双容水箱系统的建模及内模控制方法研究

发布时间：2020-04-13 02:03

【摘要】：液位的精准控制技术在化工生产、溶液过滤、饮料加工及化妆品制造等行业里得到广泛的应用。很多液位系统都可以抽象成水箱系统模型,水箱系统具有时变性、滞后性和非线性等特性,能够很好地模拟复杂工业液位系统的一些特性,因此研究先进的水箱系统液位控制方法,进而指导一些实际工业系统中的液位控制是非常有意义的。本课题主要针对加拿大Quanser公司生产的双容水箱液位控制系统作为实验对象,研究利用优化方法进行双容水箱建模和基于模型的双容水箱系统液位精准控制问题。本文首先对双容水箱的硬件和软件系统进行了简单介绍,对其基本工作原理进行了阐述,然后运用机理法建立了理想状态下双容水箱液位控制系统的数学模型。在没有流量计的前提下,设计了一种实验方法,对水泵的流量特性进行了测定,结果发现水泵的驱动电压与水泵流量之间具有良好的线性关系,并通过拟合方法根据实验数据确定了水泵流量系数。考虑到水箱漏水孔有结垢或者是由于受到压力和液位高度的影响,实际水流通过出水口时截面有所收缩现象,在数学模型中,引入上水箱和下水箱出水口截面的修定系数1?和2?,并利用粒子群优化算法根据实验数据辨识出这两个系数。实验结果表明,修定后的仿真系统能更好地模拟实际系统的特性。其次,介绍了双容水箱液位系统的状态反馈控制器的基本原理及实现过程,通过LQR优化方法求取状态反馈控制器增益,详细讨论了LQR参数对系统性能的影响。最后,针对单纯状态反馈控制存在的稳态性能和抗干扰能力差的弊端,提出了双容水箱的内模控制方法。设计的控制器中,除包含有状态变量反馈外,还包含了参考阶跃输入的内模,本文详细给出了控制器设计过程。利用矩阵不等式(LMI)优化方法,通过将闭环极点配置在指定区域方法求取状态反馈增益矩阵,并详细讨论了区域参数对系统性能的影响,为实际应用时控制器参数整定提供了指导性原则。实验结果表明,采用内模控制的闭环系统在常值跟踪、方波跟踪和干扰抑制方面具有更好的控制性能。
【学位授予单位】：吉林化工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ053.2

【参考文献】