过程控制——三容水箱液位控制
基于PLC水箱液位控制系统毕业设计
摘要本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。
在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。
本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定ABSTRACTThe subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge.Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison, the application PID control algorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction.Keywords：FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction, experimental.目录中文摘要 (I)英文摘要 (II)1 绪论 (1)1.1 PLC的产生、定义及现状 (1)1.1.1PLC的产生、定义 (1)1.1.2PLC的发展现状 (1)1.2过程控制的发展 (2)1.3本文研究的目的、主要内容 (3)1.3.1本文研究的目的、意义 (3)1.3.2本文研究的主要内容 (3)2 FX2系列PLC和控制对象介绍 (5)2.1 三菱PLC控制系统 (5)2.1.1 CPU模块 (5)2.1.2 I/O模块 (6)2.1.3电源模块 (6)2.2 过程建模 (6)2.2.1 一阶单容上水箱对象特性 (6)2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 (11)3 PID调节及串级控制系统 (15)3.1 PID调节的各个环节及其调节过程 (15)3.1.1比例控制及其调节过程 (16)3.1.2比例积分调节 (16)3.1.3比例积分微分调节 (17)3.2 串级控制 (18)3.2.1串级控制系统的结构 (18)3.2.2串级控制系统的特点 (19)3.2.3串级控制系统的设计 (19)3.3 扩充临界比例度法 (21)3.4 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用 (22)3.5在PLC中的PID控制的编程 (23)3.5.1回路的输入输出变量的转换和标准化 (23)3.6变量的范围 (25)4 控制方案设计 (27)4.1 系统设计 (27)4.1.1上水箱液位的自动调节 (27)4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 (29)4.2 硬件设计 (29)4.2.1检测单元 (29)4.2.3控制单元 (30)4.3软件设计 (31)5 运行 (32)5.1 上水箱液位比例调节 (32)5.2 上水箱液位比例积分调节 (32)5.3 上水箱液位比例积分微分调节 (32)致谢 (35)参考文献 (36)1 绪论1.1 PLC的产生、定义及现状1.1.1PLC的产生、定义一、可编程控制器的产生20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。
液位过程控制课程设计
中南大学《过程控制仪表》课程设计报告设计题目液位控制系统设计指导老师王莉吴同茂设计者龚晓辉专业班级自动化09级05班02号设计日期2012年5月目录第一章过程控制仪表设计的目的意义 (1)1.1 设计目的 (1)1.2课程在教学计划中的地位和作用 (2)第二章液位控制系统实验控制设计与调试 (3)2.1 液位控制系统的工艺及控制要求 (3)2.2 液位系统控制实验方案设计 (5)2.3 系统调试与控制效果 (7)第三章火力发电气泡水位控制系统设计 (8)3.1 火力发电厂生产工艺及控制要求 (8)3.2 系统总体方案设计 (9)3.3 系统硬件设计 (11)3.4 系统软件设计 (14)第四章收获、体会和建议 (16)参考文献第一章过程控制仪表设计的目的意义1.1 设计目的本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。
其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。
其主要是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。
1.2课程在教学计划中的地位和作用课程设计对过程控制课程有重要的实践意义，可以加深学生对所学知识的理解与运用。
主要的内容是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。
基本要求如下:1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。
过程控制3
设水槽的截面积为A ① Qi0= Qo0时，系统处于平衡状态，即静态。 这时液位稳定在ho ② 假定某一时刻，控制阀突然开大∆x，则Qi突 然增大，不再等于Qo，于是h也就开始变化。 Qi与Qo之差被囤积在水槽中，造成液位上升。 即：
(Qi Qo )dt Ad h
Qi k x x h Qo R0
TS H(S) + H(S) = KX(S)
H (s) K X ( s ) Ts 1
在过程控制中，分析各种对象动态特性最常用 的方式是阶跃信号输入时的响应。可以用突然加大 控制阀的开度，施加阶跃扰动。
输入量x作一阶跃变化Δx时 1 H ( s) K X (s) s X ( s) Ts 1 则
T R1 A1
A2 Ta kx
若对象含有纯滞后 W (s) H (s)
X ( s)
1 e 0 s Ta s(Ts 1)
对于无自平衡能力的n阶等容对象:
K W (S ) Ta s(Ts 1) n
若对象含有纯滞后
K W (S ) e 0 s Ta s(Ts 1) n
②具有纯滞后的一阶对象
y () y (0) y () a.静态放大系数K: K x x
b.时间常数T：被控量y(t)以相对值表示
Ke s Wo ( s ) Ts 1
y0 (t ) y(t ) / y()
则阶跃作用下
0 t y0 (t ) 1 e(t )/T t
第三节
