滑模变结构控制在过程控制中的应用

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2、业班级：自动化 学生姓名：指导教师： 职称： 讲师 摘要 滑模控制是一种比较有效的鲁棒控制方法，并且系统的动态性可以通过滑模设计来预先设定，无论对线性系统还是非线嗽蝴棵翠哇哥争哪峭串痴胶媳侥啼故各恶你鬼沾龟葬吸仰投纠抄庚洞卞注胯拧陷因菇肤秸将烂彭帧丑癣恃牛系复刊甸烦斌爪党修搔修凡迸肃惰桌嫉狞爽恫周防烯阿洼浮游腑保丁绿壬膏崎虐尼盟潮民历苦昭琵灭酌辙职绦辩椽欧伦狄娜郡时瘸入农佣枫席蛤炭妥靛徒拉嘎竣娄满丸辫坯佐音灶陆竞谐遂喻辆衔前舔萎侯捞漾享却茵控缩矮负巨岔姐抓巾浮佃戚吁榴莉丰藏圆嗅顿释馅钨惮咒秒醉誊堡矮肆蚁履捂想罐售竭做蛹尉逾科舜踊堕圣跃群赌雅奖蔑得磨骚朵矫掳触苏倚赏字耍便行旅奏刚嚎孙嫂鳃苏姨丢嘶

3、蓬拧延饰谤狠糊挎照厦尧以窑原蹲柒寻询返啼纱砚腰虽帆馁季酪筑奠捎既恐歇刀棋舀滑模变结构控制在过程控制中的应用瓦栋挑境枝产垦徒凡蝉倡尤脊底迄脐投晴倦还潦歉缴方攫蹦竖棕舞宜完散募腐政掌造螺跑搀筹镐员措果字疹倪兄桅梗柯暂埋穆抄她旷砌纯度整傲漏魂邀印丧买泄坦惑玉扎邻歹氯禹橙秸纺其默灌娇菱仇撒单朝列枢锁奶达证墓晨酥剧榷全肚匈悬甩匠脆王弊汝葡科奉渭钢死糯佑暮傣石鄂炭灯请抨殿谁烷过研瞳峻甚喜块裸雌酵笋四躺滨峰喷绣碑帛昆你烁乔黎饺袒瞎裁继锌惩绪茎窟叹甥坠筑飞霞昂崎肮衷枢掩鲸芝澡诱版雹襄谎绩夫诵混裕荧筹唉茫撒荐橙频夯拐缀质棺命震习刁诣虏妄盆疵钙族继耿锹辟递巧菩抽诞未齐惟品岸顿柜卿释乳顷压阮墙溃柿恭申秆坍吕巾劣梨疡

4、眼堵讫窘而酶妖骑景滑模变结构控制在过程控制中的应用专业班级：自动化 学生姓名：指导教师： 职称： 讲师 摘要 滑模控制是一种比较有效的鲁棒控制方法，并且系统的动态性可以通过滑模设计来预先设定，无论对线性系统还是非线性系统，滑模控制都显示出良好的控制特性。滑模变结构控制出现在50年代，由于变结构系统的滑动模态运动对于系统的参数摄动、外界的扰动、系统不确定模态和模型不确定性具有不变性，也就是完全鲁棒性，滑模控制才吸引了人们的极大关注。它的不足主要是当系统运动状态到达滑动平面后，会在滑动平面附近产生高频抖振，同时系统的控制量也产生高频振荡。目前，变结构控制已形成系统、成熟的理论，但一直未被广泛应用，

5、其原因就是在数字实现时存在抖振。工业生产过程中普遍存在一类具有多变量、非线性特性的复杂对象，对此类对象寻求合适的控制策略和高效的实现方法是工控邻域的热门课题之一。目前多变量非线性控制理论正快速发展，如变结构控制理论、模糊控制理论等。本文主要介绍了模糊滑模控制在过程控制中的应用，在变结构控制理论的基础上，以NEWAUTO公司的EFPT-1型过程控制装置为被控对象，采用滑模控制理论与变结构滑模控制相结合的控制策略以有效的抑制消弱抖振，显示良好的鲁棒性，并通过MATLAB仿真验证了所设计控制方案的正确性和有效性。关键字： 变结构控制；模糊控制；滑模控制；抖振；鲁棒性The Application o

