双容水箱液位控制_北京工业大学
双容水箱液位控制系统设计
双容水箱液位控制系统设计首先，双容水箱液位控制系统的基本原理是根据水位信号的反馈来控制水泵的启停。
当水箱液位低于设定值时，水泵启动，开始抽水；当液位达到设定值时，水泵停止运行。
这样就可以实现水箱液位的自动控制。
第一，确定水箱的容积和设计液位。
容积和设计液位的确定需要根据实际应用情况来选择，一般要考虑水泵的流量和工作时间等因素。
容积大的水箱可以减少水泵启停的频率，但其建设和维护成本也较高。
第二，确定水位传感器的选择和安装。
水位传感器是检测水箱液位的关键部件，可以选择浮子式传感器、超声波传感器等。
选择合适的传感器需要考虑其精度、可靠性、成本和使用环境等因素。
安装传感器时要确保其与水箱的接触良好，避免信号干扰。
第三，确定控制器的选择和编程。
控制器是实现水位控制的核心部件，可以选择PLC、单片机等。
控制器的选择要考虑其处理能力、输入输出接口和编程灵活性等因素。
编程时需要设置液位设定值和控制逻辑，使得系统能够准确地控制水泵的启停。
第四，确定水泵的选择和安装。
水泵是水箱液位控制系统的关键设备，可以选择离心泵、自吸泵等。
选择合适的水泵需要考虑其流量、扬程、功率和效率等因素。
水泵的安装要确保其与水箱的连接可靠，并考虑水泵的防护和维护问题。
第五，确定报警和保护措施。
对于水箱液位控制系统，需要设置相应的报警和保护机制，以及应急措施。
例如，当水泵故障或水箱液位异常时，系统应该能够及时发出报警，并采取相应的措施避免设备损坏或事故发生。
最后，测试和调试系统。
在系统设计和安装完成后，需要进行全面的测试和调试工作。
首先测试传感器和控制器的工作是否正常，然后测试水泵的启停控制是否准确。
同时，还需要进行系统的稳定性和灵敏度测试，确保系统能够稳定运行和满足实际需求。
总之，双容水箱液位控制系统的设计需要综合考虑容积、液位传感器、控制器、水泵、报警保护和测试调试等方面的因素。
只有设计合理并正确配置这些部件，才能实现高效、稳定的液位控制。
双容水箱液位控制结题研究报告
自动控制系统课程设计双容水箱系统——结题报告学校：北京工业大学学院：电控学院专业：自动化班级：组号：第五组组员：实验日期：指导教师：目录一、课程设计任务 (2)二、被控对象的模型及分析 (2)三、系统控制方案论证 (5)四、控制结构与控制器设计步骤 (6)五、实验过程论述 (8)六、实验结果及分析 (10)七、总结 (10)八、附录 (11)一、课程设计任务1、课程设计目的（1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。
（2）掌握基于MATLAB的系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法（5）培养编制技术总结报告的能力。
2、被控对象: 双容水箱系统3、性能指标要求衰减率4:1～10:1,超调量Mp<10%，调节时间Ts<45s，稳态误差0=sse二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图2-3 双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V3和V4的液阻，C1和C2分别为左水箱和右水箱的容量系数。
式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。
具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：6)-1(*)1*)(1*()()()(2112e sSTSTKSGSQSHτ-++==1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)；图2-4 阶跃响应曲线 2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1；3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。
然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K 、T1和T2。
其中：对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32<t 1/t 2<0.46。
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计1. 设计题目双容水箱液位串级控制系统设计2. 设计任务图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。
试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。
1图1 双容水箱液位控制系统示意图3. 设计要求1） 已知上下水箱的传递函数分别为：111()2()()51p H s G s U s s ∆==∆+，22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ∆∆===∆∆+。
要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。
4.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。
对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。
在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q ；被控量：下水箱液位；控制对象特性： 111()2()()51p H s G s U s s ∆==∆+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ∆∆===∆∆+（下水箱传递函数）。
双容水箱液位控制结题研究报告
双容水箱液位控制结题研究报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：自动控制系统课程设计双容水箱系统——结题报告学校：北京工业大学学院：电控学院专业：自动化班级：组号：第五组组员：实验日期：指导教师：目录一、课程设计任务 (3)二、被控对象的模型及分析 (5)三、系统控制方案论证 (7)四、控制结构与控制器设计步骤 (8)五、实验过程论述 (8)六、实验结果及分析 (12)七、总结 (12)八、附录 (12)一、课程设计任务1、课程设计目的（1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。
（2）掌握基于MATLAB的系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法（5）培养编制技术总结报告的能力。
2、被控对象: 双容水箱系统3、性能指标要求衰减率4:1～10:1,超调量Mp<10%，调节时间Ts<45s，稳态误差0=sse二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图2-3 双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V3和V4的液阻，C1和C2分别为左水箱和右水箱的容量系数。
