小型水位红外遥控系统在高职自动化专业的应用

倪敏+魏向国

摘要：目前，高职自动化专业使用的与自动控制系统相关的实训教学装置普遍体积大、成本高，给实训教学带来诸多不便。本文设计的小型水位红外遥控系统，可实现水位的遥控给定和自动调节，以及高、低限报警、保护等功能。该系统的主要特点是成本低、体积小、重量轻，而且水箱对象惯性小、响应快、控制精度高、使用维护方便。此外，系统综合了控制仪表、闭环控制系统、开关量控制、电子电路设计等自动化专业的诸多基础知识，适合用作相关课程的演示教具、实验实训设备、教师科研和学生课外兴趣小组设备等。

关键词：水位控制系统 红外遥控 教具 实训设备 自动化专业

目前，高职自动化专业使用的与自动控制系统相关的实训教学装置大多以大型水箱（双容或以上）为控制对象，实现PLC、DCS或其他工业控制软件的计算机控制，其特点是体积大、成本高，且水箱对象的惯性参数较大，给调节时间和控制精度带来一定影响。这样，就导致其较少应用于实践教学环节，而多数应用于课上认识或演示环节。

一、小型水位红外遥控系统简介

小型水位红外遥控系统是一套体积小、成本低、使用维护方便的水箱水位控制装置，以单容或双容水箱为控制对象，利用遥控器设定水位的目标值，再通过闭环控制系统实现水位的自动控制。该系统可用于演示水位检测、控制仪表以及整个闭环控制系统的工作原理和工作过程，水箱水位在受到干扰后的变化过程及系统的抗干扰过程，调节器的PID参数调节过程，水位遥控设定信号与调节器给定信号的转换原理，水位的高、低限报警及保护等开环控制过程等。

二、系统控制方案

图1 小型水位红外遥控系统控制方案示意图

该系统用到的主要设备及其连接方式、信号转换关系如图1所示。为使系统达到快速响应和克服水位干扰的目的，水位的控制采用单回路闭环控制方案。用户利用遥控器设置水位的目标值，接收器接收到遥控设定信号后，利用转换电路将其转化为水位调节器的输入信号，即水位的给定信号。同时，水位调节器的另一路输入信号是水位检测变送器输出的实际水位信号。当二者的偏差超出一定范围，则水位调节器开始其调节作用，根据偏差信号及调节器内部设定好的PID参数进行运算，输出控制指令信号给执行机构，用以调节阀门开度，改变进入（或流出）水箱的水流量，从而达到使水位等于水位目标值的目的。

水位遥控信号的发射和接收采用红外信号发射接收技术。接收器接收到的红外信号需要通过自主设计的转换电路将其转化为能够与水位检测变送器输出的4～20mA DC相匹配的模拟量信号，输出至调节器作为水位的给定信号。另一方面，转换电路通过将水位的目标值信号与实际水位信号作比较，根据其偏差性质输出开关量控制信号，来控制四个截止阀，以实现水箱和储水罐之间的进出水交换。当水位设定值比实际值高时，水箱进水，此时水箱进水阀和储水罐排水阀开，水箱排水阀和储水罐进水阀关;反之，水箱排水，四个截止阀的开关状态与前述相反。当水位超过上限值或低于下限值时，同样需要在水箱与储水罐之间进行进出水交换，如前所述。

图2 小型水位红外遥控系统外形示意图

图2是小型水位红外遥控系统的外形示意图。水箱采用透明有机玻璃制作，一侧的干扰水龙头用以给系统施加干扰信号，其余的设备和管道均放置于控制柜内。控制柜门板上装有水位显示仪表和调节器面板，可以方便地对系统进行参数设置。控制柜门打开后，学生可以观察到系统的内部结构，以及进行仪表的拆装实验等。

三、系统主要功能及应用

（一）系统主要功能

该系统的主要功能是水位的遥控设定和自动调节。当用遥控器设定水位的目标值后，系统在较短时间内将实际水位控制在目标值附近，且控制过程中水位不出现大幅波动;当水位目标值不变，人为设置干扰因素（如向水箱中注水或放水），系统仍能达到上述控制目标。此外，系统可实现水位的高、低限报警和保护等辅助功能，防止出现水箱中缺水或溢水的情况。

（二）系统应用

该系统可应用于以下三方面：1.用作检测仪表、控制装置、自动控制系统、电子设计与制作、开关量控制等课程的演示教具;2.可开设与上述课程相关的实验实训项目，如仪表拆装、控制系统硬件调试、控制器参数调试、对象特性测试、系统干扰实验、电子电路设计、开关量控制等，供学生动手操作练习;3.可用作上述课程的教师科研设备，或组建学生课外兴趣小组等。

目前，高职自动化专业使用的与自动控制系统相关的实训教学装置普遍体积大、成本高，给实训教学带来诸多不便。本文设计的小型水位红外遥控系统，具有水位的遥控给定和自动调节功能，同时，可实现水位的高、低限报警和保护等辅助功能。与大型实训设备相比，该系统具有成本低、体积小、重量轻的便携式特点，而且水箱对象惯性小、响应快、控制精度高、结实耐用、使用维护方便。此外，系统综合了控制仪表、闭环控制系统、开关量控制、电子电路设计等自动化专业的诸多基础知识，适合用作相关课程的演示教具、实验实训设备、教师科研和学生课外兴趣小组设备等。因此，该系统弥补了自动控制系统类教具和实训设备的不足，具有一定的成果应用和推广价值。

该系统后续的改进方向是系统的硬件组成、结构和控制方案，此外，还可以将遥控器设定改进为手机APP设定和蓝牙接收方式。

参考文献：

[1]李娜，贾茹楠，詹华伟.基于STC11F02E的学习型红外遥控智能灯的设计[J].电子制作，2014（3）：5-6.

[2]余翔翔，陈德传，郑忠杰.无线电遥控式直流电机控制系统[J].杭州电子科技大学学报，2013.

（责编 田彩霞）