双容水箱数学模型推导
双容水箱液位串级控制系统课程设计(word文档良心出品)
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()()()201p 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()()51p 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）。
双容液位控制系统的设计
双容液位控制系统的设计一、引言液位控制是工业生产过程中非常重要的一项控制技术，涉及到很多行业，如化工、石油、机械等。
双容液位控制系统是一种常见的液位控制系统，适用于双容器之间液位的控制和调节。
本文旨在介绍双容液位控制系统的设计原理、建模过程和控制策略。
二、设计原理设计双容液位控制系统的关键是建立双容器之间液位与控制阀的开启程度之间的数学关系。
常用的数学模型有级差模型和电气模拟模型。
级差模型假设两个容器之间的液位差与控制阀的开启程度成线性关系。
电气模拟模型则通过电路和元件来模拟液位和控制阀之间的关系。
三、建模过程1.确定系统的输入和输出变量：输入变量通常是控制阀的开度，输出变量是液位差。
2.建立数学模型：可以使用级差模型或电气模拟模型。
2.1级差模型建模：液位差=K*(开度1-开度2)其中，K为级差因子，开度1和开度2分别为上游容器和下游容器的控制阀开度。
2.2电气模拟模型建模：使用电路和元件来模拟液位和控制阀之间的关系，如使用电阻模拟阀门、电容模拟容器等。
3.验证和调优模型：通过实验或仿真验证模型的准确性，并根据实际情况对模型参数进行调优。
四、控制策略反馈控制是根据实际液位差与设定值之间的偏差来调整控制阀的开启程度，使液位差尽可能接近设定值。
前馈控制是在系统受到外部干扰时，根据干扰信号的大小来改变控制阀的开启程度，以抵消干扰对液位差的影响。
采用PID控制器是常用的控制策略。
PID控制器根据比例、积分和微分三个参数来调节控制阀的开启程度，以实现液位的稳定控制。
五、总结双容液位控制系统是一种常见的液位控制系统，涉及到液位建模和控制策略的设计。
本文介绍了双容液位控制系统的设计原理、建模过程和控制策略，包括级差模型和电气模拟模型的建模方法，以及反馈控制和前馈控制的控制策略。
双容液位控制系统的设计需要根据具体的应用需求进行调整和优化，并且需要进行实验验证和参数调优才能达到理想的控制效果。
双容水箱液位控制系统毕业设计(论文)
内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：双容水箱液位控制系统学生姓名：学号：专业：班级：指导教师：双容水箱液位控制系统摘要本设计以PCT-Ⅲ型过程控制实验装置为基础，对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。
通过对双容水箱液位控制系统的分析建模，针对其对象特性，采用串级PID控制方式，构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位串级控制系统，有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题，从而缩短了调节时间。
利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时地操作、监控。
在控制过程中不需要下位机，通过在组太王软件工程浏览器中的命令语言编辑对话框里面输入PID控制源程序，实现计算机直接控制的方式，通过RS232/485转换器和牛顿模块实现计算机与现场设备之间的数据交换。
并利用变频器使抽水泵工作在恒压供水的状态下，通过电动调节阀来实现控制目标。
在对双容水箱液位控制系统进行参数整定时，以使调节过程稳、准、快为原则，从而得到适合的调节器参数。
实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。
关键词: 液位；串级控制；PID 控制；组态软件；参数整定Double tank water level control systemAbstractThe design is based on the PCT-Ⅲ type of process control device for the testing object properties and level control on the two-tank. Through analysis and modeling for the two-tank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tank's liquid level cascade control system. It overcomes the problems effectively about the second two-tank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asia's PC to implement the interface configuration, operate water level real-time and monitor the system. In the control process does not require the next crew, edit dialog box to enter the PID control inside source through the software engineering group in the browser command language to achieve direct control of the computer, through the RS232/485 converter and Newton module achieve the exchange of data between computer and field devices. And use the drive to work in the constant pressure water supply pumps in the state, through the electric control valve to achieve the control objectives. In two-tank water level control system parameters adjustment, follow the principle of steady, accurate, fast in adjustment