基于滑?？刂频碾p容水箱液位控制系統(tǒng)研究

1、編號(hào)：（ ）字 號(hào)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于滑?？刂频碾p容水箱液位控制系統(tǒng)研究 朱德鑫 04041448 自動(dòng)化04-4題目： 姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 二八年六月中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)年級(jí) 自動(dòng)化04-4 學(xué)生姓名朱德鑫 任務(wù)下達(dá)日期： 2008年2月25日畢業(yè)設(shè)計(jì)日期： 2008 年2月25日至 2008 年6月20日畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于滑?？刂频碾p容水箱液位控制系統(tǒng)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：1) 查閱20篇以上課題相關(guān)的近年參考文獻(xiàn)，其中近5年文獻(xiàn)過半，書不超過5部，英文文獻(xiàn)5篇以上，并在論文中加以標(biāo)注；2) 學(xué)習(xí)滑模變結(jié)構(gòu)控制的相關(guān)原理，了

2、解滑模控制器的設(shè)計(jì)方法；3) 分析雙容水箱系統(tǒng)各個(gè)部件的工作原理和構(gòu)成；在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)理分析，并利用響應(yīng)曲線法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)；4) 利用滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理并進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；5) 利用MATLAB/Simulink搭建系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真分析；6) 比較PID控制器與滑?？刂破鞯目刂菩Ч?；7) 翻譯一篇與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的近5年發(fā)表的外文文獻(xiàn)（3000字以上）。院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力；研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問題；

3、是否同意答辯等）：成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問題；是否同意答辯等）：成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績(jī)答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯(cuò)誤有原則性錯(cuò)誤沒有回答答辯委員會(huì)評(píng)語及建議成績(jī)：答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘 要本文的研究任務(wù)是對(duì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行

4、系統(tǒng)組成分析、數(shù)學(xué)建模以及設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器。首先，本文闡述了滑模變結(jié)構(gòu)控制的相關(guān)基本概念；然后對(duì)雙容水箱系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理分析，并采用響應(yīng)曲線法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，從而得到雙容水箱系統(tǒng)的模型。其次，采用常值切換滑模變結(jié)構(gòu)控制器以及比例切換滑模變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。對(duì)兩種控制方案進(jìn)行參數(shù)整定后投入系統(tǒng)運(yùn)行。這兩種方案都可以很好地提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能，從MATLAB/SIMULINK的仿真曲線上觀察到兩種控制器的輸出曲線都呈高頻振蕩狀態(tài)并且存在明顯的抖振。在此基礎(chǔ)上，為得到更好的控制效果，將基于指數(shù)趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制器投入系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明該控制方法在保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)

5、，削弱了抖振，使系統(tǒng)更快速地趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及實(shí)用性。最后，將滑模變結(jié)構(gòu)控制器與傳統(tǒng)PID控制器的控制效果進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，滑模變結(jié)構(gòu)控制在控制質(zhì)量上優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。關(guān)鍵詞：液位控制；雙容水箱；滑模變結(jié)構(gòu)控制；趨近律ABSTRACTThis paper studies a liquid level control strategy for a two-tank control system. It contains the composition analysis, the mathematical modeling and the controller desig

6、n 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 the parameters of the transfer function.Sec

7、ondly, 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 parameter adjustment. The MATLAB/SIMULINK simulation curves show th

8、at the output of the characteristic curve is found in high-order vibration and fluttered distinctly.In addition to this, it applies a sliding mode controller based on reaching law into this system. This control method can not only guarantee the performance of the dynamic and steady state but also we

9、aken the vibration to make this system steady state faster and improve both its dynamic performance and practical application.Lastly, the control efficiency between the sliding mode controller and the classical PID controller is analyzed. The simulation results show that the sliding mode controller

10、is exactly better than the classical PID controller.Keywords: liquid level control; two-tank system; variable structure control; sliding mode controller; reaching law 目 錄1 緒論11.1引言11.2課題的提出及意義11.3 液位控制的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀21.4液位控制主要發(fā)展方向31.5論文結(jié)構(gòu)42 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理52.1 滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概念52.1.1 滑模變結(jié)構(gòu)概念的引出52.1.2 變結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展歷史52.1.

