双容水箱液位控制系统仿真
双容水箱液位定值控制系统实验
双容水箱液位定值控制系统实验双容水箱液位定值控制系统一、实验目的1( 通过实验，进一步了解双容对象的特性。
2( 掌握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。
二、实验设备1( THJ-2型高级过程控制系统装置。
2( 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3( 万用表一只三、实验原理本实验系统以中水箱与下水箱为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被图6-1 双容液位定值控制系统结构图控制量。
基于系统的给定量是一定值，要求被控制量在稳态时等于给定量所要求的值，所以调节器的控制规律为PI或PID。
本系统的执行元件既可采用电动调节阀，也可用变频调速磁力泵。
如果采用电动调节阀作执行元件，则变频调速磁图6-2 双容液位定值控制系统方框图力泵支路中的手控阀F2-4或F2-5打开时可分别作为中水箱或下水箱的扰动。
图6-1为实验系统的结构图，图6-2为控制系统的方框图。
四、实验内容与步骤1( 图6-1所示，完成实验系统的接线。
2( 接通总电源和相关仪表的电源。
3( 打开阀F1-1、 F1-2、F1-7、F1-10和F1-11，且使F1-10的开度大于F1-11的开度。
4( 用实验四(上册)中所述的临界比例度法或4:1衰减振荡法整定调节器的相关参数。
5( 设置系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，控制电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。
6( 启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验:1)当系统稳定运行后，突加阶跃(给定量增加5%,15%)，观察并记录系统的输出响应曲线。
2)待系统进入稳态后，启运变频器调速的磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度(加扰动)，观察并记录被控制量液位的变化过程。
7.通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。
基于DCS的双容水箱液位控制系统仿真
第37卷第12期计算机仿真2020年12月文章编号：1006-9348 (2020) 12 -0219 -05基于DCS的双容水箱液位控制系统仿真孙悦，恒庆海(北京信息科技大学自动化学院，北京100192)摘要:液位控制是科研工作者研究控制理论的一种科研平台。
上述系统具有观察方便、测量灵活、直观等诸多优点，能够实 现各种控制方法的研究。
现以浙大中控CS4000过程控制装置中的双容水箱液位作为被控对象，利用实验测定法建立双容 水箱液位控制系统模型，分别设计了三种控制器:PID控制器、模糊控制器和模糊控制与PID结合控制器。
在MATLAB中对 以上三种控制方法进行SIMULINK仿真,对结果做分析与比较。
最后借助于集散控制系统平台实现对所建立的双容水箱液 位系统进行组态与调试。
结果证实，模糊控制与PID结合方法和模糊控制效果均优于传统PID控制。
关键词:双容水箱液位;模糊控制;集散控制系统中图分类号:TP273 文献标识码：BSimulation of Double - tank Water Level ControlSystem Based on D C SSUN Yue,HENG Q ing-hai(School of Automation,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192, China)A B S T R A C T：Liquid level control i s a scientific research platform for researchers to study control theory.To achievea variety of control methods of research,this system has many advantages,such as convenient observation,flexiblemeasurement,intuitive,etc..CS4000 process control device in double- tank water level was as the controlled object in t h i s paper.The double- tank water level control system model was established by using the experimental method.Three controllers were designed,that is,PID controller,fuzzy controller and fuzzy control and PID combined controller.The S I M U L I N K simulation of the above three control methods was carried out based on M A T L A B,and the results were analyzed and compared.Finally,the configuration and debugging of the double- tank water level system established in this paper was realized by means of the distributed control system platform.The results confirm that the fuzzy control and PID combination method and fuzzy control effect are better than the traditional PID control.K E Y W O R D S：Double-tank water level；Fuzzy control；D C Si引言液位控制系统是将液位当作被控对象参数的控制系统[1],是比较经典的一种模型。
双容水箱实验报告
一、实验目的1. 了解双容水箱液位控制系统的基本原理和组成。
