基于滑?？刂频碾p容水箱液位控制系統研究畢業論文-全文預覽

　　

【正文】 雙容水箱液位控制系統中控制對象為中水箱的液位，三容水箱液位控制系統中的控制對象即為下水箱的液位）。 液位控制系統的控制對象 利用THJFCS1型現場總線過程控制系統試驗裝置中各個組件的不同組合情況，可以構成針對不同對象的多種不同功能的實驗系統。2 水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16CQ8P，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。輸出：4～20mA標準信號。(2) 檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用帶PROFIBUSPA通訊協議的SIEMENS壓力傳感器和工業用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。每個水箱有三個槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。 現場總線控制系統結構圖現場層控制信號輸出控制層上位機PCCPU3152DPSM331模擬量輸入SM331模擬量輸入SM332模擬量輸出LT1LT2FT1FT2LT1FT3TT1TT2LT1LT2FT1FT2LT1FT3TT1TT2調節閥COUPLER壓力變送器現場信號輸入 系統的各個元件的相關信息如下：(1) 蓄水容器及管道水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。另外，在儲水箱的底部還有一個閥門，在水箱系統需要換水時打開，儲水箱中的水可以直接流出，試驗中需要關閉。整個系統通過不銹鋼的管道連接起來，儲水箱為三個水箱提供水源，手動閥門F16開啟時，水可進入上水箱。該液位控制系統的水箱系統由蓄水容器、檢測元件和動力驅動裝置構成。該水箱控制系統實驗裝置是基于工業過程的物理模擬對象，它是集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術為一體的多功能實驗裝置。 總之，抖振的原因在于：當系統的軌跡到達切換面時，其速度是有限大的，慣性使運動點穿越切換面，從而最終形成抖振，疊加在理想的滑動模態上[1, 4,5]。但對于一個現實的滑模變結構控制系統，以上各個條件并不可能嚴格滿足，尤其對于離散的滑模變結構系統，這樣的要求過于苛刻。條件（）稱為不確定性和系統的完全匹配條件[4,5]。(1) 系統受外干擾時 x=Ax+Bu+Df ()其中Df表示所受的外界干擾。故式（）是滑模變結構控制系統在滑動模態附近的平均運動方程，描述了系統在滑動模態下的主要動態特征。所設計的控制律u要滿足滑模穩定條件。 如果達到理想的滑模控制，則s=0，即 s=?s?x?x?t=0 或 s=?s?xf(x,u,t)=0 () 將式（）中u的解ueq（如果存在）稱為系統在滑動模態區內的等效控制。 通常將式（）表達成李雅普諾夫函數型的到達條件[3,5]： Vx0,Vx=12s2 ()條件（）或（）在切換面sx=0上確定了滑動區。 滑動模態存在條件的數學形式： lims→+0s0,lims→0s0 ()它是滑動模態存在的充分條件。 這樣的控制系統，稱為滑動模態變結構控制系統，簡稱變結構系統。因為如果切換面上某一區域內所有點都是終止點，則一旦運動點趨近于該區域時，都會被“吸引”到該區域內運動。s0CBAs=0s0在系統 x=fx x∈Rn ()的狀態空間中，有一個切換面sx=sx1,x2?xn=0,將狀態空間分成上下兩個部分s0及s0。解得 x1t=x10eCt ()式中x10為x1t的初始狀態。在這條直線的鄰域，兩結構的軌跡指向相對，故往后系統的運動將是沿著s=0這條直線的滑動模態，=0的鋸齒線所示。變化C(C0)的值，可以使得這條線在x1軸和ψ=α時的雙曲線軌跡的漸進線之間變化。 假定a2為負，并對α作適當限制，使得ψ=α時，特征方程有正實部復根；而ψ=α時，特征方程有一正一負實根。 滑動模態的定義 這里先引入一個簡單的例子解釋滑動模態。 1970年以后，變結構控制開始在線性空間上研究，并得到了“變結構控制對攝動及干擾具有不變性”的結論。 19571962年，前蘇聯學者Utkin和Emelyanov提出了變結構控制的概念，其基本研究對象為二階線性系統。近年來，變結構控制發展迅速，成為自動控制系統的一種設計方法。由于滑動模態可以進行設計且與擾動無關，這就使得變結構控制在控制的快速響應、對參數變化及擾動不靈敏、無需系統在線辨識、物理實現簡單等方面具有很大優勢。