11、3 滑動(dòng)模態(tài)的定義62.1.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義82.2 滑動(dòng)模態(tài)的存在與滑動(dòng)模態(tài)方程82.2.1 滑動(dòng)模態(tài)的存在條件82.2.2 等效控制92.2.3 滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)方程102.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制匹配條件及其不變性102.4 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133.1 液位控制系統(tǒng)133.1.1 液位控制系統(tǒng)的組成133.1.2 液位控制系統(tǒng)的控制對(duì)象163.2單容水箱系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識(shí)163.2.1單容水箱系統(tǒng)機(jī)理模型163.2.2單容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí)193.3雙容、多容水箱系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識(shí)233.3.1雙容、多容水箱系統(tǒng)機(jī)理模型233.3.2雙容、多容水

12、箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí)243.4控制系統(tǒng)仿真環(huán)境263.4.1 MATLAB簡(jiǎn)介263.4.2 SIMULINK仿真環(huán)境264 雙容水箱系統(tǒng)的滑?？刂?74.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)分析274.1.1 系統(tǒng)的仿真分析274.1.2 滑模便結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)要求294.2液位控制系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)304.2.1 Ci的選取304.2.2 控制函數(shù)u的求取314.2.3 雙容水箱系統(tǒng)控制系統(tǒng)324.2.4 三容水箱液位控制系統(tǒng)探討384.2.5水箱液位控制系統(tǒng)的分析394.3 引入趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)424.3.1 趨近律的概念424.3.2 趨近律的求取424.3.3 基于指數(shù)趨近律

13、的位置跟蹤滑模控制器設(shè)計(jì)444.3.4 基于指數(shù)趨近律的位置跟蹤滑?？刂破鞯母櫺阅芊治?64.4 滑?？刂婆c傳統(tǒng)PID控制比較494.4.1 傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定494.4.2 雙容水箱系統(tǒng)PID控制器參數(shù)整定與仿真504.4.3 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1.1引言液位控制系統(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。液位控制一般指對(duì)某控制對(duì)象的液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，很多場(chǎng)合都要對(duì)液位進(jìn)行控制，使其高精度、

14、快速度地到達(dá)并保持給定的數(shù)值。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(duì)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(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)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(huì)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(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對(duì)象，液位為控制量。為了使液位的控制達(dá)到一定的精度，并且具有較好的動(dòng)態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的滑模變結(jié)構(gòu)控制。同時(shí)，在切換面滿足控制條件的前提下，采用了趨近律，使得

15、整個(gè)系統(tǒng)在單純的滑模變結(jié)構(gòu)控制提供的良好的穩(wěn)態(tài)性能基礎(chǔ)上，又具有較好的動(dòng)態(tài)性能。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。1.2課題的提出及意義液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤(rùn)滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓?chǎng)合，常需對(duì)容器中液位進(jìn)行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失?？梢?，在實(shí)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(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所

16、以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位系統(tǒng)通常是時(shí)變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對(duì)象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。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。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。液位控制設(shè)計(jì)依賴的自動(dòng)控制理論，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個(gè)發(fā)展階段，現(xiàn)在已進(jìn)入了非線性智能控制理論發(fā)展時(shí)期。從控制理論解決的問題而論，很多重大的、根本的問題，如可控性、可觀測(cè)性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質(zhì)，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都

17、建立了比較完善的理論體系。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。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域中自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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。特別是本世紀(jì)80年代以來，電子計(jì)算機(jī)的快速更新?lián)Q代和計(jì)算技術(shù)的高速度發(fā)展，推動(dòng)了控制理論研究的深入開展，并進(jìn)入了一段新的歷程。控制理論的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的控制算法。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(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。目前，各實(shí)驗(yàn)室都利用雙容水箱進(jìn)行了

18、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大量的算法研究。近年來已有很多關(guān)于新型控制算法在雙容水箱上成功運(yùn)用的報(bào)道。由于雙容水箱能夠在試驗(yàn)中模擬各種實(shí)際應(yīng)用故障，所以針對(duì)雙容水箱的研究能夠給實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)提供理論上的支持和控制范例。1.3 液位控制的特點(diǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，對(duì)液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(dòng)進(jìn)行下去。液位過程參數(shù)的變化不但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個(gè)，在過程中的作用也不同，這就增加了對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行控制的復(fù)雜性，或者控制起來相當(dāng)困難，

