1-1下图表示一个水位自动控制系统,试说明其作用原理

水位自动控制系统就是将水位信号转换为开关信号，再用这个开关信号去控制交流接触器，交流接触器再控制一个水泵，就可以达到水位自动控制的目的。

水泵有各种各样的工作方式，所以交流接触器也有多种设计方案，这些电气元件按照设计方案连接起来就是电气控制箱。

现有多种成熟的设计方案，如GKY1X单台泵系统、GKY2X双台泵系统等等，在网上可以查到各种各样的设计原理图。

水泵电气控制箱是很常用的控制设备，工作可靠、使用寿命长。

影响水位自动控制系统可靠性和使用寿命的关键因素是液位传感器，就是将水位信号转换为开关信号这一部分。

现在主要有电极式、UQK/GSK干簧管式、光电式、压力式、GKY和超声波式等几种方式。

这些方式检测原理不同，因而水位自动控制的原理也不同。

下面，我们根据液位传感器的检测方式来讲解水位自动控制系统的原理，这是决定水位自动控制系统使用寿命和可靠性的主要因素。

一、电极式液位控制原理电极式是最早的液位控制方式，其控制原理很简单：因为水是导体，有水的时候两个电极间导电，交流接触器吸合，水泵就开始抽水。

图1为电极式在水中控制原理示意图。

但是电极在水中会分解而且会吸附很多杂质。

如果不及时清理，电极就会失去作用，这是电极式液位传感器固有的缺陷。

电极式液位传感器的制造非常简单，有人将导线外皮拨开，插到水里就可以做成电极式液位控制器。

所以电极式液位控制器造价很低，价格便宜，但使用寿命很短。

即使采用不锈钢做电极，也需要2-3个月清理一下，在污水中电极的使用寿命就更短了。

图1二、UQK/GSK干簧管液位控制原理干簧管将电极触点密封在玻璃管内，这样就不直接接触液体了，所以电极不会吸附杂质，使用寿命提高。

干簧管的特点就是接近磁铁，触点就会吸合。

所以我们将干簧管固定在管壁内固定的位置。

浮子里装上磁铁，随着浮力沿着管壁上下滑动，见图2。

当浮子经过干簧管时，触点吸合。

干簧管触点一般直接驱动交流接触器，可以控制水泵启动。

GSK上下限位置精确，但管壁不能有脏东西，安装不能倾斜（小于30°），否则会影响浮子的上下移动。

1习题1-1 试列举几个日常生活中的开环和闭环控制系统的例子，并说明其工作原理。

1-2 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图：（1）将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈系统；（2）画出系统方框图。

1-3 下图是水位控制系统的示意图，图中1Q ,2Q 分别为进水流量和出水流量。

控制的目的是保持水位为一定的高度。

试说明该系统的工作原理并画出其方框图。

1-4 仓库大门自动控制系统如图1-3所示，试分析系统的工作原理，绘制系统的方框图，指出各实际元件的功能及输入、输出量。

2习题2-1 求下列函数的拉氏变换。

（1）t t t f 4cos 4sin )(+= （2）t e t t f 43)(+= （3）t te t f --=1)( （4）()cos3t f t e t -=2-2求下列函数的拉氏反变换。

（1）)3)(2(1)(+++=s s s s F（2）()()()2114F s s s =++（3）()225sF s s s =-+（4）()221225s F s s s +=++(5) )3()1(2)(2=++=s s s s s G (6) ))()(()()(c s b s a s d s s G ++++=(7) 152122)(2+++=s s s s G2-3 解微分方程()()()22681d y t dy t y t dt dt++=，初始条件：(0)1y =，'(0)0y = 。

2-4 试证明图2-75所示电气系统与机械系统具有相同的传递函数。

图2-75 题2-4 图2-5 试分别写出图2-76中各有源网络的传递函数。

（1） （2）图2-76 题2-5图2-6系统的方框图如图2-77所示，试求该系统的输入输出传递函数。

图2-77 题2-6图2-7 系统的方框图如图2-78所示，试用梅逊公式求传递函数。

图2-78 题2-7图2-8 已知系统结构如图2-79所示。

第1章自动控制的一般概念例1-1一个液位控制系统的原理图如图1.4所以。

试画出该控制系统的原理方框图，简要说明它的工作原理，并指出该控制系统的输入量，输出量及扰动量。

答：本题考查液位控制系统。

当系统的工作原理为：浮标位置对应于电位计上一点，该点电压与设定液位对应的电压进行比较，如果没有达到设定的液位，将产生偏差电压，功率放大后驱动直流电动机转动，调节输入液流的阀门，改变进入水池的水流量，当输出液流发生改变，液面发生变化时，重复上述过程，使液面保持在给定高度。

