【正文】 雙容水箱液位控制系統(tǒng)中控制對象為中水箱的液位，三容水箱液位控制系統(tǒng)中的控制對象即為下水箱的液位）。 液位控制系統(tǒng)的控制對象 利用THJFCS1型現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)試驗裝置中各個組件的不同組合情況，可以構(gòu)成針對不同對象的多種不同功能的實驗系統(tǒng)。2 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ8P，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。輸出：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號。(2) 檢測裝置壓力傳感器、變送器：采用帶PROFIBUSPA通訊協(xié)議的SIEMENS壓力傳感器和工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。每個水箱有三個槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場層控制信號輸出控制層上位機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)場信號輸入 系統(tǒng)的各個元件的相關(guān)信息如下：(1) 蓄水容器及管道水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。另外，在儲水箱的底部還有一個閥門，在水箱系統(tǒng)需要換水時打開，儲水箱中的水可以直接流出，試驗中需要關(guān)閉。整個系統(tǒng)通過不銹鋼的管道連接起來，儲水箱為三個水箱提供水源，手動閥門F16開啟時，水可進入上水箱。該液位控制系統(tǒng)的水箱系統(tǒng)由蓄水容器、檢測元件和動力驅(qū)動裝置構(gòu)成。該水箱控制系統(tǒng)實驗裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它是集自動化儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)為一體的多功能實驗裝置。 總之，抖振的原因在于：當(dāng)系統(tǒng)的軌跡到達切換面時，其速度是有限大的，慣性使運動點穿越切換面，從而最終形成抖振，疊加在理想的滑動模態(tài)上[1, 4,5]。但對于一個現(xiàn)實的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，以上各個條件并不可能嚴(yán)格滿足，尤其對于離散的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這樣的要求過于苛刻。條件（）稱為不確定性和系統(tǒng)的完全匹配條件[4,5]。(1) 系統(tǒng)受外干擾時 x=Ax+Bu+Df ()其中Df表示所受的外界干擾。故式（）是滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在滑動模態(tài)附近的平均運動方程，描述了系統(tǒng)在滑動模態(tài)下的主要動態(tài)特征。所設(shè)計的控制律u要滿足滑模穩(wěn)定條件。 如果達到理想的滑?？刂疲瑒ts=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)在滑動模態(tài)區(qū)內(nèi)的等效控制。 通常將式（）表達成李雅普諾夫函數(shù)型的到達條件[3,5]： Vx0,Vx=12s2 ()條件（）或（）在切換面sx=0上確定了滑動區(qū)。 滑動模態(tài)存在條件的數(shù)學(xué)形式： lims→+0s0,lims→0s0 ()它是滑動模態(tài)存在的充分條件。 這樣的控制系統(tǒng)，稱為滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，簡稱變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。因為如果切換面上某一區(qū)域內(nèi)所有點都是終止點，則一旦運動點趨近于該區(qū)域時，都會被“吸引”到該區(qū)域內(nèi)運動。s0CBAs=0s0在系統(tǒng) x=fx x∈Rn ()的狀態(tài)空間中，有一個切換面sx=sx1,x2?xn=0,將狀態(tài)空間分成上下兩個部分s0及s0。解得 x1t=x10eCt ()式中x10為x1t的初始狀態(tài)。在這條直線的鄰域，兩結(jié)構(gòu)的軌跡指向相對，故往后系統(tǒng)的運動將是沿著s=0這條直線的滑動模態(tài)，=0的鋸齒線所示。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線之間變化。 假定a2為負，并對α作適當(dāng)限制，使得ψ=α?xí)r，特征方程有正實部復(fù)根；而ψ=α?xí)r，特征方程有一正一負實根。 滑動模態(tài)的定義 這里先引入一個簡單的例子解釋滑動模態(tài)。 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)控制對攝動及干擾具有不變性”的結(jié)論。 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，其基本研究對象為二階線性系統(tǒng)。近年來，變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展迅速，成為自動控制系統(tǒng)的一種設(shè)計方法。由于滑動模態(tài)可以進行設(shè)計且與擾動無關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制在控制的快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等方面具有很大優(yōu)勢。第五章：總結(jié)整篇論文。第四章：設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并搭建SIMULINK仿真平臺，得到其響應(yīng)曲線。第二章：介紹滑?？刂频幕驹?。 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、響應(yīng)快，系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點，也是未來發(fā)展的重要方向。這些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在問題。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。它是辨識與控制的結(jié)合。預(yù)測控制有三要素，即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。采用改進的PID算法或者將PID算法與其他算法進行有機結(jié)合往往可以進一步提高控制質(zhì)量。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。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。但對于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實際系統(tǒng)的特性。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。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質(zhì)是極為重要的。在生產(chǎn)過程中，對液位的相關(guān)參數(shù)進行控制，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)自動進行下去。目前，各實驗室都利用雙容水箱進行了實驗教學(xué)和大量的算法研究。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個領(lǐng)域中自動控制系統(tǒng)對控制精度、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。兩個串連的單容對象構(gòu)成的雙容對象就比較典型。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。 