二阶水箱串级控制的matlab实现讲解
基于MATLAB与力控的双容水箱串级控制
过程控制课程设计报告学生姓名学号教学院系电气信息学院专业年级自动化07指导教师完成日期2011年1月6日摘要串联双容水箱在工业过程控制中应用非常广泛。
在串联双容水箱水位的控制中，进水首先进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。
串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。
随着工业的发展，液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。
本设计以二容水箱实验液位控制模型为研究对象，采用PID控制，并用力控组态进行上位机组态。
组态界面包括：水箱实验界面（包括实时趋势曲线）、报警窗口、历史趋势曲线。
所有画面的动态显示用增强按钮连接。
关键词：串级控制MATLAB PID组态力控小组成员及学号本人工作任务详细说明●参与设计双容水箱串级控制系统，完成其运行效果；●观看力控监控组态软件演示工程中的双容水箱串级控制系统，熟悉其运行及各主要监控参数；●和组员在网上以及参考文献中搜集双容水箱串级控制系统的工作原理、多电梯远程监控系统的工艺流程图、双容水箱串级控制系统主要控制参数，双容水箱串级控制系统的主要监控功能等资料；●参与建立双容水箱串级控制系统的工程画面，创建相应双容水箱串级控制系统的组态界面，创建实时数据库，制作相应动画连接；●根据工艺流程图及设计思想参与进行主要的系统程序编写，并和组员一起检查更正、完善系统程序；●观看双容水箱串级控制系统运行效果图；●写双容水箱串级控制系统实习报告。
目录第一章MATLAB设计实验报告 (1)1.1MATLAB设计 (1)1.2MATLAB设计任务 (1)1.3MATLAB设计要求 (1)1.4MATLAB设计任务分析 (2)1.5MATLAB设计内容 (5)1.5.1主回路的设计 (5)1.5.2副回路的设计 (6)1.5.3主、副回路的匹配 (6)1.5.4 单回路PID控制的设计 (7)1.5.5串级控制系统的设计 (11)第二章力控设计实验报告 (18)2.1力控设计 (18)2.2力控设计任务 (18)2.3制作工程画面 (18)2.4建立动画连接 (21)2.5力控软件与MATLAB的通信 (23)2.5.1服务器节点配置 (23)2.5.2.客户端节点配置 (25)2.6运行调试及参数整定 (28)2.7作品展示 (30)第三章串级控制设计报告任务说明书 ................................................................. 错误!未定义书签。
双容水箱液位控制系统设计matlab
双容水箱液位控制系统设计matlab在MATLAB中设计双容水箱液位控制系统，可以使用控制系统工具箱来完成。
以下是一个简单的步骤：1. 创建模型：使用StateSpace函数创建一个双容水箱的状态空间模型。
该模型将包括液位和出流控制的状态变量。
2. 设计控制器：使用控制系统工具箱中的pidtuner函数来设计控制器。
pidtuner函数可以根据指定的性能指标，自动调整PID 控制器的参数。
3. 闭环模拟：使用sim函数对闭环系统进行模拟。
将控制器和系统模型连接起来，并通过输入信号来观察系统的响应。
4. 优化控制器：根据模拟结果，调整控制器的参数以优化系统的性能。
可以使用pidtuner函数的自动调整功能，也可以手动调整参数。
5. 验证性能：通过模拟和实际测试，验证系统的性能是否达到了预期的要求。
如果需要进一步优化，可以返回第4步。
下面是一个简单的示例代码，演示如何在MATLAB中设计和模拟双容水箱液位控制系统：```matlab% 创建模型A = [0 1; 0 -1];B = [0; 1];C = [1 0];D = 0;sys = ss(A, B, C, D);% 设计控制器controller = pidtuner(sys, "pid");% 闭环模拟t = 0:0.01:10;r = 0.5*ones(size(t)); % 设定值[y, t, x] = lsim(controller, r, t);% 绘制结果figureplot(t, y, "b", "LineWidth", 2)hold onplot(t, r, "r--", "LineWidth", 2)xlabel("Time (s)")ylabel("Level")legend("Output", "Reference")% 优化控制器controller = pidtuner(sys, "pid", controller); % 验证性能[y, t, x] = lsim(controller, r, t);% 绘制结果figureplot(t, y, "b", "LineWidth", 2)hold onplot(t, r, "r--", "LineWidth", 2)xlabel("Time (s)")ylabel("Level")legend("Output", "Reference")```这个例子演示了使用PID控制器来控制双容水箱液位。
基于MATLAB与力控的双容水箱串级控制
图1.4.2单回路闭环系统控制系统框图
在无干扰情况下，整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。
然后，加入副回路、副控制器，再有干扰的情况下，比较单回路控制、串级控制系统性能的变化，串级控制系统框图如下：
图1.4.3串级控制系统框图
串级控制双容液位过程如图1.4.1所示。
图1.4.1串级控制的双容液位过程
两容器的流出阀均为手动阀门，流量 只与容器1的液位 有关，与容器2的液位 无关。容器2的液位也不会影响容器1的液位，两容器无相互影响。
由于两容器的流出阀均为手动阀门，故有非线性方程：
(4-1)
(4-2)
过程的原始数据模型为：
(4-3)
姓名
学号
本人工作任务详细说明
