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穷则独善其身，达则兼善天下。——《孟子》
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双容水箱液位流量串级控制系统设计
◆设计题目
双容水箱液位流量串级控制系统设计
◆设计任务
如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常
波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。
水箱1水箱2
图1系统示意图◆设计要求
1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1,副被控对象（流
量）传递函数W2=1/(10s+1。
2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计单
回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定
的方法与结果；
3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计液
位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控
制器的结构、参数整定方法及结果；
4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控
制进行仿真试验结果比较，并说明原因。
◆设计任务分析
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天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。——《周易》
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一、系统建模
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。
机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方
程，从中获得所需的数学模型
测试法一般只用于建立输入—输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实
测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑
匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。
对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建
模。
在该液位控制系统中，建模参数如下：
控制量：水流量Q；
被控量：水箱2液位；
主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1,
副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。
控制对象特性：
Gm1（S）=1/（0.1S+1）（水箱1传递函数）；
Gm2（S）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。
控制器：PID；
执行器：流量控制阀门；
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丹青不知老将至，贫贱于我如浮云。——杜甫
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干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s后，施加均值为0、方差为0.01的
白噪声。
为保持水箱2液位的稳定，设计中采用闭环系统，将水箱2液位信号经液位传
感器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用
于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整
PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干
扰能力。该设计对
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