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。
在平时的学习中，我们只是停留在理论学习的层面上，对一些知识点没有直观深刻的了解。通过这次课程设计，我们能够对之前学过的知识进行更进一步的理解与应用，我们之前学过的知识得到巩固。不仅如此，对于我们进行软件仿真和编写程序同样具有很好的指引作用，锻炼了我们这方面的能力。
总之，本次课程设计对于我们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，本次课程设计涉及了《自动控制原理》、《现代控制理论》、《控制系统仿真》、《系统辨识》等课程内容，将本专业的各项内容有机融合在了一起，增加了我们的专业知识的储备，提高了我们的学习能力。
1.2 课程设计的主要内容
任务I 经典控制部分
二阶水箱液位对象机理模型的建立；
通过实验方法辨识系统的数学模型的建立；
二阶水箱系统的物理模拟；
数据采集卡与数据通讯；
开环对象特性测试；
比例系数变换对系统闭环性能的影响；
比例积分控制器对控制性能的影响；
PID控制器对控制性能的影响；
串联校正环节的设计与分析；
采样周期影响分析、滞后系统控制性能分析；
任务Ⅱ现代控制部分
状态空间模型模型的建立、分析；
状态反馈控制器的设计；
状态观测器的设计；
基于状态观测的反馈控制器设计；
1.3 课程设计的团队分工说明
我们团队选取了16号水箱装置进行分析设计，具体分工如下所示。
xxx：各部分的参数计算、编程实现及实际电路仿真。
xxx：电路的设计与各环节仿真运行结果分析，撰写报告。
第2章 双容水箱系统的建模与模拟
2.1二阶水箱介绍
过程实验室GK06是由两个水箱和一个调节器构成的，上下两个水箱由阀门控制开度，入口流量由调节阀的开度所决定，被控变量是下水箱的液位。
在本次课程设计中，首先选取GK06装置中的1#水箱和2#水箱串联组成的液位控制系统，选取控制变量为变频泵的频率，被控变量为2#水箱的液位。针对上述系统首先建立被控对象模型，然后使用控制系统实验箱搭建电路，模拟水箱液位控制系统的被控对象，最后针对搭建的模拟对象设计控制系统，满足控制要求。
图1-1 双容水箱装置流程图 图1-2 控制流程图
2.2二阶水箱液位对象机理模型的建立
（用机理建模（白箱）方法建立系统机理模型，对机理模型进行线性化）
从MainFrm.cpp 里面找到本组的数据：1081=A 702=A 472=U 503=U
控制作用为u ，控制调节阀的开度，从而影响第1个水箱的液位1H 和第2个水箱的液位2H 。已知两个水箱的截面积是1A 、2A ，控制作用u 和调节阀管道上的流量之间的关系为：
????
???===2
331221211H u k Q H u k Q u k Q O i （2-1）
其中，k 1=10 ，k 2=1.9 ，k 3=1.65 上水箱1H =11.282951 下水箱=2H 13.223070 根据物料平衡，列写关系表达式：
111222232
i dH A Q Q dt dH A Q Q dt y H ?=-???
?=-??
= （2-2）
将（1）带入（2），得
2
2
3312222122111
1)(1)(1
H y H u k H u k A dt dH
H u k u k A dt dH =???
????-=-= （2-3）
线性模型仿真
对状态方程进行增量化，并在工作点处进行线性化
a. 先求出稳态时的关系式 考虑到：
u
u u H H H H H H ?+=?+=?+=2221
11 （2-4）
????
???===2
3312221
11H u k Q H u k Q u k Q O （2-5）
???=-=-00
3221Q Q Q Q （2-6）
则（4）和（5）式带入（6）有
?????=-=-0
2.58
3.890
3.89102111H H H u （2-7）
b ． 将（5）带入（3），进而对微分方程中的各变量用相应的增量代替，有
???
???
??+-?+=?+?+-?+=?+)(1)())((1
)(22331122221122111H H u k H H u k A dt H H d H H u k u u k A dt H H d （2-8） 即：
???
???