19、因此形成了過程控制的下列特點(diǎn)：(1)對(duì)象存在滯后熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的趨勢(shì)。因此，當(dāng)流入(流出)對(duì)象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。(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。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。(3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都力求生產(chǎn)過程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩，

20、作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動(dòng)趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。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(duì)象。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對(duì)這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制是以對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。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。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

21、、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。對(duì)于此類問題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時(shí)滯性很大、具有時(shí)變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效果，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)對(duì)控制有較高的性能指標(biāo)要求時(shí)，就需要尋找種新的控制方式。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。在存在“不相容原理”的情況下，模糊邏輯對(duì)于問題的描述能在準(zhǔn)確和簡(jiǎn)明之間取得平衡，使其具有實(shí)際意義，因此模糊控制理論的研究和應(yīng)用在現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域中有著重要的地位和意義。模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模

22、型，因而是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。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。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。1.4液位控制主要發(fā)展方向目前，已經(jīng)開發(fā)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(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。以下是一些得到工程界公認(rèn)的先進(jìn)控制策略（算法）：改進(jìn)的或復(fù)合PID控制算法。大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過程的被控對(duì)象可取得較好的控制效果。采用改進(jìn)的PID算法或者將PID算法與其他算法進(jìn)行

23、有機(jī)結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。預(yù)測(cè)控制。預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。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。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。它的機(jī)理表明它是一種開放式的控制策略，體現(xiàn)了人們?cè)谔幚韼в胁淮_定性問題時(shí)的一種通用的思想方法。自適應(yīng)控制。在液位過程工業(yè)中，很多過程是時(shí)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(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時(shí)變的過程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分3類：1.自整定調(diào)節(jié)器及其他簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器；2.模型參考自適應(yīng)控制；3.自校正調(diào)節(jié)與控制。

24、智能控制。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。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。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計(jì)卻不依賴過程的數(shù)學(xué)模型，因而對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)液位過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幾種：模糊控制、分級(jí)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。這些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在問題。同時(shí)，又有研究表明將它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合會(huì)產(chǎn)生更好的

25、效果。它們中有些已經(jīng)在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)中取得了成功。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。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。其中，具有滑動(dòng)模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制是公認(rèn)的最有前途的。對(duì)于變結(jié)構(gòu)控制的具體理論及其特點(diǎn)，本文以下章節(jié)將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的闡述。1.5論文結(jié)構(gòu)第一章：介紹選題意義，液位控制的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。第二章：介紹滑?？刂频幕驹怼５谌拢焊鶕?jù)液位系統(tǒng)過程機(jī)理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立單容水箱的數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)際測(cè)量開環(huán)液位控制響應(yīng)曲線

26、和數(shù)據(jù)，得出雙容水箱模型參數(shù)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，修改系統(tǒng)模型。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。利用滑模變結(jié)構(gòu)原理，分別設(shè)計(jì)常值切換滑模控制器和比例切換滑?？刂破鳎⒕帉慚atlab程序，得到響應(yīng)曲線。在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的滑?？刂破鞯幕A(chǔ)上，進(jìn)一步加入趨近律，使得系統(tǒng)響應(yīng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能。然后設(shè)計(jì)傳統(tǒng)PID控制器，分析比較各滑?？刂破髦g及滑?？刂破髋cPID控制器之間差異并討論實(shí)用性。第五章：總結(jié)整篇論文。2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理2.1 滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概念2.1.1 滑模變結(jié)構(gòu)概念的引出變結(jié)構(gòu)控制（Variable Structure Contro

27、l，VSC），廣義地說，在控制過程中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可發(fā)生變化的系統(tǒng)，叫變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)1,2,3。其本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)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(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。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)。但該方法的

28、缺點(diǎn)也同樣明顯，當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面后，難以嚴(yán)格沿著滑模面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而是在滑模面兩側(cè)不斷穿越，產(chǎn)生震動(dòng)。目前可以由加入趨近率的方法改善震動(dòng)狀況，但完美的平滑滑動(dòng)是實(shí)際不存在的。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(duì)獨(dú)立的分支。近年來，變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展迅速，成為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)、集中參數(shù)與分布參數(shù)系統(tǒng)、確定性與不確定性系統(tǒng)、集中控制與分散控制等，并且在實(shí)際工程中逐漸推廣應(yīng)用。如今，在電機(jī)與電力系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制、飛機(jī)控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等領(lǐng)域，變結(jié)構(gòu)控制都取得了突破性的進(jìn)展。2.1.2 變結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展歷史4變結(jié)構(gòu)

