本文档介绍了模块六中的综合设计实验，重点讲解了双容水箱液位控制实验的相关内容与操作方法。
自动控制原理实验报告
一、实验目的：本实验的目的是掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法；熟悉基于MATLAB的系统仿真技术，并通过试验确定模型参数的方法；同时，培养编写总结性报告的能力。
二、性能指标要求：衰减率4:1~10:1，超调量Mp≤10%，调节时间ts≤150秒，稳态误差ess=0
三、实验设计：本实验采用双容水箱液位控制系统作为研究对象。该系统具有自衡特性，并且已知上下两个容器的横截面积分别为A1和A2；控制阀的液体阻力分别记为R1和R2。第一个水槽的时间常数T1定义为T 1=R1× A1，静态放大系数K1等于R1；第二个水箱的时间常数T2计算为T 2=R2× A2 ，其静态放大系数K2则与该值相等。由此可以推导出第二个容器液位h2和流入第一个容器的流量q之间的数学模型：G (s )= H2(s)Q(s)= K(T1s+1)(T 2 s+1)
四、实验设计内容：
PID控制器的作用如下：
- 比例控制是最基础的形式，其输出与误差信号成比例。这种形式能够快速响应扰动以稳定系统状态；然而仅使用比例控制会导致稳态误差。
- 积分控制通过累计误差来提高系统的性能，在长时间运行后消除稳态偏差。但是过大的积分作用可能导致稳定性问题。
- 微分控制则基于误差的变化率，提前预判并调整输出信号，从而减少超调现象。
五、实验结果：
1. 绘制了双容水箱的开环响应曲线；
2. 建立了系统的数学模型：h2(∞)=1.688, h2(t)|t=t1=0.4*h2(∞), t1=82.3134；h2(t)|t=t2=0.4*h2(∞)，t2=193.1944；
K=h2(∞)/RO，T1+T2≈ (t1+t2) / 2 = 67.85s。由此可得：K, T1和T2的值分别为0.422、94.65和32.9；因此系统的传递函数为G(s)= K(T1s+1)(T 2 s+1)；
经过Z-N整定，得到P=11.07, I=0.1，D=20。调整PID参数后系统响应如下图：
3. 构建了实时控制系统和加入PID控制的仿真模型，并通过电压与高度的关系计算得出H = 12.1V-10.6。
实时仿真的结果如图所示：超调量Mp为6.2%，调节时间为ts=105秒，衰减率为4:1，达到了实验要求。
六、总结与反思：
在实际操作中遇到的问题包括初期放水阀开度设置不当导致曲线响应缓慢。通过调整参数顺序逐步优化PID控制器的性能，并最终实现了系统的稳定运行。此次实验不仅增强了对MATLAB工具的应用能力，同时也积累了宝贵的实践经验。
5星