??+-?+=??+-?+=?)(1
)()(1
)
(223311222
2112211111
1H H u k H H u k A dt H d H H u k u k u k A dt
H d （2-9）
c ．为了将上述微分方程(10)进行线性化，
将11H H ?+在1H 处展开成Taylor 级数，只取到线性项：
11
11121H H H H H ?+
=?+ （2-10）
同理，将22H H ?+在2H 处展开成Taylor 级数，只取到线性项：
22
22221H H H H H ?+
=?+ （2-11）
将（2-11）和（2-10）代入（2-9），则：
???
?
????--?+=??--?+=?)2121(1)
()21
(1)
(22
3323311221222211
22122111111H H u k H u k H H u k H u k A dt H d H H u k H u k u k u k A dt
H d （2-12）
d ．最后得到线性化的微分方程 由（2-7）和（2-12），有：
????
????-?=??-?=?)2121(1)
()21
(1)
(223311222211
221111H H u k H H u k A dt H d H H u k u k A dt H d （2-13）
令：2
21122U K H R =
=0.0752398，3
3222U K H R =
=0.08815403 ；
写成矩阵的形式：
??
?
?????????????+??????????????
???
???
--=??
d u Q u A A H H AR AR AR H 001k 110
12121212
（2-14） 其中 01230633.0A 1121-=-
R 01898689.01
122=R A 注：1A 、2A 计算时要?10
009259259.01=A k u 000925926.01
1
=A ??????--=∴0162054.001898689.0001230633.0A ???
???=00000925926.0009259259.0B []10
=C []00
=D
此时，8815403.021==R K K
2.3通过实验方法辨识系统的数学模型的建立
2.3.1用试验建模（黑箱）方法辨识被控对象数学模型
图2-1 二阶水箱的仿真模型
初始稳定 30% 1y ：13.223070 0t =1153s
加阶跃后稳定 35%
2y ：17.980470 ’0t =2296s
774977.412=-=?y y y ，5=?U
9549954.05
774977
.4y ==??=U K
909990
.14.0=??y 81998160.38.0=??y 123154.151330608.154.01?→?
=??+y y ， 1261'1=t s ， 1080'11=-=t t t s
047052.170430516.178.01?→?=??+y y ， 1396'
2
=t s ，2430'
22=-=t t t s
7139.547861.10755.074.1)(16.221212
21212121==????????
-?=++=+T T t t T T T T t t T T )
1)(1(21++=
s T s T K
G
即 1
5.1623979.58979549954
.0)17139.54)(17861.107(9549954.02++=++=s s s s G （2-15）
2.3.2通过仿真分析模型辨识的效果
图2-2 simulink 仿真模型
图2-3 仿真图像
由图像可得，理论与实测的曲线基本一致，可知仿真效果较为理想。
误差分析：
①此系统实际并非绝对的线性系统，而是在平衡点附近局部线性化所得的结果，因此，此处可能导致二者的误差；
②在机理建模中对11H H ?+、22H H ?+进行了泰勒级数展开而舍去了高阶导数项，对传递函数的准确性产生了一定的影响； ③由于在实验过程中读数，计算精度的问题也导致理论与实验辨识所建的传递函数存在一定的误差；
④实验中所用的二阶水箱仿真模型本身可能存在一定的误差。
2.4物理系统模拟
根据建立的二阶水箱液位对象模型，在计算机自动控制实验箱上利用电阻、电容、放大器的元件模拟二阶水箱液位对象。
已知 ()()11/1524
152++=s C R Cs R R R R R U U i O
R U U O
可画出仿真实验电路图2-4
图2-4 仿真实验电路图
所得模拟电路图所对应的传递函数为
()()
11/1524
152++=s C R Cs R R R R R U U i O （2-16） 原系统传递函数为)
17139.54)(17861.107(9549954
.0++=s s G
为了缩短仿真时间，这里将1T 、2T 缩小10倍，
77861.10107861.10721=÷==∴C R T
取C=10uF ，则2R =1.1ΩM =1ΩM +100ΩK ，此时111.1101=Ω?=M uF T
47139.5107139.54152=÷==C R T
取1C =10uF ，则5R =540ΩK =510ΩK +10ΩK +10ΩK +10ΩK ， 此时4.5540102=Ω?=K uF T
415221/R R R R K K K ==9549954.0/54.01.141==?=K R R
62199.041=?R R
取Ω+Ω=Ω=K M M R 20012.11 Ω=K R 5104 此时612.041=R R
由实际箱上电路取得: ??????????
