基于滑?？刂频碾p容水箱液位控制系統研究畢業論文(完整版)

　　

【正文】 用來對控制回路的流量進行調節。儲水箱尺寸為：長寬高=68cm52cm43cm。 THJFCS1液位控制模塊 除上圖中所示的控制模塊之外，還需要一臺計算機、PLC及現場總線共同構成多容水箱液位控制系統。上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱為蓄水容器，可以完成單容水箱、雙容水箱及三容水箱液位控制的相關實驗。 選擇合適的趨近控制函數，可以有效削弱抖振。(3) 對于同時存在外擾和參數攝動的系統 x=Ax+ΔAx+Bu+Df如滿足匹配條件（）和（），則系統化為 x=Ax+B(u+ΔAf+Df) () 滑模變結構控制系統的抖振問題 從上面的理論分析中可以看到，在一定意義上滑?？梢园葱柙O計并且系統的滑模運動與控制對象的參數攝動及系統的外界干擾無關，因此相比較常規的連續系統而言，滑模變結構控制的魯棒性要明顯優秀。通常情況下，為使滑動模態的漸進穩定性和動態品質優良，切換函數的選擇就尤其重要，這從式（）可以看出來。等效控制往往是針對確定性系統在無外加干擾情況下進行設計的。通常簡單寫作： ss0 ()其中切換函數sx還應滿足：(1) 可微；(2) 過原點，即s0=0。此時，稱切換面s=0上所有的運動點都是終止點的區域為“滑動模態”區，即“滑?！眳^。 當C0時，此解穩定，故變結構系統（）（）（）是穩定的。 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?？紤]一般控制系統，被控對象是線性定常的。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。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。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滑模控制器，并編寫Matlab程序，得到響應曲線。其中，具有滑動模態的變結構控制是公認的最有前途的。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。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。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。對于此類問題，傳統的PID控制方式顯得無能為力。(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。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。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。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。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。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?？刂评碚摰难杆侔l展，出現了許多先進的控制算法。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。PID控制是以對象的數學模型為基礎的一種控制方式。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。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。④智能控制。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。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。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。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。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。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。 系統運動一旦進入滑動模態，由s=Cx1+x2，則Cx1+x2=0。 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。 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]。這種運動，稱之為理想的滑模運動。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。條件（）稱為干擾和系統的完全匹配條件[4,17]。所以說，消除抖振是不可能的，只能在一定程度上削弱它。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。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。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm；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。