模块六涉及综合设计实验，重点在于双容水箱液位控制实验。

简介：
自动控制原理实验报告一、本实验旨在掌握自动控制系统的分析方法以及控制器设计的策略，同时熟悉基于 MATLAB 的系统仿真技术，并学会利用试验方法确定系统模型参数，以及通过实际物理对象提升编织技术总结能力。二、性能指标要求如下：衰减率应在 4:1 到 10:1 之间，超调量应小于或等于 10%，调节时间应小于或等于 150 秒，且稳态误差应为零。三、实验设计：本次实验采用双容水箱液位控制实验，该实验的特点在于双容水箱具有自衡特性的液位变化过程。已知上下水槽的横截面积分别为 A1 和 A2，调节阀 1 的液阻为 R1，调节阀 2 的液阻为 R2。这里设定第一个水槽的时间常数为 T1，即 T1 = R1 × A1 ，静态放大系数为 K1 ， K1 = R1；第二个水槽的时间常数为 T2，即 T2 = R2 × A2 ，静态放大系数为 K2，K2 = R2。因此，第二个水槽的液位 h2 与流入第一个水槽的流量 q 之间的数学关系可以表示为 G(s) = H2(s)Q(s) = K(T1s+1)(T2s+1)。四、实验设计内容：PID 控制器各控制规律的具体作用如下：首先，比例控制是一种较为基础的控制方式；其输出值与输入误差信号成正比关系，能够有效地抑制扰动并使系统达到稳定状态。然而，仅采用比例控制时，系统输出可能存在稳态误差；其次，积分控制在系统中引入“积分项”，以消除稳态误差。积分项的值取决于时间的积分累积；随着时间的推移，积分项会不断增大，从而推动控制器输出增大以减小误差至零。但过大的积分速度可能导致系统不稳定并产生振荡现象；最后,比例+积分（PI）控制器能够使系统在进入稳态后无稳态误差。五、实验结果：首先绘制双容水箱的开环曲线；其次搭建双容水箱的数学模型,其中h∞(∞)=1.688h₁(t )|t=t₁=0.4h₂(∞),t₁=82.3134h₂(∞),t₂=0.8h₂(∞),t₂=193. 计算得到K=h₂(∞)RO= 0.422T₁+T₂≈t₁+t₂ ≈ 82.3 + ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ 计算得到 T₁ ≈ 94.65, T₂ ≈ 33, G(s)=K(T₁s+ )(T₂ s+ )=0.4 Z-N 整定法由图做切线,得到 L=44 T= ,可以计算得到 Kp= ,Ti= ,Td=.观察到与要求存在误差,需要继续调整 P,I,D 参数;MATLAB仿真图如下所示;搭建实时控制系统如下图所示;加入 PID 控制器系统将电压转化为高度输出计算如下：当 h=0cm 时,v=0.956v ;当 h=cm 时 ,v=.78v 计算得到 H=.V- .电压与高度程线性;其中 Fcn=.V- .经过调整最终确定参数为 P=.I.=.,得到搭建实时系统图如下所示;实时仿真的图像如下图所示:如图计算可得:Mp==6.２%,ts=１０５s,a＝４：１满足实验要求 。六、实验总结与反思：在实物实验过程中发现初始阶段放水阀开度过大导致曲线上升速度较慢；经过重新调整开度后情况有所改善。在 PID 控制器的调节过程中需要注意三个参数的调整顺序进行逐个调试以确保系统的稳定性；最初由于 P 值过大导致系统出现震荡现象；通过耐心调节最终达到稳态状态。本次实验显著提高了 MATLAB 的应用能力以及实操经验水平。