?==Ω==Ω=Ω=Ω=Ω=F
C C K R R K R K R M R M R μ101005405101.12.11635421 （2-17）
所得电路传递函数为：
()()()1
4.164.599705882
.014.51s 110588235.1*9166667.0s 2'
++=++=
s s s G （2-18）
第3章双容水箱控制系统的构建与测试
3.1 数据采集卡与数据通讯
首先检测NI USB-6008数据采集卡的功能，一定注意将采集卡命名为Dev1。
使用的接口必须和程序中定义的接口一致。
图3-1 NI USB-6008数据采集卡
其次是OPC通讯技术构建。第一次运行时，点击“Register”,进行OPC服务器注册。
图3-2 OPC 服务器注册
可以通过OPC Client.exe软件导入采集卡各接口变量，以观测其值的变化，并可以通过对端口写值来实现电容的放电。
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
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 (12) 3.1双容水箱结构 (12) 3.2系统分析 (12) 3.3双容水箱液位控制系统设计 (15) 3.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 (15) 3.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 (16) 第四章课程设计总结 (17)
三容水箱液位过程控制设计 专业：自动化 班级：2011级4班 组员：孙健 组员：姜悦2 组员：黄潇20115041 指导老师：陈刚 重庆大学自动化学院 2015年1月
目录 一、现代工业背景 (1) 二、问题的提出 (2) 三、模型的建立 (3) 3.1 单容水箱的数学模型 (3) 3.2 双容水箱的数学模型 (5) 3.3 三容水箱模型 (6) 四、算法的描述 (8) 4.1对原始模型的仿真 (8) 4.2添加P控制并对其仿真 (9) 4.3添加单回路控制并对其仿真 (10) 4.4添加PID控制和单回路控制并对其仿真 (11) 五、结果及分析 (14) 六、总结与体会 (15) 6.1 组长孙健的总结 (15) 6.2 组员姜悦的总结 (15) 6.3 组员黄潇的总结 (15) 七、参考文献 (17) 八、附录 (18)
一、现代工业背景 世界上任何国家的经济发展,都伴随着人民生活水平的改善和城市化进程的不断加快。但是相应的淡水资源的需求和消耗也在不断增多。水,作为一种必不可少的资源，长期以来一直被认为是取之不尽、用之不竭的。在这种观点的驱使下，水环境的质量越来越恶劣、水资源短缺也越来越严重，这一切都加重了城市的负荷，带来一系列危及城市生存与发展的生态环境问题。污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。 建设污水处理厂，消除水污染也是为人民造福的一项事业，政府一时又拿不出巨大的资金投入到治理项目的建设中去。为了使污染快速得到控制，向公民投放建设专项债券，给公民一定的高于银行存款利息的待遇，使公民的资金投入到基础设施建设，发挥这部分资金的作用，也能为政府解除一些资金筹措的忧虑，又体现了全民的环保意识。 现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。 一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。 二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD，COD物质)，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。 三级处理，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。 整个过程为通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后，经过格栅或者砂滤器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理(即物理处理)，初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反应器有曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床)，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理，三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最后利用。 经济发展与水环境污染是成正比的，也就是说经济发展的速度越快，相应带来的水环境污染就越严重。人民生活离不开水，工农业生产发展更离不开水，排出来的无论是生活污水还是工业废水都会带来不同程度的污染。经济的发展是需要资金投入的，保护环境不受污染，同样也需要钱，当资金有限的时候，就需要将经济发展和保护环境这两项硬指标进行有机的协调，不能造成顾此失彼或厚此薄彼的局面。若顾经济发展失环境保护，就会产生环境严重受到污染，再投入相当的资金也不会治理到原来的清洁环境。国外的反面教训警示了我们，日本的伊势湾受到沿海石化生产废水的污染，使伊势湾的水产品受到严重的损失，产生了不能食用的后果，虽经多年的治理也难以恢复污染前的环境状况。这也充分证明了经济发展与环境保护的密切关系。
