2022年滑模控制的双容水箱液位控制系统分析研究.docx

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1、精品学习资源编号：）字号本科生毕业 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学习滑模变结构掌握的相关原理，明白滑模掌握器的设计方法；3分析双容水箱系统各个部件的工作原理和构成；在试验基础上，进行机理分析， 并利用响应曲线法对系统进行参数辨识；4利用滑模变结构掌握的基本原理并进行掌握系统设计；5利用 MATLAB/Simulink搭建系统模型，进行仿真分析；6比较 PID 掌握器与滑模掌握器的掌握成效；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：指导老师签字：中国矿业高校毕业设

2、计指导老师评阅书欢迎下载精品学习资源指导老师评语 基础理论及基本技能的把握；独立解决实际问题的才能；争论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；总体评判及建议成果；存在问题；是否同意答辩等）：成果：指导老师签字： 年月日中国矿业高校毕业设计评阅老师评阅书评阅老师评语 选题的意义；基础理论及基本技能的把握；综合运用所欢迎下载精品学习资源学学问解决实际问题的才能；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评判及建议成果；存在问题；是否同意答辩等）：成果：评阅老师签字： 年月日中国矿业高校毕业设计答辩及综合成果答辩情形提出问题回答疑题欢迎下载精品学习资源正

3、确基本正确有一般性错误有原就性错误没有回答答辩委员会评语及建议成果：答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成果：学院领导小组负责人：年月日摘要本文的争论任务是对双容水箱液位掌握系统进行系统组成分析、数学建模以及设计滑模变结构掌握器；欢迎下载精品学习资源第一，本文阐述了滑模变结构掌握的相关基本概念；然后对双容水箱系统进行机理分析，并采纳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，采纳常值切换滑模变结构掌握器以及比例切换滑模变结构掌握器对水箱液位掌握系统进行掌握；对两种掌握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/SIM

4、ULINK 的仿真曲线上观看到两种掌握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，为得到更好的掌握成效，将基于指数趋近律的滑模变结构掌握器投入系统；仿真结果说明该掌握方法在保证系统动态、稳态性能的同时，减弱了抖振，使系统更快速地趋于稳固，进一步提升系统的动态性能及有用性；最终，将滑模变结构掌握器与传统 PID 掌握器的掌握成效进行分析；仿真结果说明，滑模变结构掌握在掌握质量上优于传统 PID 掌握；关键词： 液位掌握；双容水箱；滑模变结构掌握；趋近律ABSTRACTThis paperstudies a liquid level control strategy for a t

5、wo-tank control system. It contains thecomposition analysis, the mathematical modeling and 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 amathematical model for the two-t

6、ank system and step response curve method is applied to identify theparameters of the transfer 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 canimprovetheperformanceofbo

7、thdynamicandsteadystateonthe parameteradjustment. TheMATLAB/SIMULINKsimulation 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 intothis system. This control

8、 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 and improveboth its dynamic performance and practical application.Lastly, the control efficiency between the sliding mode controllerand the classical P

9、ID controller is analyzed. The simulation results show that the sliding mode controller is exactly better than the classical PID controller.Keywords:liquidlevel control ； two-tank system； variable structure control ；sliding mode controller； reaching law欢迎下载精品学习资源目录欢迎下载精品学习资源翻译部分欢迎下载精品学习资源1 绪论1.1 引言液

10、位掌握系统是以液位为掌握对象的掌握系统，它在工业中的各个领域都有广泛的应用；液位掌握一般指对某掌握对象的液位进行掌握调剂，使其达到所要求的掌握精度；在工业生产的过程中，很多场合都要对液位进行掌握，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，锅炉液位的稳固性及快速性直接影响到成品的质量；在建材行业中，玻璃炉窑液位的稳固性对炉窑的使用寿命及产品的质量起着打算性的作用；民用水塔的供水，假如水位太低，就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；精馏塔液位掌握，掌握精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等；

11、在本文中，液位掌握系统中的水箱为掌握对象，液位为掌握量；为了使液位的掌握达到肯定的精度，并且具有较好的动态性能，采纳了区分于传统掌握方式的滑模变结构掌握；同时，在切换面满意掌握条件的前提下，采纳了趋近律，使得整个系统在单纯的滑模变结构掌握供应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，在跟踪肯定频率的规章输入信号对象存在滞后热工生产大多是在巨大的生产设备内进行，对象的储存才能大，惯性也较大， 设备内介质的流淌或热量传递都存在肯定的阻力，并且往往具有自动转向平稳的趋势；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，被控参数不行能立刻产