参与设计双容水箱串级控制系统，完成其运行效果；
观看力控监控组态软件演示工程中的双容水箱串级控制系统，熟悉其运行及各主要监控参数；
和组员在网上以及参考文献中搜集双容水箱串级控制系统的工作原理、多电梯远程监控系统的工艺流程图、双容水箱串级控制系统主要控制参数，双容水箱串级控制系统的主要监控功能等资料；
1.
双容水箱液位串级控制系统设计
1.
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。
图1.2.1双容水箱液位控制系统示意图
1.
1.已知上下水箱的传递函数分别为：
参与建立双容水箱串级控制系统的工程画面，创建相应双容水箱串级控制系统的组态界面，创建实时数据库，制作相应动画连接；
实验五、串接双容下水箱液位PID整定实验
1.4.2二阶水箱对象PID控制
实验五串接双容中水箱液位PID整定
一、实验目的
（1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。
（2）熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。
（3）定性分析不同PID控制器参数对双容系统控制性能的影响。
二、实验设备
CS2000型过程控制实验装置、计算机、DCS控制系统与监控软件。
(7)改变控制规律，时间允许的情况下，对于P、PI、PID，分别得到2条合理的过渡过程曲线（对应不同参数）。注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。
五、实验报告要求
（1）画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
（2）画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。
六、思考题
三、实验原理
二阶双容水箱液位PID控制方框图
上图为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使中水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于控制器（DCS）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故系统的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃干扰），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比。若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和TI调节的合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，阀，将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
二阶双容水箱液位的串级控制
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《 冶金自动化》 $##. 年 &$
二阶双容水箱液位的串级控制
赵丹丹， 邹志云， 郭! 宁， 冯文强
（ 防化研究院， 北京 "#$$#% ） 摘要： 针对化工生产过程中对多容量液位被控对象的控制需求， 设计了一套二阶双容水箱液位控制实验装置。 该实验装置以 &’()*+ ,-### 过程控制器作为主控制器， 采用串级控制的方法来实现对双容水箱中下水箱液位 的控制。实验结果表明， 串级控制的内回路能够有效地克服二次扰动的影响， 可以加大主控制器的增益， 从而对 控制难度大的二阶对象进行有效控制。 关键词： 二阶液位控制系统； ,-### 过程控制器； 串级控制
!" 引言
在一般的化工实验和生产过程的自控中， 常 要进行液位控制
［ "］
用简单的单回路控制系统很难达到满意的控制效 果。针对二阶液位控制对象设计了一套双容水箱 液位控制实验装置， 该实验装置以 &’()*+ ,-### 过程控制器作为主控制器， 采用双回路串级控制 的方法来实现对双容水箱中下水箱液位 "$ 的有 效控制。
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5,0(065,783 ?@1 234 !*’+, 5/67"
图 #" 串级液位控制系统硬件组成结构图
二阶双容水箱液位串级控制是通过控制上水 箱进水量来控制下水箱的液位。所以把上水箱的 液位作为中间值， 下水箱液位控制作为最终控制 对象。 &%’’’ 过 程 控 制 器 的 串 级 控 制 通 过 两 个 "#$ 控制回路来实现。把主回路的输出作为副回 路外给定的设定值 （ !"） 即可。二阶双容水箱液位 串级控制原理图如图 ( 所示。
水箱液位串级控制实验
第六节水箱液位串级控制实验一、实验目的1. 熟悉串级控制系统的结构与特点2. 掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法3. 研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响二、实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置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 1只三、实验原理图6-1 液位串级控制系统的结构图图6-2 液位串级控制系统的方框图本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。
每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。
副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。