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (一)题目： 双容水箱自动控制系统和动画设计 题目完成形式： 开题报告、毕业论文、程序流程图、源程序 主要内容： 双容水箱自动控制系统设计：水箱形状选型，上下水电磁阀、水泵等标准件选型，压力 传感器、水位传感器的选型等；工艺流程和计算机动画设计；自动控制系统调试：利用共性 参数测控系统，调试双容水箱液体流速和水位的自动控制。 选题分析（科学性、可行性论证）和内容简要： 双容水箱自动控制是流程工业的典型代表，通过设计双容水箱并实现其自动控制，掌握 流程工业的自动控制方法。双容水箱系统原理为：设计两个串联水箱，水箱1利用流体压力 传感器检测液位高度，通过变速水泵调节流量，达到精确控制水箱水位的目的；水箱2利用 水位传感器检测液面高度，当液面达到控制液面上限，自动停止供水，低于控制液面下限， 开始供水。其计算机测控系统采用“共性参数测控系统”。 内容摘要（主要解决的问题、难点）： 了解流程工业双容水箱的工作原理和实际应用，掌握双容水箱自 动控制原理，掌握水压、水位的测方法和水位的两种控制方法，掌握 计算机数据采集和自动控制原理； 主要任务： 1、查阅双容水箱工业控制原理与应用的相关文献，完成文献综述； 2、设计双容水箱工作原理图、总装配图和零部件图； 3、传感器和水泵等测控单元选型和信号调试； 4、设计双容水箱工艺流程计算机动画； 5、利用共性参数测控系统，配置计算机软件实现自动水位控制。提交文档： 开题报告、论文、系统原理图、总装配图和零部件图、工艺流程计算机动画、双容水箱 自动控制实验报告、英文文献翻译。 备注： 有较好的计算机绘图和工程测试基础，具备一定的的电子电路知识。
DCS实训报告双容水箱液位串级控制系统
一、实训目的 （1）、熟悉集散控制系统（DCS）的组成。 （2）、掌握MACS组态软件的使用方法。 （3）、培养灵活组态的能力。 （4）、掌握系统组态与装置调试的技能。 二、实训内容及要求 以THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置为工业对象。完成中水箱和下水箱串级液位控制系统的组态。 要求：设计液位串级控制系统，并用MACS组态软件完成组态。 包括：（1）、数据库组态。 （2）、设备组态。 （3）、算法组态。 （4）、画面组态。 （5）、在实验装置上进行系统调试。 三、工程分析 THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置中水箱和下水箱串级液位控制系统需要2个输入测量信号，1个输出控制信号。 因此,该系统包括： （1）、该系统有2个AI点LT1、LT2，1个AO点LV1。 （2）、该系统需要1个模拟量输入模块FM148用于采集中水箱液位信号LT1和下水箱液位信号LT2;1个模拟量输出模块
FM151用于控制电动控制阀的开度LV1。并且FM148的设备号为2号，FM151的设备号为3号。 （3）、LT1按2号设备的第1通道，LT2按2号设备的第2通道。LV1按3号设备的第1通道。 （4）、系统配备1个现场控制站10站，1台服务器兼操作员站。 四、实训步骤 1、工程的建立 （1）、打开：开始macsv组态软件数据库总控。（2）、选择工程/新建工程，新建工程并输入工程名；Demo。（3）、点击“确定”按钮，然后在空白处选择“demo”工程。工程信息如下图所示： （4）、选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程“demo”从“未分组的域”移到右边“改组所包含的域”里，点击“确认”按钮。然后，在数据库总控组态软件窗口会出现当前工程名、当前域号、该域分组号、系统总点数。 （5）、数据库组态。
XXXX大学 电子信息工程学院 专业硕士学位研究生综合实验报告 实验名称：双容水箱液位定值控制系统专业：控制工程 姓名： XXX 学号：XXXXXX 指导教师： XXX 完成时间：XXXXX
实验名称：双容水箱液位定值控制系统 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。 实验仪器设备： 1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个； 2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。 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LT2检测到的中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。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，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图所示。
课程设计任务书 2012—2013学年第一学期 专业：测控技术与仪器学号：姓名： 课程设计名称：过程控制系统课程设计 设计题目：双容水箱液位自动控制系统的整定 完成期限：自2012 年11 月12 日至2012 年11 月23 日共2 周一、设计依据 在我国随着社会的发展，很早就实行了自动化控制。而在我国液位控制系统也得到了广泛应用，特别是水箱液位控制还在黄河治水中得到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位高低，以免黄河水位过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。本设计目的是使学生通过该实践环节，能对经典控制理论有较全面的了解和掌握，同时能熟悉和掌握自动控制的基本理论在过程控制中的应用，掌握过程控制系统的组成原理及分析方法，加深理解调节器参数对控制系统质量的影响，掌握过程控制系统的工程整定方法，从而增加解决实际问题的能力，并为今后的学习和工作打下良好的基础。 二、要求及主要内容 1、说明双容水箱液位自动控制系统的工作原理，并详细画出控制系统结构图，根据被控对象的工作原理进行动态特性的测取。 2、分别对双容水箱单回路和串级控制系统进行整定。 3、根据参数整定情况，检查系统性能是否满足给定指标要求。如若不满足要求，应根据测试结果，进行适当调整，如果因系统原因不能满足的指标和要求要给出分析的结果，并最后记录相关的性能指标。 4、撰写课程设计的技术报告，应将全部分析、设计、调试的结果，进行系统的总结，分章节撰写成文。报告中应书写工整，图表齐全，对调试结果要有分析说明。 三、途径和方法 1、熟悉双容水箱自动调节装置 2、通过动态特性试验，对双容水箱对象的模型参数进行测取。 3、对单回路控制系统调节器参数进行整定并实现要求 4、对串级控制系统参数调节器参数进行整定并实现要求；
