连通阀水流量
Q0 k0 y2 y1
1号水箱泄水阀流量
Qout1 k1 y1
2号水箱泄水阀流量
Qout2 k2 y2
其中 k0 , k1 , k2 为阀门比例系数
由此，得到此环节的被控对象模型
A1
dy1 dt
Qin1
k1
y1 k0
y2 y1
A2
dy2 dt
Qin2
k2
y2 k0
y2 y1
将三个环节进行综合，并考虑到1号水箱和2号水箱的入水量与总流
Qin1
2号流量计
u1
比例阀门
Qin2
2号进水阀
A1
1号水箱
H1
1号泄水阀
Qout1
Q0
连通阀
A2
2号水箱
3号 流量
计
H2
2号泄水阀
Qout2
Qin
u
储水箱
2号水泵
被控对象模型
‒电磁阀开度到一号水箱入水流量的过程 此过程为时间常数较小的一阶惯性环节，近似为如下线性关系：
Qin1 k1u1c1
‒ 水泵PWM占空比到总流量的过程 此过程同样为时间常数较小的一阶惯性环节，可近似为如下线
性关系： Qin k4u2c2
‒流量到双容水箱液位的过程
假设 y2 y1 ，根据物料平衡关系
有：
u1
A1
dy1 dt
Qin1
Qout1 Q0
A2
dy2 dt
Qin2
Qout 2
Q0
1号进水阀
Qin1
A1
1号水箱
H1
其中A 1 和 A 2 分 别 为 双 容 水 箱 的 横 截 面 积
控制软件平台具有易用性
控制软件平台功能丰富，操作容易
1.2 单容水箱液位控制系统组成
硬件平台组成(控制器实现平台、检测装置、执行机构)
‒ 检测装置
‒ 执行机构
电磁阀
流量传感器
液位传感器
2号水泵
‒ 控制器实现平台
网络化嵌入式控制器： 已嵌入水箱内部
执行机构和检测装置
‒执行机构
2号水泵 ‒检测装置
采用控制变量法，在测定某一列两个元素过程中，相应水箱入水流 量阶跃变化而另一个水箱的入水流量保持不变，从而得到液位变化曲 线
W 1 1 ( s )与W 2 1 ( s ) 的辨识
利用控制变量法，首先辨识矩阵中第一列的两个元素，即：在保证 水泵输入电压PWM占空比不变情况下，改变电磁阀开度得到液位变 化曲线.
量的关系
可知：
Qin=Qin1+Qin2
Q in 2 = Q in Q in 1 = k 4 u c 2 k 3 u 1 c 1
因此，从水泵PWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液位的过程的被
其中的比例系数
和基数
可以通过实验进行测定
控对象模型为：
A1ddyt1 k3u1c1k1 y1k0 y2y1 A2ddyt2 k4uc2k3u1c1k2 y2k0 y2y1
Q 与 i n 1 Q i n 2 分别为入水流量，Q o u t 1与 Q o u t 2
1号泄水阀
Qout1
2号流量计
比例阀门
Q0
连通阀
分别为泄水流量， Q 0 为某时刻2号水箱
流入1号水箱的流量
储水箱
Qin2
2号进水阀
A2
2号水箱
3号 流量
计
H2
2号泄水阀
Qout2
Qin
u
2号水泵
由流体力学相关知识可得液位与泄水流量的关系为：
‒MATLAB/Simulink
利用MATLAB/Simulink编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制
2.被控对象与控制器设计模型 2.1 控制系统与被控对象组成
2.2 被控对象模型
被控对象组成
被控对象模型是从水泵PWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液 位的过程，包括三部分：
1. 水泵PWM占空比 u 2 到总流量 Q i n 2.电磁阀开度 u 1 到一号水箱入水流量 Q i n 1 3.各流量到双容水箱液位 y 1 和 y 2
采用TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合离心泵，工作 前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速 转动时，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作 用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分 形成真空区域。水在大气压力或水压的作用下，通过水管 压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。
软件平台
‒EasyControl 控制软件平台
特点： 1. 用于开放式结构的快速控制原型开发、 硬件样机在线测试，有效地缩短开发周 期，保证系统柔性； 2. 由于可以采用实时在线测试，应用于 难以建立精确数学模型的系统，可以降 低建模和控制器设计的难度； 3. 与MATLAB系统的无缝集成，便于 开发者使用MATLAB中的各种先进算法； 4. 该软件通过与TCP/IP网络的集成性， 可应用于网络控制，远程设置控制方案， 便于调试和升级。
使用GEMS流量传感器，通过累计流过液体体积的脉冲 信号，计算得到液体流量
流量传感器
‒检测装置 液位传感器
‒被控对象
双容水箱
使用Honeywell的26PC型差压传感器作为液位 传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行 折算得到相应的液位从而进行反馈。
尺寸：高度25cm，内径7.5cm，外径7.6cm 双入双出的被控对象
保持水泵PWM占空比80%不变，电磁阀从58%到60%作为阶跃激励 信号，进行三次实验，结果如下表所示.
提纲
1. 双容水箱液位控制系统描述 2. 被控对象与控制器设计模型 3. 控制器设计 4. 系统仿真 5. 闭环实验
1.双容水箱ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位控制系统描述
1.1 控制目标
液位解耦
双容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，在其中某个水 箱液位变化时，另一个水箱的液位基本维持不变
运行过程系统安全
保证控制系统在运行过程中安全可靠
k0 ~ k4
c1 , c 2
2.2 控制器设计模型
双容水箱液位系统辨识方法
由于耦合关系的存在，假设双容水箱液位耦合系统控制器设计模型 的表达式为
y y1 2 W (s) u u1 2 W W 1 21 1((ss)) W W 1 22 2((ss)) u u1 2
利用阶跃响应辨识方法，根据改变 u 1 与 u 2 引起输出液位的变化曲 线，对耦合关系矩阵 W 进行辨识.
双容水箱液位系统的耦合关系
双容水箱液位系统的耦合关系主要体现在 如下两方面： 1.状态耦合关系：由于连通阀的存在，水 会从高液位水箱流向低液位水箱; 2.输入耦合关系：2号水泵控制两个水箱的 进水流量总和Qin，电磁阀门在支路上，对 1号和2号水箱的入水流量都会有影响，因 此存在输入耦合关系。
1号进水阀