單片機在高樓恒壓供水系統中的應用設計
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單片機在高樓恒壓供水系統中的應用設計
近年來隨著科技的飛速發展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統控制檢測的更新。目前對高樓恒壓供水控制的研究以及已開發的系統各有所長。隨著微機技術及變頻技術的發展，設備簡單、投資少、可靠性高、抗干擾能力強、節能高效的控制系統將是高樓恒壓供水系統研究的方向。
介紹了用 AT89C51單片機控制的變頻調速高樓恒壓供水系統，給出了系統的硬件結構及單片機控制程序框圖。在系統中，AT89C51CPU 產生三相交流調頻控制信號，經驅動后，輸送到逆變主橋路，實現恒壓調速。
1 緒論
供水系統的動力，通常優先選用結構簡單、運行可靠、價格低廉的三相鼠籠式異步電動機。系統中，水的流出量是隨用戶用水需求變化而變化的，傳統的控制方法是調節風門。隨著電子技術、交流調速技術的不斷完善和計算機技術的迅速發展，變頻調速方法在高樓恒壓供水控制系統得以應用，這不僅大大提高了系統的自動化程度，而且也有效地解決了這一問題，減少了能源浪費。
近年來，隨著居民區的不斷擴建與改造，樓房層數的不斷加高，我國居民用水難問題越來越突出，特別是高層建筑居民，原有的自來水管網的壓力出現不足，大部分地區普遍存在著用水高峰期高層供不上水，高層居民經常出現用水難問題，給生活帶來極大的不便，特別在大城市這類問題特別突出。
針對上述問題，本設計采用單片機與變頻調速相結合起來實現高樓恒壓供水，該控制器是以管網水壓為設定參數，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節水泵電機的轉速，實現管網水壓的閉環調節(PID)，使供水系統自動恒穩于設定的壓力值。即用水量增加時，頻率升高，水泵轉速加快，供水量相應增大，當用水量超過一臺泵的供水量時，通過控制器加泵;用水量減少時，頻率降低，水泵轉速減慢，供水量也相應減小。也就是根據用水量的大小，由供水控制器控制水泵數量以及變頻器對水泵的調速，來實現恒壓供水。同時達到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。
采用該供水系統不需建造高位水箱，水塔，水質無二次污染，是一種理想的現代化建筑供水方案。此外，恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的。例如：在某些生產過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。如發生火災時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。
隨著自動化程度的不斷提高，運動控制系統可以采用以前很難實現的復雜算法，控制性能也有了很大提高。運動控制系統中控制器的智能化，為解決那些用傳統方法難以解決的復雜系統的控制提供了有效的理論和方法。運動控制方法較為成熟的有：PID控制算法、人工神經網絡控制、模糊控制、專家控制、仿人智能控制等。
PID控制是最早發展起來的、應用領域至今仍然廣泛的控制方法之一，它是基于對象數學模型的方法，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。
在城市建設的發展過程中，智能建筑已成為人們追求良好居住條件的一個標準，而高樓恒壓供水是智能建筑群不可缺少的環節，合理選擇水泵的控制方式，不僅可以降低工程造價，還能節能。
針對特定對象，用戶用水最突出的特點是隨機性，哪個用戶用水、用多少水、什么時候用水等，都具有很大的不確定性。從宏觀角度考慮，供水系統特性主要表現在以下幾個方面：
（1）系統參數的未知性、時變性、隨機性和分散性；
（2）系統滯后的未知性和時變性；
（3）系統嚴重的非線性；
（4）系統各變量間的關聯性；
（5）環境干擾的未知性、多樣性和隨機性。
上述特性，屬于不確定性的復雜對象（或過程）的控制問題，傳統控制已經無能為力，主要表現在：
（1）不確定性問題。供水系統中的很多控制問題具有不確定性，用傳統方法難以建模，因而也無法實現有效的控制。
（2）高度非線性。在供水系統中有大量的非線性問題存在，傳統控制理論中，非線性理論遠不如線性理論成熟，因方法過分復雜而難以應用。
（3）半結構化與非結構化問題。傳統控制理論無法解決供水系統中的半結構化與非結構化問題。
（4）供水系統復雜性問題。復雜系統中各子系統間關系錯綜復雜，各要素間高度耦合，互相制約，外部環境又極其復雜，傳統控制缺乏有效的解決方法。
（5）可靠性問題。常規的基于數學模型的控制問題傾向于是一個相互依賴的整體，對簡單系統的控制的可靠性問題并不突出。而對供水系統，如果采用上述文章綜述了運動控制的主要方法，并針對供水系統的特性、控制中存在的問題，進行了供水泵站最佳控制策略的選取方法，則可能由于條件的改變使整個控制系統崩潰。
由此可見，用傳統的方法不能對這類系統進行有效的控制，必須探索更有效的控制方法。無論采用什么樣的控制手段，都要滿足用戶用水需求（即維持一定的水壓）、保護環境不受噪聲污染，此外還要考慮節能。因此，控制要求可以確定為在滿足用戶對供水要求的前提下，盡可能減少環境污染和節約能源。控制策略選取與被控對象特性是緊密相關的，錯誤或不當的控制策略往往會導致控制效果極差，甚至導致系統失控。