本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。
当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。
此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
图6-1为实验系统的结构图，图6-2为相应控制系统的方框图。
四、实验内容与步骤1.按图6-1要求，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、F1-11，且使阀F1-10的开度略大于F1-11。
4.按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
5.调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δS和周期TS。
据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。
6.手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。
实验方案：水箱液位串级控制系统
过程控制综合实验报告实验名称：水箱液位串级控制系统专业：班级:姓名：学号：实验方案一、实验名称：水箱液位串级控制系统二、串级控制系统的概述1、图5-1是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图5-1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值；C1-被控的主参数；C2-副参数；f1(t)-作用在主对象上的扰动；f2(t)-作用在副对象上的扰动。
2、串级控制系统的特点串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
（1）．改善了过程的动态特性；（2）．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；（3）．提高了系统的鲁棒性；（4）．具有一定的自适应能力。
3、主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
4、主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数K c为负（即正作用调节器），反之，K c为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数K v恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。
在MATLAB中实现水箱液位控制系统的设计
在MATLAB中实现水箱液位控制系统的设计【摘要】本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。
在设计中充分利用计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
最后，完成控制系统实验和结果分析。
【关键词】液位;串级控制系统;MATLAB1.引言在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油、化工、环保、水处理、冶金等行业尤为重要。
在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义[1]。
在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。
虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表、数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。
2.串级控制系统设计思想2.1 主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题[2]。
2.2 副回路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
基于MATLAB的串级PID控制系统
4、比例积分微分（PID）调节器
PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。它由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节组成，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的偏差信号e(t)，并将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称PID控制器，PID控制器的数学模型可以用下式表示：
从比例部分的数学表达式可以知道，比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此Kp值不能取过大；如果Kp取值较小则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，是系统、动静特性边坏。故而比例系Kp，选择必须适当，才能取得过渡时间少、静差小而又稳定。
1.3用MATLAB进行PID控制的优点
MATLAB具有强大、丰富的内置函数，以及高度灵活的可编程性，特别适合数据处理以及结果的图形化显示，所以用MATLAB进行PID控制能够数据处理以及结果的图形化显示，能够及实时掌握控制的现场数据。从而方便观察。故本课题选用MATLAB进行PID控制。
本课题要求设计一个MATLAB算法软件编制的串级PID控制系统，该系统框图如图2.1所示；液位传感器将检测到的上下水箱液位信号通过单片机通讯接口传送到计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ机，使其与PID系统设定值比较，上位计算机调用MATLAB的PID算法程序，对偏差实现PID运算，运算结果通过与单片机的通讯接口，输出去控制水泵转速，从而调整上下水箱的进水量，达到控制液位的目的，最终实现液位的自动控制。
