双容水箱

“过程控制系统设计”

实物实验报告

实验名称：双容水箱对象特性测试实验姓名：王季诚

学号： 20101512 班级： 2010032班

指导老师：李芹

同组人：沈依春、王超

实验时间：2013年4月26日

一、实验目的

1、了解双容对象的动态特性及其数学模型

2、熟悉双容对象动态特性的实验测定法原理

3、掌握双容水箱特性的测定方法

二、实验设计：（画出“系统方框图”和“设备连接图”）

设备连接图：

方框图

水箱1 阀门

液位传感器

设定值

水箱1液位

三、实验步骤

1、进入实验：运行四水箱DDC实验系统软件，选择DDC实验；

2、选择执行机构：在实验系统中有两个执行机构，分别由控制量“U1”和“U2”控制。这两个控制量的范围为0～100，选择“U1”作为控制量。

3、选择双容对象：实验系统有四个水箱：水箱1、水箱2、水箱3和水箱4，它们对应的液位分别用H1、H2、H3和H4表示，选择水箱3和水箱1串接成一组双容水箱作为被测定对象。

4、组成控制回路：构成的控制量为U1，被测量为H1的控制回路，为此根据连接图，我们需打开水箱1和3的进水阀，关闭其它进水阀。

5、选择工作点：控制量“U1”控制执行机构，通过构造的控制回路，使被测的单容水箱的液位稳定在某个点。

具体设置方式如下：

选择控制量“U1”

如上图所示，单击实验界面中的调节阀图标，进入输出设置窗体，如下图所示：

在窗体中，通过键盘输入期望的值。

6、 控制量阶跃变化

当单容水箱的液位稳定在工作点时，让U1根据实际的效果选择跳变的幅度。

四、实验记录（包括实验数据和波形图）

1、阀门开度20%变化到25%

T(min) 0 2 4 7

10

13

16

20

26

27

被测量

水箱H1的液位 5.1

6.9 8.2

10.5

12.1

13.4

14.4

15.1

15.4

15.7

2、阀门开度从25%到22.5%

3、阀门开度22.5%→27.5%→22.5%(脉冲宽度8min)

T(min) 0 2 6 11 15 18 22 26

被测量 水箱H1的液位

15.5 15.5 14.8 14.1 13.4 13.1 12.7 12.5

T(min) 0 1 4 6 11 15 19 23

被测量 水箱H1的液位 12.2 12.2 13.3 13.5 13.6 13.3 13.0 13.0

阶跃响应

12.2 12.2 13.3 13.5 25.8

26.7

26.8

26.8

1、阀门开度20%变化到25%阶跃曲线

5

10

15

20

25

468101214161820%-25%水箱1的阶跃曲线

2、阀门开度从25%到22.5%

5

10

15

20

25

468101214161825%-22.5%水箱1的阶跃曲线

3、阀门开度22.5%→27.5%→22.5%(脉冲宽度8min)

5

10

15

20

25

510

15

20

25

30

测得的数据曲线

五、结果分析

一、阀门开度从20%到25%

A 、两点法

当阀门开度从20%→25%时： K=

%/12.2%

20%251

.57.15cm =--

在图中取两点：y(1t )=0.39?(15.7-5.1)+5.1=9.234cm y(2t )=0.632?(15.7-5.1)+5.1=11.8cm 得：1t =4.75(min) 2t =8.47(min)

所以：T =2（2t -1t ）=2?（8.47-4.75）=7.44(min)

τ=21t -2t =2?4.75-8.47=1.03(min)

B 、作图法：

在拐点处做切线得两点（1.47,7.6），（18.45，16.5） 所以有：τ=1.47(min) T =18.45-1.47=16.98(min) 被控对象的传递函数为：s e s s G 03.11

44.712

.2)(-+=

二、阀门开度从25%到22.5% A 、两点法

当阀门开度从25%→22.5%时： K=

%/28.1%

5.22%256

.128.15cm =--

在图中取两点：y(1t )=0.39?(15.8-12.6)+12.6=13.848cm y(2t )=0.632?(15.8-12.6)+12.6=14.622cm 得：1t =13.98(min) 2t =12.86(min)

所以：T =2（2t -1t ）=2?（13.98-12.86）=2.24(min)

τ=21t -2t =2?12.86-13.98=14.74(min)

B 、作图法：

在拐点处做切线得两点（2.56,15.68），（22.45,12.75） 所以有：τ=2.56(min) T =22.45-2.56=19.89(min) 被控对象的传递函数为：s e s s G 75.141

24.228

.1)(-+=

三、阀门开度从22.5%到27.5%再到22.5% A 、两点法 K=

%/92.2%

5.22%5.272

.128.26cm =--

在图中取两点：y(1t )=0.39?(26.8-12.2)+12.2=17.894cm y(2t )=0.632?(26.8-12.2)+12.2=21.43cm 得：1t =6.28(min) 2t =11.78(min)

