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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，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，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大器放大后即为伺服电动机电枢的控制电压。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。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。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递函数；图中的放大器、变速箱、控制阀、用水开关和浮球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、和；至于出水量，它不仅取决于用水开关（)，还与水箱水位有关（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）,是扰动量。图14 水位控制系统框图h=1/2gt2V=gt所以 V= 因此得出微分方程：A+=KuA+1/H=KuV综上所述，便可画出如图15a所示的系统框图。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。5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（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。由，则有上式意味着，水箱水位将稳定在的数值上，调节，即可调节水位。2 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。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：或者我们还可以表示为：上述两式中的、三个系数都要按工程单位来标度。2.2 PID控制器的原理电路图6 PID单元原理电路32.3 系统控制器的校正设计系统传递函数为：G0校正方程：Gc校正后的系统传递函数：G= G0 Gc设定系数：A=1 R=10 Ku=2 Kp=10 Ti=2 TD=1所以:Gc=200 2.4 仿真图结论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，将使电动机继续旋转，直至消除偏差为止，因此是无静差系统（当然，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）。3 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。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