第五章：總結整篇論文。第四章：設計滑模變結構控制器，并搭建SIMULINK仿真平臺，得到其響應曲線。第二章：介紹滑?？刂频幕驹?。 變結構控制作為近年來受到重視并取得重大發展的控制理論，憑借其自適應能力強、響應快，系統動態、靜態品質優良等優點，也是未來發展的重要方向。這些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在問題。另外，被控工業過程日益復雜，過程嚴重的非線性和不確定性，使許多系統無法用數學模型精確描述。它是辨識與控制的結合。預測控制有三要素，即預測模型、滾動優化和反饋校正。采用改進的PID算法或者將PID算法與其他算法進行有機結合往往可以進一步提高控制質量。但是，單純的模糊控制也存在精度不高、易產生極限環振蕩等問題。模糊控制是智能控制研究中最為活躍而又富有成果的領域，涌現出眾多新的模糊控制技術和方法并得以廣泛應用。但對于復雜的大型系統，其數學模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數學模型不能正確地反映實際系統的特性。任何生產過程被控制的參數都不是一個，這些參數又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設計相應不同的控制系統。大多數生產過程都具有非線性，弄清非線性產生的原因及非線性的實質是極為重要的。在生產過程中，對液位的相關參數進行控制，使其保持為一定值或按一定規律變化，以保證質量和生產安全，使生產自動進行下去。目前，各實驗室都利用雙容水箱進行了實驗教學和大量的算法研究。但是隨著工業和現代科學技術的發展，各個領域中自動控制系統對控制精度、響應速度、系統穩定性與適應能力的要求越來越高，應用范圍也更加廣泛。兩個串連的單容對象構成的雙容對象就比較典型。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發先進的液位控制方法和策略。 液位是工業生產過程控制中很重要的被控變量。 在本文中，液位控制系統中的水箱為控制對象，液位為控制量。基于滑模控制的雙容水箱液位控制系統研究畢業論文目 錄1 緒論 1 1 1 液位控制的特點及發展現狀 2 3 42 滑模變結構控制的基本原理 5 滑模變結構系統的概念 5 滑模變結構概念的引出 5 變結構控制的發展歷史 5 滑動模態的定義 6 滑模變結構控制的定義 8 滑動模態的存在與滑動模態方程 8 滑動模態的存在條件 8 等效控制 9 滑動模態運動方程 10 滑模變結構控制匹配條件及其不變性 10 滑模變結構控制系統的抖振問題 113 水箱液位控制系統建模 13 液位控制系統 13 液位控制系統的組成 13 液位控制系統的控制對象 16 16 16 1多容水箱系統建模及參數辨識 2多容水箱系統機理模型 2多容水箱系統模型的參數辨識 24 26 MATLAB簡介 26 SIMULINK仿真環境 264 雙容水箱系統的滑?？刂?27 滑模變結構控制設計分析 27 系統的仿真分析 27 滑模便結構系統的設計步驟與設計要求 29 30 Ci的選取 30 控制函數u的求取 31 雙容水箱系統控制系統 32 三容水箱液位控制系統探討 38 39 引入趨近律的滑模變結構控制設計 42 趨近律的概念 42 趨近律的求取 42 基于指數趨近律的位置跟蹤滑?？刂破髟O計 44 基于指數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PID控制比較 49 傳統PID控制器設計及參數整定 49 雙容水箱系統PID控制器參數整定與仿真 50 雙容水箱系統PID控制與滑模變結構控制效果分析 525 總結與展望 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 液位控制系統是以液位為控制對象的控制系統，它在工業中的各個領域都有廣泛的應用。如在化工生產過程中，鍋爐液位的穩定性及快速性直接影響到成品的質量；在建材行業中，玻璃爐窯液位的穩定性對爐窯的使用壽命及產品的質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；工礦企業的排水與進水制得當與否，關系到車間的生產狀況；鍋爐汽包液位過低，會使鍋爐過熱，可能發生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產品的質量與成本等。該系統除了具有良好的階躍響應以外，在跟蹤一定頻率的規則輸入信號（如正弦信號、方波信號）方面也有較好的控制效果。