2. 掌握双容水箱液位控制系统的建模、仿真和实验方法。
3. 学习PID控制算法在双容水箱液位控制系统中的应用。
4. 分析不同控制策略对系统性能的影响，优化控制参数。
二、实验设备1. 双容水箱系统：包括两个水箱、阀门、传感器、执行器等。
2. 控制器：采用PID控制器进行液位控制。
3. 电脑：用于数据采集、仿真和参数调整。
4. MATLAB软件：用于系统建模、仿真和数据分析。
三、实验原理双容水箱液位控制系统主要由水箱、传感器、执行器和控制器组成。
系统的工作原理如下：1. 传感器检测水箱液位，并将液位信号传输给控制器。
2. 控制器根据预设的液位设定值和当前液位值，计算出控制信号。
3. 执行器根据控制信号调整阀门开度，控制进水流量和出水流量。
4. 通过调节进水流量和出水流量，使水箱液位保持在设定值附近。
四、实验步骤1. 系统建模：根据实验设备，建立双容水箱液位控制系统的数学模型。
模型包括水箱的液位方程、进水流量方程和出水流量方程。
2. 系统仿真：在MATLAB中，根据建立的数学模型进行系统仿真。
仿真过程中，调整PID控制器的参数，观察不同参数对系统性能的影响。
3. 实验验证：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。
通过改变液位设定值，观察系统响应和稳定性。
4. 参数优化：根据实验结果，调整PID控制器的参数，使系统性能达到最优。
五、实验结果与分析1. 系统仿真结果：在MATLAB中，通过仿真实验，观察到不同PID控制器参数对系统性能的影响。
结果表明，参数的合理选择对系统性能有显著影响。
2. 实验验证结果：将PID控制器连接到实际双容水箱系统，进行实验验证。
实验结果显示，系统响应速度快，稳定性好，能够有效控制水箱液位。
3. 参数优化结果：根据实验结果，对PID控制器的参数进行优化。
优化后的参数能够使系统在较短时间内达到稳定状态，并保持较高的响应速度。
双容水箱建模与水位控制系统仿真
双容水箱建模与水位控制系统仿真摘要：利用实验室双容水箱实验设备建立数学模型，基于MATLAB与Simulink，利用自动控制原理与现代控制理论研究控制水位的控制器。
双容水箱上水箱水位与下水箱水位为变量，系统具有典型的非线性、滞后性，先基于实验室设备对双容水箱建建模，后利用MATLAB与Simulink设计液位控制器，实现串级控制并验证控制器有效性。
关键词：双容水箱，建模，MATLAB工业自动化生产和现代化的生活中常常会遇到液位的控制问题，如饮料加工、生活用水、城市污水净化等，常使用蓄液罐(池) [1]，且需要蓄液罐(池)液位维持在一定范围内。
本研究先利用实验室的双容水箱设备进行实验，根据实验测量液位、流量等参数，近似拟合出线性模型，基于MATLAB与Simulink设计液位控制器，对于仿真结果和实验结果进行分析，通过研究掌握观察对象的数学模型建立方法与控制器设计与调试的方法。
1.实验设备本实验使用双容水箱系统由两个单独的具有自平衡能力的水箱串联，还有蓄水池、压力泵、电动调节阀、多个手动调节阀等组成，可通过手动调节阀单独供水给上水箱或下水箱。
进口处的水流由电动调节器的开度决定，原理如图1所示。
蓄水池的水经过泵的加压，流经阀门1，进入水槽。
再流经阀门2，进入水槽，最后经阀门3流出。
阀门都是线性阀门，其中是代表不同的液阻，是上水箱和下水箱的容量，分别的上水箱、下水箱的液位高度，分别是上水箱的进水量，上水箱的出水量、下水箱的进水量，下水箱的出水量。
图1 双容水箱示意图2.实验原理与测量2.1实验原理上水箱和下水箱串联工作的双容过程系统，我们的被控量是下水箱的液位, 输入量上水箱的进水量。
双容水箱的数学模型一般为：其中为上水箱的时间常数,且；为第下水箱的时间常数,且；是过程的放大系数,；分别为两只水箱的容量系数[2]。
2.2实际测量阶跃响应曲线法测定属于实验法建模。
实验测试时将调节阀的开度作阶跃变化[3]。
双容水槽液位监控系统仿真设计
目录第1章界面设计 (1)1.1 设计背景及目标 (1)1.2 采用的控件 (1)第2章程序代码 (4)第3章运行效果 (5)第4章结论与体会 (6)参考文献 (7)第1章页面设计1.1设计背景及目标背景以双容水槽液位监控系统仿真设计为课题，在Delphi下开发创建，首先实双容水槽界面的设计；并确保液位在一定范围内波动，在液位高于或者低于设定值时，报警鸣叫，达到实时监控双容水槽液位的目的。
目标：（1）界面设计，若是动态画面要求能看出液位的波动；（2）当前液位实时显示；（3）液位上下波动范围最大为50~100m；（4）液位低于55m或高于95m时报警鸣叫。
1.2采用的控件在窗体中，添加additional选项卡中的控件image，如图1-1，1-2所示。
属性见表1-1.图1-1窗体添加控件图1-2添加Image1表1-1控件属性在窗体中，添加standand选项卡中的控件Label，如图1-3，1-4所示。
属性见表1-2。
图1-3窗体添加控件图1-4添加Label组件表1-2控件属性在窗体中，添加system选项卡中的控件Timer和MediaPlayer，如图1-5，1-6所示，属性见表1-3。
图1-5窗体添加控件图1-6添加的MediaPlayer控件表1-3控件属性在窗体中，添加Win32选项卡中的控件ProgressBar1，如图1-7所示。
属性见表1-1。
图1-7窗体添加控件表1-4控件属性第2章程序代码编写计时器timer1事件过程，代码如下：procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);beginprogressbar1.Position:=random(50)+50;Label2.caption:=inttostr(progressbar1.Position);if (progressbar1.Position>95) or(progressbar1.Position<55)thenMediaPlayer1.Play;end;实现功能：使进度条progressbar1的进度百分比（模拟液位高度）在50~100之间随机产生，并使Label2上同步显示progressbar1的进度，当随机数值大于95或小于55时播放媒体文件（报警声）。
双容水箱液位控制系统设计与实现34页PPT
采用控制变量法，在测定某一列两个元素过程中，相应水箱入水流 量阶跃变化而另一个水箱的入水流量保持不变，从而得到液位变化曲 线
W 11 ( s )与W21 (s)的辨识
利用控制变量法，首先辨识矩阵中第一列的两个元素，即：在保证 水泵输入电压PWM占空比不变情况下，改变电磁阀开度得到液位变 化曲线.
