基于滑模控制的雙容水箱液位控制系統(tǒng)研究畢業(yè)論文(已修改)

　

【正文】 基于滑模控制的雙容水箱液位控制系統(tǒng)研究畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 1 1 液位控制的特點及發(fā)展現(xiàn)狀 2 3 42 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理 5 滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概念 5 滑模變結(jié)構(gòu)概念的引出 5 變結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展歷史 5 滑動模態(tài)的定義 6 滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義 8 滑動模態(tài)的存在與滑動模態(tài)方程 8 滑動模態(tài)的存在條件 8 等效控制 9 滑動模態(tài)運動方程 10 滑模變結(jié)構(gòu)控制匹配條件及其不變性 10 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的抖振問題 113 水箱液位控制系統(tǒng)建模 13 液位控制系統(tǒng) 13 液位控制系統(tǒng)的組成 13 液位控制系統(tǒng)的控制對象 16 16 16 1多容水箱系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識 2多容水箱系統(tǒng)機理模型 2多容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識 24 26 MATLAB簡介 26 SIMULINK仿真環(huán)境 264 雙容水箱系統(tǒng)的滑模控制 27 滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計分析 27 系統(tǒng)的仿真分析 27 滑模便結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計步驟與設(shè)計要求 29 30 Ci的選取 30 控制函數(shù)u的求取 31 雙容水箱系統(tǒng)控制系統(tǒng) 32 三容水箱液位控制系統(tǒng)探討 38 39 引入趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計 42 趨近律的概念 42 趨近律的求取 42 基于指數(shù)趨近律的位置跟蹤滑模控制器設(shè)計 44 基于指數(shù)趨近律的位置跟蹤滑模控制器的跟蹤性能分析 46 滑模控制與傳統(tǒng)PID控制比較 49 傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計及參數(shù)整定 49 雙容水箱系統(tǒng)PID控制器參數(shù)整定與仿真 50 雙容水箱系統(tǒng)PID控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制效果分析 525 總結(jié)與展望 53參考文獻 55附錄 57致謝 63翻譯部分英文原文 64中文譯文 751 緒論 液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。液位控制一般指對某控制對象的液位進行控制調(diào)節(jié)，使其達到所要求的控制精度。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，很多場合都要對液位進行控制，使其高精度、快速度地到達并保持給定的數(shù)值。如在化工生產(chǎn)過程中，鍋爐液位的穩(wěn)定性及快速性直接影響到成品的質(zhì)量；在建材行業(yè)中，玻璃爐窯液位的穩(wěn)定性對爐窯的使用壽命及產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水制得當與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。 在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量。為了使液位的控制達到一定的精度，并且具有較好的動態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的滑模變結(jié)構(gòu)控制。同時，在切換面滿足控制條件的前提下，采用了趨近律，使得整個系統(tǒng)在單純的滑模變結(jié)構(gòu)控制提供的良好的穩(wěn)態(tài)性能基礎(chǔ)上，又具有較好的動態(tài)性能。該系統(tǒng)除了具有良好的階躍響應(yīng)以外，在跟蹤一定頻率的規(guī)則輸入信號（如正弦信號、方波信號）方面也有較好的控制效果。 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓龊希Ｐ鑼θ萜髦幸何贿M行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個機組正常運行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失。可見，在實際生產(chǎn)中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位系統(tǒng)通常是時變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構(gòu)成的多容對象。兩個串連的單容對象構(gòu)成的雙容對象就比較典型。液位控制設(shè)計依賴的自動控制理論，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個發(fā)展階段，現(xiàn)在已進入了非線性智能控制理論發(fā)展時期。從控制理論解決的問題而論，很多重大的、根本的問題，如可控性、可觀測性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質(zhì)，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都建立了比較完善的理論體系。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿足工程技術(shù)及各種其它領(lǐng)域的需要。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個領(lǐng)域中自動控制系統(tǒng)對控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，應(yīng)用范圍也更加廣泛。特別是本世紀80年代以來，電子計算機的快速更新?lián)Q代和計算技術(shù)的高速度發(fā)展，推動了控制理論研究的深入開展，并進入了一段新的歷程。