过程控制系统课程设计基于组态软件单容水箱过程控制系统 姓名： 学号： 班级： 专业： 指导教师：
目录 1 设计目的与要求 (1) 1.1 设计目的 (1) 1.2 设计要求 (1) 2 系统结构设计 (1) 2.1 控制方案 (1) 2.2 系统结构 (2) 3 过程仪表选择 (2) 3.1 液位传感器 (2) 3.2 电磁流量传感器 (3) 3.3 电动调节阀 (3) 3.4 水泵 (3) 3.5 变频器 (4) 3.6 模块选择 (4) 4 系统组态设计 (4) 4.1工艺流程图与系统组态图设计 (5) 4.2 组态画面 (5) 4.3 数据字典 (6) 4.4 应用程序 (6) 4.5 动画连接..................................... 错误！未定义书签。总结. (12) 参考文献 (12) 附录A 单回路控制系统PID控制算法 (13) 附录B PID控制算法流程图 (13)
1. 设计目的与要求 1.1 设计目的 通过组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。 1.2 设计要求 (1) 根据液位单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 (2) 根据液位单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。 (3) 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。 (4) 运用组态软件，正确设计液位但回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 (5) 提交包括上述内容的课程设计报告。 2. 系统结构设计 2.1 控制方案 整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律（见附录A和附录B），调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2.2所示。 当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到上水箱，由HB返回信号，是否还需要抽水到水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好
2.1 三容水箱机理建模 三容水箱实验装置[44,45]主体部分分为3 个圆柱形玻璃容器、3 个连接阀门、3个泄水阀门、1 个贮水箱、3 个压力传感器、2 个水泵及2 个电磁阀和其他连接器件。该系统三个圆柱形的有机玻璃水箱，两两之间各有连接管，中间装有球阀，最右边的水箱2 的水通过管道流向底部的贮水池，而泵1 和泵2 又从贮水箱把水打入水箱1 和水箱2。所有三个水箱均安装了压力变送器来测量液位，可以通过控制泵1 和泵2 的流量1Q 和2Q 来控制水箱的液位[46]。三容水箱主体结构如图2.1 所示。 两个步进电机的转动直接控制两个进水电磁阀门开度，起到调节进水量的作用。工业计算机将检测液位的压力传感器采集到的信号经过数据采集板卡实现A/D转换，转换后以脉冲的形式输出给步进电机，从而使电机控制进水电磁阀门的开度，达到调节进水量的目的，实现控制。实验结束后可通过三个泄水阀门将水箱中的水放到贮水箱里。实验中可以通过三个泄水阀门的组合测定水箱液位的惯性特性，也可以模拟大滞后过程现象，同时可以模拟泄漏故障，电磁调节阀可以起到干扰作用，所以三容水箱过程实验装置可以作为复杂系统研究的典型对象，也可以作为故障诊断研究对象。 - 11 - 对 123
T , T,T各建平衡方程，结果如下： 113 1 QQ dt dh A -1) 1332 3 QQ dt dh A -2) 23220 2 QQQ dt dh A -3) 其未知的量 133220 Q , Q,Q能用广义的Torricelli规则来确定： 2 1 qazSsgn h2gh n -4) 公式(2-4)中： g —重力加速度，m/s
自动控制课程设计 课程名称：双容水箱液位串级控制 学院：机电与汽车工程学院 专业：电气工程与自动化 学号： 631224060430 姓名：颜馨 指导老师：李斌、张霞 2014/12/30
0摘要 (2) 1引言 (2) 2对象分析和液位控制系统的建立 (2) 2.1水箱模型分析 (2) 2.2阶跃响应曲线法建立模型 (3) 2.3控制系统选择 (3) 2.3.1控制系统性能指标【2】 (3) 2.3.2方案设计 (4) 2.4串级控制系统设计 (4) 2.4.1被控参数的选择 (4) 2.4.2控制参数的选择 (5) 2.4.3主副回路设计 (5) 2.4.4控制器的选择 (5) 3 PID控制算法 (6) 3.1 PID算法 (6) 3.2 PID控制器各校正环节的作用 (6) 4 系统仿真 (7) 4.1.1系统结构图及阶跃响应曲线 (7) 4.2.1 PID初步调整 (10) 4.2.2 PID不同参数响应曲线 (12) 4.3.1 系统阶跃响应输出曲线 (17) 5加有干扰信号的系统参数调整 (20) 6心得体会 (22) 7参考文献 (22)