12、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，当负荷转变时，动态特性有明显的不同；大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的缘由及非线性的实质是极为重要的；3掌握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畴，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性；过程的稳固被破坏后，往往具有自动趋向平稳的才能，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐步稳固下来，这就具有惯性环节的特性；也有不能趋向平稳，被控量始终变化而不能稳固下来的，这就是具有积分的对象；任何生产过程被掌握的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性

13、，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的掌握系统；目前在实际生产中应用的液位掌握系统，主要以传统的 PID 掌握算法为主； PID 掌握是以对象的数学模型为基础的一种掌握方式；对于简洁的线性、时不变系统，数学模型简洁建立，采纳 PID 掌握能够取得中意的掌握成效；但对于复杂的大型系统，欢迎下载精品学习资源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 掌握方式显得无能为力；液位掌握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，严峻影响PID 掌握的成效，当实际生产对掌握

14、有较高的性能指标要求时，就需要查找种新的掌握方式；模糊掌握是智能掌握争论中最为活跃而又富有成果的领域，涌现出众多新的模糊掌握技术和方法并得以广泛应用；在存在“不相容原理”的情形下，模糊规律对于问题的描述能在精确和简明之间取得平稳，使其具有实际意义，因此模糊掌握理论的争论和应用在现代自动掌握领域中有着重要的位置和意义；模糊掌握不需要精确的数学模型，因而是解决不确定性系统掌握的一种有效途径；此外，模糊规律是柔性的，对于给定的系统很简洁处理以及直接增加新的功能，易于与传统的掌握技术相结合；但是，单纯的模糊掌握也存在精度不高、易产生极限环振荡等问题；1.4 液位掌握主要进展方向目前，已经开发出来的掌握

15、策略算法）很多，但其中很多算法仍旧只是停留在运算机仿真或试验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有进展潜力 的仍为数不多；以下是一些得到工程界公认的先进掌握策略算法）：改进的或复合 PID 掌握算法；大量的事实证明，传统的 PID 掌握算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的掌握成效；采纳改进的 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掌握质量；猜测掌握；猜测掌握是直接从工业过程掌握中产生的一类基于模型的新型掌握算法；它高度结合了工业实际的要求，综合掌握质量比较高；猜测掌握有三要素， 即猜测模型、滚动优化和反馈校正；它的机理说明它是一种开放式的掌握

16、策略，表达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；自适应掌握；在液位过程工业中，很多过程是时变的，如采纳参数与结构固定不变的掌握器，就掌握系统的性能会不断恶化，这时就需要采纳自适应掌握系统来适应时变的过程；它是辨识与掌握的结合；目前，比较成熟的自适应掌握分3 类： 1. 自整定调剂器及其他简洁自适应掌握器；2.模型参考自适应掌握； 3.自校正调剂与掌握；智能掌握；随着科学技术的进展，对工业过程不仅要求掌握的精确性，更加留意掌握的鲁棒性、实时性、容错性以及对掌握参数的自适应和自学习才能；另外， 被控工业过程日益复杂，过程严峻的非线性和不确定性，使很多系统无法用数学模型精确描述；没有精

17、确的数学模型作前提，传统掌握系统的性能将大打折扣；而智能掌握器的设计却不依靠过程的数学模型，因而对于复杂的工业液位过程往往可以取得很好的掌握成效；常用的智能掌握方法有以下几种：模糊掌握、分级递阶智能掌握、专家掌握、人工神经元网络掌握、拟人智能掌握；这些智能掌握方法各有千秋，但也都不同程欢迎下载精品学习资源度的存在问题；同时，又有争论说明将它们相互交叉结合或与传统的掌握方法结合会产生更好的成效；它们中有些已经在石化、钢铁、冶金、食品等行业中取得了胜利；今后，需要进一步对智能掌握的基础理论进行争论，以建立统一的智能掌握系统的设计方法；错误 .变结构掌握作为近年来受到重视并取得重大进展的掌握理论，凭