process to get appropriate parameters. The experimental results show that the system of process parameters to achieve steady-state error-free control, with good steady state performance and dynamic performance.Keywords:Level; Cascade control; PID control; configuration software; parameter tuning目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2本文主要研究的内容 (2)第二章PCT试验装置介绍 (3)2.1 PCT实验装置构成简介 (3)2.1.1水箱 (3)2.1.2液位传感器 (3)2.1.3电动调节阀 (4)2.1.4压力传感器 (4)2.1.5变频器 (4)2.1.6三项磁力水泵 (5)2.1.7牛顿模块 (5)2.2双容水箱系统硬件结构 (6)2.3 水箱液位实验控制系统的用途 (7)第三章双容水箱液位控制系统分析设计 (8)3.1双容水箱液位控制系统分析 (8)3.1.1液位控制系统组成 (8)3.1.2液位控制系统的控制目标 (9)3.1.3液位控制系统的模型分析 (9)3.2 双容水箱液位控制系统方案设计 (12)3.2.1控制方案的选定 (12)3.2.2串级控制系统的特点 (13)3.2.3串级控制系统的设计 (13)3.2.4计算机串级控制算法实施 (17)3.2.5液位串级控制系统工作过程 (18)3.3液位控制系统参数整定 (19)3.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响 (20)3.3.2几种工程整定方法介绍 (21)3.3.3串级控制系统的参数整定 (24)第四章组态软件设计 (27)4.1“组态王”简介 (28)4.2组态画面的建立 (28)4.2.1建立工程 (28)4.2.2设备配置 (29)4.2.3变量定义 (31)4.2.4画面设计与动画连接 (33)4.2.5实时曲线和历史曲线的建立 (36)4.2.6手自动切换和PID控制画面的建立 (38)第五章双容水箱液位控制系统实验 (40)5.1实验所用设备 (40)5.2实验过程 (40)5.3实验结果分析 (42)总结 (43)参考文献 (44)附录 (46)致谢 (48)第一章绪论1.1课题研究背景及意义随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。
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。
双容水箱液位静动态特性测试(实验一)
青岛科技大学实验报告年月日姓名专业班级同组者课程实验项目双容水箱液位静、动态特性测试一、实验目的1. 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2. 根据由实际测得双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。
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、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根3. 万用表 1只三、实验原理图1 双容水箱对象特性结构图由图1所示，被控对象由两个水箱相串联连接，由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。
被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2所示。
由图2可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数（图2(a)），而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（图2(b)）。
显然，多了一个水箱，液位响应就更加滞后。
图2 双容液位阶跃响应曲线图3 双容液位特性参数计算在图3所示的阶跃响应曲线上求取，利用下面的近似公式计算式，从而得到双容对象的传递函数为。
四、实验内容与步骤1、打开上位机，按照线路图接线。
2、检查线路，接通总电源和相关仪表的电源。
3、把调节器设置于手动位置，手动改变输出值到阀位65%，观察实时和历史曲线，使上水箱和中水箱的液位处于某一平衡位置。
4、突增/减调节器的手动输出量（建议增加到75%），重新达到平衡，作为一次阶跃输入，测得。
减小手动阀位输出量到65%，使中水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态，测得。
5、两次参数求平均求得系统参数，并打印历史曲线。
五、实验要求请给出实验的调节过程及调节参数，并附上历史曲线，分析实验结果，给出双容液位广义对象的传递函数表达式。
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]。
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摘要：本文基于MATLAB，设计了一个双容水箱液位控制系统。
首先，介绍了控制系统的背景和目标。
然后，系统的数学模型被建立，并通过MATLAB进行了模拟。
接下来，设计了控制器和观测器，并进行了系统的闭环控制。
最后，通过实验验证了系统性能的有效性。
1.引言水箱液位控制是许多工业和民用领域常见的问题之一、传统的液位控制方法通常有许多局限性，例如精度不高、控制响应慢等。
因此，设计一种高性能的液位控制系统对实际应用非常重要。
本文基于MATLAB，设计了一种双容水箱液位控制系统，旨在提高控制精度和响应速度。
2.系统建模首先，建立了双容水箱的数学模型。
假设水箱内的水可以视为不可压缩和不可挤压的流体，使用连续性方程和质量平衡方程来描述液位的变化。
然后，使用传感器和反馈控制器来测量和控制液位。
最后，利用MATLAB进行模拟，验证了该数学模型的准确性。
3.控制器设计为了提高系统的控制性能，设计了一个PID控制器。
PID控制器包括比例、积分和微分三个部分，分别用于校正偏差、消除静差和抑制振荡。
通过调整PID的参数，优化了系统的控制性能。
4.观测器设计为了实时监测液位变化，设计了一个观测器。
观测器根据已知的控制输入和输出，估计状态变量的值。
在双容水箱液位控制系统中，使用了一种基于卡尔曼滤波器的观测器，为系统提供了准确的状态估计。
