小型水位紅外遙控系統在高職自動化專業的應用

倪敏+魏向國

摘要：目前，高職自動化專業使用的與自動控制系統相關的實訓教學裝置普遍體積大、成本高，給實訓教學帶來諸多不便。本文設計的小型水位紅外遙控系統，可實現水位的遙控給定和自動調節，以及高、低限報警、保護等功能。該系統的主要特點是成本低、體積小、重量輕，而且水箱對象慣性小、響應快、控制精度高、使用維護方便。此外，系統綜合了控制儀表、閉環控制系統、開關量控制、電子電路設計等自動化專業的諸多基礎知識，適合用作相關課程的演示教具、實驗實訓設備、教師科研和學生課外興趣小組設備等。

關鍵詞：水位控制系統 紅外遙控 教具 實訓設備 自動化專業

目前，高職自動化專業使用的與自動控制系統相關的實訓教學裝置大多以大型水箱（雙容或以上）為控制對象，實現PLC、DCS或其他工業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較大，給調節時間和控制精度帶來一定影響。這樣，就導致其較少應用于實踐教學環節，而多數應用于課上認識或演示環節。

一、小型水位紅外遙控系統簡介

小型水位紅外遙控系統是一套體積小、成本低、使用維護方便的水箱水位控制裝置，以單容或雙容水箱為控制對象，利用遙控器設定水位的目標值，再通過閉環控制系統實現水位的自動控制。該系統可用于演示水位檢測、控制儀表以及整個閉環控制系統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的抗干擾過程，調節器的PID參數調節過程，水位遙控設定信號與調節器給定信號的轉換原理，水位的高、低限報警及保護等開環控制過程等。

二、系統控制方案

圖1 小型水位紅外遙控系統控制方案示意圖

該系統用到的主要設備及其連接方式、信號轉換關系如圖1所示。為使系統達到快速響應和克服水位干擾的目的，水位的控制采用單回路閉環控制方案。用戶利用遙控器設置水位的目標值，接收器接收到遙控設定信號后，利用轉換電路將其轉化為水位調節器的輸入信號，即水位的給定信號。同時，水位調節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。當二者的偏差超出一定范圍，則水位調節器開始其調節作用，根據偏差信號及調節器內部設定好的PID參數進行運算，輸出控制指令信號給執行機構，用以調節閥門開度，改變進入（或流出）水箱的水流量，從而達到使水位等于水位目標值的目的。

水位遙控信號的發射和接收采用紅外信號發射接收技術。接收器接收到的紅外信號需要通過自主設計的轉換電路將其轉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，輸出至調節器作為水位的給定信號。另一方面，轉換電路通過將水位的目標值信號與實際水位信號作比較，根據其偏差性質輸出開關量控制信號，來控制四個截止閥，以實現水箱和儲水罐之間的進出水交換。當水位設定值比實際值高時，水箱進水，此時水箱進水閥和儲水罐排水閥開，水箱排水閥和儲水罐進水閥關;反之，水箱排水，四個截止閥的開關狀態與前述相反。當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行進出水交換，如前所述。

圖2 小型水位紅外遙控系統外形示意圖

圖2是小型水位紅外遙控系統的外形示意圖。水箱采用透明有機玻璃制作，一側的干擾水龍頭用以給系統施加干擾信號，其余的設備和管道均放置于控制柜內。控制柜門板上裝有水位顯示儀表和調節器面板，可以方便地對系統進行參數設置。控制柜門打開后，學生可以觀察到系統的內部結構，以及進行儀表的拆裝實驗等。

三、系統主要功能及應用

（一）系統主要功能

該系統的主要功能是水位的遙控設定和自動調節。當用遙控器設定水位的目標值后，系統在較短時間內將實際水位控制在目標值附近，且控制過程中水位不出現大幅波動;當水位目標值不變，人為設置干擾因素（如向水箱中注水或放水），系統仍能達到上述控制目標。此外，系統可實現水位的高、低限報警和保護等輔助功能，防止出現水箱中缺水或溢水的情況。

（二）系統應用

該系統可應用于以下三方面：1.用作檢測儀表、控制裝置、自動控制系統、電子設計與制作、開關量控制等課程的演示教具;2.可開設與上述課程相關的實驗實訓項目，如儀表拆裝、控制系統硬件調試、控制器參數調試、對象特性測試、系統干擾實驗、電子電路設計、開關量控制等，供學生動手操作練習;3.可用作上述課程的教師科研設備，或組建學生課外興趣小組等。

目前，高職自動化專業使用的與自動控制系統相關的實訓教學裝置普遍體積大、成本高，給實訓教學帶來諸多不便。本文設計的小型水位紅外遙控系統，具有水位的遙控給定和自動調節功能，同時，可實現水位的高、低限報警和保護等輔助功能。與大型實訓設備相比，該系統具有成本低、體積小、重量輕的便攜式特點，而且水箱對象慣性小、響應快、控制精度高、結實耐用、使用維護方便。此外，系統綜合了控制儀表、閉環控制系統、開關量控制、電子電路設計等自動化專業的諸多基礎知識，適合用作相關課程的演示教具、實驗實訓設備、教師科研和學生課外興趣小組設備等。因此，該系統彌補了自動控制系統類教具和實訓設備的不足，具有一定的成果應用和推廣價值。

該系統后續的改進方向是系統的硬件組成、結構和控制方案，此外，還可以將遙控器設定改進為手機APP設定和藍牙接收方式。

參考文獻：

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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[J].杭州電子科技大學學報，2013.

（責編 田彩霞）