式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。
具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：6)-1(*)1*)(1*()()()(2112e sSTSTKSGSQSHτ-++==1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)；图2-4 阶跃响应曲线 2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1；3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。
双容水箱液位控制实验台设计——说明书
目录1 引言 (1)1．1 课题研究背景 (1)1．2 发展历史、现状及发展趋势 (2)1.2.1 国内外水箱控制的发展 (2)1.2.2 控制系统的发展方向 (2)1.3 选题意义 (4)2 双容水箱液位控制实验台设计简介 (5)2.1 双容水箱液位控制试验台特性研究 (5)2.2.1 双容水箱液位控制实验台架的模型搭建 (5)2.2.2 双容水箱液位控制实验台架三维模型搭建 (6)2.3 双容水箱液位控制实验台搭建 (10)2.4 系统搭建总结及过程中存在的问题 (14)3 双容水箱液位控制方案验证 (15)3.1 自动控制基本原理与方式 (15)3.2 过程控制系统的MATLAB计算与仿真 (15)3.2.1 控制系统计算机仿真 (15)3.2.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 (16)3.3 双容水箱液位控制系统数学模型建立 (17)3.4 双容水箱液位控制系统动静态仿真 (19)3.4.1 双容水箱液位控制试验台控制流程 (19)3.4.2 双容水箱液位控制试验台的Simulink仿真 (20)3.4.3 经典PID 控制存在的问题及现阶段研究方向 (23)4 双容水箱液位控制实验台设备选型 (24)4.1 动力及控制设备 (24)4.1.1 水泵 (24)4.1.2 调节型电动阀 (25)4.2 传感器及信号采集装置 (26)4.2.1 液位变送器 (26)4.2.2 数据采集卡 (27)5 双容水箱液位控制实验台LabVIEW程序设计 (28)5.1 LabVIEW的VI控制 (28)5.2 控制程序的设计 (28)5.2.1 液位控制总程序 (29)6 液位控制实验过程 (33)6.1 实验过程 (33)6.2 实验效果 (34)6.3 实验结论与收获 (37)7 总结与展望 (38)7.1 结论与收获 (38)7.2 展望与改进 (38)参考文献 (38)致谢 (41)中北大学2017届毕业设计说明书1 引言在科学技术发展的过程当中，现代控制工业生产的工艺当中的各种问题也变得日趋复杂。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法双容水箱液位系统是一种常见的控制系统，用于控制水箱中的液位。
系统由两个水箱和一根连接两个水箱的管道组成。
该系统的目标是通过控制水流进入和流出水箱来维持水箱的液位在设定值附近。
一种常用的控制方法是状态反馈控制。
状态反馈控制是基于系统的状态变量（如液位）进行控制的方法。
该方法通过测量系统的状态变量，计算出控制输入，并将其作为反馈信号输入到系统中。
这样，系统就可以根据测量到的状态变量来调节控制输入，以使系统的状态达到设定值。
1. 系统建模：需要建立双容水箱液位系统的数学模型。
这个模型描述了系统的动态行为，可以根据系统的物理特性和控制需求进行建立。
常用的建模方法包括基于物理原理的动力学方程和基于经验数据的系统辨识方法。
2. 设计状态反馈控制器：基于系统的模型，可以设计状态反馈控制器。
控制器可以根据系统的状态变量进行调节，并产生控制输入。
在设计过程中，可以使用控制理论中的方法，如线性二次调节器（LQR）或H∞控制来设计控制器的增益矩阵。
3. 系统仿真：使用建立的数学模型，可以进行系统的仿真来评估控制器的性能。
在仿真中，可以考虑不同的初始条件和控制输入，并观察系统的响应。
如果系统的响应满足控制需求，可以进一步优化控制器的参数。
4. 控制器实现：将设计好的控制器实现到实际的控制系统中。
这需要选择合适的控制器实现方式，如模拟电路、数字控制器或嵌入式系统。
控制器实现后，可以进行系统的实时控制实验。
5. 控制器调试和优化：在实际的控制实验中，可能会出现一些问题，如控制器调节不准确、系统不稳定等。
在这种情况下，需要对控制器进行调试和优化，如调整控制器的增益或改变控制策略等。
双容水箱液位系统的状态反馈控制方法包括系统建模、状态反馈控制器设计、系统仿真、控制器实现以及控制器调试和优化等步骤。
通过这个方法，可以设计出满足控制需求的控制器，并将其应用到实际的控制系统中。
双容水箱液位控制系统设计
双容水箱液位控制系统设计-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN摘要本设计以JBS-GK04型过程控制实验装置为基础，对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。
通过对双容水箱液位控制系统的分析建模，针对其对象特性，采用PID控制方式，构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位控制系统，有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题，从而缩短了调节时间。
利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时地操作、监控。
在控制过程中不需要下位机，通过在组太王软件工程浏览器中的命令语言编辑对话框里面输入PID控制源程序，实现计算机直接控制的方式，实现计算机与现场设备之间的数据交换。
利用变频器使抽水泵工作在恒压供水的状态下，通过电动调节阀来实现控制目标。
在对双容水箱液位控制系统进行参数整定时，以使调节过程稳、准、快为原则，从而得到适合的调节器参数。
实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。
