双容水箱液位控制系统的设计与仿真
摘要：本文主要介绍了双容水箱的液面控制系统的设计和仿真过程。在对双容水箱进行建模
之后，为满足系统设计的要求，选择了串级控制方案；控制方法选择了传统 PID 串级控制和
模糊 PID 串级控制。PID 控制能满足设计需要且控制算法简单。最后通过 MATLAB 仿真进行仿
真验证以及对参数进行调整。
关键词：双容水箱建模，串级控制，PID 控制，MATLAB 仿真
一、问题描述
题目二：双容水箱液位控制系统的设计与仿真
双容水箱液位控制系统是由两个独立的单容水箱串联所构成的，因此其数学模型是结合
两个单容水箱的数学模型所建立的。双容水箱是液位系统中最常见的控制模型, 若其流入量
与流出量相同,则水箱液位动态平衡。液位平衡后,如果输入输出量不一致，那么就会导致水
箱高度变化；双容水槽中的下水槽液位即为这个系统中的被控量，通常选取上水槽的进水流
量为操纵量，使下水箱的液位保持在一定高度。由于水箱的流入量可以调节, 流出量随液位
高度的变化而变化, 所以建立水箱的数学模型，即建立流入量与液位高度之间的数学关系。
（图 1-1 双容水箱系统模型）
1、基于液位平衡原理，建立双容水箱液位控制系统的数学模型，并采用平衡点线性化方法建
立线性化模型；
2、采用模糊 PID 控制方法，在线调整 PID 控制器的参数，实现双容水箱的液位调节，给出
详细的控制方案；
3、用 Simulink 搭建仿真框图，实现系统的仿真，在线调节 PID 参数，并分析系统性能。
二、模型建立
假设水箱上下均匀，上水箱横截面积是
𝑆
1
，下水箱横截面积是
𝑆
2
，水箱液位变化范围为
