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１　经典水位自动控制系统 １．１　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1—2 水位控制系统的组成框图 １．２　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。１．３　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。 １．4　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1—4 水位控制系统框图 h=1/2gt2 V=gt 所以 V= 因此得出微分方程：A+=Ku A+1/H=KuV 综上所述，便可画出如图1—5a所示的系统框图。 图1—5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1—4b 所示。 １．5　系统性能分析 1 ）由图l—5b 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l—5b 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。 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[3] 2.3 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，