液位控制是工业生产乃至日常生活中常见的控制，比如锅炉液位，水箱液位等。针对水箱液位控制系统，建立水箱模型并设计PID控制规律，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：串级液位控制；PID算法；Matlab；Simulink 1引言 面液位控制可用于生产生活的各方面。如锅炉液位的控制，如果液位过低，可能造成干烧，容易发生事故；炼油过程中精馏塔液位的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。本文针对双容水箱，以下水箱液位为主控制对象，上水箱为副控制对象。选择进水阀门为执行机构，基于Matlab建模仿真，采用PID控制算法，整定PID参数，得出合理控制参数。 2对象分析和液位控制系统的建立 2.1水箱模型分析 现以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构成传统液位串级控制系统，其结构原理图如图1所示。 图1 双容水箱液位控制示意图
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。 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；
组态软件课程设计报告书题目：双容水箱液位监控系统组态
一、课程设计目的 组态综合练习态是一项综合性的专业实践活动，目的是让学生将所学的基础理论和专业知识运用到具体的工程实践中，以培养学生综合运用知识能力、实际动手能力和工程实践能力，为此后的毕业设计打下良好的基础 二、课程设计任务 本课程设计要求在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS ），结合一个双容水箱液位监控系统，完成该控制系统的上位机监控系统组态设计。 三、课程设计要求 1．基本要求 （1）监控系统总体设计：了解系统设计要求，进行需求分析，确定组态软件输入输出点、内部变量等，构思监控系统的组态框架。 （2）实时数据库组态：根据所确定的输入输出点和内部变量点，建立监控系统实时数据库。 （3）虚拟对象组态设计：采用脚本语言或其他软件工具建立虚拟对象模型，能够仿真实际的物理对象，具有输入输出特性。 （4）窗口界面组态：根据系统需求和实际生产过程中的对象工艺流程，设计监控系统的图形操作界面，并同实时数据库IO 点链接。 （5）运行策略组态：采用脚本语言建立监控系统的运行策略，控制所建立的软件系统的运行流程。 （6）控制策略组态设计：选择和设计适当的控制算法并组态，实现对被控系统的控制要求。 （7）历史和趋势记录报表设计：建立历史数据库，实现监控系统的历史数据记录和趋势显示。 （8）实时和历史报警记录报表设计：确定和建立参数的报警限值和报警数据存储特性，实现监控系统的实时报警显示和历史报警数据查询。 （9）主控窗口组态：通过系统菜单能对系统各个功能进行调度管理。 （10）安全策略组态：建立监控系统的安全操作机制，对用户设定不同的操作权限，保证监控系统的安全性。 （11）进行监控系统的调试、运行和改进。 （12）编写课程设计报告。 2．具体要求 （1）数据变量 所选课题系统应具有一定数量的开关量I/O 信号（至少6 个）和模拟量I/O 信号（至少4 个）。 （2）监控系统画面 所设计的监控系统画面应包括下列内容，并具有动态显示和操作功能。 ①系统封面；
过程控制课程设计 三容水箱液位控制系统建模和仿真 ---------- 专业：自动化 班级：---------- 组员：---------- 指导老师：---------- 重庆大学自动化学院 20XX年10月
目录 摘要 (1) 1 两种三容水箱工作原理 (1) 1.1 三容水箱结构 (1) 1.2 三容水箱系统特点 (2) 2 两种三容水箱理论建模 (3) 2.1 假设及相关参数定义 (3) 2.2 实施器（阀门）数学模型 (4) 2.3 阶梯式三容水箱数学模型 (4) 2.4 水平式三容水箱数学模型 (6) 3两种三容水箱模型控制和仿真 (7) 3.1 阶梯式三容水箱简单PID控制 (8) 3.2 阶梯式三容水箱串级PID控制 (9) 3.3 水平式三容水箱简单PID控制 (11) 3.4 水平式三容水箱串级PID控制 (12) 4 总结 (14) 5 心得体会 (14) 5.1 顾振博心得体会 (14) 5.2 陈冶心得体会 (15) 5.3 谢海龙心得体会 (15) 参考文件 (16) 附录 (16) 所用参数及其数值 (16)
摘要 三容水箱是工业过程中很多被控对象经典抽象模型，在非线性、大惯性过程控制研究应用中含有广泛代表性。多年来中国外很多学者对三容水箱系统建模方法、控制算法及故障诊疗等方面进行了探讨。深入研究三容水箱系统控制算法并构建现在试验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中全部含有较为关键理论和实际应用价值。 本设计经过对阶梯式、水平式这两种经典水平式三容水箱系统分别进行理论建模，再分别加入了简单PID和串级PID控制器，而且在MATLABSimulink仿真平台上搭建了对应控制系统框图，对阶跃响应下输出信号进行了仿真，实现了对两种三容水箱液位控制系统控制。 1 两种三容水箱工作原理 1.1 三容水箱结构 三容水箱主体由3个圆柱型玻璃容器(Tankl(T1)、Tank2(T2)、Tank3(T3))、4个阀门(VT0、VT1、VT2、VT3、VT4)、一个增压泵、一个蓄水池和响应连接部件组成。试验台工作时，增压泵抽出储水箱内水，经过百分比电磁阀VT0注入容器T1，T1内水再经过VT1、VT3依次流入T2和T3中，最终经过VT3流回蓄水池中，组成了一个封闭回路。经过各个阀门（VT0--VT3)开关状态不一样组合，可组成各阶控制对象和不一样控制系统。 下图是两种不一样形式三容水箱结构简图，其中图1为阶梯式三容水箱，图2为水平式三容水箱。
