1、水位自动控制系统1 经典水位自动控制系统 系统的组成图 1-1 为一个水位控制系统的示意图。由图可见，系统的控制对象是水箱。被控制量（或输出量）是水位高度 （而不是 与 或 ） 。使水位 发生改变的外界因素是H1Q2H用水量 ，因此， 为负载扰动量（它是主要扰动量） 。使水位能保持恒定的可控因素2Q2是给水量 ，因此 为主要作用量（理清 与 或 间的关系，是分析本系统的组成11 12的关键）图 1 一 1 水位控制系统示意图控制 的是由电动机驱动的控制阀门 ，因此，电动机一变速箱一控制阀便构成执行元1Q1V件。电压 由给定电位器 给定（电位器 为给定元件）。 由电位器 给出，AUARPARPB
2、UBRP的大小取决于浮球的位置，而浮球的位置取决于水位 。因此，由浮球一杠杆一电位B H器 就构成水位的检测和反馈环节。 为给定量， 为反馈量， 与 极性相反，RPAUBBA水位自动控制系统2所以为负反馈。 与 的差值即为偏差电压 ，此电压经控制器与放AUB )(BAU大器放大后即为伺服电动机电枢的控制电压 。B根据以上的分析，便可画出系统的组成框图 ，如图 1 一 2 所示。图 12 水位控制系统的组成框图水位自动控制系统3 工作原理当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度 H 上。一旦流入水量或流出水量发生变化，水
3、箱液面高度 H 便相应变化。例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使水箱的流量减少。此时，水箱液面下降，浮子位置下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到到给定高度 H。水位自动控制系统4 自动调节过程水位控制系统的自动调节过程流程图如图 1-3 所示图 1 一 3 水位控制系统的自动调节过程直至 Q1=Q2,H=H0,UB=UA, U=0 时，水位平衡，电动机停止转动。水位自动控制系统5
4、4 系统框图根据如图 1-2 所示的系统的组成框图，由各环节的传递函数，便可建立系统框图。在图 1 一 2 中，水箱水位 与水流量 间的关系 直流伺服电动机的传HQ)/(1)/(AssH递函数 ；图中的放大器、变速箱、控制阀、用水开关和浮球1/)(/sTKsUma一杠杆一电位器 组件，均可认为是比例环节，它们的比例系数，分别为 、BRP sK、 、 和 ；至于出水量 ，它不仅取决于用水开关（ )，还与水箱水位 有iK122 2H关（水位愈高，出水量愈大），一般可写成 ；水位控制系统的放大器，一般采HKQ2用比例调节器。在此系统中，水位 是被控量， 是给定量， 是反馈量（可标以 ）AUBfhU,
5、 是扰动量。aHUfh2Q图 14 水位控制系统框图dthAtdvQoi /uKihKgAVo2水位自动控制系统6h=1/2gt2V=gt所以 V= gt2hRQo/1因此得出微分方程：A + =Kudth1uA +1/H =KuVsHsRsKuV/1综上所述，便可画出如图 15a 所示的系统框图。水位自动控制系统7图 15 水位控制系统框图由以上分析可见，有出水流量的水箱为一个惯性环节，又由于水箱的底面积 A 通常比较大，所以水箱是一个大惯性环节。经过简化与合并后的系统框图如图 14b 所示。水位自动控制系统85 系统性能分析1 ）由图 l5b 可见，此系统含有一个积分环节和两个惯性环节，因
6、此控制器的增益不能过大，否则会引成振荡2 ）由图 l5b 还可见，在扰动量（ ）作用点前的前向通路上，含有一个积分环节2Q（伺服电动机），因此对属于恒值控制的水位控制系统来说，将是无静差的。即 。0U由 ，则有0UaUHaAAfhA /0或上式意味着，水箱水位将稳定在 的数值上，调节 ，即可调节水位 。/ AUH水位自动控制系统92 PID 控制器2.1 PID 控制器的结构图 5 PID 控制器的原理性结构所有的 PID 控制器都有可以分解成给定值控制单元、PID 作用单元、手动/自动转换单元等三个主要单元，如图 5 所示。图中，给定值单元接收工业控制过程的测量量 c，以及控制装置的给定值。
7、PID 作用单元接受给定值控制单元产生的误差信号 e，并按给定控制律算出闭环控制信号。手动/自动单元在“自动 A 位置时，将 PID 单元的输出信号送入工业过程，此时工业过程在闭环中受到控制；而在“手动 M 位置时，把用户直接在控制器上调整手动输出信号送至工业过程，于是系统采用开环控制方式。PID 控制器的传递函数主要可以表示为： ()1()()CCPDiMsGsKsTR或者我们还可以表示为： ()1()()CCPDiss sT上述两式中的 、 、 三个系数都要按工程单位来标度。PKiTD2.2 PID 控制器的原理电路水位自动控制系统10图 6 PID 单元原理电路 32.3 系统控制器的校
8、正设计系统传递函数为：G 0 RAsKu/1校正方程：G c TDsip校正后的系统传递函数：G = G0 Gc设定系数：A=1R=10Ku=2Kp=10Ti=2TD=1水位自动控制系统11所以:G c=200 s201042ss2.4 仿真图水位自动控制系统12结论1 水位控制系统的控制对象水箱的容量相对比较大（这意味着，它们具有较大的惯性），它们的输出量（水位 或温度 T ）对给定量的响应相对也比较缓慢，因此它们的技术H指标，主要是稳态性能指标（即稳态误差）。2 若以伺服电动机作为执行环节，若偏差信号（ ）不等于零，经放大后，将使电动U机继续旋转，直至消除偏差为止，因此是无静差系统（当然，
9、这里未计电动机调节特性的死区，若计及死区始动电压，则仍会有一定的稳态误差）。另一方面，从控制原理看，系统在扰动量作用点前的前向通路中（伺服电动机的传递函数中），含有一个积分环节，是型系统，因此，它对恒值控制，将是无静差的（即 ）。0se3 由系统各个环节的传递函数以及它们相互间的联系，就可得到系统框图。由系统框图，应用自动控制原理，便可对系统的性能进行分析。水位自动控制系统13设计体会经过一个多星期的课程设计让我学到了很多知识，首先感闫老师和同学们对我的帮助，感谢我寝室的同学一直默默的支持我。在这段课程设计期间，我在查阅大量课外质料的同时学到了一些科技前沿的一些知识，同时也让我把此次课程设计圆
10、满的完成，充实了我对自动化控制理论学习的不足。不仅如此我深深感觉到团队合作的重要性，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。团结协作是我们设计成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，使我深深懂得了这点的宝贵。我希望以后能多有这样的机会做课程设计，使我在熟练课程的同时提高工作效率，培养设计能力和完整的工作体系。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！水位自动控制系统14参考文献1李友善主编.自动控制原理.修订版.北京：国防工业出版社2汪国梁主编.电机学.北京：机械工业出版社3孙虎章主编.自动控制原理.北京：中央广播电视大学出版社4胡寿松主编.自动控制原理.第版.北京：国防工业出版社5孔凡才主编.自动控制系统.北京：机械工业出版社
