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-免費(fèi)閱讀

　　

【正文】 這些趨近律都滿足ss0這個(gè)條件，同時(shí)，又對(duì)趨近律切換面的規(guī)律進(jìn)行了限制。 引入趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì) 趨近律的概念[2,3] 趨近律的概念是由變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的品質(zhì)問題引出來的。改進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出的頻率較改進(jìn)前的頻率明顯提高了，并且輸出信號(hào)的平均幅值也增大了。保持已設(shè)計(jì)的比例切換控制器的參數(shù)及輸入量不變，仿真輸出如下圖所示： 比例切換控制輸出 ，改進(jìn)后的系統(tǒng)無(wú)超調(diào)量，而且調(diào)節(jié)時(shí)間也較改進(jìn)前又有減少。 實(shí)際上，由于在設(shè)計(jì)之前，并沒有對(duì)系統(tǒng)的某些動(dòng)態(tài)或穩(wěn)態(tài)的參數(shù)提出更苛刻的要求，并且在設(shè)定參數(shù)值的時(shí)候也并非按照理論上的最優(yōu)控制進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算獲得最優(yōu)控制，而是按照已有的經(jīng)驗(yàn)參考取值。首先，采用常值切換控制。其中的常值切換控制與比例切換控制的應(yīng)用在提高系統(tǒng)性能方面有較為理想的性能。 比例切換控制控制器輸出 再看系統(tǒng)的控制器輸出。 按照控制律搭建SMC 。可以看出在已選擇的切換面上，每個(gè)點(diǎn)都存在滑動(dòng)模態(tài)。 常值切換控制子系統(tǒng)simulink仿真圖 設(shè)定系統(tǒng)輸入量r（即期望的下水箱液位高度）為30，對(duì)該控制系統(tǒng)施加幅值為30的階躍信號(hào)，得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如下。即取e=rh==rh= 進(jìn)而得到切換函數(shù)s=ce+e ()由于設(shè)計(jì)要求沒有對(duì)系統(tǒng)的具體動(dòng)態(tài)性能參數(shù)有要求，因此c的取值并不唯一。(1)常值切換控制 常值切換控制，是確定一個(gè)待定的常數(shù)u0，使u=u0sgn(s(x)) ()其中，u0即為待定常數(shù)，sgn為符號(hào)函數(shù)。 對(duì)于二階系統(tǒng)，其展開式為x1=A11x1+A12x2 x2=A21x1+A22x2+B2us=C1x1+C2x2 ()式中CC2即為所求。因此，存在條件、穩(wěn)定條件和進(jìn)入條件綜合考慮，交織在一起，求Ci與求u177。另外，水位上升到終值并且達(dá)到誤差小于5%的調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，即達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間較長(zhǎng)，這在我們的設(shè)計(jì)中也是要盡量改進(jìn)的。所以可以進(jìn)而將系統(tǒng)退變成由兩個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn)為閉環(huán)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)。以典型的多階系統(tǒng)——二階系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。由各個(gè)領(lǐng)域的專家相繼推出了MATLAB工具箱，其中主要有信號(hào)處理(signal processing)、控制系統(tǒng)(control system)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)、模糊邏輯(fuzzy logic)、圖像處理( image processing)、小波(wavelet)等工具箱[13]。T1 、T2采用兩點(diǎn)法。 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Q3閥3閥2閥1Q2h1h00Q1h2 根據(jù)物料平衡關(guān)系，列出增量方程ΔQ1ΔQ2=C1dΔh1dt ()ΔQ2=Δh1R2 ()ΔQ2ΔQ3=C2dΔh2dt ()ΔQ3=Δh2R3 ()其中，Q3為流過閥閥閥3的 流量；hh2為上水箱、下水箱的液位高度；CC2為上、下水箱的液容系數(shù)；RR3為閥閥3的液阻。 將階躍相應(yīng)yt轉(zhuǎn)換為相對(duì)值y0ty0t=yty∞ 即y0t=0 tτ1etτT0 t≥τ 根據(jù)式（）。 。 ，t=0時(shí)的曲線斜率最大，之后逐漸減小，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值y(∞)，則改過程為無(wú)時(shí)延一階環(huán)節(jié)。 為得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)試結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意： (1)實(shí)驗(yàn)過程中，閥1開度應(yīng)為較大；且閥2開度必須適當(dāng)，盡量使液位穩(wěn)定于水箱高度的30%～60%處。最重要的是，要準(zhǔn)確確定其參數(shù)還要對(duì)一些物理量進(jìn)行精確的測(cè)量，如閥門開度，液阻等。但在過程控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)碰到過程的時(shí)延問題，如在該系統(tǒng)中若傳送管道過長(zhǎng)，則會(huì)有明顯的時(shí)延。Q1的大小可以通過閥門1的開度來改變。 在經(jīng)典控制理論中，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由傳遞函數(shù)表征，而在現(xiàn)代控制理論中，數(shù)學(xué)模型由狀態(tài)方程描述。 (3)若需要做三容水箱的特性實(shí)驗(yàn)，則再打開閥門F111即可。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。管道：整個(gè)系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性，有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。計(jì)算機(jī)用于采集PLC傳輸?shù)碾娏鳌㈦妷盒盘?hào)，使用組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并且與系統(tǒng)控制對(duì)象中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置即電機(jī)，該電機(jī)為380V交流電機(jī)，用于將儲(chǔ)水箱里的水經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入上水箱，作為輸入控制量。3 水箱液位控制系統(tǒng)建模 液位控制系統(tǒng) 液位控制系統(tǒng)的組成[6] 本文的控制系統(tǒng)是參照浙江天煌THJFCS1型現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 對(duì)于一個(gè)理想的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其切換過程具有理想的開關(guān)特性，系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)量精確無(wú)誤，控制量不受限制，則滑動(dòng)模態(tài)總是光滑的運(yùn)動(dòng)并漸進(jìn)趨近于原點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)抖振。但對(duì)于一般線性系統(tǒng)，不變性的成立是有條件的，需滿足滑動(dòng)模態(tài)匹配條件。 設(shè)系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)后的等效控制為ueq，由式（）有 s=cx=cAx+Bueq=0 ()若矩陣[cb]滿秩，則可解出等效控制 ueq=[cb]1cAx () 對(duì)帶有不確定性和外加干擾系統(tǒng)，一般采用的控制律為等效控制律加切換控制，即 u=ueq+uvss ()其中切換控制uvss實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性和外加干擾的魯棒控制。為了保證在有限時(shí)間到達(dá)，避免漸進(jìn)趨近，可對(duì)式（）進(jìn)行修正： ssδ ()其中δ0, δ可以取任意小。 滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義[1,4,14,15] 設(shè)有一非線性控制系統(tǒng) x=fx,u,t x∈Rn,u∈Rm,t∈R ()需要確定切換函數(shù)向量 sx, s∈Rm ()其具有的維數(shù)一般等于控制的維數(shù)，并且尋求變結(jié)構(gòu)控制 ui(x)=ui+x 當(dāng)si0uix 當(dāng)si0 ()其中u+(x)≠u(x),使得： 滑動(dòng)模態(tài)存在，即（）式成立； 滿足可達(dá)性條件，在切換面s=0以外的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)都將于有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面； 保證滑模運(yùn)動(dòng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性； 達(dá)到控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求。 這是簡(jiǎn)單的滑動(dòng)模塊變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，下面將其一般化。圖2. 3 由左圖可見，系統(tǒng)狀態(tài)的代表點(diǎn)由任何初始位置出發(fā)，總會(huì)碰到直線s=0，稱之為進(jìn)入直線s=0。 用x1構(gòu)造一個(gè)一個(gè)控制作用 u=ψx1 ()當(dāng)ψ=α?xí)r，得到一種結(jié)構(gòu)，其中α為常數(shù)： x1=x2 x2=a1x1a2x2αx1 ()當(dāng)ψ=α?xí)r，得另到一種結(jié)構(gòu)： x1=x2 x2=a1x1a2x2+αx1 ()故系統(tǒng)有兩個(gè)線性結(jié)構(gòu)，或者說有兩個(gè)線性模型。但此時(shí)的研究還是SISO系統(tǒng)。變結(jié)構(gòu)控制在上世紀(jì)50年代提出，經(jīng)過近60年的發(fā)展，形成了相對(duì)獨(dú)立的分支。然后設(shè)計(jì)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(shí)用性。第一章：介紹選題意義，液位控制的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。常用的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級(jí)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。在液位過程工業(yè)中，很多過程是時(shí)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(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時(shí)變的過程。大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過程的被控對(duì)象可取得較好的控制效果。