目前，在現代的供水泵站中為了節能都普遍采用了變頻器，為提高控制品質創造了良好條件。變頻器里一般都有PID控制模塊，但對不確定性的供水復雜系統，用PID算法并不恰當。人工神經網絡，因方法的局限性，同樣也難于對所討論的對象實現有效的控制。專家控制系統（ECS），由于特征信息的采集、特征信息的表達以及完備知識庫的建立實現難度大，采用專家控制系統也不一定是一個好的選擇。以模糊控制理論為基礎的模糊控制器（FC）能夠實現對復雜工業過程的控制。其控制品質和效果還是令人滿意的，是一種可供選擇的策略。
智能控制已廣泛應用于工業、農業、軍事等多個領域，已經解決了大量的傳統控制無法解決的實際控制應用問題，呈現出強大的生命力和發展前景，隨著基礎理論研究和實際應用的擴展，智能控制將會實現控制領域的一個大的飛躍。
1.2 單片機介紹
1.2.1 單片機概述
單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。
單片機內部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可。用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。
它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區別。
單片機是用程序的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板。但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別。只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可靠性。
1.2.2 單片機的匯編語言
由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十K的尺寸。對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。如果把巨型計算機上的操作系統和應用軟件拿到家用PC上來運行，家用PC的也是承受不了的。
1.2.3 單片機的應用領域
目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。
1.2.4 單片機學習應用的6大重要部分
總線：我們知道，一個電路總是由元器件通過電線連接而成的，模擬電路中，連線并不成為一個問題，因為各器件間一般是串行關系，各器件之間的連線并不很多，但計算機電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協調，所以需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨連線，線的數量將多得驚人，所以在微處理機中引入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數據線全部接到8根公用的線上，即相當于各個器件并聯起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數據，一個為0，一個為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進行控制，使器件分時工作，任何時候只能有一個器件發送數據（可以有多個器件同時接收）。器件的數據線也就被稱為數據總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機內部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當然也是以電信號的形式給出的，由于存儲單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。
數據、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因為這三者的本質都是一樣的——數字，或者說都是一串“0”和“1”組成的序列。換言之，地址、指令也都是數據。指令是由單片機芯片的設計者規定的一種數字，它與我們常用的指令助記符有著嚴格的一一對應關系，不可以由單片機的開發者更改。地址是尋找單片機內部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據，內部單元的地址值已由芯片設計者規定好，不可更改，外部的單元可以由單片機開發者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的。數據是由微處理機處理的對象，在各種不同的應用電路中各不相同，一般而言，被處理的數據可能有這么幾種情況：
（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）常數（如MOV TH0，#10H）10H即定時常數。
（4）實際輸出值（如P1口接彩燈，要燈全亮，則執行指令：MOV P1，#0FFH，要燈全暗，則執行指令：MOV P1，#00H）這里0FFH和00H都是實際輸出值。又如用于LED的字形碼，也是實際輸出的值。理解了地址、指令的本質，就不難理解程序運行過程中為什么會跑飛，會把數據當成指令來執行了。
程序的執行過程： 單片機在通電復位后AT89C51內的程序計數器（PC）中的值為“0000”，所以程序總是從“0000”單元開始執行，也就是說：在系統的ROM中一定要存在“0000”這個單元，并且在“0000”單元中存放的一定是一條指令。