29、控制的發(fā)展經(jīng)歷了大致三個(gè)階段。1957-1962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)。這個(gè)時(shí)期奠定了變結(jié)構(gòu)控制的理論基礎(chǔ)，為研究的初級(jí)階段。1962-1970年，在近10年的時(shí)間里，學(xué)者們開始針對(duì)高階線性系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要涉及高階線性系統(tǒng)在線性切換函數(shù)下控制受限與不受限及二次型切換函數(shù)的情況。但此時(shí)的研究還是SISO系統(tǒng)。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(duì)攝動(dòng)及干擾具有不變性”的結(jié)論。1977年Utkin提出了滑模變結(jié)構(gòu)控制VSC和滑?？刂芐MC的方法。此后，各國(guó)學(xué)者開始研究多維變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和多維滑動(dòng)

30、模態(tài)，并將研究由規(guī)范空間拓展到更一般的空間。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。2.1.3 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)。考慮一般控制系統(tǒng)，被控對(duì)象是線性定常的。設(shè)此系統(tǒng)由下列方程描述： x1=x2 x2=-a1x1-a2x2+u (2.1)式中x1，x2系統(tǒng)狀態(tài)變量，a1，a2固定參數(shù)，u控制函數(shù)。用x1構(gòu)造一個(gè)一個(gè)控制作用 u=-x1 (2.2)當(dāng)=時(shí)，得到一種結(jié)構(gòu)，其中為常數(shù)： x1=x2 x2=-a1x1-a

31、2x2-x1 (2.3)當(dāng)=-時(shí)，得另到一種結(jié)構(gòu)： x1=x2 x2=-a1x1-a2x2+x1 (2.4)故系統(tǒng)有兩個(gè)線性結(jié)構(gòu)，或者說有兩個(gè)線性模型。假定a2為負(fù)，并對(duì)作適當(dāng)限制，使得=時(shí)，特征方程有正實(shí)部復(fù)根；而=-時(shí)，特征方程有一正一負(fù)實(shí)根，則其相平面分別如圖2.1和圖2.2所示。 圖2.1 圖2.2顯然，兩種結(jié)構(gòu)都不穩(wěn)定。=時(shí)，為不穩(wěn)定焦點(diǎn)情況，即不穩(wěn)定焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)；=-時(shí)，為鞍點(diǎn)的情況，即鞍點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在圖2.2中有一條線s=0，即Cx1+x2=0這條直線。變化C(C>0)的值，可以使得這條線在x1軸和=-時(shí)的雙曲線軌跡的漸進(jìn)線之間變化。 下面將說明，在x1=0和s=0這兩條直線上改變

32、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定。假設(shè)，結(jié)構(gòu)改變的規(guī)律具有如下形式： = 當(dāng)x1s>0- 當(dāng)x1s>0 (2.5)如圖2.3所示，當(dāng)x1>0，s>0（、區(qū)）和x1<0, s<0(區(qū))時(shí)，相軌跡為不穩(wěn)定焦點(diǎn)軌跡；當(dāng)x1<0，s>0（區(qū)）和x1>0, s<0(區(qū))時(shí)，相軌跡為不穩(wěn)定鞍點(diǎn)的軌跡。圖2. 3由左圖可見，系統(tǒng)狀態(tài)的代表點(diǎn)由任何初始位置出發(fā)，總會(huì)碰到直線s=0，稱之為進(jìn)入直線s=0。在這條直線的鄰域，兩結(jié)構(gòu)的軌跡指向相對(duì)，故往后系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)將是沿著s=0這條直線的滑動(dòng)模態(tài)，就如圖2.3中s=0的鋸齒線所示。直線s=0是控制產(chǎn)生切換的邊界線

33、，由于產(chǎn)生控制切換，直線s=0常被稱之為切換線；在x1=0上，雖然發(fā)生切換，但控制并沒有切換，故x1=0不是切換線。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)一旦進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)，由s=Cx1+x2，則Cx1+x2=0。又因狀態(tài)方程中x1=x2，故有 x1+Cx1=0 (2.6)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。解得 x1t=x10e-Ct (2.7)式中x10為x1t的初始狀態(tài)。當(dāng)C>0時(shí)，此解穩(wěn)定，故變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（2.1）（2.2）（2.5）是穩(wěn)定的。由上例可見，兩種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，若選擇正確的切換線，引入滑動(dòng)模塊之后，可以穩(wěn)定1。這是簡(jiǎn)單的滑動(dòng)模塊變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，下面將其一