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。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。 首先，簡化系統的結構。 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。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。本文對各個試驗參數的確定正是采用實驗辨識方法。 (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。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。 為了使得T0和τ更精確一些，然后取平均值。上式為無時延過程，下式為有時延過程。Ot2t1t 雙容水箱階躍相應曲線∞∞y∞y0t 聯立方程T1T1T2et1T1T2T1T2 et1T2= et2T2=得到近似解T1+T2≈(t1+t2) T1T2(T1+T2)2≈() () 通過實驗，求得該雙容系統為二階系統，K0=，T1=65，T2=160，τ=1。此外，SIMULINK是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統，連續和離散時間模型，或者是兩者的混合。因此可以將純時延環節e3s用一個慣性環節來等價，即用式G39。從開環階躍曲線圖可以看出，該二階系統是自衡系統，并且是無時延系統，并且這與實際測得的曲線趨勢基本吻合。 對于本設計系統而言，系統為單輸入系統，即該系統為一個標量系統。使得：滑動模態存在；滑動模態具有穩定的、符合期望的性質；從狀態空間的任意一點出發，系統均能進入滑動面[4]。具體的K值要根據Λ的設定值來看。 以上兩種方法是常規變結構控制的典型方法，下面就用上述兩種方法對系統進行設計。 在實際系統中，系統的控制器輸出是有一定限度的，如閥門的開度、電機的轉速等，不妨將u0設置成為系統控制器環節的輸出最大值umax。而且上升到達穩態值的時間很短，較原系統而言，調節時間大大縮短了。這樣的高頻輸出不僅要求控制器有極大的控制精度和控制頻率， 常值切換控制器輸出（局部）大了控制器的損耗。動態特性方面，% ，比常值切換控制的超調略大，振蕩很小。與傳統的控制器（如PID控制器）不同，滑?？刂破鞯妮敵鍪芑瑒用娑秳拥挠绊?，即使系統已經達到穩態控制器輸出曲線仍然會有震動，而不像傳統的控制器的輸出是平滑的。其中切換函數s=C1e+C2e+e的輸出效果略好，但求取較為復雜[1,3,5]。 比例切換控制系統輸出 由圖發現比例切換控制基本可以消除靜差，并且很大程度抑制了超調。前面在介紹滑模變結構控制的幾百年理論時曾經提到，切換的面的選取直接關系到系統的動態性能。但如若在一些高精行業生產中，需要對系統的穩態及動態性能有苛刻的要求，就要仔細選取切換面，通過嚴格計算得到相關參數。 另外，在實驗室環境中，使用的電機是單向轉動的，而且沒有配置抽水設備，因此，實驗室環境中的控制器輸出的下限值為0，而不是某個負值。動態過程的品質，決定于這兩個運動段的品質?？紤]系統x1=x2 x2=a1x1a2x2bu ()取等速趨近律s=ε?sgns ε0 ?；瑒幽B的品質，由滑動模態微分方程決定，而正常運動段的品質，則需要我們再進一步改善。抽水設備在大型的工業場合或水庫是常用的，但在實驗室環境下，無抽水設備的情況下，將控制器輸出的下限改為0，再看二階水箱系統輸出曲線： 比例切換控制輸出 可以看到，輸出曲線在穩態誤差和調節時間方面依然保持了很好的特性，但其超調量已經很大了，達到了70%左右。保持已設計的比例切換控制器的參數及輸入量不變，得到的輸出曲線也明顯改善了。如果更改滑模控制切換面，即更改切換面的參數C，得到的系統很有可能會在動態性能方面有一定的提升。這即是滑模控制系統抖振的一種外在表現。即以位置誤差值e以及速度誤差e作為狀態變量。下圖是比例切換滑?？刂破鬏敵銮€達到穩態的時候控制器輸出的局部放大圖。所以從穩態或靜態特性方面考慮，比例切換控制也達到了很好的效果。下面，再來看比例切換控制設計方法的效果。 下面，再來看系統運動的相曲線。 這樣，就得到了控制函數u=100?sgn(+e) ()利用SIMULINK搭建系統。采用能控標準型變換。但當對設計系統的動態性能沒有具體的要求的時候，C的范圍是有較大范圍變動的，一般K0條件下的C陣都是滿足條件的都是滿足穩定條件的。保證在超平面s=0上的每一點存在滑動模態，則該平面為滑動面；（3）控制必須讓狀態進入滑動面。一般而言，按照穩定條件選擇切換面，即選擇系數矩陣C,所選擇的C中的各個量Ci是一個范圍，其值不能最終確定下來。 下面再看系統的閉環曲線。177。4 雙容水箱系統的滑模控制 滑模變結構控制設計分析 系統的仿真分析 上一章討論了系統的建模方法并實際測得了水箱液位控制的傳遞函數。 MATLAB簡介 計算機仿真是對控制系統進行科學研究的重要手段。 對于本實驗的雙容水箱系統，還可以用兩點法確定相關參數。故此法也被稱作2點法。在階躍響應曲線斜率最大處（即拐點D）作一條切線，該切線與時間軸交于C點，與y∞交于A點，A在時間軸上投影點為B。根據式（）和式（）可以得到yt=y∞1etT0 令t分別為t=T0/T0、2T0，則yT02=39%?y∞、yT0=63%?y∞、y2T0=%?y∞。 在實驗后，根據機理模型的結構Gs=K0T0s+1 。本文選用較直觀的方法，即響應曲線法。其中圖a為無時延過程，圖b為有時延過程。假定Q2與h近似成線性正比關系，與閥門2處的液阻R2成反比關系，則有ΔQ2=ΔhR2 ()將式（）代入（）整理得R2AdΔhdt+Δh=R