双容水箱液位串级控制系统课程设计 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()()()201 p 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()()51 p 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）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 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 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，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
本科毕业论文(设计) 题目：基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计学院：自动化工程学院 专业：自动化 姓名： ### 指导教师： ### 2011年 6 月 5 日
Cascade level PID control system based on Kingview 6.5
摘要 开发经济实用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验容，对提高课程教学实验水平，具有重要的实际意义。 就高校学生的实验课程来讲，由于双容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验容，需要全面掌握自动控制理论及相关知识。 本文通过对当前国外液位控制系统现状的研究，选取了PID控制、串级PID控制等策略对实验系统进行实时控制；通过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱和双容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识；利用工业控制软件组态王6.5，并可通用于ADAM模块及板卡等的实现方案，通过多种控制模块在该实验装置上实验实现，验证了实验系统具有良好的扩展性和开放性。 关键词：双容水箱液位控制系统串级PID控制算法组态王6.5 智能调节仪 Abstract It is significant to develop applied experiment device and experiment content which combines theory and practice to improve experimental level of teaching. Based on the current situation of domestic and international level control system, selected the PID control, cascade PID control strategies such as
双容水箱液位控制系统 郭晨雨
目录 摘要 --------------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善----------------- 错误!未定义书签。二．被控对象的分析与建模--------------------------------------------- 错误!未定义书签。 三．PID参数整定方法概述---------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析错误!未定义书签。 比例作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 积分作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 微分作用 --------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID参数的整定方法 ------------------------------------------------ 错误!未定义书签。 临界比例度法 ------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID参数的确定 ----------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 四．控制结构 ---------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 利用根轨迹校正系统 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。 利用伯德图校正系统 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。 调整系统控制量的模糊PID控制方法------------------------- 错误!未定义书签。 模糊控制部分----------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 PID控制部分 ---------------------------------------------------- 错误!未定义书签。五．控制器的设计---------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 六.仿真结果与分析--------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。 七.结束语---------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。参考文献 ---------------------------------------------------------------------- 错误!未定义书签。
