耦联水罐控制系统及其数字孪生
Coupled Tanks and QLabs Virtual Coupled Tanks
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耦联水罐控制系统Coupled Tanks是一个可构造的过程控制实验设备，使学生能够练习建模和控制相关的实验。该实验设备是与Karl Åström教授和Karl Henrik Johansson教授联合开发的一个小型的带有一个泵的两容水罐模型装置。适合实际工业过程如石油化工，造纸，水处理等相关的流体动力学，流体压力和时延系统相关控制理论的教学和研究。

工作原理

耦联水罐控制系统是由一个泵和两个水罐组成的封闭循环系统。水通过泵的驱动从底部的水盆流入到上面的两个水罐中。根据不同的硬件设置，水流会流入上面的水罐，或者下面的水罐，或者同时注入两个水罐。水流出的速度可以通过更换不同直径的流出孔来改变。此外，为了引入扰动水流，上罐底部还直接安装一个水龙头。当水龙头打开时，上罐水将直接流入水盆。

每个水罐的底部都装有一个压力传感器用于测量水罐内的液位高度。压力传感器的零偏和增益都可以方便地通过电位计进行调节校准。每个水罐的外部都标有竖向刻度（单位为厘米）方便使用者直观的看到液位的高度。单个耦联水罐装置可以配置成单输入单输出(SISO)系统，泵直接注水到上面水罐，下面的水罐不用；泵注水到上罐，然后流入下罐；泵经过分流管同时注水到上下两个水罐，上罐的水同时也流入下罐三类不同的实验系统，此外，多个耦联水罐单元组合起来可以构成复杂的多输入多输出实验系统。

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2. 传递函数表示

3. 线性化

4. 级位控制

5. PID控制器设计

6. 前馈控制

7. 控制参数调节

特点

水罐及框架材料用有机玻璃
双罐单泵设计
每罐单独测量压力/液位
泵到水罐的流道可重复配置
水龙头使得上罐的水直接排入水盆
提供三种不同孔径的出水孔
压力传感器可方便地进行标定
控制系统完全与MATLAB®/Simulink® 兼容
开放性结构设计

设备规格

规格	数值	单位
装置质量	6.6	kg
尺寸 (H x W x L)	30.5 x 30.5 x 91.5	cm
泵流量常数	3.3	cm³/V.s
压力传感器精度	6.1	cm/V
压力传感器测量范围	0 - 6.89	kPa
水罐高度	30	cm
水罐内径	4.45	cm
小出水孔直径	0.32	cm
中出水孔直径	0.48	cm
大出水孔直径	0.56	cm

实验组件

组件	描述
设备	耦联水罐控制系统
控制软件	Quanser QUARC® add-on for MATLAB®/Simulink®
相关指导书	教师实验手册学生实验手册用户使用手册快速入门指南
运行环境	Microsoft Windows®
数据采集卡	Quanser Q2-USB, Q8-USB, QPID/QPIDe,
功率放大器	Quanser VoltPAQ-X1

耦联水罐控制系统数字孪生 QLabs Virtual Coupled Tanks

QLabs Virtual Coupled Tanks是Quanser Coupled Tanks系统的全仪表化、动态精确的数字孪生。它的操作方式与物理硬件相同，完全兼容MATLAB/SIMULINK,可以使用MATLAB/Simulink和其他开发环境进行虚拟耦联水罐的测量和控制。借助QLabs Coupled Tanks，您可以丰富传统实验室的讲座和活动，或将可信、真实的基于模型的实验室体验带入远程和在线过程控制课程。

课件

第一原理建模
线性化
极点配置
PID控制
前馈（控制）

规格

应用程序下载	Quanser学术网站
操作系统	Microsoft Windows 10或更高版本
支持软件	MATLAB和Simulink R2021a或更高版本、PYthon 3
最低系统	视频卡：Intel HD 520或等效DX11 GPU 处理器：Core i5-6300U系列或同等产品内存：8 GB RAM
建议系统	视频卡：Intel UHD 620或同等GPU 处理器：Core i7-8665U系列或同等产品内存：16 GB RAM

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