34、般化。s>0CBAs=0s<0圖2.4在系統(tǒng) x=fx xRn (2.8)的狀態(tài)空間中，有一個(gè)切換面sx=sx1,x2xn=0,將狀態(tài)空間分成上下兩個(gè)部分s>0及s<0。在切換面上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)存在三種情況，如圖2.4所示。通常點(diǎn)，如A點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到切換面s=0附近時(shí)，穿越此點(diǎn)；起始點(diǎn)，如B點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換面s=0附近時(shí)，從切換面的兩邊離開該點(diǎn)；終止點(diǎn)，如C點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換面s=0附近時(shí)，從切換面兩側(cè)趨近該點(diǎn)。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。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“

35、吸引”到該區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，稱切換面s=0上所有的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)都是終止點(diǎn)的區(qū)域?yàn)椤盎瑒?dòng)模態(tài)”區(qū)，即“滑?！眳^(qū)。系統(tǒng)在滑模區(qū)的運(yùn)動(dòng)就稱為滑模運(yùn)動(dòng)4。2.1.4 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 xRn,uRm,tR (2.9)需要確定切換函數(shù)向量 sx, sRm (2.10)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 ui(x)=ui+x 當(dāng)si>0ui-x 當(dāng)si<0 (2.11)其中u+(x)u-(x),使得： 滑動(dòng)模態(tài)存在，即（2.11）式成立； 滿足可達(dá)性條件，在切換面s=0以外的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)都將于有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面； 保證滑模運(yùn)動(dòng)

36、的漸進(jìn)穩(wěn)定性； 達(dá)到控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求。這樣的控制系統(tǒng)，稱為滑動(dòng)模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。2.2 滑動(dòng)模態(tài)的存在與滑動(dòng)模態(tài)方程2.2.1 滑動(dòng)模態(tài)的存在條件對(duì)系統(tǒng) x=fx,u,t (2.12)式中x、fn維列向量，u標(biāo)量函數(shù)，它在超平面sx=0上發(fā)生切換： ui(x)=u+x,t 當(dāng)si>0u-x,t 當(dāng)si<0 (2.13)其中u+x,t，u-x,t，sx連續(xù)函數(shù)，且u+u-。如果在切換面sx=0上可能指定一個(gè)非零維的區(qū)域，并且在這個(gè)區(qū)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(hào)并且指向相對(duì)，那么對(duì)于（2.12）所描述的系統(tǒng)就可能

37、產(chǎn)生滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)4,17。上述滑動(dòng)模態(tài)區(qū)f-f+圖2.5非零維的區(qū)域，叫做滑動(dòng)模態(tài)區(qū)域。如圖2.5所示?；瑒?dòng)模態(tài)存在條件的數(shù)學(xué)形式： lims+0s<0,lims-0s>0 (2.14)它是滑動(dòng)模態(tài)存在的充分條件。通常簡(jiǎn)單寫作： ss<0 (2.15)其中切換函數(shù)sx還應(yīng)滿足：(1) 可微；(2) 過原點(diǎn)，即s0=0。由于狀態(tài)x可以任意取值，即x離開切換面可以任意遠(yuǎn)，故條件（2.15）也稱為全局到達(dá)條件。為了保證在有限時(shí)間到達(dá)，避免漸進(jìn)趨近，可對(duì)式（2.15）進(jìn)行修正： ss<- (2.16)其中>0, 可以取任意小。通常將式（2.15）表達(dá)成李雅普諾夫函數(shù)型的到

38、達(dá)條件3,5： Vx<0,Vx=12s2 (2.17)條件（2.14）或（2.15）在切換面sx=0上確定了滑動(dòng)區(qū)。通常認(rèn)為，狀態(tài)的代表點(diǎn)進(jìn)入這個(gè)區(qū)域之后，將沿切換面這個(gè)指定區(qū)域運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到它的邊界為止。這種運(yùn)動(dòng)，稱之為理想的滑模運(yùn)動(dòng)。2.2.2 等效控制1,3,15設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)方程為： x=fx,u,t xRn,uR (2.18)其中u為輸入，t為時(shí)間。如果達(dá)到理想的滑?？刂?，則s=0，即 s=sxxt=0 或 s=sxf(x,u,t)=0 (2.19) 將式（2.19）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。等效控制往往是針對(duì)確定性系統(tǒng)在無外加干擾情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)的