18、借其自适应能力强、响应快，系统动态、静态品质优良等优点，也是将来进展的重要方向；其中， 具有滑动模态的变结构掌握是公认的最有前途的；对于变结构掌握的具体理论及其 特点，本文以下章节将对其进行具体的阐述；1.5 论文结构第一章：介绍选题意义，液位掌握的特点、现状和进展方向；其次章：介绍滑模掌握的基本原理；第三章：依据液位系统过程机理，结合试验数据，建立单容水箱的数学模型；通过实际测量开环液位掌握响应曲线和数据，得出双容水箱模型参数；同时依据实际情形，修改系统模型；第四章：设计滑模变结构掌握器，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掌握器和比例

19、切换滑模掌握器，并编写 Matlab 程序，得到响应曲线；在已经设计好的滑模掌握器的基础上，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 掌握器，分析比较各滑模掌握器之间及滑模掌握器与PID 掌握器之间差异并争论有用性；第五章：总结整篇论文；2 滑模变结构掌握的基本原理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掌握 Variable Structure Control， VSC），广义地说，在掌握过程中，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掌握， 其非线性表现为掌握的不连续性；这种掌握策略与其它掌握的不同之

20、处在于系统的 “结构”并不固定，而是可以在动态过程中，依据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统依据预定的“滑动模态”的状态轨迹运动，所以又常称变结构掌握为2,4,5,14,20滑动模态掌握 2.22.32.4欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源图 2.1图 2.2明显，两种结构都不稳固；时，为不稳固焦点情形，即不稳固焦点结构；时，为鞍点的情形，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，在和这两条直线上转变系统结构时，可以使系统稳固；假设，结构转变的规律具有如下形式：2.5欢迎下载精品学习资源图 2. 3有

21、切换，故不是切换线；如图 2.3 所示， 时，相轨迹为不稳固焦点轨迹；， 时，相轨迹为不稳固鞍点的轨迹；由左图可见，系统状态的代表点由任何初始位 置动身，总会遇到直线，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；直线是掌握产生切换的边界线，由于产生掌握切换，直线常被称之为切换线；在上，虽然发生切换，但掌握并没欢迎下载精品学习资源系统运动一旦进入滑动模态，由，就；又因状态方程中，故有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；解得式中为的初始状态；当时，此解稳固，故变

22、结构系统 2.1） 2.2）2.7欢迎下载精品学习资源由上例可见，两种结构不稳固的系统，如挑选正确的切换线，引入滑动模块之后， 可以稳固 1 ；这是简洁的滑动模块变结构掌握系统，下面将其一般化；s0ABCs欢迎下载精品学习资源从切换面两侧趋近该点；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邻近时，穿越此点；起始点，如 B 点，系统运动点到达切换面邻近时，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邻近时，欢迎下载精品学习资源在滑模变结构掌握中，通常点和起始点没

23、有什么特殊的意义，而终止点却不同；由于假如切换面上某一区域内全部点都是终止点，就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，称切换面上全部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 滑模变结构掌握的定义 1,4,14,15设有一非线性掌握系统需要确定切换函数向量其具有的维数一般等于掌握的维数，并且寻求变结构掌握其中,使得：错误 .滑动模态存在，即 2.102.112.12欢迎下载精品学习资源其中， 连续函数，且；2.13f+滑动模态区f-图 2.5假如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

24、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；通常简洁写2.15欢迎下载精品学习资源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，防止渐进趋近，可对式其中,可以取任意小；通常将式 条件2.14）或或2.19欢迎下载精品学习资源将式2.19）中的解 欢迎下载精品学习资源取切换函数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固，p 为拉普拉斯算子；设系统进入滑动模态后的等效掌握为，由式2.20）有欢迎下载精品学习资源如矩阵 cb 满秩，就可解出等效掌握对带有不确定性和外加干扰系统，一般采纳的

25、掌握律为等效掌握律加切换掌握，即其中切换掌握实现对不确定性和外加干扰的鲁棒掌握；所设计的掌握律要满意滑模稳固条件；2.2.3 滑动模态运动方程引入等效掌握以后，可以写出滑动模态运动方程；将等效掌握代入系统的状态方程2.232.24欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源将式2.23）代入式 2.26欢迎下载精品学习资源行4 ；故式2.26）是滑模变结构掌握系统在滑动模态邻近的平均运动方程，描述了系统在滑动模态下的主要动态特点；通常情形下，为使滑动模态的渐进稳固性和动态品质优良，切换函数的挑选就特殊重要，这从式 系统受外干扰时欢迎下载精品学习资源其中表示所受的外界干扰；滑动模态不受干扰影响的充要