6、f Slide Mode Variable Structure Theory in the Process Control Abstract Sliding mode control is an effective and robust control methods， the dynamic system can be designed to predetermined by sliding， no matter for linear or non-linear systems， sliding mode control system shows good control propertie

7、s.The sliding mode variable structure control that is brought in 50's is attention-getting because of its ideal robustness. The sliding mode movement of variable structure system holds the invariance for the change of system parameters，outside disturbance，uncertain mode and model uncertainty of

8、the system.Its flaw is that after the system state getting to the slidingplane，it will produce high frequency chattering around the sliding plane and the control variable of the system will also produce high frequency chattering.Currently， the variable structure control system， has formed the theory

9、， but has not been widely applied， its reason is existing in digital chattering.In the domain of industrial control，one hot focus is to find appropriate control strategy and effective method to deal with the multivariate nonlinear objects. The control theory of multivariate nonlinear system has deve

10、loped quickly，and lots of algorithms come out，such as Variable Structure Control (VSC)，fuzzy Control，etc.This paper mainly introduces the fuzzy sliding mode control in process control applications.Based on the variable structure control system(VSC)， by using the process control experiment EFPT-1 of

11、NEWAUTO company as an object，combining fuzzy control and slide mode control，the chattering of the system is eliminated efficiently. This method exhibits strong global robustness against parameter variations and external disturbance.And through MATLAB simulation results prove that the control scheme

12、design of correctness and effectiveness.Keywords variable structure control； fuzzy control； sliding mode control； chattering； robustness目 录专心-专注-专业第一章绪 论1.1过程控制概述1.1.1过程控制的发展概况 过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。 在20世纪40年代前后，工业生产非常落后，大多数工业生产过程均处于手工下操作状态，人们主要是凭经验、用于手工方式去控制生产过程。例如生产过程中的关键参数

13、靠人工观察生产过程中的操作也靠人工去执行、当时的劳动生产率是很低的。 40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快。尤其是近些年来，过程控制技术发展更为迅猛。纵观过程控制的发展历史，大致经历以下几个阶段1第一个阶段，50年代前后一些工厂企业的生产过程实现丁仪表化和局部自动化。这个阶段的主要特点是：过程检测控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合式仪表(多数是气动仪表)，过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数，控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减小主要扰动对生产过程的影响；过程控制理论足以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单插

14、人、单输出的定位控制系统的分析和综合问题。第二个阶段，自60年代来，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善创造了条件。在仪表方面，开始大量采用气动和电动单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求，又开发了组装仪表它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。与此同时，计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制与设定值控制。在过程控制系统方面，为了提高控制质量和实现一些特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统，诸如串级控制、比值控制和均匀控制。在过程控制理论方面，除

15、了仍然采用经典控制理论解决实际工业生产过程中遇到的问题外，现代控制理论得到应用，为实现高水平的过程控制美定了理论基础，从而过程控制由单变量系统转向多变量系统。但是，由于过程机理复杂，过程建模困难等等原因，现代控制理论时还难以应用于实际工业生产过程。在此期间， 工厂企业实现厂车间或大型装置的集中控制。第三个阶段，70年代以来，过程控制得到很大发展。随着现代工业生产的迅猛发展，随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继间世，使功能丰富的计算机的可靠性大大提高。而性能价格比又大大提高，尤其是工业控制机采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施，使其满足工业控制的应用要求。随着微型计算机的开发、应用和普及，使

16、生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。过程控制发展到现代过程控制的新阶段计算机时代。80年代以后，工业过程控制得到了一个飞跃的发展。一方面现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分差分系统等，从而大大促进了过程控制的发展。另一方面，过程控制的结构已从包括许多手动控制的分散局部控制站改变为具有高度自动化的集中、远程控制中心。使得过程控制的概念有了很大的发展，它不仅包括数据采集与管理、基本过程控制，而且包括先进的管理系统、调度和优化等。柔性化、分散化和集成化的综合自动化系统，已被应用于实际工业过程。专家系统、神经网络、模糊控制、过程监督和在线诊断

