【摘 要】
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液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装、制药、电站等多个行业中应用极为普及,是工业自动化的一个重要的组成部分。四容互联水箱液位高度控制系统是一类多输入多输出的控制对象,具有非线性、时变性、大惯性、迟滞性及耦合等特性,作为大学自动控制原理实验室的实验对象,为开展实验设计提供了良好的环境。对其进行深入细致的数学模型构建、控制方案的设计可为进一步实验装置和实验方案的设计提供基础。本文基于MIMO多输入多输出
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液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装、制药、电站等多个行业中应用极为普及,是工业自动化的一个重要的组成部分。四容互联水箱液位高度控制系统是一类多输入多输出的控制对象,具有非线性、时变性、大惯性、迟滞性及耦合等特性,作为大学自动控制原理实验室的实验对象,为开展实验设计提供了良好的环境。对其进行深入细致的数学模型构建、控制方案的设计可为进一步实验装置和实验方案的设计提供基础。本文基于MIMO多输入多输出四容互联水箱液位高度控制系统,主要做了以下几方面的工作:(1)通过物料守恒定理、伯努利方程和泰勒级数展开等得到线性化的数学模型,然后讨论系统运行参数对系统性能的影响;(2)对由四容水箱变型得到的SISO单输入单输出三容水箱系统,设计传统的PID控制、模糊控制、模糊PID控制以及前馈反馈复合控制策略;(3)对TITO双输入双输出四容水箱,设计了LQR控制器,并使用多变量频域分析法中逆Nyquist分析法来分析伪对角化处理后的系统的对角占优性,并比较引入预补偿矩阵前后系统的阶跃响应输出。本文对水箱系统数学模型的分析和讨论方法,以及针对SISO和MIMO系统的控制策略提高了系统的控制水平,能适用于一般的工业控制系统,具有较为广泛的应用价值和较高的实践意义。也为进一步建立基于四水箱的实验系统,提供了具体可行的控制方案,特别是基于四水箱系统的MIMO能控性、能观性以及控制方案的详细设计,为实验建立了较为扎实的基础。
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