一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
自动控制实验_单容、双容水箱
单容水箱其具体原理可用下图表示：一、液位控制系统的工作原理当连杆位于电位器中点位置时，浮子电压为零，电压差为零，所以电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度上，此时我们称系统达到平衡状态。
当连杆位于电位器中点位置偏上时，根据杠杆原理，箱内液面下降，此时电压差增大，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入水量大于出水量，箱内液面逐渐升高，从而渐渐达到平衡状态。
当连杆位于电位器中点位置偏下时，根据杠杆原理，箱内液面上升，此时电压差减小，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入水量小于出水量，箱内液面逐渐降低，从而渐渐达到平衡状态。
二、液位控制系统原理框图给定液位实际液位电位器放大器电动机减速器水池阀门门三、 自动控制系统各部分的数学模型的建立以及其传递函数在本控制系统中，我们设Q1为进水量（平衡状态下的增量），Q2为出水量，Ho 为平衡时的水面高度，H 为液面实际高度（平衡状态下的增量），C 为水箱的横截面积。
1)电位计独立工作没什么意义，我们把给定液面体现在电位器上，这就需要电位器和连杆，浮子一起工作，他们是一个整体，实际液面也通过电位器，连杆，浮子与给定电位比较，因为电位器体现的是电压的大小，而我们通过杠杆原理还有浮子，将液面高度与电压的关系联系起来，且两者的关系为正比关系，H （s ）为液面高度的拉式变化，U （s ）为电压的拉式变化，Go （s ）=Ku)(H U(S)S 。
2) 电动机的数学模型设)(t u 为输入的控制电压)(V ，i 电枢电流)(A ,M 为电机产生的主动力矩)(m N •,ω为电机轴的角速度)/(s rad ，L 为电机的电感)(H ，R 为电枢导数的电阻)(Ω，)(t e 电枢转动中产生的反电势)(V ，J 为电机和负载的转动惯量)(2m Kg *根据电路的克希霍夫定理（KVL ）：)()(t u t Ri dtdiL=++θ 整理后得：)(2122r rm m e M dt dM T K u K dt d T dt d T T +-=++θωωω式中：R LT =θ称为直流电动机的电气时间常数；m m K K JR T θ=称为直流电动机的机电时间常数；θK K 11=，θK K R K m =2为比例系数。
(最新整理)水箱液位控制系统
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课程设计报告设计题目：水箱液位控制系统班级：自动化0901班学号：20092395姓名:郝万福指导教师:王姝梁岩设计时间：2012年5月7号----5月25号摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。
通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度.首先测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱(上)液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下)液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。
然后,通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。
最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。
双容水箱液位控制系统
双容水箱液位控制系统郭晨雨04123096914282178qq.目录摘要2一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善5二．被控对象的分析与建模7三．PID参数整定方法概述93.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析93.1.1 比例作用93.1.2 积分作用103.1.3 微分作用113.2 PID参数的整定方法133.3 临界比例度法153.4 PID参数的确定18四．控制结构194.1 利用根轨迹校正系统194.2 利用伯德图校正系统234.3 调整系统控制量的模糊PID控制方法254.3.1模糊控制部分264.3.2 PID控制部分30五．控制器的设计30六.仿真结果与分析32七.结束语34参考文献35摘要：针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。
首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。
最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。
同时，在MATLAB下，利用Fuzzy工具箱和Simulink仿真工具，对系统的稳定性、反应速度等各指标进行分析。
关键字：双容水箱，大滞后系统，模糊控制，PID，二阶系统，MATLAB ，SimulinkAbstract：For Two-capacity water tankbig lag system，using PID to control this system. First, to analyze the effectofeach parameter of PID. And the root-locus technique andbode diagram is adopted to design the correcting Unit.Then, fuzzy PID control method was used to adjust this second-order system.And a simulation model of this system is built with MATLAB Fuzzy and SIMULINK,with it analyzing the system stability ,reaction velocity and other indexs.Keywords:two-capacity water tank,big lag system,fuzzy control,PID,second-order system一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。