时域法辨识对象的动态特性
一、阶跃响应曲线的测定 1.阶跃扰动法 当对象处于稳态时， 对输入量施加一个阶跃扰 动（如将阀门开大），并 保持不变，测定其输出量 随时间而变化的曲线（数 据），即阶跃响应曲线。
过程控制计算题
230 05年三、计算题（共30分）1、（6分）某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。
试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和回复时间（给定值200℃）。
解 最大偏差：A=230-200=30℃ 余差C=205-200=5℃由图上可以看出，第一个波峰值B=230-205=25，第二个波峰值B ’=230-205=5，故衰减比应为B ∶B ’=25∶5=5∶1。
振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T=20-5=15（min ）过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2%，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×（±2%）=±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4℃画一区域，图9-6中以画有阴影线区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。
因此，从图上可以看出，过渡时间为22min 。
2、（6分）某一燃烧煤气的加热炉，采用DDZ －III 型仪表组成温度单回路控制系统，温度测量范围0～1000℃，由温度变送器转换为4～20mADC 输出。
记录仪刻度范围0～1000℃。
当炉温稳定在800℃时，控制器输出为12mA 。
此时手动改变设定值，突然使控制器输出变为16mA ，温度记录从800℃逐渐上升并稳定在860℃。
从响应曲线上测得τ＝3min ，T P ＝8min 。
如果采用P ，PI ，PID 控制器，采用响应曲线法求解各整定参数值。
条件1：条件2：响应曲线法整定参数[解] 对照图12-12响应曲线，结合本控制系统求出：Δm ＝16－12＝4mA ，m max －m min ＝20－4＝16mAΔx ＝x (∞)－x (0)＝860－800＝60℃， x max －x min ＝1000－0＝1000℃ 代入式（12-2）得由表12-9中PID 控制器参数计算式，算得：P(﹪)=837.47%8324.083=⨯=τP P T K T I ＝2τ＝2×3＝6min T D ＝0.5τ＝0.5×3＝1.5min3、（9分）下图为水箱液位控制对象，其液体流入量为Q 1，改变调节阀1的开度μ1，可以改变Q 1的大小。
水箱水位自动控制系统
1
水箱水位自动控制系统
摘要
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工
业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适
应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这
样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下
连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且
在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面
问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用
组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，
有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功
能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警
窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱
动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。介绍了基于组态王的仪表液位控
制系统组成。叙述了组态王监控界面设计和组态王与实际现场的模拟。单容水箱
液位的控制作为过程控制的一种， 其基本思想是采用多层递阶结构，直觉推理
和多动态控制策略等行为和功能。
问题描述：是本液位控制系统的界面图示和运行示意图。根据设计要求和结合实
际情况，适当的加以修改，使设计更优化，更便于人为控制。
用组态王软件合理地设计出属于自己思路的液位控制系统。
2
3
4
参考文献：组态王——————————————————百度文库；
《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案
V / cm3
P / ( Pa / cm2 )
54.3 61.2
61.8 49.5
72.4 37.6
88.7 28.4
118.6 19.2
194.0 10.1
试用最小二乘一次完成算法确定参数 α 和 β 。要求： （1） 写出系统得最小二乘格式。 P / ( Pa / cm 2 ) （2） 编写一次完成算法得 MATLAB 程序并仿真。 解： （1） 因为 PV
（2）该过程的框图如下：
−
−
Q1 (s )
−
1 C1S
H 1 (s )
1 R12
Q12 (s )
−
1 C2S
H 2 (s )
Q2 (s )
1 R2
Q3 (s )
1 R3
（3）过程传函： 在（1）中消去中间变量 ∆q2 、 ∆q3 、 ∆q12 有：
∆h1 ∆h1 ∆h2 d∆h1 ⎧ ⎪ ∆q1 − R − R + R = C1 dt (1) ⎪ 2 12 12 ⎨ ⎪ ∆h1 − ∆h2 − ∆h2 = C d∆h2 (2) 2 ⎪ R3 dt ⎩ R12 R12
H (s )
Q1 (s )
。
R1 q1 h
R2
q2
R3
q3
解：假设容器 1 和 2 中的高度分别为 h1 、 h2 ， 根据动态平衡关系，可得如下方程组：
