可控硅的记忆效应在闭环控制系统设计中的妙用

在通用技术课程实验演示中，闭环控制系统的实验案例选择的是闭环水位控制系统。它需要完成的目标是，当无水或水位低于最低水位探测点时，注水电机开关闭合，向内注水，一直到水位上升到最高水位探测点时，注水电机开关断开，停止注水。当水位再降低，只要不低于最低水位探测点，注水电机均不工作，从而完成系统的闭环水位控制工作。在教材或参考资料上，实验的线路设计均采用了由2个三极管和继电器等组成的简单控制线路。由继电器的一组开关J-1和J-2来完成带记忆的闭环控制任务（如图1所示）。我们在实际实验过程中搭试这个线路，常常发现由于三极管和其他元件参数的偏差造成线路调试很困难，实验成功率低。

图1 晶体管组成的水箱闭环电子控制系统电路

怎样提高实验成功率呢？虽然改进线路采用了555集成电路组成的控制系统（如图2所示），系统的可靠性和成功率相对提高，但对于教学来说集成电路组成的系统也存在着一些不足之处。

图2 555电路组成的水箱闭环控制系统电路图

（1）由于555集成电路的工作电压必须大于5 V才能工作，使得线路的供电电源必须要5 V以上的稳定电压（常用6 V～12 V供电电源）。

（2）在教学过程中，由于555集成电路较为复杂，腿脚较多，电路对高中技术课教学来说，没有一定的电子基础，学生难以清楚其工作原理，在技术课程教学中显然不太适合。

在这种情况下，能否重新设计一种线路，既可靠又简单地完成闭环控制系统的教学。笔者想到了一个常用的电子器件可控硅，能否利用可控硅的记忆效应来实现闭环控制系统对水位的自动控制，经过多次试验，完成了电路设计（如图3所示），达到了设计要求。

其工作原理是：当无水或低水位时，三极管T2，T4导通，继电器J2，J4吸合，K1，K2闭合，可控硅导通，电机工作开始注水。一旦水位高于低水位探头，K1立刻断开，但此时水位低于高水位探头，K2仍在闭合状态，由于可控硅已被触发，虽然K1断开，但仍可保持导通状态，维持注水工作，这就是可控硅的记忆效应。一直达到高水位探头位置时，K2也断开，由于K1，K2均断开，电机停止工作，此时可控硅完全失电恢复常态，在水位下降处于高、低水位之间的常态位置时，虽然K2闭合了，但可控硅已被复位，且由于K1仍处断开， 没有触发信号，可控硅不导通，电机不工作。只有在水位下降再次到达低水位位置时，K1导通，才能再次触发可控硅，重复开始低水位时的工作过程。

图3 水位控制电路

图4

根据图3所示的线路图，我们利用多用线路板焊接制作了控制电路（如图4所示）。经测试，性能良好，工作可靠，电路简单，便于教学中学生对闭环控制电路的理解。