堆棧：堆棧是一個區域，是用來存放數據的，這個區域本身沒有任何特殊之處，就是內部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數據的方式，即所謂的“先進后出，后進先出”，并且堆棧有特殊的數據傳輸指令，即“PUSH”和“POP”，有一個特殊的專為其服務的單元，即堆棧指針SP，每當執一次PUSH指令時，SP就自動加1，每當執行一次POP指令，SP就自動減1。由于SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了SP的值，就可以把堆棧設置在規定的內存單元中，如在程序開始時，用一條MOV SP，#5FH指令，就時把堆棧設置在從內存單元60H開始的單元中。一般程序的開頭總有這么一條設置堆棧指針的指令，因為開機時，SP的初始值為07H，這樣就使堆棧從08H單元開始往后，而08H到1FH這個區域正是8031的第二、三、四工作寄存器區，經常要被使用，這會造成數據的混亂。
1.2.5 單片機引腳
以AT89C51單片機為例講解單片機的引腳及相關功能：40個引腳按引腳功能大致可分為4個種類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。
（1）電源：VCC-芯片電源，接+5V；VSS-接地端。
用萬用表測試單片機引腳電壓一般為0v或者5v，這是標準的TTL電平。但有時候在單片機程序正在工作時候測試結果并不是這個值而是介于0v-5v之間，其實這是萬用表的響應速度沒這么快而已，在某一個瞬間單片機引腳電壓仍保持在0v或者5v。
（2）時鐘：XTAL1、XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。
（3）控制線：控制線共有4根。
ALE/PROG：地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖。
ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。
PROG功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。
PSEN：外ROM讀選通信號。
RST/VPD：復位/備用電源。
RST（Reset）功能：復位信號輸入端。
VPD功能：在VCC掉電情況下，接備用電源。
EA/VPP：內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。
EA功能：內外ROM選擇端。
VPP功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源VPP。
（4）I/O線
AT89C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。
P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。
1.3 傳感器介紹
1.3.1 傳感器定義
傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。
國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。
1.3.2 傳感器的分類
可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理、它們的用途、它們的輸出信號類型以及制作它們的工藝等。
根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器。
按照其用途傳感器可分類為：壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動傳感器、濕敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。
以其輸出信號為標準將傳感器分為：模擬傳感器、數字傳感器、開關傳感器。
按照其制造工藝，可以將傳感器區分為：集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器。
1.3.3 傳感器的特性
（1）傳感器靜態特性
傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
（2）傳感器動態特性
所謂動態特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。
（3）傳感器的線性度
通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。
擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。
（4）傳感器的靈敏度
靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸入輸出特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩定性也往往愈差。
（5）傳感器的分辨力
分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發生變化。
通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩定性有負相相關性。
