基于滑?？刂频碾p容水箱液位控制系統(tǒng)研究畢業(yè)論文(更新版)

　　

【正文】 2 ΔQ1 () 式（）即為單容液位被控過程的微分方程增量表示形式。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。這樣，可以使得控制結(jié)果滿足下水箱液位達(dá)到設(shè)定值，而其他水箱中有水而不溢出，進(jìn)而最終自衡。 液位控制系統(tǒng)的控制對(duì)象 利用THJFCS1型現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置中各個(gè)組件的不同組合情況，可以構(gòu)成針對(duì)不同對(duì)象的多種不同功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。輸出：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。每個(gè)水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。另外，在儲(chǔ)水箱的底部還有一個(gè)閥門，在水箱系統(tǒng)需要換水時(shí)打開，儲(chǔ)水箱中的水可以直接流出，試驗(yàn)中需要關(guān)閉。該液位控制系統(tǒng)的水箱系統(tǒng)由蓄水容器、檢測(cè)元件和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。 總之，抖振的原因在于：當(dāng)系統(tǒng)的軌跡到達(dá)切換面時(shí)，其速度是有限大的，慣性使運(yùn)動(dòng)點(diǎn)穿越切換面，從而最終形成抖振，疊加在理想的滑動(dòng)模態(tài)上[1, 4,5]。條件（）稱為不確定性和系統(tǒng)的完全匹配條件[4,5]。故式（）是滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)附近的平均運(yùn)動(dòng)方程，描述了系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)下的主要?jiǎng)討B(tài)特征。 如果達(dá)到理想的滑?？刂?，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(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)區(qū)內(nèi)的等效控制。 滑動(dòng)模態(tài)存在條件的數(shù)學(xué)形式： lims→+0s0,lims→0s0 ()它是滑動(dòng)模態(tài)存在的充分條件。因?yàn)槿绻袚Q面上某一區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)都是終止點(diǎn)，則一旦運(yùn)動(dòng)點(diǎn)趨近于該區(qū)域時(shí)，都會(huì)被“吸引”到該區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。解得 x1t=x10eCt ()式中x10為x1t的初始狀態(tài)。變化C(C0)的值，可以使得這條線在x1軸和ψ=α?xí)r的雙曲線軌跡的漸進(jìn)線之間變化。 滑動(dòng)模態(tài)的定義 這里先引入一個(gè)簡(jiǎn)單的例子解釋滑動(dòng)模態(tài)。 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(duì)象為二階線性系統(tǒng)。由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)且與擾動(dòng)無關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制在控制的快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。第四章：設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并搭建SIMULINK仿真平臺(tái)，得到其響應(yīng)曲線。 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(qiáng)、響應(yīng)快，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，也是未來發(fā)展的重要方向。另外，被控工業(yè)過程日益復(fù)雜，過程嚴(yán)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。預(yù)測(cè)控制有三要素，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。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。但對(duì)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(jiǎn)化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。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(shí)質(zhì)是極為重要的。目前，各實(shí)驗(yàn)室都利用雙容水箱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大量的算法研究。兩個(gè)串連的單容對(duì)象構(gòu)成的雙容對(duì)象就比較典型。 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量?；诨？刂频碾p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(diǎn)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(dòng)模態(tài)的定義 6 滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義 8 滑動(dòng)模態(tài)的存在與滑動(dòng)模態(tài)方程 8 滑動(dòng)模態(tài)的存在條件 8 等效控制 9 滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)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(duì)象 16 16 16 1多容水箱系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識(shí) 2多容水箱系統(tǒng)機(jī)理模型 2多容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí) 24 26 MATLAB簡(jiǎn)介 26 SIMULINK仿真環(huán)境 264 雙容水箱系統(tǒng)的滑?？