（2-4）
式中，e(t)——控制器输入信号，一般为输入信号与反馈信号之差；
u(t)——控制器输出信号，一般为给予受控对象的控制信号；
二阶水箱串级控制的matlab实现讲解
pidblock.E1=pidblock.E0;
pidblock.E0=pidblock.SP-pidblock.PV;
%手自动切换
ifpidblock.AMC=='AUT'|pidblock.AMC=='CAS'
pidblock.MV=u;
end
ifpidblock.AMC=='MAN'
要求：
（1）以电子版提交大作业到我邮箱，截止日期到2月5日，过期不候，雷同的、不交的肯定不及格。
（2）编程不能用SIMULINK搭建，要求用MATLAB的M语言编程。要求附上相应程序和相应曲线。
过程控制大作业
1.该系统的结构图
图一
2.各环节的传递函数模型
在工作点附近，由物料守恒得：
(1)
线性化的微分方程为：
dsys3=c2d(sys3,ts,'z');
[num3,den3]=tfdata(dsys3,'v');
%扰动Qd2
sys4=tf(R2*Qd2,[R2*A,1]);
dsys4=c2d(sys4,ts,'z');
[num4,den4]=tfdata(dsys4,'v');
%前馈控制器
sys5=-sys4;
液位串级控制系统如上图，被控对是二阶水箱。控制作用为 控制调节阀LV1001的开度，从而影响第1个水箱的液位 和第2个水箱的液位 。第1个水箱有干扰流量 ，两个水箱的截面积都是 。控制作用 和调节阀管道上的流量之间的关系为 ，取 、 都是线性气开阀。稳态时有：
为了编程，在MATLAB中定义PID模块结构为：
基于MATLAB的双容水箱液位控制系统设计
基于MATLAB的双容水箱液位控制系统设计双容水箱液位控制系统是一种常见的控制系统，用于控制水箱中液位的稳定性。
这个系统的主要目标是保持水箱中的液位在一个提前设定好的范围内。
在这篇文章中，我们将基于MATLAB来设计和实现一个双容水箱液位控制系统。
首先，我们需要定义系统的输入和输出。
在这个系统中，输入是水箱中的水流量，输出是水箱中的液位。
我们假设系统中的水流量是恒定的，并且可以通过控制阀门的开关来改变流量。
接下来，我们需要建立双容水箱液位控制系统的数学模型。
对于这个系统，我们可以使用连续时间的均衡方程来描述液位的变化。
假设水箱中的两个容器分别为C1和C2，它们之间通过阀门进行连接。
液位的变化是由水的流入和流出速度之间的差异决定的。
我们可以用下面的方程来表示两个容器液位变化的速度：C1 * dh1/dt = Qin - q12 - q01C2 * dh2/dt = q12 - q02其中，C1和C2分别表示两个容器的容积，dh1/dt和dh2/dt表示液位的变化速率，Qin表示系统输入的水流量，q12表示C1到C2的流出速度，q01表示C1的流出速度，q02表示C2的流出速度。
我们可以通过求解这个方程组来得到系统的状态空间表示。
为了简化推导，我们假设液位变化的速率很快，即dh1/dt≈0和dh2/dt≈0。
在这种情况下，我们可以得到一个简化的状态空间表示：x=(h1,h2)u = (Qin, q01, q02)其中，x是系统的状态向量，包括两个容器的液位，u是系统的控制输入向量，包括系统的输入流量和阀门的开关。
接下来，我们需要设计一个合适的控制器来控制系统的输出液位。
在这里，我们选择使用PID控制器。
PID控制器通过调整控制输入u来控制输出液位。
PID控制器的输出是根据系统的误差信号计算得到的。
在这里，误差信号是目标液位与实际液位之间的差异。
PID控制器通过比例增益、积分增益和微分增益来调整控制输入，以最小化误差信号。
控制实验课程设计 双容水箱空袭系统matlab
双容水箱液位控制系统设计电093 徐鸿荣 40950263摘要: 本文主要通过建立双容水箱液位串联控制系统的模型，根据PID 调节器的调节原理，对其进行调节。
该系统中水位位置的控制是通过出水管和进水管流量的差值的大小来反应水位的高低，根据它们的不同变化运用PID 调节器对闸门进行调节。
再通过在MATLA 软件对其进行仿真，找到满足要求的控制方案。
关键字：PID 调节器，MATLAB 仿真曲线，双容水箱，液位控制系统，反馈系统， Two-capacity water tank Liquid level control system designAbstract: In this article, through the establishment of two-capacity water tank level control system in series model, according to the principle of the regulation of PID regulator ， the system will automatically adjust the water level 。
The water level control of the system is to use the differences of output and input of the water pipe to reflect the height of the water level to adjust it with PID adjustor according to their change. And then use MATLAB software to simulate the system to find a suitable control program.Key words: PID adjustor , Matlab emulation diagram , Two-capacity water tank ，Liquid level control system ， feedback system控制策略在实际生产中，为了使原系统的性能指标有所改善，经常按照一定的方式接入校正装置，一般的控制器和校正装置常常采用比例（P ）、微分（D ）、积分（I ）以及这些控制规律的组合，常用的有比例微分（PD ）、比例积分（PI ）、以及比例积分微分（PID ）控制器。
