《2022年滑模控制的双容水箱液位控制系统分析研究 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年滑模控制的双容水箱液位控制系统分析研究 .pdf（45页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1 / 45 编号：）字号本科生毕业设计 查阅 20 篇以上课题相关的近年参考文献，其中近5 年文献过半，书不超过5部，英文文献 5 篇以上，并在论文中加以标注；2学习滑模变结构控制的相关原理，了解滑模控制器的设计方法；3分析双容水箱系统各个部件的工作原理和构成；在实验基础上，进行机理分析，并利用响应曲线法对系统进行参数辨识；4利用滑模变结构控制的基本原理并进行控制系统设计；5利用 MATLAB/Simulink 搭建系统模型，进行仿真分析；6比较 PID 控制器与滑模控制器的控制效果；7翻译一篇与毕业设计相关的近5 年发表的外文文献 3000字以上）。院长签字：指导教师签字：中国矿业大学毕业
2、设计指导教师评阅书精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 45 页3 / 45 指导教师评语基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 45 页4 / 45 学知识解决实际问题的能力
3、；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答辩情况提出问题回答问题精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 45 页5 / 45 正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要本文的研究任务是对双容水箱液位控制系统进行系统组成分析、数学建模以及设计滑模变结构控制器。精选学习资料 - - - - - - -
4、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 45 页6 / 45 首先，本文阐述了滑模变结构控制的相关基本概念；然后对双容水箱系统进行机理分析，并采用响应曲线法进行参数辨识，从而得到双容水箱系统的模型。其次，采用常值切换滑模变结构控制器以及比例切换滑模变结构控制器对水箱液位控制系统进行控制。对两种控制方案进行参数整定后投入系统运行。这两种方案都可以很好地提升系统的动态及稳态性能，从MATLAB/SIMULINK的仿真曲线上观察到两种控制器的输出曲线都呈高频振荡状态并且存在明显的抖振。在此基础上，为得到更好的控制效果，将基于指数趋近律的滑模变结构控制器投入系统。仿真结果表明该
5、控制方法在保证系统动态、稳态性能的同时，削弱了抖振，使系统更快速地趋于稳定，进一步提升系统的动态性能及实用性。最后，将滑模变结构控制器与传统PID 控制器的控制效果进行分析。仿真结果表明，滑模变结构控制在控制质量上优于传统PID 控制。关键词： 液位控制；双容水箱；滑模变结构控制；趋近律ABSTRACTThis paperstudies a liquid level control strategy for a two-tank control system. It contains thecomposition analysis, the mathematical modeling and
6、the controllerdesign which is based on the theories of sliding mode control for the system. The basic conception of variable structure is introduced firstly. Then it constructs a mathematical model for the two-tank system and step response curve method is applied to identify theparameters of the tra
7、nsfer function. Secondly, the constant-switch sliding mode controller and the proportion-switch sliding mode controller are applied to controller. Both of these two adjustment schemes can improve the performance of both dynamic and steady state on the parameteradjustment. TheMATLAB/SIMULINKsimulatio
