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1、第l7 卷增刊2V 0 1 1 7S u p p 2控制与决策C o n t r o la n dD e c i s i o n2 0 0 2 年1 2 月D e c 2 0 0 2基于单容水箱控制的一种新的控制方法张海潮，吴云洁( 北京航空航天大学自动化科学与电器工程学院，北京1 0 0 0 8 3 )摘要：提出一种新的单客永箱控制辱的设计方法计对单謇水箱存在建模困难的缺陷，t 先呆用统计的方法估计出控制输入量，热后在估计出的籍八量的基础上，呆用模栅控制方法设计出可使实际系统正常工作的控制嚣井从理论和实验上证明了试控制方法的正确性和可行性关词：水籍I 控制熏统I 智能控倒，设计1 引言自动控
2、制理论( 包括现代控制理论) 中控制器的分析与综合依赣于精确的放学模塑由于被控对象的非线性、参数之间的强烈耦合、较大随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测量仪表条件不足或测试仪器无法进人被测区，一直不能建立起被控对象的数学模型。对于那些不能获得由系统数学模型描述的系统，传统的控制方法往往难以取得令人满意的控制效果。然而这类被控对象在人的手工控制下却往往能正常运行，达到一定的预期效果。本文所要研究的控制对象单容水箱( 即水箱数为一个) ，就很难对其建立精确的数学模型。为此，本文在模糊控制的基础上，提出一种新的单容水箱控制器的设计方法。利用该方法估计出给定量所对应的控制输入量，并利用这个估计的控制输
3、入量实现对单容水箱的控制 2 单容水箱对象筷型单容水箱结构如图1 所示，它由储水槽、离心水泵和水箱构成。箱医_ j j 传惑器阻1单軎木鞭莓构示t 圈单容水箱控制即一个水箱的控制系统的工作原理如下t 在储水槽上安装一个离心水泵为水箱供水，水箱壁上有一长条不规则的裂缝，水箱中的水通过裂缝流入储水槽( 随着水箱水位的不同，单位时问流出的水量也不同) ，这使形成了单容水箱的动态水循环。在水箱底部安装压力传感器以采集水箱的液位。传感器的信号由A D 采集刊计算机，经计算后输出控制信号( 变频器的输入电压值) 。该控制信号经D A 转换为模拟量，再经变频器放大以驱动离心水泵，控制注入水箱的水流量系统结构
4、如图2 所示。另外，本文所描述的实际系统，变频器的输人电压值与离心水泵的功率是简单的正比关系，即P =k u ， 为常量田2 控钳系统结构圈3建立控翩对象模型和本文方法的证明3 1建立控制对象模型围3 控制对象模型本文在单容水箱对象模型的基础上，提出一个具有一般意义的控制对象模型( 见图3 ) 。该模型满足如下条件：条件lY f ( u ，) 如果固定“，Y 随t 的增大而严格单调变化，最终趋近于一个固定值Y 。，且y 是t 的连续函数( 即Y 没有阶跃和断点，保证了第3 点的成立) ，则M = g ( “) ，占( ) 是严格单调函数条件2U ，U 。分别对应蛳，儿，且y 初值为妇如果y “
5、 Y ，则y 随t 的增大单调递增，最终趋近于增刊2张海潮等：基于单容水箱控制的一种新的控制方法1 3 1Y “反之也成立。U lJ c l + u z t z + + U l 一l + U Z 条件3Y 在一固定位置附近变化是由“的变化引起的，且Y 的变化足够小，则存在巷并毛=k ( 常值) ，其中“= u 一，是Y 为固定位置时所对应的“y 在一固定位置附近变化， 不变；固定位置不同， 可以不同也可以相同3 2 本文方法的证明本文方法就是对给定的输出值Y ，求出所对应的控制输入值u 。圈4 控曲线这里有一个模型满足条件1 条件3 ，假设存在。，“： 和弘一g o ) 是严格单调递增函数，“
6、。和：分别对应且，和Y 。用“。和嘞使Y 控制在儿附近，即当) 儿时，“一“1 I 当Y 给定液面高度时，变频器的输入电压取最大值，使得实际液面可以在最短的时间内到达给定液面附近；反之，变频器的输入电压取最小值。S t e p 2 ：是否存在与给定液面或相邻液面( 由阈值来判定是否相邻) 所对应的变频器输入电压。存在，转入S t e p 3 ；否则，取两个满足第3 节方法的变频器输入电压，采用b a n g b a n g 控制l 同时每隔一定的时间问隔( 丁) 采集一次变频器输人电压值，连续采集次，用3 2 方法估计出给定液面所对应的控制输入量。这里时间间隔( 丁) 和连续采集次数( ) 可
7、根据实际系统的情况确定S t e p 3 ：根据与给定液面或相邻液面所对应的变频器输入电压( u ) 进行控制当实际液面在给定1 3 2控制与庚策第1 7 卷液面附近很小的范围( d ) 内波动时，变频器输入电压为【，；当实际液面在给定液面附近很小的范围( d )之外时，变频器输入电压为九( “为变频器实际的输入电压 为一常数，实际液面高于给定液面时， l 。 的具体值根据实际系统确定) 。同时，每隔一定的时问间隔( 了 ) 采集一次变频器输入电压值，连续采集N 次，用第2 节的方法估计出给定液面所对应的控制输入量。当连续采集次后得到新的与给定液面所对应的变频器输人电压( U ) ，用新的u