（6）傳感器的遲滯特性
遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減小）行程間輸入輸出特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值△MAX與滿量程輸出F•S的百分比表示。遲滯可由傳感器內部元件存在能量的吸收造成。
1.4 變頻器介紹
1.4.1 變頻器概述
變頻器是一種用來改變交流電頻率的電氣設備。此外，它還具有改變交流電電壓的輔助功能。過去，變頻器一般被包含在電動發電機、旋轉轉換器等電氣設備中。隨著半導體電子設備的出現，人們已經可以生產完全獨立的變頻器。
變頻器通常包含3個組成部分：整流器和逆變器,還有直流部分。其中，整流器將輸入的交流電轉換為直流電，逆變器將直流電再轉換成所需頻率的交流電。除了這2個部分之外，變頻器還有可能包含變壓器和電池。其中，變壓器用來改變電壓并可以隔離輸入/輸出的電路，電池用來補償變頻器內部線路上的能量損失。不同的變頻器能夠處理的電源功率是不一樣的。
1.4.2 變頻器構成
變頻器主要是由主電路、控制電路組成。
主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。
（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。
（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。
（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開關時間和電壓波形。
控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。
（1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。
（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。
（3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。
（4）速度檢測電路：以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。
（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。
1.4.3 變頻器的應用
變頻器除了可以用來改變交流電源的頻率之外，還可以用來改變交流電動機的轉速和扭矩。在該應用環境下，最典型的變頻器結構是三相二級電壓源變頻器。該變頻器通過半導體開關和脈沖寬度調節（PWM）來控制各相電壓。變頻器還可以在航空航天業中。例如：飛機上的電力設備通常需要400Hz的交流電，而地面上使用的交流電一般為50Hz或60Hz。因此，當飛機停在地面上時，需要使用變頻器將地面上的50Hz或60Hz的交流電變為400Hz的交流電供飛機使用。
1.5 仿真機介紹
計算機仿真技術，利用計算機科學和技術的成果建立被仿真的系統的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態實驗的一門綜合性技術。它具有高效、安全、受環境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優點，已成為分析、設計、運行、評價、培訓系統的重要工具。
仿真是對現實系統的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，然后幫助人們對現實世界的某一層次的問題做出決策。仿真是一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實系統某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個仿真系統的優劣。
傳統的仿真方法是一個迭代過程，即針對實際系統某一層次的特性（過程），抽象出一個模型，然后假設輸入，進行試驗，由試驗者判讀輸出結果和驗證模型，根據判斷的情況來修改模型和有關的參數。如此迭代地進行，直到認為這個模型已滿足試驗者對客觀系統的某一層次的仿真目的為止。
模型對系統某一層次特性的抽象描述包括：系統的組成，各組成部分之間的靜態、動態、邏輯關系，在某些輸入條件下系統的輸出響應等。根據系統模型狀態變量變化的特征，又可把系統模型分為：連續系統模型――狀態變量是連續變化的；離散（事件）系統模型――狀態變化在離散時間點（一般是不確定的）上發生變化；混合型――上述兩種的混合。
為了建立一個有效的仿真系統，一般都要經歷建立模型、仿真實驗、數據處理、分析驗證等步驟。為了構成一個實用的較大規模的仿真系統，除仿真機外，還需配 有控制和顯示設備。
2 系統工作原理與構成
2.1 恒壓供水系統的基本原理
壓力傳感器將總水管的水壓變換為電信號，經放大器放大、D/A轉換，輸入到單片機，由單片機對D/A轉換值進行PID運算處理，進而控制變頻器的輸出頻率。當水壓低于給定壓力時，變頻器的頻率增加；當水壓高于給定壓力時，變頻器的頻率減小。這種變化，直至水管壓力與給定值相當。
2.2 系統組成及實現原理
恒壓供水的基本控制策略是：采用單片機與變頻調速裝置構成控制系統，進行優化控制泵組調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，即根據實際設定水壓自動調節水泵電機的轉速和水泵的數量，自動補償用水量的變化，以保證供水管網的壓力保持在設定值，既可以滿足高樓供水要求，還可節約電能，使系統處于可靠工作狀態，實現高樓恒壓供水。