控制理論的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多先進的控制算法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在50年代就有了相當?shù)难芯浚S著人們逐漸認識到它的一些優(yōu)點，如對攝動的某種完全適應(yīng)性，并可用來設(shè)計日益復(fù)雜對象的控制規(guī)律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展[4]。目前，各實驗室都利用雙容水箱進行了實驗教學(xué)和大量的算法研究。近年來已有很多關(guān)于新型控制算法在雙容水箱上成功運用的報道。由于雙容水箱能夠在試驗中模擬各種實際應(yīng)用故障，所以針對雙容水箱的研究能夠給實際的工業(yè)生產(chǎn)提供理論上的支持和控制范例。 液位控制的特點及發(fā)展現(xiàn)狀液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，對液位的相關(guān)參數(shù)進行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動進行下去。液位過程參數(shù)的變化不但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數(shù)進行控制的復(fù)雜性，或者控制起來相當困難，因此形成了過程控制的下列特點：(1)對象存在滯后熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向平衡的趨勢。因此，當流入(流出)對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。(2)對象特性的非線性對象特性大多是隨負荷變化而變化，當負荷改變時，動態(tài)特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實質(zhì)是極為重要的。(3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計制造都力求生產(chǎn)過程進行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會產(chǎn)生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。 目前在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制是以對象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對于簡單的線性、時不變系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實際系統(tǒng)的特性。對于此類問題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴重影響PID控制的效果，當實際生產(chǎn)對控制有較高的性能指標要求時，就需要尋找種新的控制方式。模糊控制是智能控制研究中最為活躍而又富有成果的領(lǐng)域，涌現(xiàn)出眾多新的模糊控制技術(shù)和方法并得以廣泛應(yīng)用。在存在“不相容原理”的情況下，模糊邏輯對于問題的描述能在準確和簡明之間取得平衡，使其具有實際意義，因此模糊控制理論的研究和應(yīng)用在現(xiàn)代自動控制領(lǐng)域中有著重要的地位和意義。模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，因而是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。此外，模糊邏輯是柔性的，對于給定的系統(tǒng)很容易處理以及直接增加新的功能，易于與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相結(jié)合。但是，單純的模糊控制也存在精度不高、易產(chǎn)生極限環(huán)振蕩等問題。目前，已經(jīng)開發(fā)出來的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機仿真或?qū)嶒炑b置的驗證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。以下是一些得到工程界公認的先進控制策略（算法）：①改進的或復(fù)合PID控制算法。大量的事實證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對于絕大部分工業(yè)過程的被控對象可取得較好的控制效果。采用改進的PID算法或者將PID算法與其他算法進行有機結(jié)合往往可以進一步提高控制質(zhì)量。②預(yù)測控制。預(yù)測控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。它高度結(jié)合了工業(yè)實際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高。預(yù)測控制有三要素，即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。它的機理表明它是一種開放式的控制策略，體現(xiàn)了人們在處理帶有不確定性問題時的一種通用的思想方法。③自適應(yīng)控制。在液位過程工業(yè)中，很多過程是時變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會不斷惡化，這時就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時變的過程。它是辨識與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分3類：；；。④智能控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習能力。另外，被控工業(yè)過程日益復(fù)雜，過程嚴重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學(xué)模型精確描述。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計卻不依賴過程的數(shù)學(xué)模型，因而對于復(fù)雜的工業(yè)液位過程往往可以取得很好的控制效果。常用的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級遞階智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制。這些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在問題。同時，又有研究表明將它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合會產(chǎn)生更好的效果。