39、。例如，對(duì)于線性系統(tǒng) x=Ax+Bu xRn,uR (2.20)取切換函數(shù) sx=cx=i=1ncixi=i=1n-1cixi+xn (2.21)其中xi=xi-1(i=1,2,n)為系統(tǒng)狀態(tài)及各階導(dǎo)數(shù)，選取常數(shù)c1,c2,cn-1使得多項(xiàng)式pn-1+cn-1pn-2+c2p+c1為赫爾維茨穩(wěn)定，p為拉普拉斯算子。設(shè)系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)后的等效控制為ueq，由式（2.20）有 s=cx=cAx+Bueq=0 (2.22)若矩陣cb滿秩，則可解出等效控制 ueq=-cb-1cAx (2.23)對(duì)帶有不確定性和外加干擾系統(tǒng)，一般采用的控制律為等效控制律加切換控制，即 u=ueq+uvss (2.24)

40、其中切換控制uvss實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性和外加干擾的魯棒控制。所設(shè)計(jì)的控制律u要滿足滑模穩(wěn)定條件。2.2.3 滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)方程引入等效控制以后，可以寫出滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)方程。將等效控制ueq代入系統(tǒng)的狀態(tài)方程（2.18），可得 x=fx,ueq,t xRn,uR sx=0 (2.25)將式（2.23）代入式（2.20）所示線性系統(tǒng)，有 x=I-b(cb)-1cAxsx=cx=0 (2.26)滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)是系統(tǒng)沿切換面sx=0上的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到理想終點(diǎn)時(shí)，滿足s=0及s=0，同時(shí)切換開關(guān)必須是理想開關(guān)，這是一種理想的極限情況。實(shí)際上，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)沿切換面上下穿行4。故式（2.26）是滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)

41、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。通常情況下，為使滑動(dòng)模態(tài)的漸進(jìn)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)優(yōu)良，切換函數(shù)的選擇就尤其重要，這從式（2.26）可以看出來。2.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制匹配條件及其不變性滑模變結(jié)構(gòu)控制的突出優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)模態(tài)與系統(tǒng)的外干擾和參數(shù)攝動(dòng)完全無關(guān)，這種性質(zhì)稱為滑動(dòng)模態(tài)的不變性，這也是滑模變結(jié)構(gòu)控制受重視的主要原因7。但對(duì)于一般線性系統(tǒng)，不變性的成立是有條件的，需滿足滑動(dòng)模態(tài)匹配條件。(1) 系統(tǒng)受外干擾時(shí) x=Ax+Bu+Df (2.27)其中Df表示所受的外界干擾?；瑒?dòng)模態(tài)不受干擾f影響的充要條件為 rankB,D=rankB (2.28)如果式（2.28）

42、滿足，則系統(tǒng)可化為 x=Ax+B(u+Df) (2.29)其中D=B-1D，則通過設(shè)計(jì)控制律可實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完全補(bǔ)償。條件（2.28）稱為干擾和系統(tǒng)的完全匹配條件4,17。(2) 系統(tǒng)存在不確定性時(shí) x=Ax+Bu+Ax (2.30)滑動(dòng)模態(tài)與不確定性無關(guān)的充要條件是 rankB,A=rankB (2.31)如果式（2.31）滿足，則系統(tǒng)可化為 x=Ax+B(u+Af) (2.32)其中A=BA，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。條件（2.31）稱為不確定性和系統(tǒng)的完全匹配條件4,5。(3) 對(duì)于同時(shí)存在外擾和參數(shù)攝動(dòng)的系統(tǒng) x=Ax+Ax+Bu+Df如滿足匹配條件（2.28）和（2.