‒MATLAB/Simulink
利用MATLAB/Simulink编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制
2.被控对象与控制器设计模型 2.1 控制系统与被控对象组成
2.2 被控对象模型
被控对象组成
被控对象模型是从水泵PWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液 位的过程，包括三部分：
1. 水泵PWM占空比 u 2 到总流量 Q in 2.电磁阀开度 u 1 到一号水箱入水流量 Q in 1 3.各流量到双容水箱液位 y 1 和 y 2
软件平台
‒EasyControl 控制软件平台
特点： 1. 用于开放式结构的快速控制原型开发、 硬件样机在线测试，有效地缩短开发周 期，保证系统柔性； 2. 由于可以采用实时在线测试，应用于 难以建立精确数学模型的系统，可以降 低建模和控制器设计的难度； 3. 与MATLAB系统的无缝集成，便于 开发者使用MATLAB中的各种先进算法； 4. 该软件通过与TCP/IP网络的集成性， 可应用于网络控制，远程设置控制方案， 便于调试和升级。
Qin1
2号流量计
u1
比例阀门
Qin2
2号进水阀
A1
1号水箱
H1
1号泄水阀
Qout1
Q0
双容水箱PID液位控制系统的仿真
双容水箱PID液位控制系统的仿真概述本文档介绍了双容水箱PID液位控制系统的仿真。
双容水箱PID液位控制系统是一种常见的工控系统，它能够自动控制水箱液位，保持水箱水位稳定。
通过仿真，可以帮助了解这种控制系统的原理、工作流程以及控制效果的评估。
功能•自动控制水箱液位，维持液位稳定•实时监测水箱液位•能够进行PID控制，控制精度高环境•软件平台：MATLAB/Simulink•环境要求：–MATLAB2018a及以上版本–Simulink库中带有相关的工控控制、信号处理和仿真工具箱设计步骤1.建立模型双容水箱PID液位控制系统的基本模型包括水箱、液位传感器、执行器和控制器。
我们需要在Simulink中建立这个模型。
模型中主要包含以下子系统：•水箱：在模型中建立一个水箱模块，用于模拟水箱的液位变化。
•液位传感器：创建一个液位传感器模块，通过采集水箱液位数据，将数据通过信号传输到系统的控制器。
•执行器：建立一个执行器模块，用于控制液位泵的启动和关闭。
•PID控制器：创建一个PID控制器模块，用于根据传感器采集的数据，计算出液位偏差，并根据偏差调节液位泵的运行状态。
2.建立信号连接连接各个模块之间的信号可以让模型正常运行，实现自动控制水箱液位的目的。
在模型中，应确保信号连接正确、完整，否则控制效果将大为降低。
3.设置参数在建立信号连接后，需要对各个模块的参数进行设置，确保模型的控制效果满足要求。
例如，PID控制器的比例、积分、微分系数等参数需要调整到合适的值，才能更好的实现水箱液位的控制。
4.进行仿真设置好模型参数后，可以进行仿真。
仿真可以模拟系统的实际运行情况，帮助了解控制器的控制效果，评估系统的性能。
在本文档中，我们介绍了双容水箱PID液位控制系统的仿真。
通过建立模型、建立信号连接、设置参数和进行仿真等步骤，可以更好地了解这种控制系统的原理，并对其控制效果进行评估。
本文档旨在提供帮助，方便工程师和研究者深入了解水箱液位控制系统的设计、实现及其相关技术。
双容水箱串级PID控制实验液位
双容水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、进一步熟悉PID调节规律2、学习串级PID控制系统的组成和原理3、学习串级PID控制系统投运和参数整定二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）三、实验原理1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。
本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量：y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的副变量：y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量副对象：上水箱主对象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有：1）副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
基于fuzzy_pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书
基于fuzzy-pid控制器的双容水箱液位控制系统仿真设计说明书第一章前言1.1 设计背景双容水箱为工业过程控制中常见的液位控制对象,它通过调节调节阀的开度,使上下水箱的输入、输出水流量相等,以便液位保持不变。
在水箱系统中,上、下位水箱的水量变化存在延时,而外界的干扰又会导致增益、延时的变化。
针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点,为适应复杂系统的控制要求,人们研制了种类繁多的先进的智能控制器,模糊PID控制器便是其中之一,模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点,可以在线实现PID参数的调整,使控制系统的响应速度快,过渡过程时间大大缩短,超调量减少,振荡次数少,具有较强的鲁棒性和稳定性,在模糊控制中扮演着十分重要的角色1.2 设计意义PID控制是生产过程中最普遍使用的控制方法,在冶金、机械、化工等行业获得广泛应用。
随着工业生产和现代化科学技术的迅速发展,各个领域对自动控制系统控制性能的要求越来越高。
实际的工业生产过程中往往具有非线性、时变性等不确定的干扰,常规PID控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳且适应性较差等缺点。
模糊控制可以把人类语言表述的控制策略,通过模糊集合和模糊逻辑推理转化成数字或数字函数,再用计算机去实现既定的控制。
常规的模糊控制缺少积分环节,加之模糊控制器特有的量化过程,模糊控制是存在静态误差的,而通过给模糊控制器并联积分器成功地消除了静态误差。
智能控制与常规PID控制相结合,形成了智能PID控制,这种新型控制器已引起人们的普遍关注和极大兴趣,并已得到较为广泛的应用。
模糊PID控制可以根据系统的运行状态在线整定PID 控制器参数,使系统的运行性能有很大的提升。
