ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，其引腳排列見圖3。IN0～IN7：模擬量輸入通道信號單極性，電壓范圍0-5V，若信號過小還需進行放大。ADDA、ADDB、ADDC：地址線A為低位地址，C為高位地址。其地址狀態與通道對應關系見表1。表1選擇的通道CBA選擇的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7圖2ADC0809引腳排列圖ALE：地址鎖存允許信號。對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態送入地址鎖存器中。START：轉換啟動信號。START上跳沿時，所有內部寄存器清“0”；START下跳沿時，開始進行A/D