8、n curves show that the output of the characteristic curve isfound in high-order vibration and fluttered distinctly. In addition to this, it applies a sliding modecontroller based on reaching law into this system. This control method can not only guarantee the performance of the dynamic and steady st
9、ate but also weaken the vibration to make this system steady state faster and improveboth its dynamic performance and practical application. Lastly, the control efficiency between the sliding mode controllerand the classical PID controller is analyzed. The simulation results show that the sliding mo
10、de controller is exactly better than the classical PID controller. Keywords: liquid level control。 two-tank system。 variable structure control。sliding mode controller。 reaching law 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 45 页7 / 45 目录精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共
11、45 页8 / 45 翻译部分精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 45 页9 / 45 1 绪论1.1引言液位控制系统是以液位为控制对象的控制系统，它在工业中的各个领域都有广泛的应用。液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。在工业生产的过程中，很多场合都要对液位进行控制，使其高精度、快速度地到达并保持给定的数值。如在化工生产过程中，锅炉液位的稳定性及快速性直接影响到成品的质量；在建材行业中，玻璃炉窑液位的稳定性对炉窑的使用寿命及产品的质量起着决定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响
12、居民的生活用水；工矿企业的排水与进水制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精馏塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在本文中，液位控制系统中的水箱为控制对象，液位为控制量。为了使液位的控制达到一定的精度，并且具有较好的动态性能，采用了区别于传统控制方式的滑模变结构控制。同时，在切换面满足控制条件的前提下，采用了趋近律，使得整个系统在单纯的滑模变结构控制提供的良好的稳态性能基础上，又具有较好的动态性能。该系统除了具有良好的阶跃响应以外，在跟踪一定频率的规则输入信号对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性
13、也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入 (流出对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。(2对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。(3控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身
14、能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID 控制算法为主。 PID 控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式。对于简单的线性、时不变系统，数学模型容易建立，采用PID 控制能够取得满意的控制效果。但对于复杂的大型系统，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 45 页11 / 45 其数
15、学模型往往难以获得，通过简化、近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统的特性。对于此类问题，传统的PID 控制方式显得无能为力。液位控制由于其应用极其普遍，种类繁多，其中不乏一些大型的复杂系统。但由于其时滞性很大、具有时变性和非线性等因素，严重影响PID 控制的效果，当实际生产对控制有较高的性能指标要求时，就需要寻找种新的控制方式。模糊控制是智能控制研究中最为活跃而又富有成果的领域，涌现出众多新的模糊控制技术和方法并得以广泛应用。在存在“不相容原理”的情况下，模糊逻辑对于问题的描述能在准确和简明之间取得平衡，使其具有实际意义，因此模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中有着重要的地位和