PID水箱液位控制
摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
PID控制(比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。
本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。
作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。
选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
利用Matlab仿真，整定PID参数，得出仿真曲线，得到整定参数，控制效果很好，实现了水箱液位的控制。
关键词：PID控制过程控制液位控制Matlab目录摘要I第一章绪论11．1过程控制的定义11．2过程控制的目的11．3过程控制的特点21．4过程控制的发展与趋势3第二章水箱液位控制系统的原理42．1 人工控制与自动控制42．2 水箱液位控制系统的原理框图52．3 水箱液位控制系统的数学模型6第三章水箱液位控制系统的组成93．1 被控制变量的选择93．2 执行器的选择93.3 PID控制器的选择123．4 液位变送器的选择14第四章PID控制规律164．1 比例控制164．2积分控制（I）194．3微分控制（D）194．4比例积分控制（PI）204．5比例积分微分控制（PID）20第五章利用MATLAB进行仿真设计215.1 MATLAB设计215.2 MATLAB设计任务215.3 MATLAB设计要求215.4 MATLAB设计任务分析225.4 MATLAB设计任务分析235.5 MATLAB设计内容285.5.1主回路的设计285.5.2副回路的设计285.5.3主、副回路的匹配295.5.4 单回路PID控制的设计305.5.5串级控制系统的设计35心得体会39参考文献40第一章绪论1．1过程控制的定义生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。
水箱液位控制系统(二)正文部分
水箱液位控制系统(二)正文部分前言自古以来，水就在人们的日常生活中扮演了重要的角色。
水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血液！一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。
因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。
任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。
就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。
因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。
比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。
虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。
但其原理都大同小异。
特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。
因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。
水箱液位控制系统是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的平台，可以方便地构成一阶系统对象（双容水箱）和两阶系统对象（三容水箱）。
用户可通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。
各种控制器的控制效果通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。
开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。
这种系统不仅适用于工业用水的控制，也适用于日常生活和农业生产上的液位控制。
1 系统结构原理1.1自动控制系统的组成（1）自动控制系统是由被控对象和控制装置组成的一个有机总体。
被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。
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。
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。
双容液位控制系统的设计
双容液位控制系统的设计摘要在化学工业生产中，液位控制是一项非常重要的环节。
本论文所论述的双容液位控制系统是以过程综合自动化控制系统实验为平台，以仪表控制方法为主要工具，进行液位控制方法设计。
智能控制仪表蕴含大量高科技技术，且具备许多优点，因此越来越广泛的被应用于工业控制领域。
论文也对组态软件MCGS的特点及基本使用方法进行了简单介绍，这样对串级控制实施监控，提供了条件。
在控制算法方面，系统选用PID控制器。
然后根据系统具体的控制要求，主回路选择PI调节器，副回路选择P调节器；并选用适当整定法对调节器参数进行整定。
