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基于滑模控制的双容水箱液位控制系统研究.doc
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1、编号:()字号本科生毕业设计(论文)基于滑模控制的双容水箱液位控制系统研究 朱德鑫 04041448 自动化04-4题目:姓名:学号:班级:二八年六月中国矿业大学毕业设计任务书学院信息与电气工程学院专业年级自动化044学生姓名朱德鑫任务下达日期: 2008年2月25日毕业设计日期: 2008年2月25日至 2008年6月20日毕业设计题目:基于滑模控制的双容水箱液位控制系统研究毕业设计专题题目:毕业设计主要内容和要求:1) 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
2、)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:中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语(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:
3、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;综合运用所学知识解决实际问题的能力;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。首先,本文阐述了滑模变结构控制的相关基本概念
4、;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
5、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 twotank control system。 It contains thecomposition analysis, the mathematical modeling and the controllerdesign which is based on the theories of sliding mode c
6、ontrol 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 transfer function。Secondly, the constant-switch sliding mode controller a
7、nd the proportionswitch 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/SIMULINKsimulation curves show that the output of the characteristic curve isfound in hig
8、horder 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 state but also weaken the vibration to make this system steady state faster
9、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 mode controller is exactly better than the classical PID controller。Keywords:
10、 liquid level control; twotank system; variable structure control; sliding mode controller; reaching law目录1 绪论11.1引言11.2课题的提出及意义11.3 液位控制的特点及发展现状21。4液位控制主要发展方向31。5论文结构42 滑模变结构控制的基本原理52。1 滑模变结构系统的概念52。1.1 滑模变结构概念的引出52.1.2 变结构控制的发展历史52.1.3 滑动模态的定义62.1.4 滑模变结构控制的定义82。2 滑动模态的存在与滑动模态方程82.2。1 滑动模态的存在条件82。
11、2。2 等效控制92。2。3 滑动模态运动方程102。3 滑模变结构控制匹配条件及其不变性102.4 滑模变结构控制系统的抖振问题113 水箱液位控制系统建模133.1 液位控制系统133。1。1 液位控制系统的组成133。1。2 液位控制系统的控制对象163。2单容水箱系统建模及参数辨识163.2.1单容水箱系统机理模型163。2。2单容水箱系统模型的参数辨识193.3双容、多容水箱系统建模及参数辨识233.3。1双容、多容水箱系统机理模型233。3。2双容、多容水箱系统模型的参数辨识243。4控制系统仿真环境263.4。1 MATLAB简介263。4。2 SIMULINK仿真环境264 双
12、容水箱系统的滑模控制274。1 滑模变结构控制设计分析274。1.1 系统的仿真分析274。1.2 滑模便结构系统的设计步骤与设计要求294。2液位控制系统滑模变结构控制设计304.2。1 的选取304。2。2 控制函数的求取314.2。3 双容水箱系统控制系统324。2。4 三容水箱液位控制系统探讨384。2。5水箱液位控制系统的分析394。3 引入趋近律的滑模变结构控制设计424.3.1 趋近律的概念424.3.2 趋近律的求取424。3。3 基于指数趋近律的位置跟踪滑模控制器设计444.3。4 基于指数趋近律的位置跟踪滑模控制器的跟踪性能分析464。4 滑模控制与传统PID控制比较494
13、。4。1 传统PID控制器设计及参数整定494。4。2 双容水箱系统PID控制器参数整定与仿真504.4.3 双容水箱系统PID控制与滑模变结构控制效果分析525 总结与展望53参考文献55附录57致谢63翻译部分英文原文64中文译文75中国矿业大学2008届本科生毕业设计 第83页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
14、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
15、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(如正弦信号、方波信号)方面也有较好的控制效果。1.2课题的提出及意义液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量.工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合,常需对容器中液位进行有效可靠的控制,否则将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。另外,在这些生产领域里,极容易出现操作失误,引起事故,造成厂家的损失.可见,在实际生产中,液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以,为了保证安全、方便操作,就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。工业生产过程中的液位
16、系统通常是时变的,具有明显的滞后特性。在热工生产与传输质量或能量的过程中,存在着各种形式的容积和阻力,加上对象多具有分布参数,好像被不同的阻力和容积相互分隔着一样。生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻力构成的多容对象.两个串连的单容对象构成的双容对象就比较典型.液位控制设计依赖的自动控制理论,经历了经典控制理论、现代控制理论两个发展阶段,现在已进入了非线性智能控制理论发展时期。从控制理论解决的问题而论,很多重大的、根本的问题,如可控性、可观测性、稳定性等系统的基本性质,控制系统的综合方法等在传统控制中都建立了比较完善的理论体系。应用传统控制理论基本能够满足工程技术及各种其它领域的需要。但是
17、随着工业和现代科学技术的发展,各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高,应用范围也更加广泛.特别是本世纪80年代以来,电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速度发展,推动了控制理论研究的深入开展,并进入了一段新的历程。控制理论的迅速发展,出现了许多先进的控制算法。变结构控制系统在50年代就有了相当的研究,随着人们逐渐认识到它的一些优点,如对摄动的某种完全适应性,并可用来设计日益复杂对象的控制规律,近年来又受到较大重视并获得巨大的发展4。目前,各实验室都利用双容水箱进行了实验教学和大量的算法研究。近年来已有很多关于新型控制算法在双容水箱上成功运用的报道。由于
18、双容水箱能够在试验中模拟各种实际应用故障,所以针对双容水箱的研究能够给实际的工业生产提供理论上的支持和控制范例.1。3 液位控制的特点及发展现状液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中,对液位的相关参数进行控制,使其保持为一定值或按一定规律变化,以保证质量和生产安全,使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响,也受外界条件的影响,而且影响生产过程的参数一般不止一个,在过程中的作用也不同,这就增加了对过程参数进行控制的复杂性,或者控制起来相当困难,因此形成了过程控制的下列特点:(1)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
19、象的储存能力大,惯性也较大,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
20、控量发生变化时,对象本身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,其数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
21、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
22、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
23、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
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