所以：T =2（2t -1t ）=2?（11.78-6.28）=11(min)

τ=21t -2t =2?6.28-11.78=0.78（min)

B 、作图法：

在拐点处做切线得两点（4.36，,13.69），（17.5,23.5） 所以有：τ=4.36(min) T =17.5-4.36=13.14(min) 被控对象的传递函数为：s

e s s G 78.01

1192.2)(-+=

六、思考题

1、简述实验法测定双容水箱动特性的过程。

开启实验设备，连接线路后，在电脑上打开DDC 实验，设定U1的开度为30%，等待水箱3和水箱1稳定，并且稳定值不能过高也不能过低，否则实验数据不准确。然后给予U1不同的开度，再等待其稳定，记录实验数据。可以选择向上的阶跃，两次向下的阶跃，再设定一次8分钟的脉冲宽度，做一次脉冲响应。完成的4组数据分别计算K,T, τ的的值，根据自己的设想完成最后的双容水箱的传

函。

2、双容水箱对象特性与单容水箱对象特性有什么区别？

双容水箱的响应速度比较慢有一定的迟延，且单容水箱建立的模型是一个一阶的系统，而双容水箱是一个二阶的系统或者一阶惯性加纯迟延系统，在本题中用一阶惯性加纯迟延环节来进行建立数学模型，所以有很大误差。

七、实验小结

过程控制是一门非书本形式的课程，在课堂上不能完全地把动态变量的变化形式描述清楚。在试验中，我们不仅能够通过自己的观察，了解参数的动态，还可以通过自己对控制的改变，来实现对结果的干涉、预判、以及证明。

双容水箱毕业设计

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (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。

双容水箱实验报告(采用PID+模糊控制)

目录 摘要2 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善3 二．被控对象的分析与建模6 三．PID参数整定方法概述8 3.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析8 3.1.1 比例作用8 3.1.2 积分作用8 3.1.3 微分作用9 3.2 PID参数的整定方法10 3.3 临界比例度法12 3.4 PID参数的确定15 四．控制结构16 4.1 利用根轨迹校正系统16 4.2 利用伯德图校正系统18 4.3 调整系统控制量的模糊PID控制方法20 4.3.1模糊控制部分20 4.3.2 PID控制部分23 五．控制器的设计24 六.仿真结果与分析25 七.结束语27 参考文献28

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 ，Simulink

For T wo-capacity water tankbig lag system，using PID to control this system. First, to analyze the effectofeach parameter of PID. And the root-locus technique and bode 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

双容水箱液位串级控制系统DCS实训报告毕业论文

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。

双容水箱液位自动控制系统的整定-任务书

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；

三容水箱液位控制

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。

自动控制课程设计--双容水箱液位串级控制

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

双容水箱液位控制系统

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)

双容水箱液位串级控制系统课程设计

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

双容水箱液位控制系统

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：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)

双容水箱实验报告(采用PID+模糊控制)

目录 摘要--------------------------------------------------------------- 2 一．PID控制原理、优越性，对系统性能的改善-------------------------- 4二．被控对象的分析与建模-------------------------------------------- 6 三．PID参数整定方法概述-------------------------------------------- 8 3.1 PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析------------ 8 3.1.1 比例作用----------------------------------------------- 8 3.1.2 积分作用----------------------------------------------- 9 3.1.3 微分作用----------------------------------------------- 9 3.2 PID参数的整定方法------------------------------------------ 10 3.3 临界比例度法---------------------------------------------- 12 3.4 PID参数的确定--------------------------------------------- 15 四．控制结构------------------------------------------------------- 16 4.1 利用根轨迹校正系统----------------------------------------- 16 4.2 利用伯德图校正系统----------------------------------------- 18 4.3 调整系统控制量的模糊PID控制方法--------------------------- 20 4.3.1模糊控制部分------------------------------------------ 20 4.3.2 PID控制部分------------------------------------------ 23五．控制器的设计--------------------------------------------------- 24 六.仿真结果与分析-------------------------------------------------- 25 七.结束语---------------------------------------------------------- 27参考文献----------------------------------------------------------- 28

双容水箱液位定值控制系统实验报告

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。

双容水箱液位定值控制系统实验报告

精品文档 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。 屯动阀下水前

双容水箱液位控制系统毕业设计

本科生毕业论文（设计） 双容水箱液位控制系统 院－系：工学院 专业：电气工程及其自动化 年级： 学生姓名： 学号： 导师及职称：

Department: Major:Electrical engineering and automation Grade: Student’s Name: Student No: Tutor:

\毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期： 毕业论文（设计）授权使用说明 本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名：指导教师签名： 日期：日期：