但由于其時(shí)滯性很大、具有時(shí)變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效果，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)對(duì)控制有較高的性能指標(biāo)要求時(shí)，就需要尋找種新的控制方式。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(duì)象。 液位控制的特點(diǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。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。可見，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。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(duì)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(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位過低，會(huì)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(huì)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(duì)象，液位為控制量。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域中自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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。在生產(chǎn)過程中，對(duì)液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(dòng)進(jìn)行下去。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對(duì)這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。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。采用改進(jìn)的PID算法或者將PID算法與其他算法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。這些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在問題。第二章：介紹滑模控制的基本原理。第五章：總結(jié)整篇論文。近年來，變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展迅速，成為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法。 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(duì)攝動(dòng)及干擾具有不變性”的結(jié)論。 假定a2為負(fù)，并對(duì)α作適當(dāng)限制，使得ψ=α?xí)r，特征方程有正實(shí)部復(fù)根；而ψ=α?xí)r，特征方程有一正一負(fù)實(shí)根。在這條直線的鄰域，兩結(jié)構(gòu)的軌跡指向相對(duì)，故往后系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)將是沿著s=0這條直線的滑動(dòng)模態(tài)，=0的鋸齒線所示。s0CBAs=0s0在系統(tǒng) x=fx x∈Rn ()的狀態(tài)空間中，有一個(gè)切換面sx=sx1,x2?xn=0,將狀態(tài)空間分成上下兩個(gè)部分s0及s0。 這樣的控制系統(tǒng)，稱為滑動(dòng)模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 通常將式（）表達(dá)成李雅普諾夫函數(shù)型的到達(dá)條件[3,5]： Vx0,Vx=12s2 ()條件（）或（）在切換面sx=0上確定了滑動(dòng)區(qū)。所設(shè)計(jì)的控制律u要滿足滑模穩(wěn)定條件。(1) 系統(tǒng)受外干擾時(shí) x=Ax+Bu+Df ()其中Df表示所受的外界干擾。但對(duì)于一個(gè)現(xiàn)實(shí)的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，以上各個(gè)條件并不可能嚴(yán)格滿足，尤其對(duì)于離散的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這樣的要求過于苛刻。該水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對(duì)象，它是集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。整個(gè)系統(tǒng)通過不銹鋼的管道連接起來，儲(chǔ)水箱為三個(gè)水箱提供水源，手動(dòng)閥門F16開啟時(shí)，水可進(jìn)入上水箱。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場(chǎng)層控制信號(hào)輸出控制層上位機(jī)PCCPU3152DPSM331模擬量輸入SM331模擬量輸入SM332模擬量輸出LT1LT2FT1FT2LT1FT3TT1TT2LT1LT2FT1FT2LT1FT3TT1TT2調(diào)節(jié)閥COUPLER壓力變送器現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入 系統(tǒng)的各個(gè)元件的相關(guān)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(chǔ)水箱。(2) 檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用帶PROFIBUSPA通訊協(xié)議的SIEMENS壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變