目录
第一章 单容自衡水箱液位特性测试
第一节 设计目的
第二节 设计原理
第三节 实验步骤
第四节 Simulink下的系统仿真
第五节 设计要求
第六节 设计总结
第二章 单回路控制系统设计
第一节 设计目的
第二节 设计原理
第三节 设计内容步骤
第四节 设计报告要求
第五节 Simulink下的系统仿真
第六节 思考题
第七节 设计总结
第三章 串级控制系统实验
第一节 设计目的
第二节 设计原理
第三节 设计内容步骤
第四节 Simulink下的系统仿真
第五节 设计要求
第六节 思考题
第七节 设计总结
第四章 总结
第一章 单容自衡水箱液位特性测试
第一节 设计目的
理解控制系统设计的基本原理，掌握控制系统设计方法。
第二节 设计原理
被控对象的动态特性是指被控对象的输入
发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规
律。由于控制系统的设计方案是依据被控对象的
动态特性进行的，特别是调节器参数的整定也是
依据对象的动态特性进行的。分析被控对象的动
态特性，可知被控对象控制的难易程度与调节过
程的快慢。
1、水箱建模
如右图，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的
液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被
控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
Q1-Q2=Cdh （1） dt
出口流量与液位的关系有
Q2=k
2、稳态模型 （2）
在稳态时，Q1=Q2；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。因此，单容液位水箱的稳态模型为
Q1=kH
即 H=Q12
K2
3、动态模型
流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。简化起见，
经线性化
处理，则可近似认为∆Q1与∆h成正比，与阀V2的阻力R2成反比，即
∆Q2=∆h∆h 或 R2= （3） R2∆Q2
式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。
将式（3）代入式（2）可得
d∆hR2C+∆h=R2∆Q1 （4） dt
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得动态模型：
G0(s)=R2H(s)K （5） ==Q1(s)R2Cs+1Ts+1
式中，T=R2C为水箱的时间常数，K=R2为过程的放大倍数。
假令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：
H(s)=KR0KR0KR0=- (6) s(Ts+1)ss+1/T
1-tT即 h(t)=KR0(1-e) （7）
当t→∞时，h(∞)=KR0 因而有 K=
当t=T时，则有
h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞) （9）
式（7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数。由式（9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 h(∞)输出稳态值= （8） R0阶跃输入
第三节 实验步骤
本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。
1、连接实验设备的线路。
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Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。
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，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。
6．待下水箱液位平衡后，通过电磁阀突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值。
第四节 Simulink下的系统仿真
根据系统的要求，搭建Simulink模型；
使用临界比例度法进行整定参数；
1、断开积分环节，根据对象特性选取一个较大的比例度P，并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动状态；
2、等系统平稳运行后，加入阶跃扰动，减小比例度P，直至出现等幅振荡（即临界振荡）为止，记录下此时比例度和系统等幅震荡的周期；
仿真图如下：
第五节 设计要求
1、根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。 通过实验测得比例K=0.9，T=370s。
传递函数 G（s）=0.9/(370s+1).
第六节 设计总结
根据实际测量得到的数据，从而写出传递函数可以看出，单容水箱符合一阶惯性环节的特但是你这是在忽略其自身的迟滞环节的基础上的，在Simulink仿真时可以通过加上一个迟滞环节，使得系统的输出更加符合实际。
第二章 单回路控制系统设计
第一节 设计目的
1、 掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
2、掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
第二节 设计原理
单回路由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
如下图所示，被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。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，以达到控制中水箱液位的目的。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。
第三节 设计内容与步骤
本实验选择中水箱作为被控对象。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、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
1、连接实验硬件电路。
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Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”
，进入实验三的监控
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。
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。
7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）
（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）
（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
第四节 设计报告要求
1．画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。
根据实验图像得：P=2.64，T=172.5.