16、意义。模糊控制不需要精确的数学模型，因而是解决不确定性系统控制的一种有效途径。此外，模糊逻辑是柔性的，对于给定的系统很容易处理以及直接增加新的功能，易于与传统的控制技术相结合。但是，单纯的模糊控制也存在精度不高、易产生极限环振荡等问题。1.4液位控制主要发展方向目前，已经开发出来的控制策略算法）很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多。以下是一些得到工程界公认的先进控制策略算法）：改进的或复合PID 控制算法。大量的事实证明，传统的PID 控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的控制效果。采用改进的PID
17、算法或者将PID 算法与其他算法进行有机结合往往可以进一步提高控制质量。预测控制。预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略，体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。自适应控制。在液位过程工业中，很多过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。目前，比较成熟的自适应控制分3 类：1.自整定调节器及其他简单自适应控制器；2.模型
18、参考自适应控制； 3.自校正调节与控制。智能控制。随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日益复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。而智能控制器的设计却不依赖过程的数学模型，因而对于复杂的工业液位过程往往可以取得很好的控制效果。常用的智能控制方法有以下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制。这些智能控制方法各有千秋，但也都不同程精选学习资料 - - - - - - - -
19、 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 45 页12 / 45 度的存在问题。同时，又有研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合会产生更好的效果。它们中有些已经在石化、钢铁、冶金、食品等行业中取得了成功。今后，需要进一步对智能控制的基础理论进行研究，以建立统一的智能控制系统的设计方法。错误 !变结构控制作为近年来受到重视并取得重大发展的控制理论，凭借其自适应能力强、响应快，系统动态、静态品质优良等优点，也是未来发展的重要方向。其中，具有滑动模态的变结构控制是公认的最有前途的。对于变结构控制的具体理论及其特点，本文以下章节将对其进行详细的阐述。1.5论文结构第一章
20、：介绍选题意义，液位控制的特点、现状和发展方向。第二章：介绍滑模控制的基本原理。第三章：根据液位系统过程机理，结合实验数据，建立单容水箱的数学模型。通过实际测量开环液位控制响应曲线和数据，得出双容水箱模型参数。同时根据实际情况，修改系统模型。第四章：设计滑模变结构控制器，并搭建SIMULINK仿真平台，得到其响应曲线。利用滑模变结构原理，分别设计常值切换滑模控制器和比例切换滑模控制器，并编写 Matlab 程序，得到响应曲线。在已经设计好的滑模控制器的基础上，进一步加入趋近律，使得系统响应具有更好的动态性能。然后设计传统PID 控制器，分析比较各滑模控制器之间及滑模控制器与PID 控制器之间差
21、异并讨论实用性。第五章：总结整篇论文。2 滑模变结构控制的基本原理2.1 滑模变结构系统的概念2.1.1 滑模变结构概念的引出变结构控制 Variable Structure Control，VSC），广义地说，在控制过程中，系统结构可发生变化的系统，叫变结构系统1,2,3。其本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定的“滑动模态”的状态轨迹运动，所以又常称变结构控制为滑动模态控制 式中， 系统状态变量， 固定参数， 控制函数。用构造一个一个控
22、制作用(2.2当时，得到一种结构，其中为常数： (2.3 当时，得另到一种结构： (2.4 故系统有两个线性结构，或者说有两个线性模型。假定为负，并对作适当限制，使得时，特征方程有正实部复根；而时，特征方程有一正一负实根，则其相平面分别如图2.1和图 2.2所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 45 页14 / 45 图 2.1 图 2.2 显然，两种结构都不稳定。时，为不稳定焦点情况，即不稳定焦点结构；时，为鞍点的情况，即鞍点结构。在图 2.2中有一条线，即这条直线。变化的值，可以使得这条线在轴和时的双曲线轨迹的渐进