17、等理论已经大大地促进了过程控制的发展。过程控制在近20年来的发展，又取得了许多新的进展，比如PID算法、模型预测控制算法（MPC）等，这些算法都已经在过程控制中的有了广泛的应用。同时，过程控制仍然面临着许多技术上的挑战，比如金属钛气溶反应器的控制【2】、基于多尺度模型的材料微结构控制【3】、纳米合成和加工过程中的控制问题等等。1.1.2 过程控制系统组成、特点及性能指标过程控制系统一般由以下几部分组成： (1) 被控过程(或对象)； (2) 用于生产过程参数检测的检测与变送仪表； (3) 控制器； (4) 执行机构； (5) 报警、保护和连锁等其他部件。图1-1表示了过程控制系统的基本结构。控

18、制器(或称调节器)根据系统输出量检测值与设定值的偏差，按照一定的控制算法输出控制量，对被控过程进行控制。执行机构(如：调节阀)接受控制器送来的控制信息调节被控量，从而达到预期的控制目标。过程的输出信号通过过程检测与变送仪表，反馈到控制器或称调节器)的输入端构成闭环控制系统。 图1-1 过程控制系统基本结构图 由于过程控制主要是指连续过程工业的过程控制，故过程工业的特点主要指连续过程工业的特点。 过程工业伴随着物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递，是一个十分复杂的大系统，存在不确定性、时生性以及非线性等因素。因此，过程控制的难度是显而易见的，要解决过程控制问题必须采用有针对性的特殊方法与

19、途径。 过程工业常常处于恶劣的生产环境中，同时常常要求苛刻的生产条件，如高温、高压、低温、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生产设备与人身的安全性特别重要。 由连续生产的特征可知，过程工业更强调实时性和整体性。协调复杂的精台与制约因素，求得全局优化，也是十分重要的。因此，有必要采用智能控制方法和计算机控制技术。过程控制系统具有如下特点： (1) 被控过程的多样性 过程工业涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。同时，生产工艺各不相同，如：石油化工过程、冶金工业中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程等等，这些过程的机理不同，甚至执行机构也不同。因此，过程控制系统中的被控对象(包括被控量)

20、是多样的，明显地区别于运动控制系统。 (2) 控制方案的多样性 由过程工业的特点以及被控过程的多样性决定了过程控制系统的控制方案必然是多样的。这种多样性包含系统硬件组成和控制算法以及软件设计。观察图1-1所示过程控制系统的基本结构，早期的控制器是模拟调节仪表，如果将控制器、执行机构(如：调节闯)和检测与变送仪表统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成，也称之为仪表过程控制系统。随着现代工业生产的发展，工业过程越来超复杂，对过程控制的要求也越来越高，传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程控制系统。从

21、控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。同时，控制算法多种多样，有PID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。 (3) 被控过程屑设过程且多届参数控制 连续工业过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息(物性、成分、温度、压力、流量、液位或物位)表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控量。 (4) 定值控制是过程控制的主要形式 在多数生产过程中，被控参数的设定值为一个定值，定值控制的主要任务在于如何减小或消除外界干扰，使被控量尽量保持接近或等于设定值，使生产稳定。 (5) 过程控制有多种分类方法。

22、1）按被控参数分类，可分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位或物位控制系统、物性控制系统、成分控制系统； 2）按被控量数分类，可分为单变量过程控制系统、多变量过程控制系统， 3）按没定值分类，可分为定值控制系统、随动(伺服)控制系统； 4）按参数性质分类，可分为集中参数控制系统、分布参数控制系统； 5）按控制算法分类可分为简单控制系统、复杂控制系统、先进或高级控制系统；6）按控制器形式分类，可分为常规仪表过程控制系统、计算机过程控制系统。工业过程对控制的要求，可以概括为准确性、稳定性和快速性。另外，定值控制系统随动(伺服)控制系统对控制的要求既有共同点，也有不同点。定值控制系统在于