26、条件为假如式2.282.29欢迎下载精品学习资源其中，就通过设计掌握律可实现对干扰的完全补偿；条件 系统存在不确定性时欢迎下载精品学习资源滑动模态与不确定性无关的充要条件是假如式2.312.32欢迎下载精品学习资源其中，就通过设计掌握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欢迎下载精品学习资源如满意匹配条件 2.28）和欢迎下载精品学习资源动与掌握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， 滑模变结构掌握的鲁棒性要明显优秀；然而，滑模变结构掌握在本质上的不连续开 关特性也带来了它不行防止的问题 抖振；对于一个抱负的滑模变结构系统，其切换过程具

27、有抱负的开关特性，系统状态测量精确无误，掌握量不受限制，就滑动模态总是光滑的运动并渐进趋近于原点，不会 显现抖振；但对于一个现实的滑模变结构掌握系统，以上各个条件并不行能严格满 足，特殊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， 抖振是必定的，而且一旦排除抖振，也就排除了变结构掌握抗摄动和抗扰动的才能4 ；所以说，排除抖振是不行能的，只能在肯定程度上减弱它；造成抖振的缘由有多种，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，抖振的缘由在于：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

28、，叠加在抱负的滑动模态上1, 4,5；挑选合适的趋近掌握函数，可以有效减弱抖振；具体的趋近掌握函数的挑选和设计将在本文的后续章节具体介绍；3 水箱液位掌握系统建模欢迎下载精品学习资源3.1 液位掌握系统3.1.1 液位掌握系统的组成 6本文的掌握系统是参照浙江天煌THJFCS-1 型现场总线过程掌握系统试验装置的系统结构进行设计的；该水箱掌握系统试验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它 是集自动化外表技术、运算机技术、通讯技术、自动掌握技术为一体的多功能试验 装置；依据自动化及其它相关专业教案的特点，吸取了国内外同类试验装置的特点 和特长后，经过细心设计，多次试验和反复论证，推出了这一套全新的

29、试验装置； 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、单回路掌握系统、位式掌握、串级掌握系统、滞后掌握系统、前馈-反馈掌握系统、解耦掌握系统等多种掌握形式；选取该复杂系统中的液位掌握系统模块进行建模，猎取原始数据，进而进行控制争论； THJFCS-1 型现场总线过程掌握系统试验装置的液位掌握模块参见图3.1；由图 3.1 可见，该液位掌握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掌握的相关试验； LT1 、LT2 及 LT3 为压力传感器，通过相关运算，可以将压力信号转换为液

30、位信号反馈给掌握系统； 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；电动调剂阀为掌握机构，对输入流量进行掌握动作；动力驱动装置即电机，该电机为 380V 沟通电机，用于将储水箱里的水经电动调剂阀输入上水箱，作为输入掌握量；整个系统通过不锈钢的管道连接起来，储水箱为三个水箱供应水源，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，通过调剂三个阀门的开度，可以掌握三个水箱的漏水程度，转变双容、三容水箱的惯性准时延大小；手动阀门F1-1 和 F1-2 可以掌握供水量的大小，一般试验中，这两个水阀全开；手动阀 F1-

31、4在多容水箱液位试验中没有实际用处，所以在试验中关闭；另外，在储水箱的底部仍有一个阀门，在水箱系统需要换水时打开，储水箱中的水可以直接流出，试验中需要关闭；欢迎下载精品学习资源图 3.1 THJFCS-1液位掌握模块除上图中所示的掌握模块之外，仍需要一台运算机、PLC 及现场总线共同构成多容水箱液位掌握系统；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 与运算机的通信线传给运算机；运算机用于采集 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， 并且与系统掌握对象中的电动调剂阀配套使用，组成正确调剂回路；欢迎下

32、载精品学习资源上位机 PC掌握层CPU315-2DPSM331 模拟量输入SM331 模拟量输入SM332 模拟量输出现场信号输入掌握信号输出COUPLERLT1LT2FT1FT2LT1FT3TT1TT2调剂阀现场层压力变送器图 3.2 现场总线掌握系统结构图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、下水箱采纳淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透亮度高，便于同学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=68cm52cm43cm；储水箱内部有两