在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量?；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 滑動模態(tài)的定義 6 滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義 8 滑動模態(tài)的存在與滑動模態(tài)方程 8 滑動模態(tài)的存在條件 8 等效控制 9 滑動模態(tài)運動方程 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)的控制對象 16 16 16 1多容水箱系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識 2多容水箱系統(tǒng)機理模型 2多容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識 24 26 MATLAB簡介 26 SIMULINK仿真環(huán)境 264 雙容水箱系統(tǒng)的滑模控制 27 滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計分析 27 系統(tǒng)的仿真分析 27 滑模便結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計步驟與設(shè)計要求 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 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 44 基于指數(shù)趨近律的位置跟蹤滑?？刂破鞯母櫺阅芊治?46 滑模控制與傳統(tǒng)PID控制比較 49 傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計及參數(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 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)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。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，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水制得當(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影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。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（如正弦信號、方波信號）方面也有較好的控制效果?？梢?，在實際生產(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)濟效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。生產(chǎn)實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構(gòu)成的多容對象。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。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在50年代就有了相當(dāng)?shù)难芯?，隨著人們逐漸認識到它的一些優(yōu)點，如對攝動的某種完全適應(yīng)性，并可用來設(shè)計日益復(fù)雜對象的控制規(guī)律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展[4]。 液位控制的特點及發(fā)展現(xiàn)狀液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。(2)對象特性的非線性對象特性大多是隨負荷變化而變化，當(dāng)負荷改變時，動態(tài)特性有明顯的不同。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象。對于簡單的線性、時不變系統(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。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效果，當(dāng)實際生產(chǎn)對控制有較高的性能指標(biāo)要求時，就需要尋找種新的控制方式。此外，模糊邏輯是柔性的，對于給定的系統(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。大量的事實證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對于絕大部分工業(yè)過程的被控對象可取得較好的控制效果。它高度結(jié)合了工業(yè)實際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高。在液位過程工業(yè)中，很多過程是時變的，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)的性能會不斷惡化，這時就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時變的過程。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。常用的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級遞階智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制。今后，需要進一步對智能控制的基礎(chǔ)理論進行研究，以建立統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。第一章：介紹選題意義，液位控制的特點、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。同時根據(jù)實際情況，修改系統(tǒng)模型。然后設(shè)計傳統(tǒng)PID控制器，分析比較各滑?？刂破髦g及滑模控制器與PID控制器之間差異并討論實用性。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“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動，所以又常稱變結(jié)構(gòu)控制為滑動模態(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，形成了相對獨立的分支。 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)歷了大致三個階段。但此時的研究還是SISO系統(tǒng)。 中國學(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，填補了對變結(jié)構(gòu)研究大多集中在滑動模態(tài)上而對進入切換面之前的運動，即正常運動段研究較少的空白。 用x1構(gòu)造一個一個控制作用 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)有兩個線性結(jié)構(gòu)，或者說有兩個線性模型。 =0，即Cx1+x2=0這條直線。圖2. 3 由左圖可見，系統(tǒng)狀態(tài)的代表點由任何初始位置出發(fā)，總會碰到直線s=0，稱之為進入直線s=0。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動的方程，叫滑動模態(tài)方程或滑動方程。 這是簡單的滑動模塊變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，下面將其一般化。 在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，通常點和起始點沒有什么特殊的意義，而終止點卻不同。 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