18基于滑模控制的双容水箱液位控制系统研究

编号：（）字号本科生毕业设计（论文）题目：姓名：学号：班级：二〇〇八年六月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ABSTRACTThispaperstudiesaliquidlevelcontrolstrategyforatwo-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...............................................................................82.2.2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...................................................