變頻調速恒壓供水系統由變頻器、泵組電機、供水管網、儲水箱、智能PID調節器、壓力變送器、單片機等部分組成，控制系統原理圖如圖2.1所示。
其中變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速，從而使管網水壓連續變化，同時變頻器還可作為電機軟啟動裝置，限制電機啟動電流。壓力變送器的作用是檢測管網水壓。智能PID調節器實現管網水壓的PID調節。單片機則是泵組管理的執行設備，同時還是變頻器的驅動控制，根據用水量的實際變化，自動調整其它工頻泵的運行臺數。變頻器和單片機的應用為水泵轉速的平滑性連續調節提供了方便。水泵電機實現變頻軟啟動, 消除了對電網、電氣設備和機械設備的沖擊，延長機電設備的使用壽命。
2.3 硬件結構
如圖 2.2所示。恒壓供水系統的動力通常都使用三相異步電動機，其三相交流電源通過半控全波整流電路整流成直流，再經逆變器逆變獲得。電源頻率的大小取決于大功率晶體管的導通頻率。改變晶體管基極的控制信號，就可以很容易地改變三相電源的頻率，實現電動機的變頻調速。
AT89C51是高檔8位單片機，它留有P0、P1、P2、P3 4個I/O接口，內部有256BRAM、4KB ROM和2個16位定時器/計數器與5個中斷源。系統把P0.7～P0.0作為系統運行壓力與給定壓力信號差輸入端，把 作為外部中斷源的請求信號，把P1.3～P1.7作為單片機的輸出端。P1.3～P1.5輸出信號經驅動器電路放大，用于控制逆變電路中大功率晶體管的通斷；P1.6～P1.7輸出信號經驅動電路放大，用于控制晶閘管的觸發導通。
3 硬件設計
3.1 硬件技術
本系統主要是針對高樓恒壓供水進行控制。因此我們要求的水壓不是一個點，而是一個范圍，因此我們設定了一個壓力值，在此壓力值的上下限附近設定一個回差帶
3.2 硬件組成
針對硬件技術要求，本系統以AT89C51單片機為核心，組成一個集壓力的采集、處理、顯示、自動控制為一身的閉環控制系統，其原理框如圖3.2。圖中硬件組成主要由以下幾部分組成：單片機信息處理、壓力采集、信號轉換、顯示、報警、鍵聲及控制部分。
具體工作如下：
利用集成壓力傳感器實現對壓力的采集，然后信號通過運算放大器、保持器和 A/D轉換器將模擬量變為數字量送入單片機進行處理。我們預先從鍵盤輸入一個壓力范圍（上限報警值和下限報警值、上限值、上限復位值、下限值、下限復位值），通過壓力采集系統檢測出水泵的壓力，由數字顯示電路顯示出當時的壓力，當壓力高于上限值時，系統將起動降壓設備，把壓力降下來，根據采樣壓力值與下限值的差值占上限與下限之間的差值的百分比平均地起動設備的臺數，當壓力低于上限復位值時，才關閉全部的設備。升壓設備停止工作。當壓力低于下限值時，與高于上限值的控制方法相同。當壓力高于或低于報警的上下限值時，報警器發聲，提醒工作人員此時壓力太高或太低，以做出相應的措施。
其中：
（1）為使整個系統的運行更加完善，本系統在設計時匹配了矩陣式鍵盤以及由四位LED數碼管組成的顯示器以顯示實時的溫度值及事先給定的溫度值。
（2）為提高系統的抗干擾能力，在原有硬件的基礎上設計了電源檢測、報警等電路以促進整個系統的功能更加完善。
（3）為使掉電后上次設定的參數不至于丟掉，本系統采用串行EEPROM－24C02進行掉電前的參數存儲。24C02和AT89C51的典型接口電路如下：
4 軟件設計
4 .1 PID控制
4.1.1 PID控制規律
其中 為比例系數， 為積分時間常數， 為微分時間常數。
當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統。
PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。
PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關系為 ，式中積分的上下限分別是0和t。因此它的傳遞函數為： 。其中 為比例系數， 為積分時間常數， 為微分時間常數。
它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化的產品，使用中只需設定三個參數（ ， 和 ）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。
雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了。PID參數較易整定，也就是，PID參數 , 和 可以根據過程的動態特性及時整定。如果過程的動態特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動態特性變化，PID參數就可以重新整定。
4.1.2 PID控制器的分析
在一些情況下針對特定的系統設計的PID控制器控制得很好，但它們仍存在問題需要解決：如果自整定要以模型為基礎，為了PID參數的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數自整定在工業應用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，經常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態特性變化引起的影響區分開來，因此受到干擾的影響控制器會產生超調，產生一個不必要的自適應轉換。另外，由于基于控制律的系統沒有成熟的穩定性分析方法，參數整定可靠與否存在很多問題。