关键词: 液位；PID 控制；组态软件；参数整定AbstractThe design is based on the JBS-GK04 type of process control device for the testing object properties and level control on the two-tank. Through analysis and modeling for the two-tank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tank's liquid level cascade control system. It overcomes the problems effectively about the second two-tank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asia's PC to implement the interface configuration, operate water level real-time and monitor the system. In the control process does not require the next crew, edit dialog box to enter the PID control inside source through the software engineering group in the browser command language to achieve direct control of the computer, And use the drive to work in the constant pressure water supply pumps in the state, through the electric control valve to achieve the control objectives. In two-tank water level control system parameters adjustment, follow the principle of steady, accurate, fast in adjustment process to get appropriate parameters. The experimental results show that the system of process parameters to achieve steady-state error-free control, with good steady state performance and dynamic performance.Keywords: LevelPID control; configuration software; parameter tuning目录摘要 ......................................................................................................................................... 错误!未定义书签。
双容水箱液位控制系统毕业设计
双容水箱液位控制系统毕业设计双容水箱液位控制系统是一种用于控制水箱液位的智能化系统，通过传感器、控制器和执行器等组件，实现对水箱液位的自动监测与控制。
本文将介绍关于双容水箱液位控制系统的毕业设计，包括设计目标、系统结构、工作原理和关键技术等方面的内容。
首先，设计目标是实现对双容水箱液位的智能化控制，以提高水箱的利用率和节约水资源。
具体目标包括：准确监测水箱液位，实时调节进水与排水流量，保持水箱液位在合理范围内。
其次，双容水箱液位控制系统的结构主要包括传感器模块、控制模块和执行器模块。
传感器模块用于监测水箱液位，可以采用压力传感器、浮球传感器或超声波传感器等；控制模块负责收集传感器数据，进行算法分析和决策，控制执行器模块的动作；执行器模块包括水泵和电磁阀等组件，通过控制水泵的运行和电磁阀的开关，调节进水与排水的流量，从而控制水箱液位。
系统的工作原理是首先通过传感器获取水箱液位信息，并传输给控制模块进行处理。
控制模块根据设定的液位范围和液位变化规律，判断当前液位状态，决定执行器的动作。
如果液位过高，则控制模块发送信号给执行器模块，开启电磁阀进行排水；如果液位过低，则控制模块发送信号给执行器模块，启动水泵进行进水。
通过不断的反馈和调整，控制系统可以使液位保持在合理范围内。
关键技术包括传感器选择与布置、控制算法设计和执行器参数调节等。
传感器的选择和布置需要考虑液位变化范围和液位测量的准确性；控制算法的设计需要根据实际情况制定，包括液位判断标准和动作决策规则；执行器参数调节需要根据实际需求和系统响应特性进行调整和优化。
综上所述，双容水箱液位控制系统的毕业设计旨在实现对水箱液位的智能化监测与控制。
通过设计合理的系统结构、优化的工作原理和关键技术的应用，可以实现对水箱液位的准确监测和精确控制，提高水资源的利用效率。
实验二 双容水箱液位定值控制系统(单回路)
实验项目名称：（所属课程：）学院：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：一、实验目的1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。
2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。
4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。
5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验条件THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台。
三、实验原理图2-4 单容液位定值控制系统原理框图四、实验内容与要求本实验选择中水箱液位作为被控参数，上水箱流入量为控制参数。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7和F1-11全开，将中水箱出水阀F1-10开至适当开度（50%左右，上水箱出水阀开到70%左右），其余阀门均关闭。
按以下步骤进行实验。
1.根据系统组成方框图接线，如图2-5所示。
2.接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相1、单相对性空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3.打开上位机“组态王”组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入组态王运行环境，在主菜单中点击“实验四、双容液位定值控制系统”，进入实验四的监控界面。
4.在上位机监控界面中点击“启动仪表”，将智能仪表设置为“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
值得注意的是手自动切换的时间为：当中水箱液位基本稳定不变（一般约为3～5cm）且下水箱的液位趋于给定值时切换为最佳。
5.合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值。
6.按经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
图2-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图7.待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动控制状态。
双容水箱液位控制系统设计与实现
2.2 控制器设计模型
双容水箱液位系统辨识方法
由于耦合关系的存在，假设双容水箱液位耦合系统控制器设计模型 的表达式为
y1 y2
W
(s)
u1 u2
W11 (s) W21(s)
W12 W22
(s) (s)
u1 u2
利用阶跃响应辨识方法，根据改变 u1与 u2 引起输出液位的变化曲 线，对耦合关系矩阵W 进行辨识.