43、31），則系統(tǒng)化為 x=Ax+B(u+Af+Df) (2.33)2.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)并且系統(tǒng)的滑模運(yùn)動(dòng)與控制對(duì)象的參數(shù)攝動(dòng)及系統(tǒng)的外界干擾無關(guān)，因此相比較常規(guī)的連續(xù)系統(tǒng)而言，滑模變結(jié)構(gòu)控制的魯棒性要明顯優(yōu)秀。然而，滑模變結(jié)構(gòu)控制在本質(zhì)上的不連續(xù)開關(guān)特性也帶來了它不可避免的問題抖振。對(duì)于一個(gè)理想的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其切換過程具有理想的開關(guān)特性，系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)量精確無誤，控制量不受限制，則滑動(dòng)模態(tài)總是光滑的運(yùn)動(dòng)并漸進(jìn)趨近于原點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)抖振。但對(duì)于一個(gè)現(xiàn)實(shí)的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，以上各個(gè)條件并不可能嚴(yán)格滿足，尤其對(duì)于離散的滑模變結(jié)構(gòu)系

44、統(tǒng)，這樣的要求過于苛刻。因此，在實(shí)際系統(tǒng)中，抖振是必然的，而且一旦消除抖振，也就消除了變結(jié)構(gòu)控制抗攝動(dòng)和抗擾動(dòng)的能力4。所以說，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?？傊?，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。選擇合適的趨近控制函數(shù)，可以有效削弱抖振。具體的趨近控制函數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)將在本文的后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹。3 水箱液位控制系統(tǒng)建模3.1 液位控制系統(tǒng)3.1.1 液位控

45、制系統(tǒng)的組成6本文的控制系統(tǒng)是參照浙江天煌THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對(duì)象，它是集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)自動(dòng)化及其它相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸收了國(guó)內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處后，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出了這一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)包括流量、液位、壓力、溫度等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)被控對(duì)象特性測(cè)試、單回路控制系統(tǒng)、位式控制、串級(jí)控制系統(tǒng)、滯后控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)、解耦控制系統(tǒng)等多種控制形式。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

46、始數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行控制研究。THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的液位控制模塊參見圖3.1。由圖3.1可見，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。上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)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(guān)實(shí)驗(yàn)。LT1、LT2及LT3為壓力傳感器，通過相關(guān)計(jì)算，可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為液位信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)；FT1為流量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的輸入流量或干擾輸入流量；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為控制機(jī)構(gòu)，對(duì)輸入流量進(jìn)行控制動(dòng)作。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置即電機(jī)，該電機(jī)為380V交流電機(jī)，用于將儲(chǔ)水箱里的水經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入上水箱，作為輸入控制量。整個(gè)系統(tǒng)通過不銹鋼的

47、管道連接起來，儲(chǔ)水箱為三個(gè)水箱提供水源，手動(dòng)閥門F1-6開啟時(shí)，水可進(jìn)入上水箱。上、中、下三個(gè)水箱底部各有一個(gè)手動(dòng)閥門F1-9、F1-10、F1-11，通過調(diào)節(jié)三個(gè)閥門的開度，可以控制三個(gè)水箱的漏水程度，改變雙容、三容水箱的慣性及時(shí)延大小。手動(dòng)閥門F1-1和F1-2可以控制供水量的大小，一般試驗(yàn)中，這兩個(gè)水閥全開。手動(dòng)閥F1-4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。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。圖3.1 THJFCS-1液位控制模塊除上圖中所示的控制模塊之外，還需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)、PLC及現(xiàn)場(chǎng)總線共同構(gòu)成多容水箱

48、液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電氣功能由PLC完成，各個(gè)傳感器將信號(hào)通過現(xiàn)場(chǎng)總線輸入PLC的輸入輸出模塊，再通過PLC與計(jì)算機(jī)的通信線傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)用于采集PLC傳輸?shù)碾娏?、電壓信?hào)，使用組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并且與系統(tǒng)控制對(duì)象中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。圖3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場(chǎng)層控制信號(hào)輸出控制層上位機(jī)PCCPU315-2DPSM331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(chǎng)信號(hào)輸入系統(tǒng)的各個(gè)元件的相關(guān)信息如下：(1

49、) 蓄水容器及管道水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。 上、中、下水箱采用淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀能察到液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。每個(gè)水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲(chǔ)水箱尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=68cm×52cm×43cm。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。管道：整個(gè)系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性，有效提高

50、了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。(2) 檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的SIEMENS壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來對(duì)上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其精度為0.5級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY-10，流量范圍：01.2m3/h，精度：1.0%。輸出：420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。(3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1 調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單