23、线之间变化。下面将说明，在和这两条直线上改变系统结构时，可以使系统稳定。假设，结构改变的规律具有如下形式： (2.5 如图 2.3所示， 时，相轨迹为不稳定焦点轨迹；，时，相轨迹为不稳定鞍点的轨迹。由左图可见，系统状态的代表点由任何初始位置出发，总会碰到直线，称之为进入直线。在这条直线的邻域，两结构的轨迹指向相对，故往后系统的运动将是沿着这条直线的滑动模态，就如图 2.3中的锯齿线所示。直线是控制产生切换的边界线，由于产生控制切换，直线常被称之为切换线；在上，虽然发生切换，但控制并没有切换，故不是切换线。系统运动一旦进入滑动模态，由，则。又因状态方程中，故有(2.6 此关系式一阶微分方程，它被
24、用来作为描述滑模运动的方程，叫滑动模态方程或滑动方程。解得(2.7 式中为的初始状态。当时，此解稳定，故变结构系统2.1）2.2） 的状态空间中，有一个切换面,将状态空间分成上下两个部分及。在切换面上的运动点存在三种情况，如图 2.4所示。通常点，如 A 点，系统运动点运动到切换面附近时，穿越此点；起始点，如B 点，系统运动点到达切换面附近时，从切换面的两边离开该点；终止点，如 C点，系统运动点到达切换面附近时，从切换面两侧趋近该点。在滑模变结构控制中，通常点和起始点没有什么特殊的意义，而终止点却不同。因为如果切换面上某一区域内所有点都是终止点，则一旦运动点趋近于该区域时，都会被“吸引”到该区
25、域内运动。此时，称切换面上所有的运动点都是终止点的区域为“滑动模态”区，即“滑模”区。系统在滑模区的运动就称为滑模运动4。2.1.4 滑模变结构控制的定义1,4,14,15设有一非线性控制系统 (2.9 需要确定切换函数向量 (2.10 其具有的维数一般等于控制的维数，并且寻求变结构控制(2.11 其中,使得：错误 !滑动模态存在，即 式中、 维列向量， 标量函数，它在超平面上发生切换：s0 C B A s=0 s 其中， 连续函数，且。如果在切换面上可能指定一个非零维的区域，并且在这个区域，向量和在法线上的投影具有不同的符号并且指向相对，那么对于 它是滑动模态存在的充分条件。通常简单写作：(
26、2.15 其中切换函数还应满足：(1)可微；(2)过原点，即。由于状态可以任意取值，即离开切换面可以任意远，故条件2.15）也称为全局到达条件。为了保证在有限时间到达，避免渐进趋近，可对式 其中,可以取任意小。通常将式 条件2.14）或 其中为输入，为时间。如果达到理想的滑模控制，则，即或(2.19 将式2.19）中的解 滑动模态区f- f+ 图 2.5 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 45 页17 / 45 取切换函数(2.21 其中为系统状态及各阶导数，选取常数使得多项式为赫尔维茨稳定，p为拉普拉斯算子。设系统进入
27、滑动模态后的等效控制为，由式 若矩阵 cb满秩，则可解出等效控制(2.23 对带有不确定性和外加干扰系统，一般采用的控制律为等效控制律加切换控制，即(2.24 其中切换控制实现对不确定性和外加干扰的鲁棒控制。所设计的控制律要满足滑模稳定条件。2.2.3 滑动模态运动方程引入等效控制以后，可以写出滑动模态运动方程。将等效控制代入系统的状态方程 将式2.23）代入式 滑动模态运动是系统沿切换面上的运动，达到理想终点时，满足及，同时切换开关必须是理想开关，这是一种理想的极限情况。实际上，系统运动点沿切换面上下穿行4。故式 2.26）是滑模变结构控制系统在滑动模态附近的平均运动方程，描述了系统在滑动模
28、态下的主要动态特征。通常情况下，为使滑动模态的渐进稳定性和动态品质优良，切换函数的选择就尤其重要，这从式 系统受外干扰时(2.27 其中表示所受的外界干扰。滑动模态不受干扰影响的充要条件为(2.28 如果式 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 45 页18 / 45 其中，则通过设计控制律可实现对干扰的完全补偿。条件 系统存在不确定性时(2.30 滑动模态与不确定性无关的充要条件是(2.31 如果式 其中，则通过设计控制律可实现对不确定性的完全补偿。条件 对于同时存在外扰和参数摄动的系统如满足匹配条件 2.28）和 2.4
29、 滑模变结构控制系统的抖振问题从上面的理论分析中可以看到，在一定意义上滑模可以按需设计并且系统的滑模运动与控制对象的参数摄动及系统的外界干扰无关，因此相比较常规的连续系统而言，滑模变结构控制的鲁棒性要明显优秀。然而，滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性也带来了它不可避免的问题抖振。对于一个理想的滑模变结构系统，其切换过程具有理想的开关特性，系统状态测量精确无误，控制量不受限制，则滑动模态总是光滑的运动并渐进趋近于原点，不会出现抖振。但对于一个现实的滑模变结构控制系统，以上各个条件并不可能严格满足，尤其对于离散的滑模变结构系统，这样的要求过于苛刻。因此，在实际系统中，抖振是必然的，而且一旦消除