毕业设计开题报告 题目：基于MCGS的双容水箱液位监控系统设计学生姓名：学号： 专业：测控技术与仪器 指导教师： 2014年04月23日
1．文献综述 1.1 液位控制系统的研究与应用背景及现状 人们生活以及工业生产经常会涉及到水箱液位控制的问题，例如锅炉，食品加工，居民生活用水，污水处理等，在这个过程中仅仅靠人工来调节是远远不够的。为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以就又引入了可编程逻辑控制既PLC。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。 多容水箱液位控制系统是集计算机技术、自动化仪表技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。它的特点包括：结构简单、观察直观、组态灵活等。基于以上的特点在该系统平台可以实施和开发各种相异的控制方案。国内外许多学者和工程技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告，验证了重要的理论成果和指导生产实践[7]。 1.3 双容水箱液位控制系统的工作原理 控制系统如图１所示，采用单回路控制系统，实现对水箱液位（下水箱的液位H）的恒定控制。当通过一旁通管道往上水箱注水或下水箱注水时，即给系统加入了干扰1或干扰2。此时，下水箱的水位就会增加，从而偏离给定值（设定为15cm)。液位检测变送器将信号转变为电信号（4-20mA）送入PLC中。控制器PLC通过内部A/D模块将模拟信号转换为数字信号,再经过内部PID运算,输出模拟控制信号给电动执行器。电动执行器在PLC的输出信号控制下，改变阀门的开度，从而调节流进上水箱的水流量，实现对水位的恒定调节，双容水箱液位控制的方块原理图如图2所示[1]。
热工过程自动调节课程设计 指导书 南京工程学院 能源与动力工程学院
1. 单容水箱动态特性测取 1.1 单容水箱动态特性测取目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数和传递函数。 1.2单容水箱动态特性测取原理 图1-1单容水箱特性测试结构图 由图1-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，手动阀V 1和V 2的开度都为定值，Q 2为水箱中流出的流量。根据物质平衡关系，在平衡状态时 Q 10-Q 20=0 （1） 动态时，则有 Q 1-Q 2= dt dV （2） 式中V 为水箱的贮水容积， dt dV 为水贮存量的变化率，它与H 的关系为 Adh dV =，即 dt dV = A dt dh （3） A 为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得 Q 1-Q 2=A dt dh （4） 基于Q 2= S R h ，R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为 Q1- S R h = A dt dh 即 AR S dt dh +h=KQ 1 或写作 ) ()(1s Q s H = 1 +TS K （5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。 式（5）就是单容水箱的传递函数。
若令Q 1（S ）= S R 0，R 0=常数，则式（5）可改为 H （S ）= T S T K 1/+ × S R 0=K S R 0- T S KR 10 + 对上式取拉氏反变换得 h(t)=KR 0(1-e -t/T ) （6） 当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时，则有 h(T)=KR 0(1-e -1 )=0.632KR 0=0.632h(∞) 式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。当由实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应 图1-2 单容水箱的单调上升指数曲线 的时间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T ，由响应曲线求得K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图1-3，则在此曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图1-3中OB 即为对象的滞后时间τ，BC 为对象的时间T 常数T ，所得的传递函数为：H(S)= Ts Ke s +-1τ 图1-3 单容水箱的阶跃响应曲线 1.3 单容水箱动态特性测取内容与步骤 1．按图1-1接好实验线路，并把阀V 1和V 2开至某一开度，且使V 1的开度大于V 2的开度。 2．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。 3．把调节器设置于手动操作位置，通过调节器增/减的操作改变其输出量的大小，使水箱的液位处于某一平衡位置。 4．手动操作调节器，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一定的调节时间后，水箱的液位进入新的平衡状态，如图1-4所示。
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)