关键词：双容液位控制系统，智能仪表控制，MCGS组态软件，PID控制?—Dual-tank liquid level control system designAbstractProduction in the chemical industry, liquid level control is a very important part. Discussed in this paper two-tank liquid level control system is based on the process of experiments Integrated Automation Control System as a platform to instrument control as the main instrument designed for liquid level control. Intelligent Control Instrument contains a large number of high technology, and have many advantages, so more and more widely applied in industrial control.Papers also features MCGS configuration software and the basic use a brief introduction, this implementation of the cascade control monitoring, provided the conditions.In the control algorithm, the system adopts PID controller. And specific control requirements according to the system, the main loop select PI regulator, the Deputy loop select P regulator; and an appropriate tuning the parameters of the regulator tuning.\Key words: dual-tank liquid level control system, intelligent instrument control, MCGS configuration software, PID control目录双容液位控制系统的设计 (i)、摘要 (i)Abstract (ii)1 绪论 (1)课题来源，背景及意义 (1)课题研究的内容安排 (2)2 THJ-2型高级过程控制系统 (3)系统简介和组成 (3)系统控制仪表的组成 (3)、检测装置 (3)执行机构 (4)控制器 (4)智能仪表的发展前景、应用领域和优点 (4)系统软件 (5)系统特点 (5)本章小结 (6)3 MCGS组态软件 (7)—什么是MCGS组态软件 (7)MCGS组态软件的系统构成 (7)MCGS组态软件的特点 (7)建立MCGS工程 (8)设计画面流程 (9)整体画面 (13)本章小结 (15)4 液位串级控制系统分析与建模 (16)-串级控制系统的分析 (16)串级控制系统及组成结构 (16)串级控制系统的特点和适用场合 (16)串级控制系统的设计 (16)双容水箱液位串级控制系统的组成 (17)系统建模 (18)系统特性测试 (19)模型最终确定 (21);本章小结 (22)5 系统的PID参数整定 (23)PID概述 (23)控制器参数整定方法 (23)PID参数的确定 (27)系统特性测试． (28)本章小结 (30)6 结论 (31)!参考文献 (32)致谢 (33)?1 绪论课题来源，背景及意义过程控制涉及炼油、化工、发电、冶金、造纸、医药和轻工业等工业部门，对国民经济的发展起着十分重要的作用。
DCS课程设计水箱液位串级控制解析
目录1 题目背景与意义 01.1 题目背景 01.2 课题意义 02 设计题目简介 (1)2.1设计内容和规定 (1)2.2 集散控制系统基本构成 (1)2.3 设计原理及分析 (4)3 系统设计方案 (7)3.1双容水箱控制 (8)3.2串级控制 (8)4 系统硬件设计 (10)4.1数据采集模块 (10)4.1.1 模拟量输入模块 (10)4.1.2 模拟量输出模块 (11)4.2仪表和执行机构选型 (13)4.3系统连线 (13)4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线 (13)4.3.2模拟量输出模块FM151A接线 (14)5 系统软件设计 (15)5.1组态画面旳设计 (13)5.2通讯设置 (15)6 系统仿真调试 (17)7 结论 (16)参照文献........................................... 错误!未定义书签。
71 题目背景与意义1.1 题目背景集散控制系统（Distributed control system）, 是以多种微处理机为基础运用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象旳调整、监视管理旳控制技术。
其特点是以分散旳控制适应分散旳控制对象, 以集中旳监视和操作到达掌握全局旳目旳。
系统具有较高旳稳定性、可靠性和可扩展性。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制, 所有信息通过通信网络由上位管理计算机监控, 实现最优化控制, 整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制旳长处, 克服了常规仪表功能单一, 人-机联络差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中旳缺陷, 既实现了在管理、操作和显示三方面集中, 又实现了在功能、负荷和危险性三方面旳分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要旳作用。
伴随工业自动化水平旳不停提高, 计算机旳广泛运用, 人们对工业自动化旳规定也越来越高。
而DCS又有延续性和可扩充性, 易学易用性和通用性, 使得DCS得到长足旳发展。
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。
基于PLC的液位控制系统设计
2024年7月16日
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基于PLC的液位控制系统设计
液位控制系统的硬件组成
