基于状态反馈的四容水箱过程控制系统设计
本文选题：状态反馈 + 四容水箱 ； 参考：《北方工业大学》2017年硕士论文
【摘要】：本文主要工作是使用状态反馈的方式,分别使用极点配置的方法和LQR控制的方法设计控制器,并将控制器应用在四容水箱状态反馈控制系统中,实现对水箱液位的控制。首先对四容水箱过程控制系统实验平台及涉及到的相关基础知识进行介绍,主要包括硬件部分、软件部分、物理模型等几个方面。根据物理模型建立四容水箱系统的数学模型,结合Simulink搭系统模型,并使用Matlab对系统模型进行仿真,验证了研究方法的可行性。然后针对四容水箱这一实际被控对象,找出系统合适的工作点,基于工作点上的系统状态辨识出四容水箱这一双输入双输出系统的较为精确的数学模型,然后将数学模型转换为状态空间方程,为后面状态反馈的研究建立基础。本文使用两种方法设计状态反馈控制器,分别为极点配置的方法和LQR控制方法,使用状态反馈的反馈方式构建闭环控制系统应用在四容水箱系统的液位高度控制上。在极点配置的控制设计部分,使用将多输入系统化为单输入系统的极点配置方法,首先判定A矩阵为循环矩阵,然后按照单输入系统极点配置方法步骤得到状态反馈矩阵K,最后设计完成状态反馈加积分校正的反馈控制系统,并分别在Matlab和实验平台上验证控制器的控制效果。在LQR控制设计部分,选取简单的Q矩阵和R矩阵,使用线性二次型最优控制的方法求取反馈增益矩阵K,并结合Matlab使用LQI的方法设计完成一个状态反馈的LQR最优输出跟踪控制系统,分别在Matlab和实验平台上进行验证,取得了较好的控制效果。
[Abstract]:The main work of this paper is to use the method of state feedback to design the controller using the method of pole assignment and the method of LQR control, and apply the controller to the state feedback control system of four-tank water tank to realize the control of water tank level. Firstly, the experimental platform of four-tank process control system and related basic knowledge are introduced, including hardware part, software part, physical model and so on. According to the physical model, the mathematical model of the four-tank system is established, combined with the Simulink system model, and the simulation of the system model using Matlab is carried out, which verifies the feasibility of the research method. Then, aiming at the actual controlled object of the four-tank, the suitable working point of the system is found, and the more accurate mathematical model of the two-input double-output system is identified based on the system state on the working point. Then, the mathematical model is transformed into a state space equation, which establishes the foundation for the research of state feedback. In this paper, two methods are used to design the state feedback controller, one is pole assignment method and the other is LQR control method. The closed-loop control system based on state feedback is applied to the level control of four-tank system. In the control design part of pole assignment, the pole assignment method is used to transform the multi-input system into a single-input system. First, the A matrix is determined as a cyclic matrix. Then the state feedback matrix K is obtained according to the pole assignment method of the single input system. Finally, the feedback control system with state feedback plus integral correction is designed, and the control effect of the controller is verified on the Matlab and experimental platform, respectively. In the part of LQR control design, simple Q matrix and R matrix are selected. The feedback gain matrix K is obtained by using the linear quadratic optimal control method, and a state feedback optimal output tracking control system of LQR is designed with the method of LQI in Matlab. It is verified on the Matlab and experimental platform, respectively. Good control effect has been achieved.
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP273
【参考文献】
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，本文编号：1965061
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