因此，許多自身整定參數的PID控制器經常工作在自動整定模式而不是連續的自身整定模式。自動整定通常是指根據開環狀態確定的簡單過程模型自動計算PID參數。
PID在控制非線性、時變、耦合及參數和結構不確定的復雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數都沒用。
雖然有這些缺點，PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器。
目前工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標志。控制理論的發展經歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個階段。自動控制系統可分為開環控制系統和閉環控制系統。一個控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統，其傳感器、變送器、執行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器，電加熱控制系統的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司都開發了具有PID參數自整定功能的智能調節器，其中PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現PID控制功能的可編程控制器，還有可實現PID控制的PC系統等等。
（1）開環控制系統
開環控制系統是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環回路。
（2）閉環控制系統
閉環控制系統的特點是系統被控對象的輸出會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環。閉環控制系統有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統給定值信號相反，則稱為負反饋，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環控制系統均采用負反饋，又稱負反饋控制系統。閉環控制系統的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環控制系統，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統能通過不斷的修正最后做出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環控制系統。
（3）階躍響應
階躍響應是指將一個階躍輸入加到系統上時，系統的輸出。穩態誤差是指系統的響應進入穩態后，系統的期望輸出與實際輸出之差。控制系統的性能可以用穩、準、快三個字來描述。穩是指系統的穩定性，一個系統要能正常工作，首先必須是穩定的，從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統的準確性、控制精度，通常用穩態誤差來描述，它表示系統輸出穩態值與期望值之差；快是指控制系統響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。
4.1.3 PID控制的原理和特點
在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例
關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。
4.1.4 PID控制器的參數整定
PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。
4.1.5 PID控制實現
各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統設計時應以所選用變頻器的說明書介紹為準。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。
要實現閉環的PID控制功能，首先應將PID功能預置為有效。其方法有兩種：一是通過變頻器的功能參數碼預置，例如，康沃CVF-G2系列變頻器，將參數H-48設為O時，則無PID功能；設為1時為普通PID控制；設為2時為恒壓供水PID。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態決定。例如安川CIMR-G7A系列變頻器，在多功能輸入端子Sl-S10中任選一個，將功能碼H1-01～H1-10(與端子S1-S10相對應)預置為19，則該端子即具有決定PID控制是否有效的功能，該端子與公共端子SC“ON”時無效，“OFF”時有效。應注意的是大部分變頻器兼有上述兩種預置方式，但有少數品牌的變頻器只有其中的一種方式。
在一些控制要求不十分嚴格的系統中，有時僅使用PI控制功能、不啟動D功能就能滿足需要，這樣的系統調試過程比較簡單。