计算机液位控制系统电路图如图所示。在本控制系统中、用计算机实现控 制算法, PLC控制系统带有A/D模块SM331和D/A模块SM332。电动调节阀作为 执行机构。
控制系统硬件电路连接图
2024年7月16日
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基于PLC的液位控制系统设计
液位变送器 : 采用液位变送器 BP800采用工业用的扩散硅压力变送器， 含不绣钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补 偿 。压力传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，变送器为二 线制，故工作时需串接24VDC电源 。
电动调节阀 : 采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。。 电动调节阀号为: QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、 推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作 方便等优点，控制信号为4—20mADC或1—5VDC，输出4—2OmADC的阀位信 号，使用和校正非常方便。
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基于PLC的液位控制系统设计
建立数学模型
被控对象的数学模型 :
将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型 就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有:
2024年7月16日
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基于PLC的液位控制系统设计
表示为增量形式:
式中: ΔQ1，ΔQ2，Δh分别为偏离某一平衡状态的增量；A为水箱截 面积。
基于PLC的液位控制系统设计
本文设计的主要目的是控制下水箱的液位。使下水箱的 液位在某一比较小的范围变化。
研究对象是双容水箱的串级系统。 液位控制系统的组成：
控制器 电动调节阀 上水箱、下水箱 液位变送器等 电动调节阀用于调节上水箱的进水量大小，液位变送器 用于检测上水箱和下水箱的液位。控制器的输出量用于控制 调节阀的开度。
双容水箱液位流量串级控制系统设计
双容水箱液位流量串级控制系统设计引言：双容水箱液位流量串级控制系统是一种用于控制液位和流量的自动化系统。
该系统通过对水泵和阀门的控制，实现对水箱液位和流量的精确调节。
在工业生产中，液位和流量的稳定控制对于保证生产过程的正常运行至关重要。
因此，设计一个可靠的双容水箱液位流量串级控制系统具有重要的实际意义。
系统设计：1.系统硬件组成-水泵：负责将水从源头输送至水箱中。
-水箱：承装和储存水，通过液位传感器测量液位。
-液位传感器：用于测量水箱液位，将测量结果传输给控制器。
-流量传感器：用于测量水流量，将测量结果传输给控制器。
-控制阀：通过控制水流量来调节水箱液位。
-控制器：根据液位和流量传感器的反馈信号，控制水泵和控制阀的启停和开关。
2.系统工作原理双容水箱液位流量串级控制系统的工作原理是通过液位和流量传感器实时监测水箱液位和水流量的变化，并将测量结果传输给控制器。
控制器根据设定的目标液位和流量值，计算出所需的水泵和控制阀的工作状态。
当实际液位或流量低于目标值时，控制器启动水泵和控制阀以增加水流量，从而提高液位；反之，当实际液位或流量高于目标值时，控制器关闭水泵和控制阀以减少水流量，以降低液位。
3.系统控制策略双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略可以采用PID控制器。
PID控制器是一种常用的控制算法，它通过对比实际测量值和目标值，计算出一个控制量，然后对被控对象进行控制。
其算法由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成，可以有效地控制系统稳定性和响应速度。
在双容水箱液位流量串级控制系统中，可以将液位作为主要控制量，流量作为辅助控制量。
首先，通过对液位传感器和流量传感器的测量值进行PID控制，控制水泵的启动和停止，以满足目标液位和流量的要求。
接下来，根据控制阀的反馈信号，通过控制阀的开关来实现对水箱液位的精确调节。
4.系统安全性和可靠性双容水箱液位流量串级控制系统设计中，应考虑系统的安全性和可靠性。
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。
双容型水箱实验报告
机械电子工程原理实验报告双容型水箱液位及PID控制综合实验组员:XXXXXX年X月实验一压力传感器特性测试及标定测量实验一、实验目的1、了解本实验装置的结构及组成。
2、掌握压力传感器的实验原理及方法，对压力传感器进行标定。
二、实验设备1、德普施双容水箱一台。
2、PC 机及 DRLINK4.5 软件。
三、实验原理图 1-1 传感器装置图本实验传感器如图1-1所示，使用二个扩散硅压阻式压力传感器，分别用来测量上水箱水柱压力，下水箱水柱压力。
扩散硅压阻式压力传感器实质是硅杯压阻传感器。
它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成4个P型电阻，形成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，使电桥有相应输出。
经过后级电路的放大处理之后输出0~5V之间的电信号。
扩散硅压力传感器的输出随输入呈线性关系，输出特性曲线一般是一条直线，一般使用传感器前需要对此传感器进行标定，通常的做法是取两个测量点（x1，y1）和（x2， y2）然后计算特性直线的斜率K和截距B 即可。
由于扩散硅压力传感器承受的水压力及水的液位高度成正比，因此扩散硅压力传感器通常也用来测量液位高度。
四、实验内容及结果图1-2 上水槽压力传感器特性测试及标定测量实验图1-3 下水槽压力传感器特性测试及标定测量实验5）压力传感器的标定系数值表。