刂?27 滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)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(jì)步驟與設(shè)計(jì)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(jì) 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?？刂破髟O(shè)計(jì) 44 基于指數(shù)趨近律的位置跟蹤滑?？刂破鞯母櫺阅芊治?46 滑?？刂婆c傳統(tǒng)PID控制比較 49 傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)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(xiàn) 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(duì)象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。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(hào)（如正弦信號(hào)、方波信號(hào)）方面也有較好的控制效果。生產(chǎn)實(shí)際中的被控對(duì)象往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成的多容對(duì)象。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在50年代就有了相當(dāng)?shù)难芯浚S著人們逐漸認(rèn)識(shí)到它的一些優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)攝動(dòng)的某種完全適應(yīng)性，并可用來設(shè)計(jì)日益復(fù)雜對(duì)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]。(2)對(duì)象特性的非線性對(duì)象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，動(dòng)態(tài)特性有明顯的不同。對(duì)于簡(jiǎn)單的線性、時(shí)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。此外，模糊邏輯是柔性的，對(duì)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。它高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。今后，需要進(jìn)一步對(duì)智能控制的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究，以建立統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，修改系統(tǒng)模型。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(dòng)態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)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(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)，所以又常稱變結(jié)構(gòu)控制為滑動(dòng)模態(tài)控制（Sliding Mode Control，SMC），即滑模變結(jié)構(gòu)控制[2,4,5,14,20]。 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(gè)階段。 中國(guó)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(bǔ)了對(duì)變結(jié)構(gòu)研究大多集中在滑動(dòng)模態(tài)上而對(duì)進(jìn)入切換面之前的運(yùn)動(dòng)，即正常運(yùn)動(dòng)段研究較少的空白。 =0，即Cx1+x2=0這條直線。又因狀態(tài)方程中x1=x2，故有 x1+Cx1=0 ()此關(guān)系式一階微分方程，它被用來作為描述滑模運(yùn)動(dòng)的方程，叫滑動(dòng)模態(tài)方程或滑動(dòng)方程。 在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，通常點(diǎn)和起始點(diǎn)沒有什么特殊的意義，而終止點(diǎn)卻不同。上述滑動(dòng)模態(tài)區(qū)ff+非零維的區(qū)域，叫做滑動(dòng)模態(tài)區(qū)域。 等效控制[1,3,15] 設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)方程為： x=fx,u,t x∈Rn,u∈R ()其中u為輸入，t為時(shí)間。實(shí)際上，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)沿切換面上下穿行[4]。 (2) 系統(tǒng)存在不確定性時(shí) x=Ax+Bu+ΔAx () 滑動(dòng)模態(tài)與不確定性無關(guān)的充要條件是 rankB,ΔA=rankB ()如果式（）滿足，則系統(tǒng)可化為 x=Ax+B(u+ΔAf) ()其中ΔA=BΔA，則通過設(shè)計(jì)控制律可實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性的完全補(bǔ)償。 造成抖振的原因有多種，主要有： (1)時(shí)間滯后開關(guān)； (2)空間滯后開關(guān)； (3)系統(tǒng)慣性的影響； (4)離散系統(tǒng)本身造成的抖振。選取該復(fù)雜系統(tǒng)中的液位控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行建模，獲取原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行控制研究。手動(dòng)閥F14在多容水箱液位實(shí)驗(yàn)中沒有實(shí)際用處，所以在實(shí)驗(yàn)中關(guān)閉。