發(fā)布時間：2020-06-22 08:56

【摘要】：多容器流程系統(tǒng)的液位控制被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代石油、化工等領(lǐng)域。本文以三容水箱系統(tǒng)為研究對象,基于模型預(yù)測控制方法,對多容器流程系統(tǒng)的液位跟蹤控制問題展開研究,主要內(nèi)容如下:首先,本文依據(jù)三容水箱系統(tǒng)特性,利用機(jī)理法建立了該系統(tǒng)的非線性模型,并通過找到該模型的平坦輸出,證明了該系統(tǒng)具有微分平坦特性。其次,利用三容水箱系統(tǒng)的微分平坦特性設(shè)計(jì)前饋控制器,以實(shí)現(xiàn)反饋控制器的小偏差調(diào)節(jié);將偏差系統(tǒng)在平衡點(diǎn)處線性化,設(shè)計(jì)線性模型預(yù)測控制器,并將該控制問題轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃(Quadratic Programming,QP)問題進(jìn)行求解;在Matlab環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證與分析。為提高液位跟蹤精度,給出一種基于微分平坦前饋的非線性模型預(yù)測控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)方法。將布谷鳥搜索算法(Cuckoo Search Algorithm,CSA)進(jìn)行自適應(yīng)步長處理,并與單純形算法融合;利用自適應(yīng)懲罰函數(shù)將非線性約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題,并利用改進(jìn)的布谷鳥算法進(jìn)行求解。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于微分平坦前饋的非線性模型預(yù)測控制策略優(yōu)于線性模型預(yù)測控制(Linear Model Predictive Control,LMPC)策略。為了進(jìn)一步改善三容水箱系統(tǒng)液位跟蹤性能,利用誤差反向傳播(Back Propaga-tion,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為預(yù)測模型,給出了一種基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 NMPC 液位跟蹤控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提出的兩種NMPC液位跟蹤控制策略均優(yōu)于LMPC和線性二次型調(diào)節(jié)器(Linear Quadratic Regulator,LQR)的控制策略。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O231;TP18
【圖文】：

２．１三容水箱系統(tǒng)簡介逡逑本文所使用的三容水箱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺性能穩(wěn)定、操作方便Ｍ，該實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)逡逑圖如圖２．１所示：其中工控機(jī)、采集卡、電機(jī)調(diào)速器、水泵和液位傳感器的具體型號見逡逑工控機(jī)一？采集卡－？邋電機(jī)調(diào)速器邋－？水泵－？逡逑Ｍａｔｌａｂ邐Ｄ／Ａ逡逑控制器邐Ａ／Ｄ邐＿逡逑期望液位邐邐逡逑高產(chǎn)邐！逡逑Ｑ又邋？－邐？邐邋液位傳感器邋？—－逡逑圖２．１三容水箱實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)圖逡逑表邋２．１。逡逑當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，液位傳感器可實(shí)時檢測三個水箱的液位高度信息，并通過采集卡逡逑將檢測到的液位信號傳遞到工控機(jī)中。以Ｍａｔｌａｂ為平臺編寫的控制程序?qū)⒏鶕?jù)期望的逡逑液位高度和接收到的實(shí)際液位高度計(jì)算出理想的控制量，該控制信號同樣通過采集卡逡逑傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)調(diào)速器和水泵），這樣便達(dá)到了通過控制水泵流量來調(diào)節(jié)水箱液位逡逑的目的。逡逑由三容水箱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)圖２．１可知，在工控機(jī)中，以Ｍａｔｌａｂ為平臺編寫的逡逑控制程序希望接收的是來自液位傳感器的當(dāng)前三容水箱的液位高度信息，而實(shí)際測量逡逑７逡逑

輸出的是０Ｖ－５Ｖ的模擬電壓信號。此外，控制器的輸出信號為水泵的流量，但是控制器逡逑的輸出需要通過電機(jī)調(diào)速模塊再傳遞給水泵。該電機(jī)調(diào)試模塊接收的是０Ｖ－５Ｖ的控制逡逑電壓信號，輸出０Ｖ－１２Ｖ的直流電給到水泵，水泵輸出相應(yīng)的流量，這一關(guān)系如圖２．２所逡逑示。因此，需要通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出三個水箱液位傳感器的輸出電壓與液位高度之間的對逡逑應(yīng)關(guān)系和兩個水泵的流量與電機(jī)調(diào)速模塊接收的控制電壓之間的關(guān)系。逡逑ｏｖ電ＩＩ{F制Ｉ電機(jī)｜0媭的直流電ＩＴ７Ｉ流量ｗ逡逑＾調(diào)速模塊邐＂水泵邐＾逡逑圖２．２三容水箱實(shí)驗(yàn)平臺執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖逡逑由于傳感器向系統(tǒng)返回的是電壓值而非液位高度，在編寫程序時需人為觀察實(shí)際逡逑液位高度、檢測傳感器的返回電壓，建立液位高度與電壓之間的關(guān)系函數(shù)。己知液位逡逑高度與電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下［１逡逑ｈｉ邋＝邋ａｉＶｈｉ邋＋邋ｂｉ，邋（ｉ邋＝邋１，２，３）邐（２．１．１）逡逑記測量１、２、３水箱的傳感器分別為１號、２號、３號傳感器，部分測量數(shù)據(jù)如表２．２所逡逑不。逡逑通過數(shù)據(jù)擬合可以得到：處＝２４．２２，邋ａ２邋＝邋２３．８７，邋ａ３邋＝邋２２．９９；邐＝邋－７．０４８８，＆２邋＝逡逑－８．４５２４，ｂ３邋＝－４．５１２２。值得注意的是，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，的數(shù)值幾乎穩(wěn)定不變，但逡逑是￣的數(shù)值由于水箱體結(jié)構(gòu)本身的缺陷需要在每次實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行校正

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2725497