基于滑?？刂频碾p容水箱液位控制系統研究畢業論文-wenkub

　

【正文】 的區域為“滑動模態”區，即“滑?！眳^。在切換面上的運動點存在三種情況。 當C0時，此解穩定，故變結構系統（）（）（）是穩定的。直線s=0是控制產生切換的邊界線，由于產生控制切換，直線s=0常被稱之為切換線；在x1=0上，雖然ψ發生切換，但控制并沒有切換，故x1=0不是切換線。 下面將說明，在x1=0和s=0這兩條直線上改變系統結構時，可以使系統穩定。 顯然，兩種結構都不穩定?？紤]一般控制系統，被控對象是線性定常的。1977年Utkin提出了滑模變結構控制VSC和滑?？刂芐MC的方法。這個時期奠定了變結構控制的理論基礎，為研究的初級階段。該方法適用于線性與非線性系統、連續與離散系統、集中參數與分布參數系統、確定性與不確定性系統、集中控制與分散控制等，并且在實際工程中逐漸推廣應用。但該方法的缺點也同樣明顯，當狀態軌跡到達滑模面后，難以嚴格沿著滑模面向平衡點滑動，而是在滑模面兩側不斷穿越，產生震動。2 滑模變結構控制的基本原理 滑模變結構系統的概念 滑模變結構概念的引出變結構控制（Variable Structure Control，VSC），廣義地說，在控制過程中，系統結構可發生變化的系統，叫變結構系統[1,2,3]。利用滑模變結構原理，分別設計常值切換滑?？刂破骱捅壤袚Q滑?？刂破?，并編寫Matlab程序，得到響應曲線。第三章：根據液位系統過程機理，結合實驗數據，建立單容水箱的數學模型。其中，具有滑動模態的變結構控制是公認的最有前途的。同時，又有研究表明將它們相互交叉結合或與傳統的控制方法結合會產生更好的效果。沒有精確的數學模型作前提，傳統控制系統的性能將大打折扣。目前，比較成熟的自適應控制分3類：；；。它的機理表明它是一種開放式的控制策略，體現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。②預測控制。目前，已經開發出來的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機仿真或實驗裝置的驗證上，真正能有效地應用在工業過程中的并有發展潛力的仍為數不多。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用在現代自動控制領域中有著重要的地位和意義。對于此類問題，傳統的PID控制方式顯得無能為力。 目前在實際生產中應用的液位控制系統，主要以傳統的PID控制算法為主。(3)控制系統較復雜從生產安全方面考慮，生產設備的設計制造都力求生產過程進行平穩，參數變化不超出極限范圍，也不會產生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環節的特性。液位過程參數的變化不但受到過程內部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產過程的參數一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數進行控制的復雜性，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大多是在龐大的生產設備內進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設備內介質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向平衡的趨勢。近年來已有很多關于新型控制算法在雙容水箱上成功運用的報道。特別是本世紀80年代以來，電子計算機的快速更新換代和計算技術的高速度發展，推動了控制理論研究的深入開展，并進入了一段新的歷程。液位控制設計依賴的自動控制理論，經歷了經典控制理論、現代控制理論兩個發展階段，現在已進入了非線性智能控制理論發展時期。工業生產過程中的液位系統通常是時變的，具有明顯的滯后特性。工業生產中的潤滑油、冷卻水、調速油、油質加工、液態燃料供應、廢油凈化、溶液加工與傳輸等場合，常需對容器中液位進行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環系統乃至整個機組正常運行。為了使液位的控制達到一定的精度，并且具有較好的動態性能，采用了區別于傳統控制方式的滑模變結構控制。液位控制一般指對某控制對象的液位進行控制調節，使其達到所要求的控制精度。在工業生產的過程中，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值。