它們中有些已經(jīng)在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)中取得了成功。今后，需要進一步對智能控制的基礎(chǔ)理論進行研究，以建立統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。 變結(jié)構(gòu)控制作為近年來受到重視并取得重大發(fā)展的控制理論，憑借其自適應(yīng)能力強、響應(yīng)快，系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點，也是未來發(fā)展的重要方向。其中，具有滑動模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制是公認的最有前途的。對于變結(jié)構(gòu)控制的具體理論及其特點，本文以下章節(jié)將對其進行詳細的闡述。第一章：介紹選題意義，液位控制的特點、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。第二章：介紹滑模控制的基本原理。第三章：根據(jù)液位系統(tǒng)過程機理，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，建立單容水箱的數(shù)學(xué)模型。通過實際測量開環(huán)液位控制響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù)，得出雙容水箱模型參數(shù)。同時根據(jù)實際情況，修改系統(tǒng)模型。第四章：設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并搭建SIMULINK仿真平臺，得到其響應(yīng)曲線。利用滑模變結(jié)構(gòu)原理，分別設(shè)計常值切換滑模控制器和比例切換滑模控制器，并編寫Matlab程序，得到響應(yīng)曲線。在已經(jīng)設(shè)計好的滑模控制器的基礎(chǔ)上，進一步加入趨近律，使得系統(tǒng)響應(yīng)具有更好的動態(tài)性能。然后設(shè)計傳統(tǒng)PID控制器，分析比較各滑模控制器之間及滑模控制器與PID控制器之間差異并討論實用性。第五章：總結(jié)整篇論文。2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理 滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概念 滑模變結(jié)構(gòu)概念的引出變結(jié)構(gòu)控制（Variable Structure Control，VSC），廣義地說，在控制過程中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可發(fā)生變化的系統(tǒng)，叫變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1,2,3]。其本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當前的狀態(tài)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定的“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動，所以又常稱變結(jié)構(gòu)控制為滑動模態(tài)控制（Sliding Mode Control，SMC），即滑模變結(jié)構(gòu)控制[2,4,5,14,20]。由于滑動模態(tài)可以進行設(shè)計且與擾動無關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制在控制的快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等方面具有很大優(yōu)勢。但該方法的缺點也同樣明顯，當狀態(tài)軌跡到達滑模面后，難以嚴格沿著滑模面向平衡點滑動，而是在滑模面兩側(cè)不斷穿越，產(chǎn)生震動。目前可以由加入趨近率的方法改善震動狀況，但完美的平滑滑動是實際不存在的。變結(jié)構(gòu)控制在上世紀50年代提出，經(jīng)過近60年的發(fā)展，形成了相對獨立的分支。近年來，變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展迅速，成為自動控制系統(tǒng)的一種設(shè)計方法。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)、集中參數(shù)與分布參數(shù)系統(tǒng)、確定性與不確定性系統(tǒng)、集中控制與分散控制等，并且在實際工程中逐漸推廣應(yīng)用。如今，在電機與電力系統(tǒng)控制、機器人控制、飛機控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等領(lǐng)域，變結(jié)構(gòu)控制都取得了突破性的進展。 變結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展歷史[4] 變結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展經(jīng)歷了大致三個階段。 19571962年，前蘇聯(lián)學(xué)者Utkin和Emelyanov提出了變結(jié)構(gòu)控制的概念，其基本研究對象為二階線性系統(tǒng)。這個時期奠定了變結(jié)構(gòu)控制的理論基礎(chǔ)，為研究的初級階段。 19621970年，在近10年的時間里，學(xué)者們開始針對高階線性系統(tǒng)進行研究，主要涉及高階線性系統(tǒng)在線性切換函數(shù)下控制受限與不受限及二次型切換函數(shù)的情況。但此時的研究還是SISO系統(tǒng)。 1970年以后，變結(jié)構(gòu)控制開始在線性空間上研究，并得到了“變結(jié)構(gòu)控制對攝動及干擾具有不變性”的結(jié)論。1977年Utkin提出了滑模變結(jié)構(gòu)控制VSC和滑模控制SMC的方法。此后，各國學(xué)者開始研究多維變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和多維滑動模態(tài)，并將研究由規(guī)范空間拓展到更一般的空間。 中國學(xué)者高為炳院士首先提出了趨近律的概念，列舉了諸如等速趨近律、指數(shù)趨近律、冪次趨近律直到一般趨近律，填補了對變結(jié)構(gòu)研究大多集中在滑動模態(tài)上而對進入切換面之前的運動，即正常運動段研究較少的空白。 滑動模態(tài)的定義 這里先引入一個簡單的例子解釋滑動模態(tài)。考慮一般控制系統(tǒng)，被控對象是線性定常的。設(shè)此系統(tǒng)由下列方程描述： x1=x2