水箱液位串级控制系统
水箱液位串级控制系统一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备三、实验原理本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。
主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。
副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。
主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。
副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。
由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。
本实验系统结构图和方框图如图2所示。
图2 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。
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全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
基于MATLAB水箱液位控制系统的设计
基于MATLAB水箱液位控制系统的设计水箱液位控制系统是水处理领域的一个重要应用，可以实现对水箱液位的监测和控制。
本文将基于MATLAB平台设计一个水箱液位控制系统，并详细介绍其工作原理、设计步骤和实现方法。
1.设计目标和原理设计目标是实现水箱液位的实时监测和自动控制，保持液位在设定值附近波动。
系统原理是通过传感器实时检测水箱液位，将液位信号传输给控制器进行处理，控制器根据设定值和实际液位偏差调整执行机构的动作，使液位保持在设定值范围内。
2.设计步骤(1)确定传感器和执行机构：选择合适的液位传感器和执行机构，如浮球传感器和电动阀门。
(2)建立数学模型：根据系统特性建立数学模型，描述液位与传感器输出和执行机构控制信号之间的关系。
(3)设计控制器：根据液位模型设计控制器，如PID控制器。
(4)编写MATLAB程序：使用MATLAB编写程序，实现液位监测、控制器设计和控制信号输出。
3.系统实现方法(1)建立模拟环境：在MATLAB中建立水箱液位模拟环境，包括液位模型、传感器模型和执行机构模型。
(2)液位监测：读取传感器输出信号，获取实时液位信息。
(3)控制器设计：根据实时液位和设定值计算控制信号，可以使用PID控制器进行设计。
(4)控制信号输出：将控制信号发送给执行机构，实现对阀门的开关控制。
(5)反馈调整：根据执行机构的反馈信号对控制器参数进行调整，以进一步优化系统性能。
4.系统性能指标和优化(1)稳定性：控制系统在干扰的情况下能够保持液位稳定。
(2)响应速度：控制系统对液位变化的响应速度，可以通过调整控制器参数来实现快速响应。
(3)偏差：控制系统的液位偏差大小，可以通过调整控制器参数和设定值来控制偏差范围。
(4)抗干扰性能：控制系统对外界干扰（如水源变化）的抵抗能力。
(5)稳定性分析：通过系统稳定性分析，确定系统参数的合理范围。
(6)优化方法：通过试验和仿真，不断调整控制器参数和设定值，以实现最佳控制效果。
双容水箱液位控制系统设计matlab
双容水箱液位控制系统设计matlab
在MATLAB中设计双容水箱液位控制系统，可以遵循以下步骤： 1. 建立系统模型：根据双容水箱液位控制系统的物理特性，建立系统的数学模型。
可以使用差分方程、传递函数或状态空间模型表示系统的动态行为。
2. 设计控制器：选择合适的控制策略，如比例-积分-微分（PID）控制器。
根据系统模型和控制目标，调整控制器的参数以实现所需的控制性能。
3. 进行系统仿真：使用MATLAB提供的仿真工具，如Simulink，搭建双容水箱液位控制系统的仿真模型。
将系统模型和控制器模型连接起来，设置仿真参数，运行仿真并观察系统的响应。
4. 优化控制器：根据仿真结果，对控制器进行调整和优化，以改善系统的稳定性和性能。
可以尝试不同的控制策略和参数组合，比较它们的效果，并选择最佳的控制器配置。
5. 验证控制器：在实际系统中验证优化后的控制器。
将控制器实施到双容水箱液位控制系统中，监测系统的实际响应，并对控制器进行进一步调整和优化。
通过以上步骤，可以设计和优化双容水箱液位控制系统，并在MATLAB环境中进行仿真和验证。
这样可以大大减少实际试错的成本和风险，并提高系统的稳定性和性能。
双容水箱液位串级控制系统设计
双容水箱液位流量串级控制系统设计◆设计题目双容水箱液位流量串级控制系统设计◆设计任务如图1所示的两个大容量水箱。
要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。
试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。
自来水流出 水箱1 水箱2图1 系统示意图◆设计要求1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1), 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)。
2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果；3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果；4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。