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4．比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
比例调节可以始终存在稳态误差，PI调节可以实现消除静差的作用。PD调节的快速性比较好，但是不利于系统稳态的维持，PID可以实现系统稳态快速性的要求。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
第五节 Simulink建模与仿真
仿真结果如下：
第一个图是在P（比例调节）下的输出；第二个图是在PI控制下的输出；第三个是在PD控制下的输出；第四个是在PID控制下的输出。
从仿真结果可以看书，比例调节可以始终存在稳态误差，PI调节可以实现消除静差的作用。PD调节的快速性比较好，但是不利于系统稳态的维持，PID可以实现系统稳态快速性的要求。
第六节 思考题
1．如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。 答：曲线的响应滞后，因为水流从中水箱到下水箱存在时间的滞后，导致曲线的响应延后。
2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
答：改变比例度和积分时间常数对于PID控制的快速性以及系统的稳态都有影响。
第七节 设计总结
通过单回路实验在P、PI、PD、PID整定下输出的图像对比，得出控制系统在不同控制结构下的效果。同时也更加熟悉对于试验中各种参数的整定方法。
第三章 串级控制系统实验
第一节 设计目的
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。
第二节 设计原理
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。
第三节 设计内容与步骤
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。
1．按照图5-3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。
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Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进实验十的监控界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1） 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；
（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。（干扰作用在主对象或副对象）
（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；
（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
第四节 设计报告要求
1．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。
主回路采用PI控制 Kp=2.64,T=172.5.副回路采用P控制 P=2.8.
2．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
副回路消除来自主回路的扰动，同时由于系统自身的延迟环节的影响，使得副回路的超调量比较大。主回路起微调作用。实验图如下图所示：
3．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。
第五节 Simulink建模与仿真
仿真结果如下：
不加扰动时的图像
副回路添加扰动
主回路添加扰动
主副回路同时添加扰动
主回路没有扰动时，系统在主副回路的调节作用下经过一个比较小的超调，达到稳定；副回路和主回路出现扰动时，系统对于出现比较大的超调，但是稳态时间变短，迅速恢复稳定；当主、副回路都出现扰动时，经过副回路的粗调和主回路的微调后，系统达到稳态。
第六节 思考题
1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？
答：扰动进入副回路时，副被控变量在在扰动的作用下发生变化，通过副回路
的定值调节作用，使得副被控变量回到设定值。同时也使扰动对主回路的影响减少。主回路再对扰动进行细调，因此串级控制系统主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力。
两个时间常数接近时可能发生共振现象，使得副环节工作频率处于谐振频率，从而使副环增益为负，形成正反馈，影响很大。
2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？
答：副回路受到扰动的影响，通过副回路的定值作用将扰动减弱，同时主回路再进行一定程度的微调，使得系统能够更快的趋于稳定。调整时间缩短。稳态误差减小。
3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？
答：查看系统的正反作用是否正常，控制阀的开关作用是否正常。根据假设法来确定。
4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？
答：引入积分会延长控制过程。带入微分会使得控制阀的作用变大，不利于系统的稳定。
第七节 设计总结
串级控制具有很好的消除扰动的作用，但是在使用的过程中需要注意主副回路控制作用的选择，以及防止由于频率相近引起的共振现象。
第四章 总结
通过一个星期的课程设计，我的收获与体会很多。对我来说这是一次很好的机会来锻炼自己的动手实践能力，本次课程设计的综合性很强。它将理论与实际相结合，以检验我是否能真正学以致用，将所学知识运用到实际中去的一次很好的实践。
本次课程设计的内容包括被控对象动态特性的测试、单回路系统以及串级控制系统等，主要以三个实验的内容让我们加深对于控制系统的建模、参数的整定、以及实际调试的掌握。学习本课程之前，对于控制的了解停留在《自动控制原理》中最基本的PID控制，除此之外也就只在学科竞赛中用它作为基本的控制算法使用过，但是对于实际的参数整定以及建模仿真等过程却不怎么了解，这次课程设计提供了一次很好的锻炼机会，单容水箱理论上可以被当作一阶惯性环节，但是实际模拟时却遇到了很多问题，比如如何选择控制器、如何整定积分、微分时间常数以及如何观察记录屏幕上显示的曲线。这些问题都是我在学习课程的过程中没有想到和接触到的，对于单回路和串级控制系统的学习之前停留在控制系统方框图上，当组成一个实际串级系统时差点连主回路、副回路都没有分辨开，这就是实践和理论学习的差距，在课程设计的过程中这些都是需要去克服的困难，在硬件调试之外来自仿真的震撼，仿真作为一个实际系统设计中不可缺少的一个环节，这就需要对于MATLAB软件熟悉的掌握，通过这次课程设计让我对于Simulink仿真也更加熟练。