此过程同样为时间常数较小的一阶惯性环节，可近似为如下线 性关系：
Qin k4u2 c2
‒流量到双容水箱液位的过程
假设 y2 y1 ，根据物料平衡关系 有：
A1
dy1 dt
Qin1
Qout1
Q0
A2
dy2 dt
Qin2
Qout 2
Q0
其中A1和A2分别为双容水箱的横截面积 Qin1与 Qin2 分别为入水流量，Qout1与 Qout2 分别为泄水流量， Q0 为某时刻2号水箱 流入1号水箱的流量
k1P 44, k1I 0.38 k2P 32.269, k2I 0.165 k21 0.24, k12 0.05 双容水箱液位系统解耦控制实验曲线如下：
1号水箱液位
2号水箱液位
6.4 非线性解耦控制（先进方法研究）
w(k 1)
e(k)
非线性
u(k )
解耦控制器
双容水箱
y(k)
y(k)
提纲
1. 双容水箱液位控制系统描述 2. 被控对象与控制器设计模型 3. 控制器设计 4. 系统仿真 5. 闭环实验
1.双容水箱液位控制系统描述
1.1 控制目标
液位解耦
双容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，在其中某个水 箱液位变化时，另一个水箱的液位基本维持不变
双容水箱液位流量串级控制系统设计要点
双容水箱液位流量串级控制系统设计要点双容水箱液位流量串级控制系统是一种在液位和流量之间进行联动控制的系统。
该系统通常由两个水箱、两个阀门和两个流量计组成。
其中，一个水箱用于控制液位，另一个水箱用于控制流量。
双容水箱液位流量串级控制系统的设计要点包括以下几个方面：1.系统结构设计：双容水箱液位流量串级控制系统的结构应该合理、紧凑，方便安装和维护。
系统中的各个组件应该布局合理，阀门、流量计与水箱的位置应该便于操作和读取数据。
2.控制策略设计：双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略应该能够实现液位和流量之间的联动控制。
一般采用控制阀门的开度来调节流量，通过调节水泵的转速或者阀门的开度来调节液位。
控制策略应该具有良好的稳定性和鲁棒性，能够快速而准确地响应输入信号的变化。
3.传感器选择与布置：双容水箱液位流量串级控制系统中的传感器用于检测液位和流量。
液位传感器的选择应该考虑到水箱的工作范围和要求，以及精度和可靠性的要求。
流量传感器的选择应该根据流量范围和要求，以及精度和可靠性的要求。
传感器的布置应该能够准确地测量液位和流量，避免干扰和误差。
4.控制器选择与配置：双容水箱液位流量串级控制系统的控制器是实现控制策略的核心部件。
控制器应该具有良好的性能，包括计算能力、通信能力和抗干扰能力。
控制器的配置应该考虑到系统的需求和性能要求，以及可靠性和可扩展性的要求。
5.阀门和流量计选择与定位：双容水箱液位流量串级控制系统中的阀门和流量计是实现液位和流量调节的关键装置。
阀门的选择应该考虑到流量范围和要求，以及可靠性和响应速度的要求。
流量计的选择应该根据流量范围和要求，以及精度和可靠性的要求。
阀门和流量计的定位应该根据液位和流量的控制策略，使其能够和其他组件紧密配合，实现精确的调节和测量。
通过以上要点的设计，可以有效实现双容水箱液位流量串级控制系统的运行稳定和精确控制。
同时，设计过程中还需要考虑到系统的安全性和可靠性，以及经济性和可维护性的要求。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法状态反馈控制是一种常用的控制方法，可以实现对系统的稳定控制。
双容水箱液位系统是一类常见的控制对象，其结构简单、动态特性明确，因此常被用于控制系统的理论研究和实践应用。
本文将介绍一种基于状态反馈的双容水箱液位系统控制方法。
我们来介绍一下双容水箱液位系统的基本结构。
该系统由两个水箱组成，每个水箱中都有一根测量液位的传感器，可以实时测量液位的高度并将其反馈给控制系统。
系统的输入是阀门的开度，通过改变阀门的开度可以控制液位的高低。
系统的目标是在给定的时间内使得水箱的液位维持在目标值附近，实现对液位的精确控制。
在使用状态反馈控制方法之前，首先需要对双容水箱液位系统进行建模。
系统的建模可以使用常规的动态方程进行描述，在这里我们将使用线性化的动态模型来简化系统的描述。
假设系统是线性时不变的，那么可以使用以下状态空间方程表示系统的动态特性：x(t+1) = Ax(t) + Bu(t)y(t) = Cx(t)x(t)是系统的状态向量，包含了水箱的液位和其他相关的状态变量；u(t)是控制输入，表示阀门的开度；y(t)是输出向量，表示传感器测量到的液位值；A、B、C是系统的状态矩阵，描述了系统的动态特性。
在设计状态反馈控制器之前，需要先判断系统的可观性和可控性。
可观性是指系统的状态向量能否根据系统的输出完全确定，而可控性是指系统的状态向量能否被控制输入完全控制。
如果系统是可观的且可控的，那么可以使用状态反馈控制方法对其进行控制。
否则，需要进行其他控制设计方法。
在可观可控的前提下，可以使用状态反馈控制方法来设计控制器。
状态反馈控制器的设计目标是使得系统的闭环特性满足设计要求，例如稳定性、收敛性等。
状态反馈控制器的一般形式为：u(t) = Kx(t)K是状态反馈增益矩阵，通过适当的选择可以使得系统的性能指标满足设计要求。
状态反馈控制器的设计过程通常包括以下几个步骤：1. 确定系统的状态矩阵A、输入矩阵B和输出矩阵C。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法1. 引言1.1 引言简介水箱液位控制系统是工业生产过程中常见的一种控制系统，它通过调节进水和出水的流量，来控制水箱内的液位达到设定值。
在传统的PID控制方法中，存在着调节精度低、响应速度慢等问题。
为了提高水箱液位系统的控制性能，本文提出了一种基于状态反馈控制的方法。