30、抖振，也就消除了变结构控制抗摄动和抗扰动的能力4。所以说，消除抖振是不可能的，只能在一定程度上削弱它。造成抖振的原因有多种，主要有：(1时间滞后开关；(2空间滞后开关；(3系统惯性的影响；(4离散系统本身造成的抖振。总之，抖振的原因在于：当系统的轨迹到达切换面时，其速度是有限大的，惯性使运动点穿越切换面，从而最终形成抖振，叠加在理想的滑动模态上1, 4,5。选择合适的趋近控制函数，可以有效削弱抖振。具体的趋近控制函数的选择和设计将在本文的后续章节详细介绍。3 水箱液位控制系统建模精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 45 页
31、19 / 45 3.1 液位控制系统3.1.1 液位控制系统的组成6本文的控制系统是参照浙江天煌THJFCS-1 型现场总线过程控制系统实验装置的系统结构进行设计的。该水箱控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根据自动化及其它相关专业教案的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处后，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了这一套全新的实验装置。该系统包括流量、液位、压力、温度等参数，可实现系统被控对象特性测试、单回路控制系统、位式控制、串级控制系统、滞后控制系统、前馈-反馈控制系统、解耦控制系统等多种控制
32、形式。选取该复杂系统中的液位控制系统模块进行建模，获取原始数据，进而进行控制研究。 THJFCS-1 型现场总线过程控制系统实验装置的液位控制模块参见图3.1。由图 3.1 可见，该液位控制系统的水箱系统由蓄水容器、检测元件和动力驱动装置构成。上水箱、中水箱、下水箱和储水箱为蓄水容器，可以完成单容水箱、双容水箱及三容水箱液位控制的相关实验。LT1、LT2 及 LT3 为压力传感器，通过相关计算，可以将压力信号转换为液位信号反馈给控制系统；FT1 为流量传感器，实时监控系统的输入流量或干扰输入流量；电动调节阀为控制机构，对输入流量进行控制动作。动力驱动装置即电机，该电机为380V 交流电机，用于
33、将储水箱里的水经电动调节阀输入上水箱，作为输入控制量。整个系统通过不锈钢的管道连接起来，储水箱为三个水箱提供水源，手动阀门F1-6 开启时，水可进入上水箱。上、中、下三个水箱底部各有一个手动阀门F1-9、F1-10、F1-11，通过调节三个阀门的开度，可以控制三个水箱的漏水程度，改变双容、三容水箱的惯性及时延大小。手动阀门F1-1 和 F1-2 可以控制供水量的大小，一般实验中，这两个水阀全开。手动阀F1-4在多容水箱液位实验中没有实际用处，所以在实验中关闭。另外，在储水箱的底部还有一个阀门，在水箱系统需要换水时打开，储水箱中的水可以直接流出，实验中需要关闭。精选学习资料 - - - - -
34、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 45 页20 / 45 除上图中所示的控制模块之外，还需要一台计算机、PLC 及现场总线共同构成多容水箱液位控制系统。该系统的电气功能由PLC 完成，各个传感器将信号通过现场总线输入 PLC 的输入输出模块，再通过PLC 与计算机的通信线传给计算机。计算机用于采集 PLC 传输的电流、电压信号，使用组态软件系统构造和生成上位机监控系统，并且与系统控制对象中的电动调节阀配套使用，组成最佳调节回路。图 3.1 THJFCS-1液位控制模块精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - -
35、-第 20 页，共 45 页21 / 45 系统的各个元件的相关信息如下：(1 蓄水容器及管道水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观能察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为： d=35cm,h=20 cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长 宽高=68cm 52cm 43cm。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系
36、统生锈的可能性，有效提高了实验装置的使用年限。(2 检测装置压力传感器、变送器：采用带PROFIBUS-PA 通讯协议的 SIEMENS 压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V 直流电源。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10 ，流量范围： 01.2m3/h，精度：1.0%。输出： 420mA 标准信号。(3 执行机构1 调节阀：采用智