本设计建立了串联双容水箱液位控制系统的数学模型,应用Matlab 软件对PID 算法、模糊PID 算法进行了仿真。
第二章 被控对象的分析与建模该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱,示意图如下图2.1：其中12A A的阻力,称为液阻或流阻,1有： 拉式变换得：对水箱2：拉式变换得：其中211R A T =,K 为双容对其中0τ为延迟时间常数。
双容水箱液位PID控制算法的仿真研究
双容水箱液位PID控制算法的仿真研究城市学院本科毕业设计论文题目双容水箱液位PID控制算法的仿真研究系别电气与信息工程系专业自动化班级自动化701 学号 07010157学生姓名白晨磊指导教师郭霞2011年6月摘要随着时代的发展，双容水箱控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛,双容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究.同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。
双容水箱控制系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校.本文通过实验法建立双容水箱的一般数学模型,通过分析被控对象的特性,学习和了解PID 算法及串级控制的工作原理,然后设计了PID 控制器，在 Matlab/Simulink 环境下建立双容水箱控制的仿真模型，对 PID控制算法进行仿真研究，通过仿真实验，证明该设计方法可行性，证明该算法是正确的和有效的。
在本次实验我学到很多相关的专业知识内容，并通过实验仿真，准确控制了双容水箱的液位，达到实验目的.关键词：双容水箱, 实验法建模， PID 控制ABSTRACTWith the development, dual tank water control system in the application of domestic industries has been very extensive， two-tank control of more complex as the basis for nonlinear systems, but also has a strong theoretical, are Applied basic research。
At the same time, it has a strong comprehensive， involving control theory， intelligent control, fluid mechanics and other disciplines. Dual tank control system is one of the famous intelligence test equipment, in many foreign universities and laboratories have been widely used, also including China, Tsinghua University, Zhejiang University， Jilin University and other universities。
毕业设计双容水箱系统的建模、仿真与控制
自动控制毕业设计双容水箱系统的建模、仿真与控制2015年 7月23日摘要自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》的配套实践环节，对于深入理解经典控制理论和现代控制理论中的概念、原理和方法具有重要意义。
本次课程设计以过程控制实验室双容水箱系统作为研究对象，开展了机理建模、实验建模、系统模拟、控制系统分析与综合、控制系统仿真等多方面的工作。
课程设计过程中，首先进行了任务I即经典控制部分的工作，主要从系统模型辨识、采集卡采集、PID算法的控制、串联校正进行性能指标的优化、滞后控制等方面进行了设计。
然后，又进行了任务II即现代控制部分的工作，主要从系统模型的串并联实现、能控能观标准型实现、状态反馈设计、状态观测器设计、降维观测器设计等方面进行了深入的研究。
最后选做部分单级倒立摆的内容，并对整个课程设计做了总结。
关键词：自动控制；课程设计；PID控制；根轨迹；极点配置；MATLAB；数据采集；经典控制；现代控制。
目录第1章引言 (1)1.1 课程设计的意义与目的 (1)1.2 课程设计的主要内容 (1)1.3 课程设计的团队分工说明 (2)第2章双容水箱系统的建模与模拟 (3)2.1 二阶水箱介绍 (3)2.2 二阶水箱液位对象机理模型的建立 (3)2.3 通过实验方法辨识系统的数学模型的建立 (7)2.3.1 用试验建模（黑箱）方法辨识被控对象数学模型 (7)2.3.2 通过仿真分析模型辨识的效果 (8)2.4 物理系统模拟 (9)第3章双容水箱控制系统的构建与测试 (11)3.1 数据采集卡与数据通讯 (11)3.2 构建系统并进行开环对象测试 (12)第4章双容水箱的控制与仿真分析——经典控制部分 (14)4.1采用纯比例控制 (14)4.2采用比例积分控制 (17)4.3采用PID控制 (21)4.4串联校正环节 (24)4.5采样周期影响及滞后系统控制性能分析 (28)第5章双容水箱的控制与仿真分析——现代控制部分 (31)5.1状态空间模型的建立 (31)5.2状态空间模型的分析 (33)5.3状态反馈控制器的设计 (34)5.4状态观测器的设计 (37)5.5基于状态观测的反馈控制器设计 (43)第6章基于状态空间模型单级倒立摆控制系统设计 (48)6.1 单级倒立摆系统介绍 (48)6.2 状态空间模型的建立 (49)6.3 能控能观性、稳定性的分析 (52)第7章总结 (53)7.1 课程设计过程的任务总结与经验收获 (53)7.2 课程设计中的不足和问题分析 (53)7.3 对课程设计的建议 (53)参考文献 (54)附录 (55)附录A：组员个人总结（一） (55)附录B：组员个人总结（二） (57)第1章引言1.1 课程设计的意义与目的自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》的配套实践环节，对于深入理解经典控制理论和现代控制理论中的概念、原理和方法具有重要意义。
双容水箱液位控制的仿真研究-李秀丽
fuzzy control
摘要....................................................................................................................................