状态反馈控制是一种通过测量系统状态变量，计算出控制量来调节系统的控制方法。
通过对水箱液位系统的建模分析，可以得到系统的状态方程和状态空间表达式。
结合状态反馈控制原理，可以设计出一种使系统稳定性和控制性能得到改善的控制方法。
双容水箱液位系统是一种具有两个水箱的液位控制系统，通过调节两个水箱中水的流动来实现液位的控制。
本文将在双容水箱液位系统上应用状态反馈控制方法，分析系统的敏感性、稳定性和控制性能。
通过仿真实验可以验证所提出的双容水箱液位系统的状态反馈控制方法的有效性，比较不同控制方法的控制性能。
最终得出结论总结，展望未来在水箱液位系统控制领域的发展方向。
2. 正文2.1 水箱液位系统概述水箱液位系统是工业控制领域中常见的一种控制对象，用于控制水箱内的液位。
该系统通常由水箱、液位传感器、控制阀等组成。
水箱的液位会随着流入和流出的液体量而变化，因此需要一种有效的控制方法来维持水箱内的液位在一个设定的范围内。
在水箱液位系统中，液位传感器起着关键作用，它能够实时监测水箱内的液位并将数据传输给控制系统。
控制系统根据液位传感器反馈的数据，通过控制阀来调节流入和流出的液体量，从而实现对水箱液位的控制。
水箱液位系统的控制涉及到液位的测量、控制策略的选择、控制参数的调整等多个方面，因此需要综合考虑系统的动态特性、稳定性和鲁棒性等因素。
针对不同的水箱液位系统，可以采用不同的控制方法，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
水箱液位系统是一个典型的反馈控制系统，通过合理设计和控制方法的选择，可以实现对水箱液位的精准控制，确保系统稳定运行。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法双容水箱液位系统是指系统中有两个水箱，通过管道相连，其中一个作为主水箱，另一个作为辅助水箱。
液位系统的控制是指通过控制系统对水箱中的液位进行监测和调节，以确保系统稳定运行。
状态反馈控制方法是指通过对系统状态进行实时监测和反馈，对系统进行控制。
双容水箱液位系统常常用于工业生产中的液位控制，例如用于控制锅炉的水位或者蒸汽发生器的水位。
在这种系统中，液位的精确控制是非常重要的，可以保证系统的安全运行和生产的稳定性。
传统控制方法主要是指经验法则和经验参数的调节，常见的方法包括比例控制、积分控制和微分控制。
其中比例控制通过测量水箱的液位并与给定的水位进行比较，从而调节控制阀的开度，使得水位保持在设定值附近。
而积分控制则通过对比实际液位和设定值的差异进行累积，以消除静差。
微分控制则是通过对实际液位变化速率的测量进行控制，以增强系统的稳定性。
传统控制方法存在的问题是对于非线性系统难以准确控制，容易受到环境干扰和参数变化的影响，因此在实际应用中效果并不理想。
与传统控制方法相比，现代控制方法更加灵活和精确，典型的现代控制方法包括模糊控制、遗传算法控制和神经网络控制等。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过建立模糊规则来实现对系统的非线性控制。
遗传算法控制则是通过模拟生物进化过程中的优化机制，寻找最优的控制参数。
而神经网络控制利用人工神经网络的信息处理和学习能力，实现对系统的精确控制。
在双容水箱液位系统中，采用现代控制方法有以下几个优点：1. 对非线性系统的控制效果更好。
传统的比例积分微分控制方法对于非线性系统难以准确控制，而现代控制方法可以更好地适应系统的非线性特性，提高控制精度。
2. 对环境干扰和参数变化的鲁棒性更强。
现代控制方法可以通过对系统状态的实时监测和反馈，及时调整控制参数，以应对环境干扰和参数变化带来的影响。
3. 可以实现自适应控制。
现代控制方法可以通过对系统状态的实时监测和数据的学习，实现对系统的自适应控制，从而达到更好的控制效果。
双容水箱液位自抗扰控制系统稳定性分析及实验教学设计
(Department of Automation, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)
Abstract: The experiment of active disturbance rejection control (ADRC) system for a two-capacity water tank is designed based on the stability analysis of the system. Firstly, the system is identified through step response method, and the system stability is analyzed by the dual trajectory analysis method on the basis of the amplitude principle. Then, the process flow of double tank liquid level control system is summarized, and ADRC level control scheme is designed, and compared with PID control. Finally, experimental verification and the experimental evaluation are carried out. Through the experiment design of liquid level auto disturbance rejection control and the stability analysis of control system, the students can master the application method of auto disturbance rejection controller, and adjust the controller parameters on the basis of obtaining the system stability threshold. Key words: active disturbance rejection controller; stability analysis; system identification; liquid level control system of double tank