该系统的输入量为给定液位，输出量为实际水位，扰动量为输出液流量，系统原理方框图如图1.5习题：1、什么是反馈控制原理？反馈控制系统的主要特点是什么？2、试比较闭环系统与开环系统的优缺点。

3、水箱液位控制系统如图1.9所示。

运行中无论用水流量如何变化（由开关12操纵），希望水面高度（液位）H保持不变。

（1）简述工作原理。

（2）画出系统的原理方块图，并指明被控对象、被控量、给定值和干扰。

4、图1.13为水温控制示意图。

冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热 水。

冷水流量变化用流量计测量。

试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系 统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置是什么？第2章 控制系统的数学模型例2-1如图2.1所示的RLC 电路，试建立以电容上电压为输出变量，输入电压为输入量的运动方程。

图2.1 答：由基尔霍夫定律得：消去中间变量，则有例2-2图2.2所示是弹簧—质量—阻尼器机械位移系统。

试列写质量m 在外力F （t ） 作用下，位移x(t)的运动方程。

答：ƒ—阻尼系数；k —弹性系数。

根据牛顿第二定律即式中，k —弹簧的弹性系数 ky(t)—弹性拉力；—阻尼器阻力。

例2-3 设齿轮系如图2.3所示。

图中J 1和J 2为齿轮和轴的转动惯量，f 1和f 2为齿轮轴与轴承 的粘性摩擦系数，θ1和θ2为各齿轮轴的角位移，T 为电动机的输出转矩，T 1和T 2分别为轴1传送 到齿轮上的转矩和传送到轴2上的转矩，齿轮1和齿轮2的减速比为 。

水位控制系统原理
水位控制系统原理是一种用来监测和控制液体水位的系统。

它通常由以下几个部分组成：传感器、控制器和执行器。

首先，传感器被安装在液体容器内部，用来检测液体的水位。

常用的传感器有浮子传感器、压力传感器和电容传感器。

当液体的水位变化时，传感器会产生相应的电信号。

其次，控制器是系统的核心部分，它接收来自传感器的信号，并根据预设的水位设定值来判断液体的水位是否在正常范围内。

如果水位超过设定值，控制器会发送信号给执行器进行相应的操作，使液位恢复到设定值。

最后，执行器根据控制器的指令来执行相应的动作。

常用的执行器有电动阀门、电泵和电机等。

根据不同的需求，执行器可以控制液体的流入或流出，以达到控制水位的目的。

整个水位控制系统的原理就是通过传感器检测液体水位的变化，并通过控制器和执行器来实现对水位的监测和控制。

这种系统广泛应用于液体储存、供水和泵站等领域，能够确保水位的稳定和安全运行。

1-6 下图是水位控制系统的示意图，图中1Q ,2Q 分别为进水流量和出水流量。

控制的目的是保持水位为一定的高度。

试说明该系统的工作原理并画出其方框图。

【解】：当输入流量与输出流量相等时，水位的测量值和给定值相等，系统处于相对平衡状态，电动机无输出，阀门位置不变。

当输出流量增加时，系统水位下降，通过浮子检测后带动电位器抽头移动，电动机获得一个正电压，通过齿轮减速器传递，使阀门打开，从而增加入水流量使水位上升，当水位回到给定值时，电动机的输入电压又会回到零，系统重新达到平衡状态。

反之易然。

水位给定值电位计电动机、齿轮阀门水箱浮子2Q 1Q 水位hh2-1试建立下图所示各系统的微分方程并说明这些微分方程之间有什么特点，其中电压)(t u r 和位移)(t x r 为输入量；电压)(t u c 和位移)(t x c 为输出量；1,k k 和2k 为弹簧弹性系数；f 为阻尼系数。

【解】：)(a 方法一：设回路电流为i ，根据克希霍夫定律，可写出下列方程组：⎪⎩⎪⎨⎧=+=⎰i R u u dt i C u c c r 1 削去中间变量，整理得：dtduRC u dt du RCr c c =+（a ）方法二：r c c r c u RC u u RC RCs RCsCsR R s U s U &&=+⇒+=+=11)()()(b 由于无质量，各受力点任何时刻均满足∑=0F ， 则有：cc r kx x x f =-)(&&r c c x kf x x k f &&=+⇒)(c ()rr c c r c u u C R u u C R R Cs R R Cs R CsR R Cs R s U s U +=++⇒+++=+++=&&221212212)(1111)()()(d 设阻尼器输入位移为a x ，根据牛顿运动定律，可写出该系统运动方程rr c c a a ca r c r x x k fx x f k k k k x f x x k x x k x x k +=++⇒⎩⎨⎧=--=-&&&22121221)()()(结论：)(a 、)(b 互为相似系统，)(c 、)(d 互为相似系统。