37、能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为： QSTP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单图 3.2 现场总线控制系统结构图现场层控制信号输出控制层上位机 PC CPU315-2DP SM331模拟量输入SM331 模拟量输入SM332模拟量输出LT1 LT2 FT1 FT2 LT1 FT3 TT1 TT2 调节阀COUPLER 压力变送器现场信号输入精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 45 页22 / 4
38、5 相 220V，控制信号为420mADC 或 15VDC ，输出为 420mADC 的阀位信号，使用和校正非常方便。2 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30 升/分，扬程为8M，功率为 180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵 ,一只为三相 380V 恒压驱动，另一只为三相变频220V 输出驱动。3 控制器：控制器采用SIEMENS 公司的 S7300 CPU，型号为 315-2DP，本 CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI 接口，又具有PROFIBUS-DP 通讯功能的 DP 通讯接口。3.1.2 液位控制系统的控制对象利
39、用 THJFCS-1 型现场总线过程控制系统实验装置中各个组件的不同组合情况，可以构成针对不同对象的多种不同功能的实验系统。例如：(1开启与上水箱连接的电动调节阀以及其底部管道的手动阀F1-1、F1-2，开启上水箱的注水阀 F1-6及出水阀 F1-9，关闭与中水箱、下水箱连接的所有阀门，这时就可以做单容水箱特性的实验。(2在单容水箱实验的基础上，调节上水箱与中水箱之间的连接阀门F1-9 及中水箱的出水阀F1-10 的开度，关闭与下水箱向连接的所有阀门，这样就构成了双容水箱特性实验。(3若需要做三容水箱的特性实验，则再打开阀门F1-11即可。在本文讨论的多容水箱液位控制系统中，皆以最下方的水箱的
40、液位为控制对象F1-10F1-11。这样，可以使得控制结果满足下水箱液位达到设定值，而其他水箱中有水而不溢出，进而最终自衡。3.2单容水箱系统建模及参数辨识3.2.1单容水箱系统机理模型单容水箱液位控制系统是多容水箱系统最简单的极限情况。研究单容水箱模型是研究多容水箱模型的基础。在经典控制理论中，系统的数学模型由传递函数表征，而在现代控制理论中，数学模型由状态方程描述。但无论哪一种方法建立的数学模型，最终都可以以不同的形式相互转换。传递函数方法相比较于状态方程方法更容易建立，而且其中的各个常量也有更直观的物理意义，所以，本文将传递函数方法建立系统的数学模型作为首选。首先，简化系统的结构，得到如
41、图3.3 所示的单容水箱液位控制系统的开环控制结精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 45 页23 / 45 构图。如图 3.3所示。由图 3.3，单容水箱系统是一个自衡系统，水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当 水箱水位升高时，其出水量也在 不断增大。所以，若阀2 开度适 当 ，在不溢出的情况下，当水箱的 进水量恒定不变时，水位的上升 速度将逐渐变慢，最终达到平衡。在该控制过程中，液位高度为 被控量，液体体积流量为被控过 程的输入量。的大小可以通过阀 门1 的开度来改变。体积流量为流 出量，其大小
42、可根据用户需要通 过阀门 2 的开度来调节。为确定 该系统的开环传递函数，在输入端给定一个常值，求解与之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，即在单位时间内容器的液体流入量与单位时间内容器的液体流出量之差，应等于容器中液体贮存量的变化率，即表示成增量形式则为式中、 分别为偏离某平衡状态、的增量；水箱的截面积。静态时应有，发生变化，液位随之变化，使水箱的出口处静压力发生变化，也要发生变化。假定与近似成线性正比关系，与阀门2 处的液阻成反比关系，则有将式3.3）代入 3.2）整理得式3.4）即为单容液位被控过程的微分方程增量表示形式。对式3.4）进行拉氏变换，则有写成传递函数形式为了更一般起见，并
43、且为了下面求解参数更有针对性，将式实验过程中，阀1 开度应为较大；且阀2 开度必须适当，尽量使液位稳定于水箱高度的 30%60%处。(2阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%15%。(3在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。(4完成一次实验后，应使被控过程恢复原来工作状况并稳定一段时间后再做下一次实验测试7。b a t O Q1tOht O Q0tOh图 3.4 单容水箱阶跃响应精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 45 页25 / 45 在实验