3.2模糊控制算法........................................................................................................24
3.3模糊PID控制介绍....................................................................................................34
附录1外文资料及翻译.................................................................................................54
A1.1译文：基于MATLAB / RTW液位控制系统模糊控制器的设计..............................54
This paper mainly introduces the traditional PID control and fuzzy PID control in the application of double capacity level ing Simulink toolbox in MATLAB software to control object for fitment and anti-jamming dynamic characteristics research. The comparative simulation results show that the fuzzy PID control algorithm is better than traditional PID control algorithm of the control effect, have stronger robustness.
双容水箱PID液位控制系统的仿真
双容水箱液位PID控制算法的仿真研究摘要由于单回路控制系统已不能克服液位控制中的一些问题，如：大时延、非线性、容量滞后等。
因此本设计针对这些问题设计串级控制，对单回路控制系统无法控制的问题进行解决，同时比较单回路控制系统和串级控制系统的不同之处。
本次毕业设计的课题是多容水箱的PID液位控制系统的仿真。
在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。
本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了串级控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。
用MATLAB/Simulink建立液位串级控制系统，调节器采用PID控制系统。
通过仿真比较了单回路液位控制系统和串级控制系统控制的不同之处，以及参数的整定及各个参数的控制性能的比较，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。
关键词：MATLAB；PID控制；串级控制；液位系统仿真More let water tank PID level control systemsimulationAbstractBecause single loop control system has not overcome some of the liquid level control issues, such as: big time delay, non-linear process, capacity lag and so on. So this design is proposed to solve these problems, the cascade control for single loop control system can't control problems were solved, meanwhile compared single loop control system and cascade control system differences.The graduation design topic is based on the MATLAB PID level control system simulation. In the design, I mainly responsible is double let water tank simulation. The main content of this article include: software MATLAB, the introduction and application of the simulation of use in Simulink problems that should be paid attention to. Grasp the basic ideas of PID control to be familiar with PID algorithm, PID parameters setting method. Water tank with the experimental curves to determine the characteristics, through the test method analysis level control system was established mathematical model, the water tank designed cascade control system for the selected level control; choose the appropriate control system PID algorithm. MATLAB/Simulink establishes level cascade control system, the regulator using fuzzy PID control system. Through the comparative simulation single loop level control system and a cascade control system control differences, and parameter setting and various parameters control performance comparison, application gets PID control algorithm is analyzed for simulation