双容水箱液位控制_北京工业大学
《控制系统设计与试验》——课程设计与报告成员：专业：自动化任课教师：于建均完成日期：2015年6月20日目录1、绪论 (3)2、课程设计任务 (4)3、被控对象的模型及分析 (4)4、系统控制方案论证 (6)5、控制结构与控制器设计步骤 (7)6、实验过程论述 (8)7、实验结果及分析 (11)8、总结 (12)9、附录 (13)绪论双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。
通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双容水箱液位控制系统实现控制。
论文以THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验平台为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。
对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。
采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。
一、课程设计任务一、课程设计目的（1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。
（2）掌握基于MATLAB 的系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法（5）培养编制技术总结报告的能力。
2、被控对象:双容水箱系统3、 性能指标要求衰减率4:1～10:1,超调量Mp<10%，调节时间Ts<45s ，稳态误差0 ss e二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图2-3 双容水箱液位控制结构图设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中 K=R 4，T 1=R 2C 1，T 2=R 4C 2，R 2、R 4分别为阀V 3和V 4的液阻，C 1 和C 2分别为左水箱和右水箱的容量系数。
实验三 双容水箱液位定值控制
实验三双容液位定值控制实验原理：本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。
要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。
实验系统控制方框图如下所示：图3－1 双容液位定值控制系统方框图实验内容一：观察系统在PI控制参数下的动态响应曲线1、按要求设定参数，液位给定值SV＝80mm，PI参数为P＝20，I＝60。
2、设置好系统的给定值后，用手动操作AI智能调节仪的输出，通过电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。
其总貌图如下图所示：图3－2 双容液位定值控制系统总貌图上图曲线中所示，恒定不变的曲线线为下水箱液位的设定值，上面一条曲线为下水箱液位的的测量值，下面一条曲线为中水箱液位的测量值。
3、 观察系统在设定的控制参数下的动态响应曲线，如下图所示：图3－3 双容液位定值控制系统动态响应曲线由上图可知，其最大测量值为PV max =119.35mm ，由此可得出其最大超调量δ＝(119.35－80)/80*100％，δ=50％ 。
又由实时数据知：t 1＝09:59:15，t 2＝10:04:43则其上升时间t ＝t 2－t 1=328s 。
由以上可知，该双容控制系统的动态响应不如单容液位定值控制系统的动态响应，并且，在双容定值控制系统中，系统的响应还有一定的滞后，其滞后时间为T=94s 。
分析以上现象可得出以下的结论：本实验中被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。
根据前一实验单容水箱液位定值控制的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G 1(s)G 2(s)=)1s T )(1s T (K 1s T k 1s T k 212211++=+⨯+ (3－1) 式中K ＝k 1k 2，为双容水箱的放大系数，T 1、T 2分别为两个水箱的时间常数。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法双容水箱液位系统是一种常见的液位控制系统，该系统由两个水箱组成，一个接受输入信号控制液位上升，另一个通过输出信号控制液位下降。
为了实现对系统液位的准确控制，需要采用状态反馈控制方法。
状态反馈控制方法是一种通过测量系统状态并根据测量结果进行控制的方法。
在双容水箱液位系统中，系统状态即为水箱的液位。
基本思想是通过测量液位，然后根据测量结果进行控制，使得实际液位能够与期望值保持一致。
需要建立双容水箱液位系统的数学模型。
通常可以利用质量守恒原理来建立系统的动态方程。
由于液位是连续的变量，可以利用容积与液位之间的关系来建立模型。