44、后，根据机理模型的结构来确定具体参数。1.由阶跃响应确定无时延一阶环节的参数。若过程的阶跃响应曲线如图3.3 所示，时的曲线斜率最大，之后逐渐减小，逐渐上升到稳态值，则改过程为无时延一阶环节。对式3.10）所示的一阶无延时环节，需要确定的参数只有和。设阶跃输入变化量为，则一阶无时延的阶跃响应为式中，为放大系数，为时间常数。先由阶跃曲线 图 3.5）得到，再在阶跃响应曲线的起点处作切线，该切线与的交点所对应的时间图 3.4上的 B点所对应的时间点，即OB段）即为。由于有故得到另外以此斜率作切线，切线方程为，当时，又有也可以根据测试数据直接计算求得。根据式3.12）和式 3.13）可以得到令分别为
45、、，则、。在图上寻找、以及所对应的时间、和，通过、和计算出。若分别求取的有差异，采用平均值即可。2.由阶跃响应确定一阶时延环节的参数。如果过程的阶跃相应在时斜率几乎为零，之后斜率逐渐增大，到达某点 BT0A tOy(t图 3.5 一阶无时延响应精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 45 页26 / 45 带时延的一阶环节需要确定三个参数、和时延时间。的确定方法与无时延系统相同，即按照式 3.13）求解。和时延时间的确定如图3.6 所示，在阶跃响应曲线斜率最大处即拐点 D）作一条切线，该切线与时间轴交于C 点，与交于 A 点，
46、A 在时间轴上投影点为 B。其中 CB 段大小即为， OC 段大小为。为避免在阶跃曲线上找D 点及通过 D 点做切线存在过大的误差，一般采取计算法求取和时延时间。将阶跃相应转换为相对值即根据式 图 3.6 一阶时延环节阶跃相应曲线精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 45 页27 / 45 选取不同的两个时间点 ,分别对应、。根据式 R(s 图 3.7 一阶时延环节阶跃相应曲线t1t2tO 1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 45 页28 / 45
47、根据物料平衡关系，列出增量方程其中，、为流过阀1、阀 2、阀 3 的流量；、为上水箱、下水箱的液位高度；、为上、下水箱的液容系数；、为阀2、阀 3的液阻。对式3.21）3.22）3.23）3.24）联立，进行拉氏变换，整理后得到式中为上水箱过程时间常数，；为下水箱过程时间常数，。另外，若上、下水箱之间的管道过长存在时延，则此时传递函数多一个滞后环节，为由此推及，若 n 个水箱级联，其传递函数应为式中为总放大系数。上式为无时延过程，下式为有时延过程。3.3.2双容、多容水箱系统模型的参数辨识通过机理建模可以得知多容水箱的传递函数为我们可以通过对单个水箱进行特性测试的方法，得到各个水箱的过程时间常
48、数及时延，再由求得、即可。对于本实验的双容水箱系统，还可以用两点法确定相关参数。由于本实验系统的各水箱连接管道很短，并且管径很大，故时延很小，用两点法更为方便、准确。的确定方法同 、控制系统 (control system、神经网络 (neural network、模糊逻辑 (fuzzy logic、图像处理 ( image processing 、小波 (wavelet等工具箱13。本文U(s 图 3.11 闭环控制框图O t2t1t图 3.10 双容水箱阶跃相应曲线R(s 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 45 页3
49、0 / 45 主要是利用了 SIMULINK 工具箱和 M 文件。3.4.2 SIMULINK仿真环境SIMULINK是 MATLAB环境下的模拟工具，提供了很方便的图形化功能模块，以便连接一个模拟系统，简化设计流程，减轻设计负担。此外，SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，包含有 (Sink输出方式、 (Source输入源、 (Linear线性环节、 (Nonlinear非线性环节、 (Connectors连接与接口、 (Extra其他环节子模型库
50、，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，还也可以定制和创建自己的模块13。4双容水箱系统的滑模控制4.1 滑模变结构控制设计分析4.1.1 系统的仿真分析上一章讨论了系统的建模方法并实际测得了水箱液位控制的传递函数。在设计控制器之前，先要对系统进行MATLAB仿真，得到较平滑精确的曲线，对其进行稳定性分析，进而明确设计的方向。在此基础上，还要分析系统的动态、稳态性能，从而明确所设计控制器期望达到的控制质量。以典型的多阶系统二阶系统为例进行分析。在上一章，已经求得双容水箱液位控制系统的开环传递函数为从4.1）表达式来看，双容水箱系统为具有纯时延环节的二阶系统。但注意到纯时延环节的时间系数，相对