8、进行控制，同时计数从一重新开始采集变频器输入电压值。S t e p 4 ：给定液面是否变化了。不变，返回S t e p 3 l 否则返回S t e p l ，同时计数，重新开始采集变颇器输入电压值5实验结果及分析按第4 节的步骤设计控制器并作用于实验系统，将水箱液面控制在8c m 处这里一2c m T 一1s ，一3 0 ，d = 土0 5 m I T l ， 一0 9 8 或1 0 2 实验结果如图5 所示。由实验结果可以看出：1 ) 系统在很短的时间内达到了稳定状态，验证了本文方法在实际系统应用中的正确性和可行性。2 ) 本文方法避免了建立系统的数学模型田5控爿系统的响应曲线3 ) 一般的
9、模糊控制虽然也能使液位保持在给定的高度，而且效果可能会更好，但当系统发生变化或给定液面变化时，参数就不太准确了，控制效果会变差，甚至不能用。而本文方法具有记忆功能和学习功能，使得系统能快速找刘给定液面所对应的控制输入，从而使系统在很短的时间内达到稳定状态。本方法也存在缺点：如果开始时使用b a n g + b a n g 控制、初始估计值不准确，则会使得系统不太稳定。参考文献： 1 何克忠，李伟计算机控制系统 M 北京：清华大学出版社，1 9 9 8 2 李士勇模橱控制神经控制和智能控制论 M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 6 ( 上接第l2 9 页)基本遗传算法的仿真结果：迭代次
10、数m a x g e n基本遗传算法的优化效果，从而可极大地缩短拣选一2 0 0 ，p o p s i z e = 1 0 0 ，运行1 0 次，拣选整个货单所作业时间，提高整个立体仓库的运作效率。需时间平均为50 5 7 单位时间参考文献： 分组遗传启发式算法的仿真结果：迭代次数 1 c h “g y o uL i u ，Y u n 。S h 。“g ，J i a h e n gL i n I 。t e l l i g e n t m a x g e n 一7 0 ，p o p s i z e = 8 0 ，运行1 0 次，拣选整个货o p t i m i z i n gm e t h o
11、d sf o rv e h i c l es c h e d u l i n gp r o b l e m 8i n单所需时间平均为17 7 4 单位时间。a u t o m a t e dw a r e h o u s e A P r o cd E EC o n t r dc o 6结语E C J H o n gK o “g ，2 0 0 2 5 2 5 6 。从仿真结果可见，对于大规模拣选任务路径优 z 恽为民，席裕庚遗传算法的全局收敛性与计算效率的些望擘，塑兰曼暨竞譬警釜娄蝥耋芒要竺嘲篡：嚣耋篡戮嚣嚣翟嚣应用模都小于基本遗传算法的情况下，其结果明显优于三纛j ；茬。二j ，夏磊：2 乏j
12、 ，3 2 “基于单容水箱控制的一种新的控制方法基于单容水箱控制的一种新的控制方法作者：张海潮， 吴云洁 作者单位：北京航空航天大学自动化科学与电器工程学院(北京)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1. 丁肇红.Ding Zhaohong 液位模糊控制系统设计的应用期刊论文-自动化仪表2005,26(12)2. 郝朝辉.靳斌.王洪梅.刘正宣.HAO Zhao-hui.JIN Bin.WANG Hong-mei.LIU Zheng-xuan 基于继电控制的一阶加纯滞后模型的辨识方法期刊论文-西华大学学报（自然科学版）2009,28(1)3. 罗文军.彭辉.LUO Wen-jun.P
13、ENG Hui 模糊PID控制在单容水箱中的应用期刊论文-桂林航天工业高等专科学校学报2008,13(4)4. 罗文军 基于参数自整定的模糊PID控制在水箱控制系统中的应用学位论文20115. 聂冰.李文.NIE Bing.LI Wen 自学习模糊控制器在水箱液位控制系统中的应用期刊论文-仪器仪表用户2006,13(3)6. 李超.黄德先.金以慧 利用阶跃响应求解一阶加纯滞后系统参数区间的鲁棒辨识算法期刊论文-化工自动化及仪表2003,30(5)7. 侯涛.董海鹰.Hou Tao.Dong Haiying 基于THJ-3型的二容水箱模糊控制器设计与实验研究期刊论文-兰州交通大学学报2005,24(6)8. 刘振宇.LIU Zhen-yu 基于液位控制的不同算法研究期刊论文-农业与技术2007,27(4)9. 高宏岩.王建辉.Gao Hongyan.Wang Jianhui 在线自调整修正因子模糊控制方法和应用期刊论文-微计算机信息2006,22(13)10. 王维荣.Wang Weirong 模糊控制技术在双容水箱液位控制中的应用研究期刊论文-天水师范学院学报2010,30(5)本文链接：http:/
