1、 1 引引 言言 在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一 旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此 给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够 的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、 生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政 水管补给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。 在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控 制。比如自动控制水箱、水池
2、、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补 水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同， 精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基 本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。 水箱液位控制系统是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的平台，可以方便地 构成一阶系统对象（双容水箱）和两阶系统对象（三容水箱） 。用户可通过经典的 PID 控 制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果通过水位的变化 直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响
3、应指标，准 确评估控制性能。开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的 需要。 本人设计的水位控制系统主要由控制器、执行器、电动机等配件构成；操作简便，运 行成本低，可扩展行强，这种系统不仅适用于农业和生活用水的控制，也适用于工业上的 液位控制和马桶的给水控制。 水 箱 液 位 控 制 系 统 毕 业 设 计 2 1 系统结构原理 1.1 自动控制系统的组成 自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置 或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控 制量）自动地按照预定的规律运行。 （1）自动控制系统由控制对象
4、和制动控制设备组成。即由控制对象、传感器、控制 器和执行器所组成的闭环控制系统。下图(1-1)是一个典型自动控制系统的功能框图。 图 1-1 液位控制系统功能框图 （2）所谓控制对象是指所需控制的机器、设备、或生产过程。 （3）被控参数是所需控制和调节的物理量或状态参数化，即控制对象的输出信号， 如房间温度、水箱水位。 （4）被控参数的预定值（或理想值）称为给定值 （设定值）。给定值与被控参数的 测量值之差称为偏差。 （5）扰动是指除给定输入之外，对系统的输出有影响的信号的总称。 （6）传感器是指把被控参数成比例地转变为其他物理量信号（如电阻、电势、电流、 气压、位移）的元件或仪表，如热电阻、
5、热电偶等，如果传感器所发出的信号与后面控制 所要求的信号不一致时，则需要增加一个变送器，将传感器的输出信号转换成后面所要求 的信号。 （7）控制器是指将传感器送来的信号与给定值进行比较，根据比较结果的偏差大小， 按照预定的控制规律输出控制信号的原件或仪表。 3 （8）执行器是动力部件，它根据控制器送来的控制信号大小改变调节阀的开度，对 控制对象施加控制作用，使被控参数保持在给定值。 1.2 水箱液位控制系统结构原理 水箱尺寸：长宽高=252040 液位控制系统由被控水箱 1、蓄水箱 2 液位检测仪表差压变送器 LT、控制器 LC、执行器（调节阀）等组成。如图(1-2)所示。 图 1-2 水箱液
6、位自动控制原理图 1.3 水箱液位控制系统的控制理论 1.3.1 经典控制理论与现代控制理论 控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论最初称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。随着后期 现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。经典控制理论以传递函数为数学工具研究 单输入、单输出的自动控制系统的分析和设计方法。主要研究方法有时域分析法、根轨迹 法和频率特性法。 现代控制理论的产生：随着科学技术的突飞猛进，特别是空间技术和各类高速飞行器 的发展，使各受控对象要求高速度、高精度，而系统的结构更加复杂，要求控制理论解决 动态耦合的多输入多输出、非线形以及时变系统的设计问题。此外，对控制性能的要求也 在逐步提高，很多情况下要求系统的某种性能是最优的，而且对环境的变化要有一定适应 3 cm 水 箱 液 位 控 制 系 统 毕 业 设 计 4 能力等。这些新的要求用经典理论是无法解决的，这同时也为现代控制理论的形成创造了 条件。 现代控制理论本质上是时域法，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是 用状态向量方程作基本工具，从而