第一章1.1 图1.18是液位自动控制系统原理示意图。

在任意情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。

c+-SM___ 1Q浮浮浮浮浮浮2Q浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮fi-+解：系统的控制任务是保持液面高度不变。

水箱是被控对象，水箱液位是被控变量。

电位器用来设置期望液位高度*c(通常点位器的上下位移来实现) 。

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，使水箱的流入水量与流出水量相等，从而使液面保持在希望高度*c上。

一旦流出水量发生变化(相当于扰动)，例如当流出水量减小时，液面升高，浮子位置也相应升高，通过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，使进入水箱的液体流量减少。

这时，水箱液位下降．浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置为止，系统重新处于平衡状态，液位恢复给定高度。

反之，当流出水量在平衡状态基础上增大时，水箱液位下降，系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度*c。

系统方框图如图解1. 4.1所示。

1.2恒温箱的温度自动控制系统如图1.19所示。

（1） 画出系统的方框图；（2） 简述保持恒温箱温度恒定的工作原理;（3） 指出该控制系统的被控对象和被控变量分别是什么。

器～图1.19 恒温箱的温度自动控制系统解：恒温箱采用电加热的方式运行，电阻丝产生的热量与调压器电压平方成正比，电压增高，炉温就上升。

调压器电压由其滑动触点位置所控制，滑臂则由伺服电动机驱动．炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压作为反馈电压与给定电压进行比较，得出的偏差电压经放大器放大后，驱动电动机经减速器调节调压器的电压。

在正常情况下，炉温等于期望温度T ，热电偶的输出电压等于给定电压。

此时偏差为零，电动机不动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。

这时，炉子散失的热量正好等于从电阻丝获取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。

第 一 章1-1 图1-2是液位自动控制系统原理示意图。

在任意情况下，希望液面高度c 维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。

图1-2 液位自动控制系统解：被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位；给定量电位器设定水位r u （表征液位的希望值r c ）；比较元件：电位器；执行元件：电动机；控制任务：保持水箱液位高度不变。

工作原理：当电位电刷位于中点（对应r u ）时，电动机静止不动，控制阀门有一定的开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度r c ，一旦流入水量或流出水量发生变化时，液面高度就会偏离给定高度r c。

当液面升高时，浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，电动机的控制电压为零，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度r c。

反之，若液面降低，则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，使液面升高到给定高度r c。

系统方块图如图所示：1-10 下列各式是描述系统的微分方程，其中c(t)为输出量，r (t)为输入量，试判断哪些是线性定常或时变系统，哪些是非线性系统?（１）222)()(5)(dt t r d tt r t c ++=；（２）)()(8)(6)(3)(2233t r t c dt t dc dt t c d dt t c d =+++；（３）dt t dr t r t c dt t dc t )(3)()()(+=+； （４）5cos )()(+=t t r t c ω；（５）⎰∞-++=t d r dt t dr t r t c ττ)(5)(6)(3)(；（６）)()(2t r t c =；（７）⎪⎩⎪⎨⎧≥<=.6),(6,0)(t t r t t c解：（1）因为c(t)的表达式中包含变量的二次项2()r t ，所以该系统为非线性系统。

自动控制原理大作业班级:XXXXXXXX学号:XXXXXXX姓名：倪马液位自动控制系统分析解答题目：如图所示的液位自动控制系统，简述：（1）系统的基本工作原理，说明各元、部件的功能，控制器、被控对象、希望值、测量值、干扰量和被控量；绘制系统原理框图.（2）假设：系统输入/输出流量与入/出水阀开度成正比，减速器加速比为i ，0H 与电位计中点（零电位点）对应,电动机输入电压与输出转角的对应关系参见第二章第二节相应内容.试列写该系统以0H 为输入，以实际液位高度H 为输出的系统数学模型。

（3)根据（2）的求解过程,绘制控制系统结构图，并求出系统闭环传递函数。

（4）利用劳斯判据,给出满足系统闭环稳定性要求的元、部件参数取值范围。

（5）取系统元、部件参数为:电动机电枢电阻Ω=35.1a R ，电枢电感H L a 00034.0=,电机轴转动惯量26105.8Kgm J -⨯=，电动机反电动势系数)//(03.0s rad V C E =，电动机电磁力矩系数A Nm C M /028.0=；减速器原级齿轮转动惯量210555.0Kgm J =，减速器次级转动惯量22015.0Kgm J =，减速比2=i ；入水阀门转动惯量2301.0Kgm J =，阀门流量系数()rad s m K in //1.03=;m V K H /1=反馈电位计比例系数1=f K 。