同時，在切換面滿足控制條件的前提下，采用了趨近律，使得整個系統在單純的滑模變結構控制提供的良好的穩態性能基礎上，又具有較好的動態性能。另外，在這些生產領域里，極容易出現操作失誤，引起事故，造成廠家的損失。在熱工生產與傳輸質量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。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、穩定性等系統的基本性質，控制系統的綜合方法等在傳統控制中都建立了比較完善的理論體系?？刂评碚摰难杆侔l展，出現了許多先進的控制算法。由于雙容水箱能夠在試驗中模擬各種實際應用故障，所以針對雙容水箱的研究能夠給實際的工業生產提供理論上的支持和控制范例。因此，當流入(流出)對象的質量或能量發生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數不可能立即產生響應，這種現象叫做滯后。過程的穩定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩定下來，這就具有慣性環節的特性。PID控制是以對象的數學模型為基礎的一種控制方式。液位控制由于其應用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復雜系統。模糊控制不需要精確的數學模型，因而是解決不確定性系統控制的一種有效途徑。以下是一些得到工程界公認的先進控制策略（算法）：①改進的或復合PID控制算法。預測控制是直接從工業過程控制中產生的一類基于模型的新型控制算法。③自適應控制。④智能控制。而智能控制器的設計卻不依賴過程的數學模型，因而對于復雜的工業液位過程往往可以取得很好的控制效果。它們中有些已經在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業中取得了成功。對于變結構控制的具體理論及其特點，本文以下章節將對其進行詳細的闡述。通過實際測量開環液位控制響應曲線和數據，得出雙容水箱模型參數。在已經設計好的滑模控制器的基礎上，進一步加入趨近律，使得系統響應具有更好的動態性能。其本質上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現為控制的不連續性。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。如今，在電機與電力系統控制、機器人控制、飛機控制、衛星姿態控制等領域，變結構控制都取得了突破性的進展。 19621970年，在近10年的時間里，學者們開始針對高階線性系統進行研究，主要涉及高階線性系統在線性切換函數下控制受限與不受限及二次型切換函數的情況。此后，各國學者開始研究多維變結構系統和多維滑動模態，并將研究由規范空間拓展到更一般的空間。設此系統由下列方程描述： x1=x2 x2=a1x1a2x2+u ()式中x1，x2——系統狀態變量，a1，a2——固定參數，u——控制函數。ψ=α時，為不穩定焦點情況，即不穩定焦點結構；ψ=α時，為鞍點的情況，即鞍點結構。 假設，結構改變的規律具有如下形式： ψ=α 當x1s0α 當x1s0 ()，當x10，s0（Ⅰ、Ⅳ區）和x10, s0(Ⅲ區)時，相軌跡為不穩定焦點軌跡；當x10，s0（Ⅱ區）和x10, s0(Ⅳ區)時，相軌跡為不穩定鞍點的軌跡。 系統運動一旦進入滑動模態，由s=Cx1+x2，則Cx1+x2=0。 由上例可見，兩種結構不穩定的系統，若選擇正確的切換線，引入滑動模塊之后，可以穩定[1]。 通常點，如A點，系統運動點運動到切換面s=0附近時，穿越此點；起始點，如B點，系統運動點到達切換面s=0附近時，從切換面的兩邊離開該點；終止點，如C點，系統運動點到達切換面s=0附近時，從切換面兩側趨近該點。系統在滑模區的運動就稱為滑模運動[4]。 如果在切換面sx=0上可能指定一個非零維的區域，并且在這個區域，向量f+=fx,u,t+和f=fx,u,t在法線上的投影具有不同的符號并且指向相對，那么對于（）所描述的系統就可能產生滑動模態運動[4,17]。由于狀態x可以任意取值，即x離開切換面可以任意遠，故條件（）也稱為全局到達條件。這種運動，稱之為理想的滑模運動。 例如，對于線性系統 x=Ax+Bu x∈Rn,u∈R ()取切換函數 sx=cx=i=1ncixi=i=1n1cixi+xn ()其中xi=xi1(i=1,2,?n)為系統狀態及各階導數，選取常數c1,c2,?1使得多項式pn1+1pn2+?