◆设计任务分析一、系统建模系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。
机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型测试法一般只用于建立输入—输出模型。
它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。
对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建模。
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：水箱2液位；主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1),副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)。
控制对象特性：Gm1（S ）=1/（0.1S+1）（水箱1传递函数）；Gm2（S ）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。
控制器：PID ；执行器：流量控制阀门；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声。
基于MATLAB的双容水箱液位PID控制
基于MATLAB的双容水箱液位PID控制基于MATLAB的双容水箱液位PID控制姓名：张冬磊＿＿＿＿＿＿＿班级：自动化1309班＿＿＿＿学号：20137675＿＿＿＿＿＿＿日期：—基于MATLAB的双容水箱液位PID控制摘要控制系统的计算机仿真是一门涉及理论、计算数学与计算机技术的综合性学科。
控制系统的计算机仿真以控制系统的模型为基础，采用数学模型代替实际的控制系统的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。
本文是对双容水箱的PID液位控制系统的仿真，主要内容包括：对水箱的特性确定，建立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建立液位控制系统，调节器分别采用P、PI、PD、PID控制系统，通过仿真比较了各控制器的不同之处，以及各个参数的控制作用和性能的比较，对得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变法对系统性能的影响。
关键字：MATLAB/Simulink PID 液位控制系统目录摘要 (I)一绪论 (1)1.1 过程控制概述 (1)1.2 过程计算机控制系统概述 (1)1.3 PID控制器概述 (2)1.4 MATLAB软件介绍 (3)二控制系统建模 (4)三 PID调节参数整定及MATLAB仿真 (6)3.1 P调节 (6)3.2 PI调节 (10)3.3 PD调节 (14)3.4 PID调节 (17)四结论 (22)参考文献 (23)一绪论1.1 过程控制概述过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。
一个过程控制系统是由被控过程和过程检测仪表两部分组成的。
过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。
过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。
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%‘AMC’=’CAS’时，PID是副回路调节器，处于串级
'SP',0,% PID模块的给定值
'PV',0,% PID模块的测量值
'MV',0,%PID模块的控制作用
'Kc',0,%PID模块的比例系数
'Ti',10000000000,%PID模块的积分时间
要求：
（1）以电子版提交大作业到我邮箱，截止日期到2月5日，过期不候，雷同的、不交的肯定不及格。
（2）编程不能用SIMULINK搭建，要求用MATLAB的M语言编程。要求附上相应程序和相应曲线。
过程控制大作业
1.该系统的结构图
图一
2.各环节的传递函数模型
在工作点附近，由物料守恒得：
(1)
线性化的微分方程为：
if pidblock.AMC =‘AUT’| pidblock.AMC =‘CAS’
pidblock.MV=增量算法
End If
if pidblock.AMC =‘MAN’
P = pidblock.PV;
End If
…………………………….
5.对副回路进行整定，要有整定过程和整定曲线。
function pidblock =pid_function(pidblockStruct)
pidblock = pidblockStruct;
pidblock.E2 = pidblock.E1;
pidblock.E1 = pidblock.E0;
pidblock.E0 = pidblock.SP–pidblock.PV;
(2)
写成矩阵的形式：
(3)
对上式取拉氏变换
可知： (4)
将（4）带入原理结构图，则控制系统的结构图：
图二
3.位置式PID控制算法
式中 ------比例系数
--------积分系数
--------微分系数
增量式PID控制算法
4.程序见附录一
5.对副回路进行整定
临界比例度法参数整定公式
控制规律
比例度
积分时间Ti
解释如下：
pidBlock =struct(
'blockName','LIC1001',%PID模块的名字
'direct',1,%PID正反作用，direct=1表示反作用，direct=-1,表示正作用
'AMC', 'MAN',%PID手动、自动、串级状态
%‘AMC’=’MAN’时，PID处于手动
…………………….
