滑膜毕业设计3.docx
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滑膜毕业设计3
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
XXX04041448
自动化04-4
题目：
姓名：
学号：
班级：
二〇〇八年六月
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04-4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）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（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧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（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧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；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
ABSTRACT
Thispaperstudiesaliquidlevelcontrolstrategyforatwo-tankcontrolsystem.Itcontainsthecompositionanalysis,themathematicalmodelingandthecontrollerdesignwhichisbasedonthetheoriesofslidingmodecontrolforthesystem.
Thebasicconceptionofvariablestructureisintroducedfirstly.Thenitconstructsamathematicalmodelforthetwo-tanksystemandstepresponsecurvemethodisappliedtoidentifytheparametersofthetransferfunction.
Secondly,theconstant-switchslidingmodecontrollerandtheproportion-switchslidingmodecontrollerareappliedtocontroller.Bothofthesetwoadjustmentschemescanimprovetheperformanceofbothdynamicandsteadystateontheparameteradjustment.TheMATLAB/SIMULINKsimulationcurvesshowthattheoutputofthecharacteristiccurveisfoundinhigh-ordervibrationandfluttereddistinctly.
Inadditiontothis,itappliesaslidingmodecontrollerbasedonreachinglawintothissystem.Thiscontrolmethodcannotonlyguaranteetheperformanceofthedynamicandsteadystatebutalsoweakenthevibrationtomakethissystemsteadystatefasterandimprovebothitsdynamicperformanceandpracticalapplication.
Lastly,thecontrolefficiencybetweentheslidingmodecontrollerandtheclassicalPIDcontrollerisanalyzed.ThesimulationresultsshowthattheslidingmodecontrollerisexactlybetterthantheclassicalPIDcontroller.
Keywords:
liquidlevelcontrol;two-tanksystem;variablestructurecontrol;slidingmodecontroller;reachinglaw
翻译部分
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（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）：
①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。
②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。
③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。
④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。
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：
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（VariableStructureControl，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（SlidingModeControl，SMC），即滑模变结构控制[2,4,5,14,20]。
由于滑动模态可以进行设计且与扰动无关，这就使得变结构控制在控制的快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等方面具有很大优势。
但该方法的缺点也同样明显，当状态轨迹到达滑模面后，难以严格沿着滑模面向平衡点滑动，而是在滑模面两侧不断穿越，产生震动。
目前可以由加入趋近率的方法改善震动状况，但完美的平滑滑动是实际不存在的。
变结构控制在上世纪50年代提出，经过近60年的发展，形成了相对独立的分支。
近年来，变结构控制发展迅速，成为自动控制系统的一种设计方法。
该方法适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、集中参数与分布参数系统、确定性与不确定性系统、集中控制与分散控制等，并且在实际工程中逐渐推广应用。
如今，在电机与电力系统控制、机器人控制、飞机控制、卫星姿态控制等领域，变结构控制都取得了突破性的进展。
2.1.2变结构控制的发展历史[4]
变结构控制的发展经历了大致三个阶段。
1957-1962年，前苏联学者Utkin和Emelyanov提出了变结构控制的概念，其基本研究对象为二阶线性系统。
这个时期奠定了变结构控制的理论基础，为研究的初级阶段。
1962-1970年，在近10年的时间里，学者们开始针对高阶线性系统进行研究，主要涉及高阶线性系统在线性切换函数下控制受限与不受限及二次型切换函数的情况。
但此时的研究还是SISO系统。
1970年以后，变结构控制开始在线性空间上研究，并得到了“变结构控制对摄动及干扰具有不变性”的结论。
1977年Utkin提出了滑模变结构控制VSC和滑模控制SMC的方法。
此后，各国学者开始研究多维变结构系统和多维滑动模态，并将研究由规范空间拓展到更一般的空间。
中国学者高为炳院士首先提出了趋近律的概念，列举了诸如等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律直到一般趋近律，填补了对变结构研究大多集中在滑动模态上而对进入切换面之前的运动，即正常运动段研究较少的空白。
2.1.3滑动模态的定义
这里先引入一个简单的例子解释滑动模态。
考虑一般控制系统，被控对象是线性定常的。
设此系统由下列方程描述：
（2.1）
式中，——系统状态变量，，——固定参数，——控制函数。
用构造一个一个控制作用
（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。
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，，（Ⅰ、Ⅳ区）和,（Ⅲ区）时，相轨迹为不稳定焦点轨迹；，（Ⅱ区）和,（Ⅳ区）时，相轨迹为不稳定鞍点的轨迹。
图2.3
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）（2.5）是稳定的。
由上例可见，两种结构不稳定的系统，若选择正确的切换线，引入滑动模块之后，可以稳定[1]。
这是简单的滑动模块变结构控制系统，下面将其一般化。
图2.4
在系统
（2.8）
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：
滑动模态存在，即（2.11）式成立；
满足可达性条件，在切换面以外的运动点都将于有限的时间内到达切换面；
保证滑模运动的渐进稳定性；
达到控制系统的动态品质要求。
这样的控制系统，称为滑动模态变结构控制系统，简称变结构系统。
2.2滑动模态的存在与滑动模态方程
2.2.1滑动模态的存在条件
对系统
（2.12）
式中、——维列向量，——标量函数，它在超平面上发生切换：
（2.13）
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（2.12）所描述的系统就可能产生滑动模态运动[4,17]。
上述
图2.5
非零维的区域，叫做滑动模态区域。
如图2.5所示。
滑动模态存在条件的数学形式：
（2.14）
它是滑动模态存在的充分条件。
通常简单写作：
（2.15）
其中切换函数
升级会员 