curve, summarizes the parameters on the system performance impact.Keywords: MATLAB；PID control; Cascade control; Level system simulation目录1 绪论 (1)1.1问题的提出及研究意义 (1)1.1.1 水箱控制系统研究的意义 (1)1.2PID控制算法的研究现状 (2)1.3PID控制的应用与发展 (2)1.4本次设计的主要工作 (3)2 MATLAB仿真概述 (4)2.1过程控制系统的MATLAB计算与仿真 (4)2.1.1 控制系统计算机仿真 (4)2.2控制系统的MATLAB计算与仿真 (4)3 PID控制简介及其整定方法 (7)3.1PID控制简介 (7)3.1.1 PID控制原理 (7)3.2PID控制算法 (8)3.2.1 位置型算法 (9)3.2.2 增量型算法 (9)3.3PID调节的各个环节及其调节过程 (10)3.3.1 比例控制与其调节过程 (10)3.3.2 比例积分调节 (11)3.3.3 比例积分微分调节 (12)3.4串级控制 (12)3.5串级控制系统的设计 (14)3.5.1 主回路的设计 (14)3.5.2 副回路的设计 (14)3.5.3 主、副回路的匹配 (15)3.6串级控制系统的工业应用 (16)3.6.1 用于克服被控过程较大的容量滞后 (16)3.7PID控制的特点 (16)3.8PID参数整定方法 (16)3.8.1 传统整定方法 (17)4 双容液位控制系统的建模 (19)4.1过程建模的方法 (19)4.1.1 机理法 (19)4.1.2 测试法 (19)4.1.3 阶跃响应法 (20)4.2分析多容过程的数学建模 (21)4.2.1 一阶单容上水箱特性 (21)4.2.2 二阶双容下水箱对象特性 (23)5 双容液位控制系统的仿真 (25)5.1被控对象的仿真模型 (25)5.2单回路控制系统的仿真 (25)5.3串级控制系统的仿真 (30)5.3.1 当副环采用PID调节时 (32)结论 (37)致谢 (38)参考文献 (39)1 绪论1. 1 问题的提出及研究意义大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产的基本要求。
基于力控和Matlab的双容、多容水箱控制系统仿真课程设计1
课程设计报告基于力控和Matlab双容、多容水箱控制系统仿真目录1.设计题目 (3)2.设计任务 (3)3.设计要求 (3)4.设计任务分析 (3)5.设计内容 (4)5.1双容、多容水箱系统的数学建模 (4)5.1.1双容、多容水箱系统机理模型 (4)5.1.2双容、多容水箱系统模型的参数辨识 (5)5.2双容、多容水箱系统数学建模的仿真 (7)5.2.1控制系统仿真环境 (7)5.3双容、多容水箱系统数学建模的参数整定 (11)5.3.1PID控制算法的参数整定 (11)5.4双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析 (14)5.5运用力控组态软件对系统进行设计分析 (17)5.5.1I/O点收集及表单 (17)5.5.2创建实时数据库 (18)5.5.3制作双容液液位控制系统主画面 (19)5.5.4力控控制策略的运用 (21)6实习心得 (22)参考文献 (23)1.设计题目双容水箱液位前馈反馈控制系统设计。
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。
试设计前馈反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。
图1双容水箱液位控制系统示意图3.设计要求1)上下水箱高都约为16m，具体几何尺寸不详，需仿真实验建模；2)进水量最大为16平方米/小时，调节阀前后压差最大为3.2Mpa；3)进水量的扰动为主要扰动。
4.设计任务分析1）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前馈反馈控制方案，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。
双容水箱液位PID控制matlab实验报告
Simulink 仿真如下：
7 时， S1 50.401, S2 0.094
8 时， S1 66.136, S2 0.536
9 时， S1 83.969, S2 0.978
10 时， S1 103.9, S2 1.42
11 时， S1 125.929, S2 1.862
1 1 1 1 (1 Td s) 1 ，此时，PD 调节 n n 1 (1 T0 s) (1 T0 s)
器的零点正好抵消了调节对象的一个重极点，使系统阶次降低一阶， 系统的性能最好。 比例微分调节器调节结束后被调量存在偏差，增加微分作用后， 可起到超前调节的作用，可以减少调节过程中被调量的动态偏差，减 少调节过程的振荡倾向。
可见， 越小，偏差越小，系统振荡比较剧烈； 越大，偏差越 大，系统比较平稳
2.PI 调节
Wa ( s) S1
令 s m j
S0 s
Wa (m, ) S1
S0 m j S0 m [ S1 S ] j (m2 1) 0 (m2 1)
单位阶跃响应为
实际效果还可以，但是没有找到最优解不知道是哪里出了问题。
加入干扰，Simulink 仿真如下：
单位阶跃响应为
系统趋于稳定，但是有一定的波动，范围很小。 实际上，PID 兼顾了以上三种调节器的优点，既能靠积分作用消 除被调量的静态误差，又能靠微分环节改善动态过程的品质。调节的
12 时， S1 150.056, S2 2.304
13 时， S1 176.281, S2 2.746
由于微分环节反应灵敏，微分环节的比重加大会使系统不易平 衡，可以看出来， 13 时，系统在稳定值附近的摆动会越来越明 显，相比较而言， 12 时， S1 150.056, S2 2.304 时系统的性能最 佳。 查阅资料知道，当微分时间近似等于时间常数时，从闭环特征方 程可以看出 WK 1
双容液位控制系统 建模及仿真