在这次课程设计中，遇到了一些困难，感谢老师的悉心指导。同时在实际硬件操作时，也得到了学姐的耐心讲解，感谢热心的学姐，她们严谨的求知精神也是值得我学习的地方。此外，也和其他同学互相讨论过，在此一并致谢，当然本次课程设计只是一个实际学习的开始，所完成的课程设计内容中依然存在一些问题，比如，单容水箱控制系统在实际操作时缺乏滞后环节，导致曲线有误差等。相信通过实验仪器的调整，这个问题是可以得到解决的。
参考资料
[1]刘文定，王东林 MATLAB/Simulink与过程控制系统 北京 机械工业出版社.
[2]黄忠霖，黄京 控制系统MATLAB计算及仿真 北京 国防工业出版社 2009.
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第一章 单容自衡水箱液位特性测试
第一节 设计目的
第二节 设计原理
第三节 实验步骤
第四节 Simulink下的系统仿真
第五节 设计要求
第六节 设计总结
第二章 单回路控制系统设计
第一节 设计目的
第二节 设计原理
第三节 设计内容步骤
第四节 设计报告要求
第五节 Simulink下的系统仿真
第六节 思考题
第七节 设计总结
第三章 串级控制系统实验
第一节 设计目的
第二节 设计原理
第三节 设计内容步骤
第四节 Simulink下的系统仿真
第五节 设计要求
第六节 思考题
第七节 设计总结
第四章 总结
第一章 单容自衡水箱液位特性测试
第一节 设计目的
理解控制系统设计的基本原理，掌握控制系统设计方法。
第二节 设计原理
被控对象的动态特性是指被控对象的输入
发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规
律。由于控制系统的设计方案是依据被控对象的
动态特性进行的，特别是调节器参数的整定也是
依据对象的动态特性进行的。分析被控对象的动
态特性，可知被控对象控制的难易程度与调节过
程的快慢。
1、水箱建模
如右图，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的
液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被
控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
Q1-Q2=Cdh （1） dt
出口流量与液位的关系有
Q2=k
2、稳态模型 （2）
在稳态时，Q1=Q2；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。因此，单容液位水箱的稳态模型为
Q1=kH
即 H=Q12
K2
3、动态模型
流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。简化起见，
经线性化
处理，则可近似认为∆Q1与∆h成正比，与阀V2的阻力R2成反比，即
∆Q2=∆h∆h 或 R2= （3） R2∆Q2
式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。
将式（3）代入式（2）可得
d∆hR2C+∆h=R2∆Q1 （4） dt
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得动态模型：
G0(s)=R2H(s)K （5） ==Q1(s)R2Cs+1Ts+1
式中，T=R2C为水箱的时间常数，K=R2为过程的放大倍数。
假令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：
H(s)=KR0KR0KR0=- (6) s(Ts+1)ss+1/T
1-tT即 h(t)=KR0(1-e) （7）
当t→∞时，h(∞)=KR0 因而有 K=
当t=T时，则有
h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞) （9）
式（7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数。由式（9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，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，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 h(∞)输出稳态值= （8） R0阶跃输入
第三节 实验步骤
本实验选择下水箱作为被测对象（也可选择上水箱或中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。
1、连接实验设备的线路。
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Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。
4．在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制，并将输出值设置为一个合适的值，此操作需通过调节仪表实现。
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，使下水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。
6．待下水箱液位平衡后，通过电磁阀突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，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，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值。
第四节 Simulink下的系统仿真
根据系统的要求，搭建Simulink模型；
使用临界比例度法进行整定参数；
1、断开积分环节，根据对象特性选取一个较大的比例度P，并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动状态；
2、等系统平稳运行后，加入阶跃扰动，减小比例度P，直至出现等幅振荡（即临界振荡）为止，记录下此时比例度和系统等幅震荡的周期；
仿真图如下：
第五节 设计要求
1、根据实验得到的数据及曲线，分析并计算出单容水箱液位对象的参数及传递函数。 通过实验测得比例K=0.9，T=370s。
传递函数 G（s）=0.9/(370s+1).