表1-1 压力传感器标定系数值传感器K值B值液位1传感器0.06440-7.98567液位2传感器0.065166-12.63056）依据压力传感器标定系数值绘制的压力传感器特性曲线如图1-3，图1-4所示：图1-3 上水槽压力传感器特性曲线图1-4 下水槽压力传感器特性曲线五、思考题1.在做本实验的时候，为何2次标定的液位高度不能够太接近？答：由于液位高度及电压值为线性关系，故2次标定的液位高度要保持一定距离，这样可以有效降低系统误差。
在控制过程中由于水泵抽水压力冲击传感器等影响会对液位传感器产生一定程度的干扰。
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MATLAB的自抗扰控制器应用
2020.27科学技术创新基于MATLAB 的自抗扰控制器应用孙明革罗唯张嘉诚（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022）1概述本文使用的控制对象为双容水箱系统。
该控制系统是现在工业过程控制中一个常见的模型。
由上水箱和下水箱串联组成。
[1-3]一般，下水箱液位高度为被控量，而上水箱的进水量为操纵量。
该系统对控制系统设计及实际工业生产过程有着重要的参考价值。
目前，PID 仍是工业控制中最主流的一种控制方法。
但是，当PID 应用于具有滞后性的非线性系统时，PID 控制不能达到理想的控制效果，存在着控制误差。
自抗扰控制器作为新兴控制算法，在控制思想上吸取了PID 的精髓，且同样不依赖于系统的数学模型。
2自抗扰控制器自抗扰控制器（Active Disturbance Rejection Controller ，简称ADRC ）结构如图所示。
它主要由三部分构成：一是跟踪微分器(TD)；二是非线性状态反馈控制器（NLESF ）；三是扩张状态观测器（ESO ）。
[4]图1自抗扰控制器原理2.1跟踪微分器使用跟踪微分器（TD ）即图中的过渡过程发生器。
作用为提前安排好过渡过程。
同时解决PID 控制中超调性与快速性之间的矛盾。
本文设计的跟踪微分器公式如（1）(1)2.2扩张状态观测器常见的观测器一般仅观测整个控制系统的状态，即输入和输出的速度。
而扩张状态观测器对输出的加速度一并观测，即对观测了控制系统的扰动。
观测器被扩张了一个观测量，故称为扩张状态观测器。
(2)2.3非线性反馈控制器工业过程控制中常用PID 即比例、积分、微分控制。
取比例、积分、微分的线性加权之和。
经长时间的实践发现，这种线性组合可能不是最佳的，而三者之间的非线性组合有着更好的控制效果及控制精度。
最常用的非线性组合是PI 的组合。
传递函数为：使用传统PI 对该模型进行仿真：摘要：本文基于MATLAB 提出了使用自抗扰控制器对双容水箱系统液位高度进行控制的控制方式。
双容水箱液位控制系统剖析
双容水箱液位控制系统郭晨雨 04123096****************目录摘要--------------------------------------------------------------- 3一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善-------------------------- 5二．被控对象的分析与建模-------------------------------------------- 7三．PID参数整定方法概述-------------------------------------------- 93.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析------------ 93.1.1 比例作用----------------------------------------------- 93.1.2 积分作用---------------------------------------------- 103.1.3 微分作用---------------------------------------------- 103.2 PID参数的整定方法------------------------------------------ 113.3 临界比例度法---------------------------------------------- 133.4 PID参数的确定--------------------------------------------- 16四．控制结构------------------------------------------------------- 174.1 利用根轨迹校正系统----------------------------------------- 174.2 利用伯德图校正系统----------------------------------------- 194.3 调整系统控制量的模糊PID控制方法--------------------------- 214.3.1模糊控制部分------------------------------------------ 214.3.2 PID控制部分------------------------------------------ 24五．控制器的设计--------------------------------------------------- 25六.仿真结果与分析-------------------------------------------------- 26七.结束语---------------------------------------------------------- 28参考文献----------------------------------------------------------- 29摘要：针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。
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摘要：随着科技的发展，水箱液位控制系统在工业和日常生活中得到了广泛应用。
为了提高水箱液位控制的精度和稳定性，本文提出了一种基于状态反馈控制的方法。
建立了双容水箱液位系统的数学模型，并分析了系统的稳定性。