入水阀与减速器次级同轴，不计摩擦损耗.试求：①绘制系统关于功率放大器放大系数1K 的根轨迹;②根据控制系统稳、快、准的原则，在根轨迹上适当选取系统闭环极点，试求出系统对)(1)(t t u r =的响应函数的解析表达式,并分析各元、部件参数对系统输出特性的影响。

（6）绘制系统对数频率特性曲线，并对系统频率响应特性给出详细讨论.解答分析：一、系统工作原理（1）基本工作原理设定希望水位在高度H 0时，该系统处于平衡状态，即出水量与进水量一致. 此时，浮子与电位器连接的杆处于水平位置，电位器的滑头也位于中间位置。

水位控制电路图水位控制器原理1.本电路能自动控制水泵电动机，当水箱中的水低于下限水位时，电动机自动接通电源而工作；当水灌满水箱时，电动机自动断开电源。

该控制电路只用一只四组双输入与非门集成电路(CD4011)，因而控制电路简单，结构紧凑而经济。

供电电路采用12V直流电源，功耗非常小。

控制器电路如图1所示。

指示器电路如图2所示。

图1是控制器电路图，在水箱中有两只检测探头"A"和"B"，其中"A"是下限水位探头，"B"是上限水位探头，12V直流电源接到探头"C"，它是水箱中储存水的最低水位。

下限水位探头"A"连接到晶体管T1(BC547)的基极，其集电极连到12V电源，发射极连到继电器RL1，继电器RL l接入与非门N3第○13脚。

同样，上限水位探头"B"接到晶体管T2的基极(BC547)，其集电极连到12V电源，发射极经电阻R3接地，并接入与非门N1第①、②脚，与非门N2的输出第④脚和与非门N3的第○12脚相连，N3第①脚输出端接到N2第⑥脚输入端，并经电阻R4与晶体管T3的基极相连，与晶体管T3发射极相连的继电器RL2用来驱动电动机M。

当水箱向水位在探头A以下，晶体管T1与T2均不导通，N3输出高电平，晶体管T3导通，使继电器RL2有电流通过而动作，因而电动机工作，开始将水抽入水箱。

当水箱的水位在探头A以上、探头B 以下时，水箱中的水给晶体管T1提供了基极电压，使T1导通，继电器RLl得电吸合N3第○13 脚为高电平，由于晶体管T2并无基极电压，而处于截止状态，N1第①、②脚输入为低电平，第③脚输出则为高电平，而N2第⑥脚输入端仍为高电平，因而N2第④脚输出则为低电平，最终N3第11脚输出为高电平，电动机继续将水抽入水箱。

当水箱的水位超过上限水位B时，晶体管T1仍得到基极电压，继电器RLl吸合。

第一章1.1 图1.18是液位自动控制系统原理示意图。

在任意情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。

c+-SM___ 1Q浮浮浮浮浮浮2Q浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮fi-+解：系统的控制任务是保持液面高度不变。

水箱是被控对象，水箱液位是被控变量。

电位器用来设置期望液位高度*c(通常点位器的上下位移来实现) 。

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，使水箱的流入水量与流出水量相等，从而使液面保持在希望高度*c上。

一旦流出水量发生变化(相当于扰动)，例如当流出水量减小时，液面升高，浮子位置也相应升高，通过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，使进入水箱的液体流量减少。

这时，水箱液位下降．浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置为止，系统重新处于平衡状态，液位恢复给定高度。

反之，当流出水量在平衡状态基础上增大时，水箱液位下降，系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度*c。

系统方框图如图解1. 4.1所示。

1.2恒温箱的温度自动控制系统如图1.19所示。

（1） 画出系统的方框图；（2） 简述保持恒温箱温度恒定的工作原理;（3） 指出该控制系统的被控对象和被控变量分别是什么。

M放大器电机减速器调压器 220～热电偶电阻丝－ ＋－ ＋图1.19 恒温箱的温度自动控制系统解：恒温箱采用电加热的方式运行，电阻丝产生的热量与调压器电压平方成正比，电压增高，炉温就上升。

调压器电压由其滑动触点位置所控制，滑臂则由伺服电动机驱动．炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压作为反馈电压与给定电压进行比较，得出的偏差电压经放大器放大后，驱动电动机经减速器调节调压器的电压。