5.闭环控制将控制器和观测器与水箱液位控制系统相结合，形成一个闭环控制系统。
通过控制器的输出控制水泵的速度，实现对液位的控制。
通过观测器的输出估计液位的值，为控制器提供准确的反馈。
6.实验验证通过实验验证了设计的双容水箱液位控制系统的有效性。
将系统置于实际工作环境中，测量液位的变化，并与理论模型进行比较。
实验结果表明，该系统具有良好的控制性能和响应速度。
7.结论本文基于MATLAB，设计了一个双容水箱液位控制系统。
通过系统建模、控制器设计和观测器设计，实现了对液位的精确控制。
双容水箱液位串级控制系统设计答辩稿
主控制
副控制
上水箱
下水箱
单回路仿真框图
单回路无校正仿真曲线
单回路控制仿真框图
单回路控制最终仿真曲线 参数：K1=9.8，Ti=0.4，TD=35
串级控制系统仿真框图
串级有校正仿真曲线 参数P1=77，I=5，D=55，P2=15
•
动态性能指标对比
td
单 回路 串 级 0s 2s 1s 0s 0.5 % 0 1s
tr
tp
ts
0s
σ
1
ess
0
2.5s 2s
含噪声单回路PID控制的系统仿真框 图
含有噪声单回路仿真曲线 参数P1=77，I=5，D=55
含噪声串级控制框图
含噪声串级控制最终仿真曲线 参数P1=77，I=5，D=55，P2=15
含噪声的动态性能指标对比
td 单回 0.4s 路 tr 1.5s tp 1s ts 8s σ 20 ess 0.1
串s
0.8% 0
• 感谢各位老师的观看
• 学生：卢嘉鑫 • 指导教师：赵静
双容水箱液位串级控制系统设 计
• 1、建立系统数学模型 • 2、设计双容水箱液位单回路反馈控制系统 和串级控制系统 • 3、先对未加校正的单回路系统进行仿真， 然后加入控制，进行仿真以及参数整定， 然后进行串级系统仿真及参数整定，并与 之前单回路系统进行动态性能指标比较。 • 4、含有噪声的串级控制仿真，并与之前含 有噪声的单回路反馈控制系统进行比较。
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控制变量：进水流量QI； 主被控参数：下水箱液位 副被控参数：上水箱液位； 主控制器：PID； 副控制器：P 执行器：控制阀； 上水箱尺寸为：A1=0.0025m2,h=10cm，R1=2 m3/s;下水箱尺寸为：A2=0.02m2,h=10cm， R2=1m3/s，上水箱的流入量为QI=0.0083m3/s， 流出量为Q1=0.02m3/s，下水箱流出量 Q2=0.01m3/。
实验05 双容水箱液位定值控制实验
实验5 双容水箱液位定值控制实验一、实验目的1、掌握多容系统单回路控制的特点2、深入了解PID控制特点。
3、深入研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备A3000现场系统，任何一个控制系统。
三、实验原理与介绍1、系统结构水从中水箱进入，中水箱闸板开度8毫米，进入下水箱，下水箱闸板开度5-6毫米。
要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。
水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。
被调量为下水位H。
如图5-3-1所示。
实际上，可以通过控制连接到水泵上的变频器来控制压力，效果可能更好。
图5-3-1 双容水箱液位定值控制实验2、控制逻辑结构双容水箱液位控制系统如图5-3-2所示。
图5-3-2 双容水箱液位定值控制实验逻辑图这也是一个单回路控制系统，它与上一个实验不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使下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。
显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）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，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃扰动），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调节得合理，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，又使其动态性能得到进一步改善。
4、参考结果双容水箱液位控制实验PI控制器控制曲线如图5-3-3所示：图5-3-3 PI控制器控制曲线PID控制的曲线具有两个波，然后逐步趋于稳定。
由于系统延迟很大，这个稳定时间非常长。
比较好的效果是P=24, I=200，D=2。
如图5-3-4所示：图5-3-4 PID控制曲线从图可见，增加微分项之后，系统在有10%的扰动下，很快就进入稳定状态。
基于力控和Matlab的双容、多容水箱控制系统仿真课程设计报告
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 (32. 设计任务 (33. 设计要求 (34.设计任务分析 (35.设计容 (45.1双容、多容水箱系统的数学建模 (45.1.1双容、多容水箱系统机理模型 (45.1.2双容、多容水箱系统模型的参数辨识 (55.2双容、多容水箱系统数学建模的仿真 (75.2.1控制系统仿真环境 (75.3双容、多容水箱系统数学建模的参数整定 (11 5.3.1 PID控制算法的参数整定 (115.4双容、多容水箱前馈反响控制系统的仿真分析 (14 5.5运用力控组态软件对系统进展设计分析 (175.5.1I/O点收集及表单 (175.5.2创立实时数据库 (185.5.3制作双容液液位控制系统主画面 (195.5.4力控控制策略的运用 (216实习心得 (22参考文献 (231. 设计题目双容水箱液位前馈反响控制系统设计。
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。
试设计前馈反响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展仿真(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展仿真,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,对仿真结果进展评述;3针对该受扰的液位系统设计前馈反响控制方案,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展仿真,并对仿真结果进展评述。