下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY10，流量范圍：0～，精度：%。3 控制器：控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號(hào)為3152DP，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUSDP通訊功能的DP通訊接口。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)要調(diào)節(jié)手動(dòng)閥F1F110及F111，使得其開度滿足F19F110F111。 ，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)，水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。 靜態(tài)時(shí)應(yīng)有Q1=Q2， dhdt=0，Q1發(fā)生變化，液位h隨之變化，使水箱的出口處靜壓力發(fā)生變化，Q2也要發(fā)生變化。baτ0tOQ1tOhtOQ0tOh 單容水箱階躍響應(yīng) 。 實(shí)驗(yàn)辨識(shí)的方法最常用的有三種，即響應(yīng)曲線法、相關(guān)統(tǒng)計(jì)法和最小二乘法。 (4)完成一次實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)使被控過程恢復(fù)原來工作狀況并穩(wěn)定一段時(shí)間后再做下一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試[7]。 由于有yt| t→∞=y∞=K0h0 ()故得到K0=y∞h0 () 另外dhdtt=0=K0h0T0 () 以此斜率作切線，切線方程為K0h0T0 t，當(dāng)t=T0時(shí)，又有K0h0T0 tt=0=K0h0=y∞ () T0也可以根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)直接計(jì)算求得。K0的確定方法與無時(shí)延系統(tǒng)相同，即按照式（）求解。不過在求取一階系統(tǒng)時(shí)，2個(gè)點(diǎn)已經(jīng)滿足要求。、多容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí) 通過機(jī)理建模可以得知多容水箱的傳遞函數(shù)為Gs=K0(T1s+1)(T2s+1 )?(Tns+1) Gs=K0(T1s+1)(T2s+1 )?(Tns+1)eτs 我們可以通過對(duì)單個(gè)水箱進(jìn)行特性測(cè)試的方法，得到各個(gè)水箱的過程時(shí)間常數(shù)T1 T2?Tn及時(shí)延τ1τ2?τn，再由K0=輸出穩(wěn)態(tài)值輸入階躍幅值 =y∞h0 ()τ=i=1nτi ()求得K0、τ即可。 由此，求得該系統(tǒng)雙容水箱系統(tǒng)的閉環(huán)控制框圖為R(s)165s+1 ?+1 ?esU(s) 閉環(huán)控制框圖 至此，系統(tǒng)的模型就建立完成了。SIMULINK為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，包含有(Sink)輸出方式、(Source)輸入源、(Linear)線性環(huán)節(jié)、(Nonlinear)非線性環(huán)節(jié)、(Connectors)連接與接口、(Extra)其他環(huán)節(jié)子模型庫，而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，還也可以定制和創(chuàng)建自己的模塊[13]。s=1(s+1 )≈es來替代，代入式（），可得到等價(jià)的開環(huán)傳遞函數(shù)：Gs=Q2(s)Q1(s) ?H2(s)Q2(s) =+1(160s+1 )(s+1 ) ()進(jìn)而得到該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Φs=+1160s+1 s+1 +=160s+165s+1160s+1+160 將（）進(jìn)行改寫，寫成零極點(diǎn)形式Φs=160s++++ 從式（）中，、+。但系統(tǒng)的響應(yīng)過程很慢，通常要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡。對(duì)該系統(tǒng)，切換函數(shù)s=CTx=C1,C2,…Cn1，1x1,x2,…xnT=C1x1+C2x2+…+Cn1xn1+xn切換面s=CTx=0，即C1x1+C2x2+…+Cn1xn1+xn=0切換面的選擇則直接決定滑動(dòng)模態(tài)的穩(wěn)定性與品質(zhì)。 對(duì)于雙容水箱系統(tǒng)這樣的情況，設(shè)計(jì)步驟可概括如下：（1）選擇參數(shù)Ci，構(gòu)成希望的滑動(dòng)模態(tài)；（2）求取不連續(xù)控制u177。一般而言，我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格求得C的值，以獲得更好的動(dòng)態(tài)性能。 雙容水箱系統(tǒng)控制系統(tǒng)把以求得的二階水箱的開環(huán)傳遞函數(shù)Gs=+1(160s+1 )寫成狀態(tài)空間形式。在此，不妨令其為100。所以從穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)特性方面考慮，滑模控制都達(dá)到了很好的效果。因此，盡管該控制設(shè)計(jì)方案具有很好的理論依據(jù)，但投入工業(yè)生產(chǎn)還是存在很大的問題。同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間較原系統(tǒng)大大減少。只不過當(dāng)選取了較適當(dāng)?shù)目刂坡苫虮豢貙?duì)象本身的特性比較理想的時(shí)候，這種震動(dòng)會(huì)削弱而不太明顯。因此，這里仍使用s=Ce+e形式的函數(shù)進(jìn)行控制。但在系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定之后，輸出曲線仍呈小幅的振蕩狀態(tài)。該選取一定程度上是有隨意性的。 同樣的道理，如果將上述的三容水箱系統(tǒng)的切換面改為s=+e，再使用比例切換控制器進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，負(fù)值的引入意味著在水箱系統(tǒng)中存在抽水設(shè)備。要求動(dòng)態(tài)過程具有良好的品質(zhì)，就必須使這兩段都有良好的品