在正常情况下，炉温等于期望温度T ，热电偶的输出电压等于给定电压。

此时偏差为零，电动机不动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。

水位控制器原理图水位控制器是一种广泛应用于工业生产和民用领域的自动控制设备，其原理图包括传感器、控制器和执行器等组成部分。

下面将详细介绍水位控制器的原理图及其工作原理。

首先，水位控制器的原理图中包括水位传感器，用于检测水位的高低。

传感器通常采用浮子式或压力式传感器，通过测量水位的变化来实现对水位的监测。

传感器将检测到的水位信号传输给控制器，控制器根据接收到的信号来判断水位的高低，并作出相应的控制动作。

其次，水位控制器的原理图中还包括控制器部分，控制器是整个水位控制系统的核心部分。

控制器接收传感器传来的水位信号，经过处理后输出控制信号给执行器，实现对水位的精准控制。

控制器通常采用微处理器或PLC等智能控制设备，具有高精度、稳定性强的特点。

最后，水位控制器的原理图中还包括执行器部分，执行器根据控制器输出的信号来执行相应的控制动作。

执行器通常采用电磁阀、电动阀或泵等设备，通过控制水流的进出来实现对水位的调节。

执行器的稳定性和响应速度直接影响到水位控制的效果。

水位控制器的工作原理是通过传感器检测水位信号，传输给控制器，控制器根据设定的水位值来判断水位的高低，然后输出控制信号给执行器，执行器根据控制信号来调节水流的进出，从而实现对水位的精准控制。

整个过程是一个闭环控制系统，能够实现对水位的自动监测和调节，提高了生产效率和产品质量。

水位控制器的应用范围非常广泛，可以用于水处理设备、供水系统、油田开采、化工生产等领域，具有重要的意义和价值。

通过合理的设计和优化配置，可以实现对水位的精准控制，提高生产效率，降低能耗，保证生产安全。

总的来说，水位控制器的原理图包括传感器、控制器和执行器等部分，通过这些部件的协调配合，实现对水位的自动监测和控制。

水位控制器的工作原理是一个闭环控制系统，能够实现对水位的精准控制，具有重要的应用价值和发展前景。

希望通过本文的介绍，能够对水位控制器的原理图有一个更加深入的了解，为相关领域的工程师和技术人员提供参考和借鉴。

水位控制原理水位控制是指通过一定的控制手段，使水体的水位得到有效的控制和调节，以满足特定的需求。

水位控制在工业生产、环境保护、农业灌溉等领域都有着广泛的应用。

本文将从水位控制的原理入手，介绍水位控制的基本概念、原理和应用。

首先，水位控制的基本原理是通过控制水体的进出量来实现水位的控制。

在一个封闭的容器中，当进水量大于出水量时，水位会上升；反之，当出水量大于进水量时，水位会下降。

因此，通过控制进出水的流量和速度，就可以实现对水位的控制。

其次，水位控制系统通常由传感器、控制器和执行机构组成。

传感器用于实时监测水位的变化，将监测到的水位信号传输给控制器；控制器根据传感器反馈的信号，通过内部的控制算法计算出相应的控制策略，并将控制信号发送给执行机构；执行机构根据控制信号，调节进出水的流量和速度，从而实现对水位的控制。

另外，水位控制的方法多种多样，常见的有比例控制、脉冲控制、PID控制等。

比例控制是根据水位信号与设定值之间的偏差大小，按一定的比例关系来调节执行机构的开度；脉冲控制是通过改变进出水的脉冲信号的频率和宽度来实现对水位的控制；PID控制则是通过比例、积分、微分三个控制参数的组合来调节执行机构，以实现对水位的精确控制。

最后，水位控制在实际应用中具有广泛的应用价值。

在工业生产中，水位控制可以用于锅炉、蒸汽发生器、冷却塔等设备中，确保设备的安全稳定运行；在环境保护中，水位控制可以用于污水处理厂、水泵站等场所，保证水体的排放和循环利用；在农业灌溉中，水位控制可以用于水库、灌溉渠道等地方，实现对灌溉水量的精确控制，提高灌溉效率。

综上所述，水位控制是通过控制水体的进出量来实现水位的控制，其原理简单清晰，应用广泛灵活。

水位控制系统通过传感器、控制器和执行机构的配合，可以实现对水位的精确控制。

在工业生产、环境保护、农业灌溉等领域都有着重要的应用价值，对于提高生产效率、保护环境、节约资源都具有积极的意义。

希望本文的介绍能够帮助大家更好地了解水位控制的原理和应用。