%begin loop
pidBlock(1).SP =……
pidBlock(2).SP =……
pidBlock(1).PV =模型计算
pidBlock(1).SP =模型计算
计算控制作用
pidBlcok（1） = pid_function(pidBlock（1）)；
……………….
那么子程序在文件pid_function.m中：
pidBlock（2）=struct('blockName','LIC1002','direct',1,'AMC','MAN','SP',0,'PV',0,'MV',0,'Kc',0,'Ti',10000000000,'Td',0,'spanHigh',100,'spanLow',0,'E0',0,'E1',0,'E2',0);
2.建立各环节的传递函数模型；
3.推导PID增量算法；
4.以指定的结构编写PID控制的子程序,要求要用M语言编制，并且编程时要考虑手自动状态、串级状态、正反作用、无扰切换.
提示如下：
主程序中定义两个pidblock,如：
pidBlock（1）=struct('blockName','LIC1001','direct',1,'AMC','MAN','SP',0,'PV',0,'MV',0,'Kc',0,'Ti',10000000000,'Td',0,'spanHigh',100,'spanLow',0,'E0',0,'E1',0,'E2',0);
液位串级控制系统如上图，被控对是二阶水箱。控制作用为 控制调节阀LV1001的开度，从而影响第1个水箱的液位 和第2个水箱的液位 。第1个水箱有干扰流量 ，两个水箱的截面积都是 。控制作用 和调节阀管道上的流量之间的关系为 ，取 、 都是线性气开阀。稳态时有：
为了编程，在MATLAB中定义PID模块结构为：
6.对主回路进行整定，要有整定过程和整定曲线。
7.在第5、6的基础上，将控制系统投入自动，主回路给定值做10%的阶跃，给出液位 响应曲线的形状；第2个水箱的干扰 变化10%，给出液位 响应曲线的形状。
8.针对第2个水箱的干扰 ，设计静态前馈控制器，第2个水箱的干扰 变化10%，给出液位 响应曲线的形状。
图五
6.主回路进行整定
主回路也采用临界比例度法整定PID参数，将副回路和第二个水箱看成广义对象，结构图如下：
图六
对图六构成的闭环系统，首先采用纯比例控制，由大到小改变比例度，观察系统的闭环相应曲线。下图为比例度为 、 、 、 的单位阶跃响应曲线。由图七可知，当 时，系统输出响应出现等幅振荡，临界比例度 ，临界振荡周期 。
pidBlock=struct('blockName','LIC1001','direct',1,'AMC','MAN','SP',0,'PV',0,'MV',0,'Kc',0,'Ti',10000000000,'Td',0,'spanHigh',100,'spanLow',0,'E0',0,'E1',0,'E2',0);
微分时间Td
副回路的结构图如下：
图三
程序见附录二，采用临界比例度法整定PID参数：将系统构成纯比例控制，由大到小改变比例度，观察系统的闭环相应曲线，图四为比例度为 、 、 、 的单位阶跃响应曲线。由图可知，当 时，系统输出响应出现等幅振荡，临界比例度 ，临界振荡周期 。
图四
根据临界比例度 ，临界振荡周期 ，根据经验公式可确定不同控制规律下的调节其参数。采用比例积分微分（PID）调节器： ， 。系统响应曲线如下图：
'Td',0,%PID模块的微分时间
'spanHigh',100,%PID模块的PV值的量程上限
'spanLow',0,%PID模块的PV值的量程下限
'E0',0,%PID增量算法中的最新误差值
'E1',0,%PID增量算法中的上一步误差值
'E2',0%PID增量算法中的上上一步误差值
);
1.画出该控制系统的结构图；