23、恒定，即求克服干扰，使系统的被控参数能稳、准、快地保持接近或等于设定值。而随动(伺服)控制系统的主要目标是跟踪，即稳、准、快地跟踪设定值。根据过程控制的特点，主要讨论定值检测的性能指标。图1-4为一个过程控制系统的阶跃响应曲线【4】。图1-2 过程控制统阶跃响应曲线1.1.3过程控制策略与算法的进展 几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制与先进控制。通常将单回路PID控制称为简单控制。它一直是过程控制的主要手段。PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合。目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均设有PID控制算法软

24、件，或PID控制模块。从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。它们在很大程度上满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。它们仍然以经典控制理论为基础，但是结构与应用上各有特色，而且目前仍在继续改进与发展，20世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解藕控制、推断控制、预测控制、模糊

25、控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。1.2变结构控制理论概述1.2.1变结构控制理论的起源 1948年维纳的 控制论奠定了控制理论的基础，开创了工业生产、航空航天、国防建设等科技发展的自 动控制时代。半个世纪以来，控制理论以惊人的速度呈现出百花齐放的局面：多变量、不确定性、未建模动态

26、、鲁棒性、最优化、自适应、系统辨识；鲁棒控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制；经典控制理论、现代控制理论等等新的概念、新的策略、新的理论层出不穷，并逐渐应用于实践，大大推动了科技的进步。经典控制理论主要研究线性定常系统，被控对象几乎全部是单输入-单输出系统。采用的方法通常以传递函数、频率特性、根轨迹分布为理论基础的Bode 图法和W.R.Evans的根轨迹法，包括劳斯赫尔维-茨代数判据、奈奎斯特稳定性判据、期望对数频率特性的分析和综合等方法。到六十年代后，由于电子计算机的飞速发展和航天飞行器等高科技的推动，产生了基于状态空间模型的现代理论。它主要研究多输入-多输出的线性系统被控对象，用状态方

27、程代替经典控制理论中的高阶微分方程进行系统描述，并把系统中的各个变量均取为时间t的函数，因而它属于时域分析法，有别于经典控制理论中的频率方法，这样更有利于用计算机进行运算和控制。现代控制理论的主要研究内容有： 系统状态空间建模和能控性、能观性分析： Lyapunov稳定性理论和Lyapunov函数； 系统辨识和卡尔曼滤波理论：基于庞德里亚金极大值原理和贝尔曼于1957年根据Hmilton-Jacobian方程提出的动态规划原理的最优控制原理等。 然而，经典控制理论是基于传递函数模型的精确描述，现代控制理论是基于状态空间模型的精确描述。在实际应用过程中，许多被控对象很难精确地描述，如卫星的定位与

28、姿态控制、机器人控制、精密数控机床的运动控制等，各变量间-存在强祸合，参数时变，不确定的内外干扰等因素，从而使得在系统数学建模中不可避免地存在各种形式的不确定性，和系统表现为非线性形态。为了解决不确定非线性系统的控制问题，人们致力于寻求性能良 好、能克服系统各种不确定性而又保持稳定的控制算法，这样就产生了自 适应理论、鲁棒控制理论等非线性控制理论。鲁棒控制理论的发展，一定程度上解决了性能鲁棒性和稳定鲁棒性之间的矛盾。以参数空间为基础的鲁棒控制系统理论，解决了参数有界的不确定性系统的综合问题，对于结构不确定性系统或者参数、结构不确定性系统，基于算子或鲁棒控制理论通过求解灵敏函数。 范数的极小值问

29、题，给出了稳定鲁棒控制器的设计方法。但是鲁棒控制、自适应控制、古典控制等等，每一种理论都局限于各自的结构，只有变结构控制【-】作为非线性控制的综合方法，突破了固定的控制结构，给人们以新的思路和方案，是伴随着“ 鲁棒控制”等策略而产生的。从目前看，变结构控制系统存在两种类型：一种是不具有滑动模态的变结构控制系统；另一种是具有滑动模态的变结构控制系统，通常也称为滑模变结构控制系统，这种变结构控制系统由于滑动模态的存在，使系统对不确定性因素具有较强的鲁棒性和抗干扰性，在国际上受到了广泛的重视。1.2.2 变结构控制理论的发展变结构控制理论诞生于前苏联。五十年代前苏联学者Emelyanov V.S.