假设两个水箱的液位分别为h1和h2，输入信号为u，输出信号为y，根据质量守恒原理可以得到如下动态方程：V1 * dh1/dt = Qin - QoutV2 * dh2/dt = Qout - QinV1和V2分别为水箱1和水箱2的容积，Qin和Qout分别为输入流量和输出流量。
根据流量-液位的转化关系，可以得到：将上述方程代入动态方程中，可以得到双容水箱液位系统的数学模型。
然后，需要设计状态反馈控制器。
状态反馈控制器的作用是根据当前的状态值来计算控制输入，使得系统状态能够逐渐趋于期望值。
在这里，期望值即为所需液位。
状态反馈控制器的设计可以利用线性二次调节器（LQR）方法。
LQR方法基于系统的状态空间模型，通过对系统状态变量和控制输入变量进行加权，得到最优控制器。
可以定义一个性能指标，如系统状态与期望值之间的误差平方的积分，然后通过求解Riccati方程得到最优的加权矩阵，从而得到最优控制器。
将设计好的状态反馈控制器与双容水箱液位系统相连。
通过测量实际液位，然后根据测量结果计算控制输入，将控制输入传递给系统，使得实际液位能够逐渐趋于期望值。
双容水箱液位系统的状态反馈控制方法包括建立系统数学模型、设计状态反馈控制器以及将控制器与系统连接起来。
该方法可以实现对液位的准确控制，提高系统的稳定性和运行效果。
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《控制系统设计与试验》——课程设计与报告成员：专业：自动化任课教师：于建均完成日期：2015年6月20日目录1、绪论 (3)2、课程设计任务 (4)3、被控对象的模型及分析 (4)4、系统控制方案论证 (6)5、控制结构与控制器设计步骤 (7)6、实验过程论述 (8)7、实验结果及分析 (11)8、总结 (12)9、附录 (13)绪论双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。
通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双容水箱液位控制系统实现控制。
论文以THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验平台为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。
对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。
采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。
一、课程设计任务一、课程设计目的（1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。
（2）掌握基于MATLAB 的系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法（5）培养编制技术总结报告的能力。
2、被控对象:双容水箱系统3、 性能指标要求衰减率4:1～10:1,超调量Mp<10%，调节时间Ts<45s ，稳态误差0 ss e二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图2-3 双容水箱液位控制结构图设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中 K=R 4，T 1=R 2C 1，T 2=R 4C 2，R 2、R 4分别为阀V 3和V 4的液阻，C 1 和C 2分别为左水箱和右水箱的容量系数。
式中的K 、T 1和T 2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。
具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)；图2-4 阶跃响应曲线2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1；3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。
然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K 、T1和T2。
其中：对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32<t 1/t 2<0.46。
当t 1/t 2=0.32时 ，为一阶环节；当t 1/t 2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T 1=T 2=T=(t 1+t 2)/2*2.18 ）过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A 点，OA 即为滞后时间常数て。
实际测得的阶跃响应曲线2.16t t T T )4)(K 21212+≈+=∞=、阶跃输入量输入稳态值O R h )55.074.1()T (T T T )52122121-≈+t t 、 *)1*)(1*()()()(2112e s S T S T K S G S Q S H τ-++==h 0.4 0.8 2h h h 222、双容水箱系统数学模型的分析双容水箱系统的等效传函是个二阶惯性环节，从图上可以看出水箱系统的滞后包括两个部分，一部分是由于传输延时造成的纯滞后，另一部分是有水箱自身的容量滞后。
由于系统是二阶惯性环节，所以开环曲线呈“s”型。
三、系统控制方案论证1、选用的控制方法：PID控制方法2、控制方法简介PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。
