三容水箱液位控制系统是工业过程控制系统的物理模拟对象,能够有效模拟现代工业中的大多数过程控制系统,具有非线性、滞后、不确定性等特点。自抗扰控制技术是在PID控制算法上的改进,突破了“绝对不变性原理”和“内模原理”的局限性,具有不依赖被控对象数学模型、算法简单易实现的优点。本文重点进行基于自抗扰的水箱液位控制仿真与实验研究。首先,根据机理建模法建立三容水箱系统数学模型,并以实验室三容水箱为对象,通过实验方法测定系统数学模型的参数,对所得的数学模型进行阶跃响应仿真实验,以验证模型正确性。然后,基于自抗扰控制理论,对水箱液位进行基本自抗扰控制仿真与实验研究,针对研究中基本自抗扰控制方法存在的二次扰动、控制性能过度依赖参数设置、参数多数来源于经验调节等问题,提出了相应的改进算法,并进行了仿真与实验研究。(1)针对双容水箱系统中存在二次扰动的问题,提出了自抗扰串级控制算法。通过该算法解决了中水箱液位在受到剧烈且频繁的干扰时,不能迅速克服作用于副回路内的扰动问题。改善了系统的动态特性,提高了系统控制质量。(2)针对自抗扰控制算法的参数过多难以调节并考虑系统的动态性能等问题,提出基于相轨迹特征的自抗扰串级控制算法。该算法根据相变量在相平面中的实际位置和预设相轨迹计算出相变量的期望运动方向,使控制系统的相变量能够沿预设相轨迹运动,实现了对控制系统性能的调整,减少了自抗扰控制器的参数,并且能够实现系统响应的动态过程轨迹规划。论文也详细分析了相轨迹倾斜度对控制性能的影响。(3)针对带有相轨迹特征的自抗扰串级控制器的参数主要是依赖人工调节的问题,提出基于社会蜘蛛群优化的带有相轨迹特征的自抗扰串级控制算法,实现自抗扰控制器参数的自适应整定。仿真实验验证算法的有效性。最后,将上述自抗扰控制算法及其改进算法应用到三容水箱实验装置上进行液位控制实验研究,研究结果表明改进后的自抗扰控制算法具有不依赖被控对象数学模型、控制器参数对人工经验依赖度小、结构简单易实现、跟踪性能好、抗干扰能力强等优点,易于实际工程应用。