控制系统仿真实验报告双容液位控制系统2012/6/21目录一、实验目的和要求二、实验内容和原理三、主要仪器设备四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录、处理以及结果分析1.液位控制系统的建模——机理法 (4)2.液位控制系统的建模——测试法 (5)2.1.对数据需要进行预处 (5)2.1.1.数据平滑 (5)2.1.2.数据去趋势 (6)2.1.3.数据滤波 (7)2.1.4.数据重采样 (7)2.2.经典时域辨识法——从阶跃响应求取传递函数模型 (7)2.2.1.AD——二阶对象传递函数 (8)2.2.2.AD2——一阶对象传递函数 (11)2.3.频域辨识法——从随机输入信号获得脉冲响应序列并转化为传递函数 (12)2.3.1.伪随机信号 (12)2.3.2.自相关函数（2个周期） (14)2.3.3.互相关函数 (14)2.3.4.脉冲响应序列 (16)2.3.5.Levy拟合 (18)2.3.6.Matlab辨识工具箱 (20)2.4.采用仿真的方法对模型进行验证 (22)2.4.1.时域辨识模型 (22)2.4.2.频域辨识模型 (23)2.4.3.工具箱辨识模型 (24)3.基于所建立的模型进行控制器设计 (24)3.1.串联校正环节 (24)3.1.1.系统频率特性计算 (26)3.1.2.串联校正装置传递函数的计算 (27)3.2.PID控制器 (37)3.2.1.PID参数整定 (37)3.2.2.连续系统PID控制器 (37)3.2.3.离散系统PID控制器 (48)3.2.4.PID控制器的鲁棒性 (52)3.3.用状态空间方法进行控制器设计 (57)3.3.1.状态空间 (57)3.3.2.极点配置方法 (58)3.3.3.LQG方法 (63)六、讨论、心得实验报告课程名称： 控制系统仿真实验 指导老师： 成绩：__________________实验名称： 实际对象的建模与仿真 实验类型： 同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、 实验目的和要求1、 掌握根据输入输出数据建立对象模型的方法2、 掌握根据模型进行控制器设计的方法二、 实验内容和原理【实验内容】1、 根据输入输出数据建立对象的模型1) 对数据需要进行预处理，可以包括滤波、去稳态、去均值、去趋势（detrend,dtrend ）、重采样（resample, idresamp ）等；2) 从阶跃响应或方波响应求取传递函数模型；3) 从随机输入信号获得脉冲响应序列并转化为传递函数（注意需要辨识脉冲响应序列的个数覆盖过渡过程时间即可），与阶跃响应得到的模型进行对比；4) 采用仿真的方法对模型进行验证；（模型得到的输出与实际输出之间的对比）5) 如果数据足够多，可以采用不同的数据段分别建立模型进行验证。
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双容水箱液位控制系统仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计说明书题目：双容水箱液位控制系统仿真学生姓名：任志江学号：1067112104专业：测控技术与仪器班级：测控 10-1班指导教师：梁丽课程名称控制系统仿真 设计题目双容水箱液位控制系统仿真 指导教师 梁丽 时间 2012.10.29~2012.11.02一、教学要求1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；2、学会使用Matlab/Simulink 建模和仿真的方法；3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。
二、设计资料及参数1、双容水箱逻辑结构上图所示。
水流入量Qi 由调节阀u （FV101）控制，流出量Qo 则由用户通过负载阀R 来改变，被调量为下水箱水位h ，分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。
2、对某种型号的水箱，在某一平衡点附近，建立其线性化模型，其中各参数分别为：T1=80s ，T2=80s ，K1=KuR1=1，K2=R2/R1=1，s s 22,81==ττ 。
三、设计要求及成果1、分析系统，根据物料平衡原理（即液位平衡状态下，流出量必然等于流入量）和给出的参数推导系统的数学模型；2、将数学模型转变为仿真模型，并用Matlab/Simulink 实现求其动态响应；3、设计合理的控制器（控制算法）控制下水箱液位，使其尽量满足稳、准、快的要求；4、针对大滞后系统，可以用Simulink 搭建带有Smith 预估器的PID 控制器，将该模块嵌入到控制系统中直接控制。
并与第三步设计的控制器的控制效果进行比较；定值 Q i LT 104 记Q o h双容水箱结构图FV1015、完成5000字左右的课程设计报告（包括设计原理、设计过程及结果分析几部分），要求给出设计的模型图和仿真曲线图。
四、进度安排1、根据给定的参数或工程具体要求，收集和查阅资料（一天）2、Matlab/Simulink建模（一天）3、控制系统设计与优化（两天）4、编写课程设计说明书（一天）五、评分标准1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可行和优化(40%)；4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。
分为优、良、中、合格、不合格五个等级。
六、建议参考资料1、李国勇，控制系统数字仿真与CAD[M]，北京：电子工业出版社，2003，92、王丹力，MATLAB控制系统设计仿真应用[M]，北京：中国电力出版社，2007，92、薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计[M]，北京：机械工业出版社，2005，13、金以慧，过程控制[M]，北京：清华大学出版社，2003，6摘要随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来高。
每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。
然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。
这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。
本设计设计的课题是双容水箱的PID液位控制系统的仿真。
在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。
本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。
用MATLAB/Simulink建立液位控制系统，调节器采用PID控制系统。
通过仿真参数整定及各个参数的控制性能，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。
