恒定控制系统的若干电路模型

摘要

恒温控制系统、恒压控制系统等恒定控制系统是生产生活中常用的自动控制系统。以水位恒定控制系统为例，设计了几种在课堂中用于恒定控制系统设计的、具有可拓展性的电路模型，包括一种开环控制模型、两种闭环控制模型。

Graphical abstract

关键词

恒定控制系统 / 开环控制 / 闭环控制 / 电路模型

在生产生活中，常常需要用到各式各样的恒定控制系统，如恒温控制系统、恒湿控制系统、恒压控制系统、水位恒定控制系统等，这些系统都要求将相应的被控对象自动控制在一定的区间内。对这些控制系统的分析和实践，有助于学生对开环、闭环控制系统的理解，也有利于学生提升电子电路设计的能力。

笔者以水位恒定控制系统为例，设计了几种在课堂中可用于“恒定”控制系统设计的、具有可拓展性的电路模型，包括一种开环控制模型、两种闭环控制模型。

1 开环水位恒定控制系统模型

采用延时电路模型设计水位恒定控制系统，电路如图1所示。

1.1 原理分析

将b、c两个探针分别插入水深为B、C的位置。

当水位高于B位置时，b点为高电位，各个三极管和电容的状态分别为VT₁饱和导通、VT₂截止，VT₃饱和导通、VT₄截止，电容充满电，此时水泵不工作。当水位低于B位置时，b点转为低电位，各个三极管和电容的状态随即变为VT₁截止、VT₂饱和导通，VT₃截止、VT₄饱和导通，电容通过VT₂放电，此时水泵开始工作，水位回升。当水位重新达到B位置时，b点又转为高电位，此时，VT₁再次饱和导通、VT₂截止，电容通过R₂充电，在尚未充满之前，VT₃仍保持截止，VT₄仍导通，水泵保持工作；当电容充满电后，VT₃才饱和导通，从而使得VT₄截止，水泵停止工作。通过这样的方式，水位可以控制在高于B位置的一定区间内。

1.2 参数调试

该电路元器件可采用如表1所示的参数进行调试。

如希望调整水位回升的上限，则可以通过调整自动补水的时长来实现，即调整电容的大小——电容小，则水位回升得少；反之，则水位回升得多。

2 闭环水位恒定控制系统模型

2.1 方法一：采用可控硅设计水位恒定控制系统

（1） 电路如图2所示^［1］。

（2） 原理分析。

将a、b、c 3个探针分别插入水深为A、B、C的位置。当水位在A位置时，a与b之间相当于接入一个电阻，成为通路，VT₁导通，J₁吸和；同理，b与c之间也成为通路，VT₂导通，J₂吸和，因此，电阻R和水泵M所在的支路均为断路，水泵不工作。当水位下降，位于A、B之间时，ab为断路，VT₁截止，J₁释放，但由于VT₂仍然导通，J₂仍保持吸和，可控硅没有触发信号，无法导通，水泵仍不工作。当水位继续下降，低于B位置时，bc成为断路，VT₂截止，J₂释放，可控硅被触发导通，水泵开始工作。当水位回升、超过B位置时，bc又为通路，VT₂导通，J₂吸和，可控硅的控制端断开，但是仍然维持导通状态，使水泵能持续工作，一直到水位达到A位置，VT₁导通，J₁吸和，可控硅阴阳极所在的支路断开，可控硅才截止，水泵才停止工作。如此循环往复，实现将水位控制在一定范围内。

（3） 参数调试。

该电路元器件可采用如表2所示的参数进行调试。

2.2 方法二：采用555芯片设计水位恒定控制系统

（1） 电路如图3所示^［2］。

（2） 原理分析。

555芯片的真值表如表3所示^［3］。

当水位在A位置时，a、b均为高电位，即2、6脚输入均为高电平，3脚输出为低电平，三极管不导通，水泵不工作。当水位下降，位于A、B之间时，a转为低电位，b仍为高电位，即2脚输入为高电平，6脚输入为低电平，3脚输出为保持状态，仍为低电平，三极管不导通，水泵仍不工作。当水位继续下降、低于B位置时，a仍为低电位，b转为低电位，即2、6脚输入均为低电平，3脚输出为高电平，三极管导通，水泵开始工作，水位上升。当水位上升、尚未达到A水位时，a仍为低电位，b转为高电位，即2脚输入为高电平，6脚输入为低电平，3脚输出为保持状态，仍为高电平，三极管仍导通，水泵继续工作。当水位继续上升、达到A水位时，a、b又均为高电位，即2、6脚输入均为高电平，3脚输出为低电平，三极管不导通，水泵停止工作。如此循环往复，实现将水位控制在一定范围内。

（3） 参数调试。

该电路元器件可采用如表4所示的参数进行调试。

3 恒定控制系统电路模型拓展设计

温控、压控等其他类型的恒定电路可根据需要参照以上电路模型进行拓展设计，只需将电路“输入部分”的水位探针改成相应的传感器件即可。例如，如需要设计闭环温控电路，则可以将水位探针改成温敏电阻。以555电路为例，电路设计如图4所示。

原理简析：R_t1、R_t2为负温度系数温敏电阻，R₁、R₂为可调电阻，R₃、R₄为定值电阻，R₅为电热丝，C为电容，VT为NPN型三极管。当温度达到温控下限时，2脚、6脚电位均小于1/3U，3脚输出高电位，VT导通，电热丝加热，温度回升；当温度介于温控上下区间时，2脚电位大于1/3U、6脚电位均小于2/3U，3脚保持高电位，电热丝继续加热；当温度达到温控上限时，2脚、6脚电位均大于2/3U，3脚输出变成低电位，VT截止，电热丝停止加热。如此，温度被控制在一定范围内。如希望调节温控的上下限，则调解R₁、R₂的阻值即可。

4 结语

设计了3种具有拓展性的恒定控制系统电路模型，教师可以在此基础上将其拓展应用于教学。学生也可以在学习以上电路的过程中触类旁通，举一反三，深入理解电子控制系统的设计思想，提升电路设计和实践的能力。

参考文献

[1] 赵冬卿.结合通用技术课程促进学以致用：以“水箱自动补水装置”为例［J］.物理之友，2021，37（05）：15-16.

[2] 陈永甫.多功能集成电路555经典应用实例［M］.北京：电子工业出版社，2011.

[3] 康华光.电子技术基础：数字部分［M］.北京：高等教育出版社，2006.