但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。
比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
四、控制结构与控制器设计步骤1、控制结构：PID 控制系统PID 控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：式（4.1） 控制规律为：式（4.2） 或以传递函数形式表示：式（4.3）)()()(t y t r t e -=()()()()01t de t U t Kp e t e i Td Ti dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦⎰)11()()()(Tds Tiskp s E s U s G ++==KP:比例系数TI:积分时间常数TD:微分时间常数。
2、控制器的设计：经验凑试法整定方法：采用实验凑试法：它是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。
整定步骤：实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。
a)整定比例控制：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
b)整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
c）可以先将选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
d）整定微分环节：经过积分整定，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。
可先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID 控制参数。
最终PID结构及参数：五、实验过程论述在课设的开始阶段，我们先熟悉了一下实验所用到的仪器及软件，并对实验过程和目的进行了一番学习及了解。
接下来我们便进入到了对单/双容水箱的特性测试，也就是对变送器的调试，由于主副回路变送器的滑变总是自动跳数，所以导致我们组花了很长的时间去确定零点电压及线性关系。
最后主副回路零点电压基本分别稳定在了1.04v和1.1v。
然后便是对水箱数学模型的建立以及控制结构与控制器的设计与仿真。
（也就是我前面所陈述的传函的测试与建立，以及我们组所选择的串级控制系统和PID 整定方法）此阶段我们组完成的还算比较顺利，虽然不能保证所得传函一定百分百准确，但PID参数的调试及仿真结果还算比较令人满意。
最后便进入到了实时控制阶段。
当我们天真的以为仿真调参过后已经接近成功的时候，实时控制的结果告诉我们，理想和现实果然还有一定的差距。
当我们搭好模型并采用我们仿真所调试的参数进行测试后惊奇并失望的发现，不仅响应曲线不对，连液位都无法稳定。
一阵挫败感过后，实验依然得继续，我们便进入了新一轮的调参活动中，最终我们确定的方案是副回路用比例控制，主回路用比例积分控制。
当我们随意给定系统几个液位值并加入各种形式扰动后，系统依然能恢复稳态，虽然调节时间略长，但其它性能指标要求已基本满足。
至此实验基本告以段落。
实时控制结构图：实验设计中的添加部分：在结构设计中，PID环节后面加了一个1.8V的偏置电压，原因是调节阀在接收到1.8V 电压时才会做出出水的响应，加了1.8v的好处是在后面计算流量与电压中可以直接对输出的水量与电压做一个接近于线性的比例关系，这个关系就是后面接的那个1.17的放大环节，此环节实现了流量与电压的直接对应关系。
最后面我又加了一个-1.15V的直流偏置电压，此环节是为了在水位高度为零的时候，电压输出正好为0V，在原始调节的环节中，我们按照要求，设定的为1V，在后续实验中，由于其他人改变了调节阀的调节电阻，以及其他的干扰因素，都使得0高度水位时输出的电压为1.15V，在这里减去这个电压，是的最终输出高度与电压的比例关系，正好为1:10，方便观察及计算。
另外，在计算PID环节，其中积分环节，我加入了一个+-0.5V的限位，这使得积分环节被限制在了一个小的范围内，使得在PID响应过程更加迅速准确，相当于把原有积分环节修改成了在某一区间内的积分环节，这一点对系统性能有较大的提高。
1 系统阶跃响应【PID环节加入限位的前后对比】加入前:Ts明显超过150s，加入后可见Ts为130s左右，满足实验要求技术指标：Mp=9%<10% Ts=130s Ess=02 给定10cm330s突加给定7cm可见不仅超调很小而且高度改正迅速，并能实现无差技术指标：Mp= 5% Ts=140s加扰动后：Mp= 7.3% Ts=140s3、给定10cm 180s时突然加大阀门调价干扰，33s突然加大放水阀门，400s时给定为9cm300s有一个小的拐点，原因是阀门开度实在太大，使得水位回升太慢，因此稍微调小一点点放水的阀门，因此出现了一个小拐点，对于实验来说没有影响。
可以看出，超调进不超过10%，并且加干扰后系统响应迅速无静差。
3、加水干扰测试120s突然加大放水阀门，320s突然向水箱中加入300ml水原有系统超调不超过8%，在突然放水时相应迅速，快速实现无差，在后面突然加水环节，更是响应十分迅速，超调接近9%，并能够快速实现无差。
六、实验结果及分析实验结果：从图中可以看出，在我们随意给定7cm和9cm以及加入适当扰动后，系统依然能恢复稳定并保证无静差且响应曲线较好，但由于更正系统参数后时间紧迫使得在选择PID参数时不够精确，导致调节时间虽然满足要求，但是调节时间较长。
分析：纵观我们组整个实验过程以及最后响应曲线的呈现，我总结出以下几个问题：（1）仿真的阶跃响应曲线与实际曲线之间存在一定的差别。