基于微分平坦的三容系统液位跟踪控制

发布时间：2020-06-22 08:56

【摘要】：多容器流程系统的液位控制被广泛应用于现代石油、化工等领域。本文以三容水箱系统为研究对象,基于模型预测控制方法,对多容器流程系统的液位跟踪控制问题展开研究,主要内容如下:首先,本文依据三容水箱系统特性,利用机理法建立了该系统的非线性模型,并通过找到该模型的平坦输出,证明了该系统具有微分平坦特性。其次,利用三容水箱系统的微分平坦特性设计前馈控制器,以实现反馈控制器的小偏差调节;将偏差系统在平衡点处线性化,设计线性模型预测控制器,并将该控制问题转化为二次规划(Quadratic Programming,QP)问题进行求解;在Matlab环境下进行了仿真验证与分析。为提高液位跟踪精度,给出一种基于微分平坦前馈的非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)方法。将布谷鸟搜索算法(Cuckoo Search Algorithm,CSA)进行自适应步长处理,并与单纯形算法融合;利用自适应惩罚函数将非线性约束优化问题转化为无约束优化问题,并利用改进的布谷鸟算法进行求解。仿真和实验结果表明,基于微分平坦前馈的非线性模型预测控制策略优于线性模型预测控制(Linear Model Predictive Control,LMPC)策略。为了进一步改善三容水箱系统液位跟踪性能,利用误差反向传播(Back Propaga-tion,BP)神经网络模型作为预测模型,给出了一种基于 BP 神经网络的 NMPC 液位跟踪控制策略。实验结果表明,本文所提出的两种NMPC液位跟踪控制策略均优于LMPC和线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)的控制策略。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O231;TP18
【图文】：

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２．１三容水箱系统简介逡逑本文所使用的三容水箱系统实验平台性能稳定、操作方便Ｍ，该实验平台的结构逡逑图如图２．１所示：其中工控机、采集卡、电机调速器、水泵和液位传感器的具体型号见逡逑工控机一？采集卡－？邋电机调速器邋－？水泵－？逡逑Ｍａｔｌａｂ逦Ｄ／Ａ逡逑控制器逦Ａ／Ｄ逦＿逡逑期望液位逦逦逡逑高产逦！逡逑Ｑ又邋？－逦？逦邋液位传感器邋？—－逡逑图２．１三容水箱实验平台结构图逡逑表邋２．１。逡逑当系统运行时，液位传感器可实时检测三个水箱的液位高度信息，并通过采集卡逡逑将检测到的液位信号传递到工控机中。以Ｍａｔｌａｂ为平台编写的控制程序将根据期望的逡逑液位高度和接收到的实际液位高度计算出理想的控制量，该控制信号同样通过采集卡逡逑传送给执行机构（电机调速器和水泵），这样便达到了通过控制水泵流量来调节水箱液位逡逑的目的。逡逑由三容水箱系统实验平台的结构图２．１可知，在工控机中，以Ｍａｔｌａｂ为平台编写的逡逑控制程序希望接收的是来自液位传感器的当前三容水箱的液位高度信息，而实际测量逡逑７逡逑

结构图,实验平台,执行机构,结构图

输出的是０Ｖ－５Ｖ的模拟电压信号。此外，控制器的输出信号为水泵的流量，但是控制器逡逑的输出需要通过电机调速模块再传递给水泵。该电机调试模块接收的是０Ｖ－５Ｖ的控制逡逑电压信号，输出０Ｖ－１２Ｖ的直流电给到水泵，水泵输出相应的流量，这一关系如图２．２所逡逑示。因此，需要通过实验标定出三个水箱液位传感器的输出电压与液位高度之间的对逡逑应关系和两个水泵的流量与电机调速模块接收的控制电压之间的关系。逡逑ｏｖ电ＩＩ{F制Ｉ电机｜0媭的直流电ＩＴ７Ｉ流量ｗ逡逑＾调速模块逦＂水泵逦＾逡逑图２．２三容水箱实验平台执行机构结构图逡逑由于传感器向系统返回的是电压值而非液位高度，在编写程序时需人为观察实际逡逑液位高度、检测传感器的返回电压，建立液位高度与电压之间的关系函数。己知液位逡逑高度与电压的数学关系式如下［１逡逑ｈｉ邋＝邋ａｉＶｈｉ邋＋邋ｂｉ，邋（ｉ邋＝邋１，２，３）逦（２．１．１）逡逑记测量１、２、３水箱的传感器分别为１号、２号、３号传感器，部分测量数据如表２．２所逡逑不。逡逑通过数据拟合可以得到：处＝２４．２２，邋ａ２邋＝邋２３．８７，邋ａ３邋＝邋２２．９９；逦＝邋－７．０４８８，＆２邋＝逡逑－８．４５２４，ｂ３邋＝－４．５１２２。值得注意的是，经过多次实验，的数值几乎稳定不变，但逡逑是￣的数值由于水箱体结构本身的缺陷需要在每次实验之前进行校正

【参考文献】