关键词：MATLAB；PID控制；液位系统仿真目录第一章控制系统仿真概述 (2)1.1 控制系统计算机仿真 (2)1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 (2)第二章 PID控制简介及其整定方法 (6)2.1 PID控制简介 (6)2.1.1 PID控制原理 (6)2.1.2 PID控制算法 (7)2.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 (8)2.2.1 比例控制与其调节过程 (8)2.2.2 比例积分调节 (9)2.2.3 比例积分微分调节 (10)2.3 PID控制的特点 (10)2.4 PID参数整定方法 (11)第三章双容水箱液位控制系统设计 (13)3.1双容水箱结构 (13)3.2系统分析 (13)3.3双容水箱液位控制系统设计 (16)3.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 (16)3.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 (17)第四章课程设计总结 (18)第一章控制系统仿真概述1.1 控制系统计算机仿真控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，它的产生及发展差不多是与计算机的发明和发展同步进行的。
控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用教学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究的一种方法。
控制系统计算机仿真的过程包含如下步骤：（1）建立控制系统的数学模型系统的数学模型是指描述系统的输入、输出变量以及内部变量之间关系的数学表达式。
系统数学模型的建立可采用解析法和试验法，常见的数学模型有微分方程、传递函数、结构图、状态空间表达式。
（2）建立控制系统的仿真模型根据控制系统的数学模型转换成能够对系统进行仿真的模型。
（3）编制控制系统的仿真软件采用各种各样的计算机语言(Basic、FORTRAN、C语言等)编制控制系统的仿真程序，或直接利用一些仿真语言。
（4）进行系统仿真试验并输出仿真结果通过对仿真模型对实验参数的修改，进行系统仿真实验，输出仿真结果。
如果应用MATLB的Toolbox及Simulink集成环境作为仿真工具，则构成了MATLAB仿真。
1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真MATLAB是矩阵实验室(Matrix laboratory)之意。
MATLAB其有以下主要特点：（1）功能强大，实用范围广MATLAB除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算。
差不多所有科学研究与工程技术应用所需要的计算，PID均可完成。
（2）语言简洁紧凑，使用方便灵活MATLAB提供的库函数及其丰富，既有常用的基本库函数，又有种类齐全、功能丰富多样的专用库函数。
MATLAB程序书写形式利用丰富的库函数避开了复杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。
由于库函数都由各领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。
（3）有好的图形界面，用户使用方便MATLAB具有好的用户界面与方便的帮助系统。
MATLAB的函数命令众多，各函数的功能及使用又可由MATLAB图形界面下的菜单来查询，为用户提供了学习它的便捷之路。
MATLAB是演算纸式的科学过程计算语言，使用MATLAB编程运算与人的科学思路和表达方式相吻合，犹如在演算纸上运算并求运算结果，使用十分方便。
（4）图形功能强大MATLAB里提供了多种图形函数，可以绘制出丰富多彩的图形。
MATLAB数据的可视化非常简单，MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。
（5）功能强大的工具箱MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。
当前流行的MATLAB7.0/Simulink5.0包括拥有数自一个内部函数主包和三十多种工具包(Toolbox)。
工具包又可以分为功能性工具包和学科性工具包：功能性工具包用来扩充MATLAB的符号计算、可视化建模仿真、文字处理及实时控制等功能；学科性工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。
针对过程控制系统的非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等特点及MATLAB的可实现动态建模、仿真与分析等优点，采用MATLAB的Toolbox与Simulink仿真工具，为过程控制系统设计与参数整定的计算和仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
（1）Simulink的功能：Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的二个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
（2）Simulink的特点：a.丰富的可扩充的预定义模块库。
b.交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图c.以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。
d.通过Model Explorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。
e.提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。
f.使用Embedded MATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。
g.使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。
h.图形化的调试器和剖析来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为第二章 PID控制简介及其整定方法2.1 PID控制简介2.1.1 PID控制原理当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。