可見，在實際生產中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響工廠的生產成本、經濟效益甚至設備的安全系數。生產實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構成的多容對象。應用傳統控制理論基本能夠滿足工程技術及各種其它領域的需要。變結構控制系統在50年代就有了相當的研究，隨著人們逐漸認識到它的一些優點，如對攝動的某種完全適應性，并可用來設計日益復雜對象的控制規律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發展[4]。 液位控制的特點及發展現狀液位控制系統一般指工業生產過程中自動控制系統的被控變量為液位的系統。(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，動態特性有明顯的不同。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩定下來的，這就是具有積分的對象。對于簡單的線性、時不變系統，數學模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。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。此外，模糊邏輯是柔性的，對于給定的系統很容易處理以及直接增加新的功能，易于與傳統的控制技術相結合。大量的事實證明，傳統的PID控制算法對于絕大部分工業過程的被控對象可取得較好的控制效果。它高度結合了工業實際的要求，綜合控制質量比較高。在液位過程工業中，很多過程是時變的，如采用參數與結構固定不變的控制器，則控制系統的性能會不斷惡化，這時就需要采用自適應控制系統來適應時變的過程。隨著科學技術的發展，對工業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的自適應和自學習能力。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、人工神經元網絡控制、擬人智能控制。今后，需要進一步對智能控制的基礎理論進行研究，以建立統一的智能控制系統的設計方法。第一章：介紹選題意義，液位控制的特點、現狀和發展方向。同時根據實際情況，修改系統模型。然后設計傳統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。這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統的“結構”并不固定，而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態有目的地不斷變化，迫使系統按照預定的“滑動模態”的狀態軌跡運動，所以又常稱變結構控制為滑動模態控制（Sliding Mode Control，SMC），即滑模變結構控制[2,4,5,14,20]。變結構控制在上世紀50年代提出，經過近60年的發展，形成了相對獨立的分支。 變結構控制的發展歷史[4] 變結構控制的發展經歷了大致三個階段。但此時的研究還是SISO系統。 中國學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、指數趨近律、冪次趨近律直到一般趨近律，填補了對變結構研究大多集中在滑動模態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。 用x1構造一個一個控制作用 u=ψx1 ()當ψ=α時，得到一種結構，其中α為常數： x1=x2 x2=a1x1a2x2αx1 ()當ψ=α時，得另到一種結構： x1=x2 x2=a1x1a2x2+αx1 ()故系統有兩個線性結構，或者說有兩個線性模型。 =0，即Cx1+x2=0這條直線。圖2. 3 由左圖可見，系統狀態的代表點由任何初始位置出發，總會碰到直線s=0，稱之為進入直線s=0。又因狀態方程中x1=x2，故有 x1+Cx1=0 ()此關系式一階微分方程，它被用來作為描述滑模運動的方程，叫滑動模態方程或滑動方程。 這是簡單的滑動模塊變結構控制系統，下面將其一般化。 在滑模變結構控制中，通常點和起始點沒有什么特殊的意義，而終止點卻不同。 滑模變結構控制的定義[1,4,14,15] 設有一非線性控制系統 x=fx,u,t x∈Rn,u∈Rm,t∈R ()需要確定切換函數向量 sx, s∈Rm ()其具有的維數一般等于控制的維數，并且尋求變結構控制