毕业论文（设计）答辩委员会(答辩小组)成员名单 姓名职称单位备注 主席（组长）

【摘要】 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统，是为了提高单回路控制系统的控制效果而提出来的一种控制方案。串级控制系统把两个单回路控制系统以一定的结构形式串联在一起，它不仅具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。串级控制系统采用了两个调节器，因此它的调节器的参数整定更复杂一些。 本论文论述了一个液位——流量串级控制系统的设计方法和步骤，介绍了它的参数整定方法。在此过程中，介绍了对液位和流量进行检测和转换的常用元件，应用阶跃响应曲线推导了广义对象的传递函数，简单地论述了串级控制系统的优点，讨论了它对控制效果的改善作用，并使用仿真软件对该系统进行了仿真，最后用组态软件编制程序来实现控制。 关键词：串级控制系统，液位，流量，仿真

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

双容水箱液位模糊控制

双容水箱液位模糊控制 一、实验目的 熟悉双容液位控制系统的组成原理。 通过实验进一步掌握模糊控制原理及模糊控制规则的生成。了解量化因子和比例因子对控 制效果的影响。 掌握解模糊方法及实现。 二、实验设备 实验对双象为TKGK-1双容液位系统 TKGK-1 型实验装置：GK-06、GK-07-2 万用表一只 计算机系统 三、实验原理 图1双容水箱液位模糊控制系统方框图 图1为双容水箱液位控制系统。控制 的目的是使下水箱的液位等于给定值，并能克服来 自系统内部和外部扰动的影响。双容水箱液位系统 如图2,该被控对象具有非线性和时滞性，建立精确的 数学模型比较困难；模糊控制不 仅可以避开复杂的数学模型，通常还能得到比较好性 能指标。模糊控制器的结构图如图3。 模糊控制器的输入为误差和误差变化率：误差e=r- y，误差变化率ec=de/dt ,其

糊语言集合，然后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R （模糊关系矩阵）根据合成推理规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量U,最后再把模糊量解模糊转换为精确量u ,再经D/A转换为模拟量去控制 执行机构动作。 图3模糊控制器组成原理图 模糊量化：根据精确量实际变化范围[a,b],合理选择模糊变量的论域为[-n,n],通过量化因 子k=&-企，将其转换成若干等级的离散论域，如七个等级为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，简写为｛NB,NM,NS,O,PS,PM,PB｝确定模糊子集的隶属函数曲线。一般常采用三角形、梯形和正态分布等几种曲线。然后由隶属函数曲线得出模糊变量E、EG U的赋值表。 根据经验，E模糊子集的隶数度函数取正态分布曲线，则赋值表见表 模糊控制规则：模糊控制规则是操作经验和专家知识的总结，是进行模糊推理的依据。在设 计模糊控制规则时，必须考虑控制规则的完备性、交叉性和一致性。既保证对于任意给定的 输入，均有相应的控制规则起作用；控制器的输出值总是由数条控制规则来决定；控制规则 中不存在相互矛盾的规则。在总结专家经验和过程知识的基础上，可以得到如表二的控制规 则表： 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，模糊控制系统目前常采用的有：CRI推理的查表法、CRI推理的解析法、Mamdani直接推理法、后件函数法等。本实验可采用Mamdani直接推理法。Mamdani推理法是先求出模糊关系R,再根据输入求出控制量，把 控制量清晰化，可得控制查询表.

双容水箱液位串级控制系统设计(精)

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；

双容水箱液位PID控制实验

《过程控制系统设计》课程实验报告 2018年5月9日

实验二双容水箱液位PID控制实验 一、实验目的 1、学习双容水箱液位PID 控制系统的组成和原理； 2、进一步熟悉PID 的调节规律； 3、进一步熟悉PID 控制器参数的整定方法。 二、实验设备 1、四水箱实验系统DDC 实验软件； 2、PC 机（Window XP 操作系统）； 3、CS4000型过程控制实验装置。 三、实验原理 1、控制系统的组成及原理 单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。双容水箱液位PID 控制系统也是一种单回路调节系统，典型的双容水箱液位控制系统如图 1 所示： 图 1 双容水箱液位PID 控制系统的方框图 在双容水箱液位PID 控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID 控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。 3、PID 控制器参数的实验整定方法 双容水箱液位PID 控制器参数整定，是为了得到某种意义下的最佳过渡过程。我们这里选用较通用的“最佳”标准，即在阶跃扰动作用下，先满足需要的衰减率，然后尽量协调准确性和快速性要求。 四、实验内容 在手动情况下进入初始稳态（如图3），然后根据水箱的实际液位情况进行了一次下水箱阶跃响应测试，最终达到平衡状态，如图4所示。根据两点法求K、T、τ参数，并用响应曲线法整定出对应的控制器参数。将整定好的参数投入设备，进行闭环自动控制，并微调参数，记录分析控制系统的响应曲线。