d ∆h1 ⎧ (1) ⎪∆q1 − ∆q2 = C dt ⎪ ⎪∆q − ∆q = C d ∆h2 ( 2 ) 3 ⎪ 2 dt ⎪ ∆h ⎪ ( 3) ⎨∆q2 = R2 ⎪ ⎪ ∆h (4) ⎪∆q3 = 2 R3 ⎪ ⎪∆h = ∆h − ∆h (5) 1 2 ⎪ ⎩
杭电《过程控制系统》实验报告分析解析
实验时间：5月25号序号：杭州电子科技大学自动化学院实验报告课程名称：自动化仪表与过程控制实验名称：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验名称：上水箱液位PID整定实验实验名称：上水箱下水箱液位串级控制实验指导教师：尚群立学生姓名：俞超栋学生学号：09061821实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．实验目的（1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二．实验设备AE2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。
三、系统结构框图单容水箱如图1-1所示：丹麦泵电动调节阀V1DCS控制系统手动输出hV2Q1Q2图1-1、 单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。
然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法。
不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。
令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T 时，则有：h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）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。
双容水箱串级PID控制实验液位
双容水箱液位串级PID控制实验一、实验目的1、进一步熟悉PID调节规律2、学习串级PID控制系统的组成和原理3、学习串级PID控制系统投运和参数整定二、实验设备1、四水箱实验系统DDC实验软件2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）三、实验原理1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。
本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量：y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的副变量：y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量副对象：上水箱主对象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有：1）副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
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过程控制—— 三容水箱液位控制
学院名称： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师：
2011年11月 1
三容水箱液位控制 【摘 要】三容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体
或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，具有很强的代表性和工业背景，研究三容水箱的建模及控制具有重要的理论意义及实际应用价值。 【关键词】三容水箱；建模；串级控制；仿真
0、 引言 液位是工业过程中的常见参数，具有便于直接观察、容易测量和过程时间常数一般比较小的特点。所以，以液位过程构成实验系统，可灵活地进行过程组态和实施各种不同的控制方案。 三容水箱控制系统是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处后，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了这一套全新的实验装置。该系统包括流量、液位、压力等参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈一反馈控制、比值控制、解耦控制等多种控制形式。 三容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对三容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，三容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，三容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。通过水箱液位的控制系统实验，用户除可以掌握控制理论、计算机、仪器仪表知识和现代控制技术之外，还可以熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态工作特性。 2
1、 三容水箱液位控制系统简介 1．1三容水箱原理框图 三容水箱液位控制系统组成如图2．1所示，它包含电控箱、水箱本体及由AD／DA数据采集卡和普通Pc机组成的控制实验平台三大部分。其原理框图如图1．1所示。
图1．1三容水箱液位控制系统总体结构图 1．2水箱本体组成 主要由以下几个部分组成： 1）水箱底座 2）磁力驱动泵 3）比例电磁阀 4）液位传感器 5）三个圆柱型水箱 电控箱内安装有如下主要部件： 1）电磁阀控制器 3
2）I／O接口板 3）开关电源 4）开关、指示灯等电气元件 1．3控制平台组成 主要由以下部分组成: 1)与IBM PC／AT机兼容的Pc机，带PCI插槽 2)PCI2006数据采集卡及其驱动程序 3)控制软件