第六节 设计总结
根据实际测量得到的数据，从而写出传递函数可以看出，单容水箱符合一阶惯性环节的特但是你这是在忽略其自身的迟滞环节的基础上的，在Simulink仿真时可以通过加上一个迟滞环节，使得系统的输出更加符合实际。
第二章 单回路控制系统设计
第一节 设计目的
1、 掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
2、掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
第二节 设计原理
单回路由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
如下图所示，被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。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，以达到控制中水箱液位的目的。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。
第三节 设计内容与步骤
本实验选择中水箱作为被控对象。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、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
1、连接实验硬件电路。
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Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制系统”
，进入实验三的监控
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。
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。
7．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）
（2）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
（3）将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；（改变负载）
（4）接上变频器电源，并将变频器输出接至磁力泵，然后打开阀门F2-1、F2-4，用变频器支路以较小频率给中水箱打水。
8．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
第四节 设计报告要求
1．画出单容水箱液位定值控制实验的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。
根据实验图像得：P=2.64，T=172.5.
3．根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4．比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。
比例调节可以始终存在稳态误差，PI调节可以实现消除静差的作用。PD调节的快速性比较好，但是不利于系统稳态的维持，PID可以实现系统稳态快速性的要求。
5．分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。
第五节 Simulink建模与仿真
仿真结果如下：
第一个图是在P（比例调节）下的输出；第二个图是在PI控制下的输出；第三个是在PD控制下的输出；第四个是在PID控制下的输出。
从仿真结果可以看书，比例调节可以始终存在稳态误差，PI调节可以实现消除静差的作用。PD调节的快速性比较好，但是不利于系统稳态的维持，PID可以实现系统稳态快速性的要求。
第六节 思考题
1．如果采用下水箱做实验，其响应曲线与中水箱的曲线有什么异同？并分析差异原因。 答：曲线的响应滞后，因为水流从中水箱到下水箱存在时间的滞后，导致曲线的响应延后。
2．改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？
答：改变比例度和积分时间常数对于PID控制的快速性以及系统的稳态都有影响。
第七节 设计总结
通过单回路实验在P、PI、PD、PID整定下输出的图像对比，得出控制系统在不同控制结构下的效果。同时也更加熟悉对于试验中各种参数的整定方法。
第三章 串级控制系统实验
第一节 设计目的
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。
第二节 设计原理
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。
第三节 设计内容与步骤
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。
1．按照图5-3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。
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Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进实验十的监控界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1） 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；
（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。（干扰作用在主对象或副对象）
（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；
（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
第四节 设计报告要求
1．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。
主回路采用PI控制 Kp=2.64,T=172.5.副回路采用P控制 P=2.8.