+c2p+c1為赫爾維茨穩定，p為拉普拉斯算子。將等效控制ueq代入系統的狀態方程（），可得 x=fx,ueq,t x∈Rn,u∈R sx=0 () 將式（）代入式（）所示線性系統，有 x=[Ib(cb)1c]Axsx=cx=0 () 滑動模態運動是系統沿切換面sx=0上的運動，達到理想終點時，滿足s=0及s=0，同時切換開關必須是理想開關，這是一種理想的極限情況。 滑模變結構控制匹配條件及其不變性 滑模變結構控制的突出優點是可以實現滑動模態與系統的外干擾和參數攝動完全無關，這種性質稱為滑動模態的不變性，這也是滑模變結構控制受重視的主要原因[7]。條件（）稱為干擾和系統的完全匹配條件[4,17]。然而，滑模變結構控制在本質上的不連續開關特性也帶來了它不可避免的問題——抖振。所以說，消除抖振是不可能的，只能在一定程度上削弱它。具體的趨近控制函數的選擇和設計將在本文的后續章節詳細介紹。該系統包括流量、液位、壓力、溫度等參數，可實現系統被控對象特性測試、單回路控制系統、位式控制、串級控制系統、滯后控制系統、前饋反饋控制系統、解耦控制系統等多種控制形式。LTLT2及LT3為壓力傳感器，通過相關計算，可以將壓力信號轉換為液位信號反饋給控制系統；FT1為流量傳感器，實時監控系統的輸入流量或干擾輸入流量；電動調節閥為控制機構，對輸入流量進行控制動作。手動閥門F11和F12可以控制供水量的大小，一般試驗中，這兩個水閥全開。該系統的電氣功能由PLC完成，各個傳感器將信號通過現場總線輸入PLC的輸入輸出模塊，再通過PLC與計算機的通信線傳給計算機。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm；儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網罩，防止兩套動力支路進水時有雜物進入泵中。流量傳感器、轉換器：流量傳感器分別用來對調節閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。電動調節閥型號為：QSTP16K。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。 (2)在單容水箱實驗的基礎上，調節上水箱與中水箱之間的連接閥門F19及中水箱的出水閥F110的開度，關閉與下水箱向連接的所有閥門，這樣就構成了雙容水箱特性實驗。因為若出現零液位或液位溢出等情況，那么系統中就要加入類似繼電特性的非線性環節，給控制設計帶來麻煩，并且這種情況在實際工業生產中也是不允許的。研究單容水箱模型是研究多容水箱模型的基礎。 首先，簡化系統的結構。閥2閥1Q2hh0Q1 在該控制過程中，液位高度h為被控量，液體體積流量Q1為被控過程的輸入量。 根據動態物料平衡關系，即在單位時間內容器的液體流入量與單位時間內容器的液體流出量之差，應等于容器中液體貯存量的變化率，即Q1Q2=Adhdt ()表示成增量形式則為ΔQ1ΔQ2=AdΔhdt ()式中ΔQΔQΔh——分別為偏離某平衡狀態ΔQΔQΔh0的增量； A——水箱的截面積。 以上討論的系統是無時延的系統以及其微分方程和傳遞函數。假設Q0流經長度為l的管道所需時間為τ0，不難得出具有純時延的微分方程和傳遞函數分別為T0dΔhdt+Δh=K0 Q0 (tτ0) ()Gs=H(s)Q0(s) =K0T0s+1 eτ0s ()式中T0為過程時間常數，T0=R2C；K0為過程放大系數，K0=R2；τ0為過程的純時延。 前面所述對于比較簡單的被控過程和被控對象的機理分析，以及通過物料平衡等關系進行數學推理的方法建立數學模型，其參數的確定需要有足夠的驗前知識和對過程內的機理變化有足夠的了解[12]。本文對各個試驗參數的確定正是采用實驗辨識方法。 階躍響應法是通過操作對象的調節閥，使過程的控制輸入產生一個階躍變化，得到被測量隨時間變化的響應曲線，在根據此曲線求取輸入輸出之間的數學關系。 (3)在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態。 。 先由階躍曲線（）得到y∞，再在階躍響應曲線的起點t=0處作切線，該切線與y∞的交點所對應的時間（，即OB段）即為T0。若分別求取的T0有差異，采用平均值即可。DT0τCBAtOy(∞)y(t) 一階時延環節階躍相應曲線 帶時延的一階環節需要確定三個參數K0、T0和時延時間τ。 為避免在階躍曲線上找D點及通過D點做切線存在過大的誤差，一般采取計算法求取T0和時延時間τ。 為了使得T0和τ更精確一些，然后取平均值。 由此，系統閉環結構框圖為U(s)R(s)+1 閉環結構框