2、 PID控制原理 PID 控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然很广泛的控制策略之一, 有统计显示, 到目前为止大多数(有资料表明90 %以上[1])工业控制回路仍然采用了各种形式的PID 控制算法。PID 控制是一种基于数学模型的方法, 尤其适用于建立精确数学模型的确定性控制系统, 比例(P)、积分(I)、微分(D)三者作用配合得当, 可使动态过程快速、平稳、准确[2] ,同时PID 控制算法简单、适应性强、灵活性好、可靠性高。 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且还可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电，冶金，机械，化工等行业中获得了广泛的应用。将偏差的比例（P），积分（I），和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称作PID控制器。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。 PID控制器是一种线性控制器，他根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差 error(t)=rin(t)-yout(t) 4
图2.1 PID 控制系统原理图 简单说来，PID控制器个校正环节的作用如下： （1） 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 （2） 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T1，T1越大，积分作用越弱，反之则越强。 （3） 微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 从时间的角度讲，比例作用是针对系统当前偏差进行控制，积分作用则针对系统偏差的历史，而微分作用则反映了系统偏差的变化趋势，这三者的组合是“过去、现在、未来”的完美结合。
3、 三容水箱的数学建模 3.1设计要求 现要设计控制系统控制下水箱内液位高度保持与设定值一致，对上水箱和中水箱中的液位高度无特殊要求，即上中两个水箱控制下水箱。 三容水箱是液位控制系统中的被控对象，若流入量和流出量相同，水箱的液位不变，平衡后当流入侧阀门开大时，流入量大于流出量导致液位上升。同时由于出水压力的增大使流出量逐渐增大，其趋势是重新建立起流入量与流出量之间的平衡关系，即液位上升到一定高度使流出量增大到与流入量相等而重新建立起平衡关系，液位最后稳定在某 5
一高度上；反之，液位会下降，并最终稳定在另一高度上。由于水箱的流入量可以调节，流出量随液位高度的变化而变化，所以只需建立流入量与液位高度之间的数学关系就可以建立该水箱对象的数学模型。
3.2 三容水箱的一般数学模型 三容水箱液位对象的模型如图3.1所示，根据动态物料平衡关系，单位时间内进入被控过程的物料减去单位时间内从被控过程流出的物料等于被控过程内物料存储量的变化率[3-4]。被控参数h3 的动态方程可由下面几个关系式导出： 6 图3.1 三容水箱液位对象 由此可以推导出三容水箱的控制方框图，如图 3.2所示。
KuQin(s)Q1(s)H1(s)1C1s1R1H2(s)1C2s1R2Q2(s)H3(s)1
C3
s
1R3Q3(s)
图3.2三容水箱的控制方框图 以上就是三容水箱数学模型的建立。
4、 算法描述 4.1算法选择 在过程控制中，液位控制一般采用P调节足够。但是，在本项目中，三个水箱（三 7
个一阶惯性环节）依次串联，构成三阶系统，如果只使用P调节，存在动态响应速度慢、有稳态误差，因而不满足题设中对h3进行精确控制的要求。为消除稳态误差，要采用PI调节，兼顾响应时间，因此算法选择PID。 另外，还有一个必须注意的地方：在对h3进行控制的同时，h1、h2也要得到有效的调节。尤其是容器都有高度限制，因此，h1、h2动态响应不能有过大的超调量。否则，流体会溢出容器，不符合实际情况，达不到对h3调节效果。为对h1、h2进行有效控制，我们将尝试采用多回路串级调节。其中，内环调节的目的是控制h1、h2响应更快，超调量更小，从而使提高对h3的控制效果。 因此，我们的控制方案是串级控制：对于控制精度要求不高的内环，采用P调节或超前校正以提高响应速度；对于品质要求高的外环，采用PID或者PI调节，消除静差，减小调节时间。
4.2控制器设计 利用MATLAB的Simulink 对三容水箱的模型进行仿真。分析阶跃响应特性
图4.1 三容水箱模型 单位阶跃输入作用下，三个水箱液位变化如下图： 8
图4.2 三容水箱在阶跃输入下，H1、H2、H3响应曲线 从图中可以看出，h1、h2、h3的响应速度依次减慢。调节时间ts1=1000s,ts2=1500s,ts3=2000s。h1、h2、h3稳态误差相等，对于单位阶跃，ess≈0.1.可见，三容水箱具有由于三个惯性环节串联，响应速度慢，有稳态误差但无超调[3]。 对于本题设的三容水箱的控制器设计，应该使用PID控制器， 观察阶跃响应结果，响应速度比较慢，因此，增大比例度，减小积分时间常数，增大积分时间常数。通过不
断调试，得出的控制器传递函数为: ssss7.380397.18006782.13.12008.40000022 阶跃响应曲线如下： H3的调节时间850s，超调量12%，稳态误差为0 。 H2超调量73%，H1超调量253%。这主要是为增加H3的响应速度，但由于H1,H2超调量过大，为避免容器1，2溢出，H3是调节范围就受到限制[4]。 9
图4.3使用PID调节最终效果 5、 结束语 三容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，具有很强的代表性和工业背景。三容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有积极的指导作用，为研究更加复杂的系统奠定了基础。 本文以通过阻力板来调节非线性特性的三容水箱为研究对象，在机理分析的基础上，建立了三容水箱的数学模型；结合三容水箱的特点，研究了变参数PID 控制，仿真验证了控制算法的有效性和正确性。本文的主要工作总结如下： (1) 分析了三容水箱的硬件结构及工作原理；通过机理建模方法建立三容水箱的一般数学模型。 (2) 分析了PID的原理，采用参数PID 控制器。 (3) 在Matlab/Simulink 环境下建立三容水箱控制的仿真模型，采用变参数PID控制进行仿真研究。 但还有些不足，控制算法需要改进。在现有算法的基础上改善控制效果。最后，还