欲使變頻系統中的某一個物理量穩定在預期的目標值上，變頻器的PID功能電路將反饋信號與目標信號不斷地進行比較，并根據比較結果來實時地調整輸出頻率和電動機的轉速。所以，變頻器的PID控制至少需要兩種控制信號：目標信號和反饋信號。這里所說的目標信號是某物理量預期穩定值所對應的電信號，亦稱目標值或給定值；而該物理量通過傳感器測量到的實際值對應的電信號稱為反饋信號，亦稱反饋量或當前值。
將目標值(目標信號)的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結起來大體上有如下兩種方案：一是自動轉換法，即變頻器預置PID功能有效時，其開環運行時的頻率給定功能自動轉為目標值給定。
由于目標信號和反饋信號通常不是同一種物理量。難以進行直接比較，所以，大多數變頻器的目標信號都用傳感器量程的百分數來表示。例如，某儲氣罐的空氣壓力要求穩定在1.2MPa，壓力傳感器的量程為2MPa，則與1.2MPa 對應的百分數為60％，目標值就是60％。而有的變頻器的參數列表中，有與傳感器量程上下限值對應的參數。例如富士P11S變頻器，將參數E40(顯示系數A)設為2，即壓力傳感器的量程上限2MPa；參數E41(顯示系數B)設為0，即量程下限為0，則目標值為1.2。即壓力穩定值為1.2MPa。目標值即是預期穩定值的絕對值。
各種變頻器都有若干個頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經確定一個為目標信號的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號的輸入端。可通過相應的功能參數選擇其中的一個使用。
P、I、D參數的預置與調整
(1) 比例增益P
變頻器的PID功能是利用目標信號和反饋信號的差值來調節輸出頻率的，一方面，我們希望目標信號和反饋信號無限接近，即差值很小，從而滿足調節的精度：另一方面，我們又希望調節信號具有一定的幅度，以保證調節的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進行放大。比例增益P是用來設置差值信號的放大系數的。任何一種變頻器的參數P都給出一個可設置的數值范圍，一般在初次調試時，P可按中間偏大值預置或者暫時默認出廠值，待設備運轉時再按實際情況細調。
(2) 積分時間Ｉ
如上所述，比例增益P越大，調節靈敏度越高，但由于傳動系統和控制電路都有慣性，調節結果達到最佳時不能立即停止，導致“超調”，然后反過來調整，再次超調，形成振蕩。為此引入積分環節I，使經過比例增益P放大后的差值信號在積分時間內逐漸增大(或減小)，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間I太長，又會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復。因此，I的取值與拖動系統的時間常數有關：拖動系統的時間常數較小時，積分時間應短些；拖動系統的時間常數較大時，積分時間應長些。
(3) 微分時間D
微分時間D是根據差值信號變化的速率，提前給出一個相應的調節動作，從而縮短了調節時間，克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統的時間常數有關：拖動系統的時間常數較小時，微分時間應短些；反之，拖動系統的時間常數較大時，微分時間應長些。
(4) P、I、D參數的調整原則
P、I、D參數的預置是相輔相成的，運行現場應根據實際情況進行如下細調：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時間I，如仍有振蕩，可適當減小比例增益P。被控物理量在發生變化后難以恢復，首先加大比例增益P，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時間I，還可加大微分時間D。
5 單片機應用系統的測試
5.1 仿真器選擇
本系統選用ME-52單片機仿真開發系統，它實時仿真頻率高達33MHz，提供2～24MHz的時鐘信號。同時它提供64KB程序代碼存儲器，支持仿真所有程序和數據地地址空間，支持Franklin V3.XX／Kiel6.xx編譯連接工具。具有分別獨立控制項目文件的項目管理器。另外具有VC++風格的窗口駐留，窗口動態切分和工作簿模式窗口界面。
5.2 仿真調試
仿真調試階段，采用“自底向上逐步集成”的策略，逐模塊進行仿真測試，在此基礎上逐步集成。譬如可先仿真顯示模塊、測溫子模塊、測濕度子模塊等，然后將仿真成功的模塊逐個加入主程序進行仿真，在仿真過程中發現錯誤，采用“分塊壓縮策略”快速找到并改正錯誤。在集成過程中出現的問題，大多是由于模塊間資源使用沖突引起的。當軟件模塊仿真成功后，可與硬件一起進行在線仿真，此時在調試中出現的問題大多是由于連接線連接錯誤、虛焊、布線不合理等一些原因造成的。隨著電子技術的廣泛應用，智能控制必將成為一種發展趨勢，本設計提出利用單片機和新型傳感器對高樓恒壓供水的壓力環境進行測試，目前原型機已取得成功。調試結果表明，本系統可靠性高、使用方便。
6 結 論
以AT89C51CPU為核心的變頻調速恒壓供水控制系統，控制靈活，調速方便，且節水節電效果顯著。同時，消除了原有系統供水管網經常出現的超壓現象，有利于減小管網、閥門等損壞的可能性，延長供水管網的壽命，在生產中有很廣泛的推廣價值。
整個系統的設計以單片機為核心，實現對壓力的采樣、處理及控制。本系統運行穩定、工作精度高，且通過鍵盤可以方便地進行參數修改，真正達到對高樓恒壓供水的智能控制。
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