非线性液位系统的反馈线性化控制.pdf

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1、过程控制化工自动化及仪表，2010，37(7)：5～9ControlandInstrumentsinChemicalIndustry非线性液位系统的反馈线性化控制唐鑫鑫，白焰(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206)摘要：为了更好地研究非线性液位系统在工作点大范围变化时的控制问题，对A3000过程控制装置中非线性单容水箱的液住控制进行了研究。建立了精确的单客水箱模型，提出了一套基于传统PID控制的反馈线性化控制方案，并在Freelance800FDCS中成功进行了组态和调试，验证了反馈线性化控制方案在非线性液位系统中的可行性和

2、优越性。关键词：非线性液位系统；模型；反馈线性化；PID控制；Freelance800FDCS中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1000—3932(2010)07-0005-051引言液位控制系统是过程控制中的一类重要研究对象。在工业生产过程中，有很多场合需要对控制对象进行液位控制，所以研究液位控制系统具有显著的理论和实际意义。实际工业生产中的液位控制，大部分是非线性的，以往一般采用在工作点附近线性化方法来设计控制器。这种基于近似处理的方法缩小了系统的正常工作范围，并造成性能的明显下降，严重时甚至导致控制的失败。所以急需一种能

3、够直接对非线性系统进行设计和处理的工具来取代这些线性近似方法，以获得精确度更高、性能更优越的控制系统。在控制理论专家的不断努力下，非线性控制理论研究和实际应用取得了很大的进展，陆续提出了相平面法、李亚普诺夫法和描述函数法等¨1。但是非线性系统由于其结构的复杂性至今还有许多理论方面的工作尚需完善，因而对非线性系统进行分析和设计是非常困难的。目前非线性控制理论中一种简单而又有效的方法是对非线性系统进行反馈线性化，然后采用线性系统理论使线性化后的系统很容易就能达到期望的控制指标。反馈线性化控制一般分为两大类：微分几何反馈线性化方法和动态逆控制方

4、法(直接反馈线性化)。前者方法抽象，不利于工程应用，所以本文采用后者来设计控制器，通过抵消系统的非线性，实现对单容水箱的液位控制。2非线性液位控制系统2．1非线性液位控制系统结构非线性液位控制系统由横卧的圆柱形单容水箱、储水箱、水泵、涡轮流量计Fr、液位传感器LT、出水阀、入水阀、电动调节阀以及作为控制器的控制机柜、计算机组成，结构如图1所示。图1非线性液位控制系统结构图本非线性液位控制系统的工艺流程如下：对非线性单容水箱，不断有水流人，同时也有水不断流出。在实验过程中，储水箱中的水经水泵抽出后由电动调节阀进入水箱，然后通过出水阀流出并返

5、回到储水箱。液位传感器LT用于检测水箱中的液位Ⅳ，涡轮流量计FT用于检测流人水箱的流量。水的流入量Qi由电动调节阀开度加以控制，流出量Q。由用户根据需要通过调节出水阀开度来改变，在整个实验过程中开度保持恒定。被控量是液位日，控制量是电动调节阀开度，由控制器对水位偏差信号进行PID运算后得到。2．2非线性液位控制系统的要求与难点非线性液位控制系统的控制目标是使被控对象的液位值尽可能快地稳定在所给定的液位值上(水箱的液位变化范围为0—21cm)。当系统发生扰动，工作点大范围变化时，要求被控量能迅速稳定地收稿日期：2010-03-17(修改稿)

6、基金项目：北京市教育委员会共建项目专项资助·6·化工自动化及仪表第37卷恢复到系统所要求的液位值。工业生产中的液位控制一般采用PID控制策略，PID控制器的参数是根据过程参数来整定的，它与系统所处的稳态工作情况有关。工作点改变时，控制器参数的“最佳值”也就随之改变，这就需要PID控制器参数作相应调整。但是PID控制器没有这种“自适应”能力，只能依靠人工采用试验加试凑的方法重新整定。由于生产过程的连续性以及参数整定需要一定的时间，这种重新整定实际很难实现，有时甚至是不可能的。所以需要寻求一种在工作点改变时，PID控制器参数仍可保持不变的控制

7、策略，而反馈线性化控制是针对这种情况的一种简单有效的方法。3非线性液位控制系统的水箱模型由于确定控制方案、整定调节器最佳参数、分析质量指标以及选择反馈结构都是以被控过程的数学模型为重要依据的，所以先要建立被控对象的数学模型。可先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各参数的大小。3．1单容水箱被控对象动态数学模型如图1所示，被控量为水位Ⅳ，它反应了水的流人和流出量之间的平衡关系，控制量为电动阀的开度“。各参数的物理意义及数值如表1所示。表1参数的物理意义及数值符号物理意义及数值R圆柱体水箱圆形面半径0．14m，圆柱体水

8、箱长度0．33nlK电动调节阀流量系数七出水阀流量系数^水箱液位与平衡点的高度差日水箱实际液位高度口水的体积U电动调节阀的开度A水箱水平矩形横截面积由物料的动态平衡关系可知，某时刻水箱的进水流