然后，采用状态反馈控制方法设计了控制器，并利用并联Gaussian模糊控制器来补偿非线性因素。
通过仿真实验证明了该方法的有效性和优越性。
关键词：水箱液位系统，状态反馈控制，数学模型，稳定性，非线性补偿1 引言水箱液位控制系统广泛应用于工业和日常生活中，具有重要的意义。
由于水箱液位受到多种因素的影响，如流量波动、外界扰动和非线性特性等，传统的PID控制方法往往难以满足控制要求。
需要采用更先进的控制方法来提高水箱液位的控制性能。
2 水箱液位系统的数学模型本文考虑的水箱液位系统包括两个水箱，分别记为水箱1和水箱2。
假设水箱1是上部水箱，水箱2是下部水箱。
水箱1的液位记为h1，水箱2的液位记为h2。
通过公式可以得到水箱液位的数学模型：dh1/dt = -c1*a1*(A1/A3)*sqrt(2*g*h1) + c2*a2*(A2/A3)*sqrt(2*g*h2) + u1dh2/dt = c3*a1*(A1/A3)*sqrt(2*g*h1) - c4*a2*(A2/A3)*sqrt(2*g*h2) + u2dh1/dt和dh2/dt分别表示水箱1和水箱2的液位变化率，c1和c2是液位变化率的比例系数，a1和a2是阀门的开关系数，A1和A2分别是水箱1和水箱2的面积，A3是总流量面积，g是重力加速度，u1和u2分别是控制输入。
3 系统的稳定性分析通过线性化和Routh-Hurwitz准则可以得到系统的稳定性条件。
根据计算结果可以得知，当c1*a1*(A1/A3)*sqrt(2*g*h1) > c1*a2*(A2/A3)*sqrt(2*g*h2)时，系统是稳定的。
4 状态反馈控制器设计为了实现对水箱液位系统的精确控制，本文采用状态反馈控制方法。
一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法
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广泛应用于各种工业和生活领域中，有效控制水箱液位有着非常重要的意义。
传统的双容水箱液位控制方法通常是采用PID控制算法，但是当系统非线性较为严重时，PID控制算法的性能表现较差，因此需要采用更加高级的控制方法来提高控制系统的性能指标。
本文提出了一种基于状态反馈控制的双容水箱液位控制方法。
该控制方法基于双容水箱液位系统的数学模型，通过对系统状态的测量和反馈，实现对系统状态的控制。
具体来说，该控制方法首先设计了一个状态反馈控制器，然后通过系统状态量的测量和反馈，来驱动系统状态向预期状态进行调整。
$$u(t)=Kx(t)$$其中，$u(t)$为输出控制量，$x(t)$为系统状态向量，$K$为状态反馈控制矩阵。
$K$的选取需要满足一定的条件，包括控制系统的稳定性、输出响应时间等。
在本文中，选取的控制矩阵为：$$K=\begin{bmatrix} -0.0575 & -0.0065 & 0.033 \\ -0.1204 & -0.2219 & 0.0324 \\ 0.0728 & 0.1472 & -0.0572 \end{bmatrix}$$该控制矩阵的设计基于控制系统的稳定性和输出响应的要求，在控制器选取之前，需要进行一定的系统分析和控制器设计，从而获得最优的状态反馈控制器。
另外，为了实现系统状态的测量和反馈，需要采用一定的传感器技术。
在本文中，采用的传感器是液位传感器和流量计。
其中，液位传感器用于监测液位高度，流量计则用于测量液体流入和流出的速度。
将这些传感器组合在一起，就可以实现对系统状态的精确测量和反馈。
最后，通过实验验证，本文提出的状态反馈控制方法能够有效提高双容水箱液位系统的控制性能，实现更加精确和稳定的液位控制。
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一种双容水箱液位系统的状态反馈控制方法摘要
随着自动化技术的不断发展，各种工业控制系统的设计与研究也日益受到重视。
在液
位控制系统中，状态反馈控制方法是一种有效的控制手段，可以提高系统的稳定性和精度。
本文针对双容水箱液位系统，提出了一种基于状态反馈的控制方法，并进行了仿真验证。
结果表明，该方法可以有效地控制水箱液位，实现系统稳定运行。
引言
双容水箱液位系统是工业生产中常见的一种控制对象，其控制目标是通过调节进水和
排水的流量，使水箱内的液位保持在设定值。
在传统的PID控制方法中，由于无法实时获
取系统状态信息，往往会导致控制精度不高、稳定性差的问题。
而状态反馈控制方法则可
以通过实时监测系统状态，对系统进行更精准的控制，提高系统的稳定性和控制精度。
双容水箱液位系统的数学模型
双容水箱液位系统由两个相连的水箱组成，分别为上水箱和下水箱。
通过调节进水和
排水的流量，可以控制水箱内的液位。
假设上水箱和下水箱的液位分别为h1和h2，进水
和排水的流量分别为qin和qout，则水箱的液位变化可以由以下动态方程描述：
dh1/dt = (qin - q1)/A
dh2/dt = (q1 - q2)/A
其中A为水箱的截面积，q1和q2分别为上下水箱之间的流量。
为了进行状态反馈控制，需要将系统的动态方程线性化，得到其状态空间表达式：
dx/dt = Ax + Bu
y = Cx
x为状态变量，u为控制输入，y为输出，A、B、C为系统的系数矩阵。
设计基于状态反馈的控制方法
需要设计状态反馈控制器的反馈矩阵K，使得系统的状态方程变为闭环形式：
dx/dt = (A - BK)x
K为反馈矩阵。
为了确定反馈矩阵K，可以使用线性二次调节（LQR）方法，通过最小化系统的代价函数来确定最优的反馈矩阵。
代价函数的形式为：
J = ∫[0,∞](x^TQx + u^TRu)dt
Q和R分别为状态和控制输入的权重矩阵。
通过求解代价函数的最小值，可以得到最优的反馈矩阵K，进而设计出状态反馈控制器。
仿真验证
为了验证所提出的基于状态反馈的控制方法的效果，进行了双容水箱液位系统的仿真
实验。
假设上水箱和下水箱的截面积分别为A1和A2，进水和排水的流量分别为qin和qout，水箱的初始液位分别为h1(0)和h2(0)，控制目标为调节水箱的液位至设定值h1d和h2d。
根据系统的数学模型和状态反馈控制器的设计，进行了双容水箱液位系统的仿真实验。
结果表明，在设定的液位变化条件下，所提出的控制方法能够有效地控制水箱的液位，实
现了系统的稳定运行。