2．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
副回路消除来自主回路的扰动，同时由于系统自身的延迟环节的影响，使得副回路的超调量比较大。主回路起微调作用。实验图如下图所示：
3．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。
第五节 Simulink建模与仿真
仿真结果如下：
不加扰动时的图像
副回路添加扰动
主回路添加扰动
主副回路同时添加扰动
主回路没有扰动时，系统在主副回路的调节作用下经过一个比较小的超调，达到稳定；副回路和主回路出现扰动时，系统对于出现比较大的超调，但是稳态时间变短，迅速恢复稳定；当主、副回路都出现扰动时，经过副回路的粗调和主回路的微调后，系统达到稳态。
第六节 思考题
1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？
答：扰动进入副回路时，副被控变量在在扰动的作用下发生变化，通过副回路
的定值调节作用，使得副被控变量回到设定值。同时也使扰动对主回路的影响减少。主回路再对扰动进行细调，因此串级控制系统主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力。
两个时间常数接近时可能发生共振现象，使得副环节工作频率处于谐振频率，从而使副环增益为负，形成正反馈，影响很大。
2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？
答：副回路受到扰动的影响，通过副回路的定值作用将扰动减弱，同时主回路再进行一定程度的微调，使得系统能够更快的趋于稳定。调整时间缩短。稳态误差减小。
3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？
答：查看系统的正反作用是否正常，控制阀的开关作用是否正常。根据假设法来确定。
4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？
答：引入积分会延长控制过程。带入微分会使得控制阀的作用变大，不利于系统的稳定。
第七节 设计总结
串级控制具有很好的消除扰动的作用，但是在使用的过程中需要注意主副回路控制作用的选择，以及防止由于频率相近引起的共振现象。
第四章 总结
通过一个星期的课程设计，我的收获与体会很多。对我来说这是一次很好的机会来锻炼自己的动手实践能力，本次课程设计的综合性很强。它将理论与实际相结合，以检验我是否能真正学以致用，将所学知识运用到实际中去的一次很好的实践。
本次课程设计的内容包括被控对象动态特性的测试、单回路系统以及串级控制系统等，主要以三个实验的内容让我们加深对于控制系统的建模、参数的整定、以及实际调试的掌握。学习本课程之前，对于控制的了解停留在《自动控制原理》中最基本的PID控制，除此之外也就只在学科竞赛中用它作为基本的控制算法使用过，但是对于实际的参数整定以及建模仿真等过程却不怎么了解，这次课程设计提供了一次很好的锻炼机会，单容水箱理论上可以被当作一阶惯性环节，但是实际模拟时却遇到了很多问题，比如如何选择控制器、如何整定积分、微分时间常数以及如何观察记录屏幕上显示的曲线。这些问题都是我在学习课程的过程中没有想到和接触到的，对于单回路和串级控制系统的学习之前停留在控制系统方框图上，当组成一个实际串级系统时差点连主回路、副回路都没有分辨开，这就是实践和理论学习的差距，在课程设计的过程中这些都是需要去克服的困难，在硬件调试之外来自仿真的震撼，仿真作为一个实际系统设计中不可缺少的一个环节，这就需要对于MATLAB软件熟悉的掌握，通过这次课程设计让我对于Simulink仿真也更加熟练。
在这次课程设计中，遇到了一些困难，感谢老师的悉心指导。同时在实际硬件操作时，也得到了学姐的耐心讲解，感谢热心的学姐，她们严谨的求知精神也是值得我学习的地方。此外，也和其他同学互相讨论过，在此一并致谢，当然本次课程设计只是一个实际学习的开始，所完成的课程设计内容中依然存在一些问题，比如，单容水箱控制系统在实际操作时缺乏滞后环节，导致曲线有误差等。相信通过实验仪器的调整，这个问题是可以得到解决的。
参考资料
[1]刘文定，王东林 MATLAB/Simulink与过程控制系统 北京 机械工业出版社.
[2]黄忠霖，黄京 控制系统MATLAB计算及仿真 北京 国防工业出版社 2009.