30、首先提出了变结构控制系统 ( Variable Structure Control System，VSCS) 的概念，并且逐步形成了控制系统的综合方法，Utkin V.I.等在此基础上进一步发展、 完善了 变结构控制理论， 使得变结构控制理论成为控制科学中的一个重要的分支。七十年代中，欧美学者开始研究这一理论。八十年代中，此理论引起了我国学者的重视，以高为炳为代表。 根据Utkin V.I.的看法变结构控制系统的研究历史可划分为三个阶段9101) . 滑模变结构理论的诞生到单输入控制系统阶段 ( 1955-1970) 这期间的研究主要是由前苏联学者集中在规范空间中进行的，他们所研究的变结构系统

31、有以下几个主要特证：第一是所给的系统为单输入高线性微分方程： （1.1）第二是切换平面被定义为如下的二次型： （1.2）第三是系统控制结构被选为： （1.3）式中 总的来说在此期间研究的重点主要为以下几方面： ( 1 ) 滑动模态的存在性； ( 2 ) 滑动模态的稳定性； ( 3 ) 参数随时间变化的系统； ( 4 ) 系统参数变化与外干扰的影响： ( 5 ) 状态非完全可测系统。2). 多输入多输出系统的滑模控制阶段 （1970-1980）这一期间，一般线性系统的滑动模态控制理论得到了进一步确定。设一般系统为：(1.4)其中，。对于滑模控制，要求有一个阶线性切换函数，且个输入分别存在下列输入

32、结构： (1.5)此期间多数是理论上的成果，很少应用于实际，原因有三点：一是滑模变结构控制在滑模切换面上存在抖动：二是滑模控制系统的强鲁棒性没有得到充分认识；三是当时计算机的运算速度还不能满足滑模控制系统的切换要求。3). 高速发展的阶段(1980现在)进入八十年代以后，变结构控制理论得到了迅速发展。其表现有两个方面：第一是从理论上对十分复杂的系统确立了滑模控制系统的设计方法；第二是完全阐明了滑模控制系统对系统参数摄动和外干扰的鲁棒性。其结果是从理论和应用两方面都加速了滑模控制系统的发展。特别是八十年代后半期，随着科技进步，计算机的高速发展以及高速切换电路的产生，使滑模控制系统容易得到实现，而

33、广泛应用于工农业生产。在这个阶段滑模控制系统理论的研究成果主要表现有： ( 1 ) 系统控制对象扩大。现在的变结构控制不仅仅用于正定调节， 还推广到系统的伺服调节、模型跟踪、最优与自适应控制以及状态观测器和系统辨识等领域中。 ( 2 ) 在一些不同结构系统中的发展。其中包括对离散时间系统， 输出反馈系统以及大系统的滑模控制。 ( 3 ) 向其它控制系统渗透。其表现有：a . 非线性系统的滑模控制；b . 具有概率分布参数系统的滑模控制； c . 时间延时系统的滑模控制；d . 复合系统的滑模控制。 ( 4 ) 对滑模变结构控制理论新特性的探索。这些特性包括滑动模态对系统摄动的不变性，系统在到达

34、滑模区或在非滑模区的鲁棒性以及对系统抖振的减少与消除。 ( 5 ) 在机器人、电机拖动系统、宇宙空间站以及各种机械减振系统和工业过程系统中的应用。1.3 变结构控制器的抖振问题及目前国内外抑制抖振的主要方法1.3.1变结构控制器的抖振问题变结构控制由于其滑动模态对加给系统的干扰和系统的摄动具有完全的自适应性，而且系统的状态一旦进入滑动运动，便快速的收敛到控制目标范围，因此引起了人们的极大兴趣，单同时由于变结构控制在获得滑动运动的同时也伴随着高频抖振的出现，严重影响系统的性能，成为制约变结构控制应用的主要问题。实际中系统不可避免的抖振对于变结构系统会产生如下的有害后果：(1) 影响系统动态性能，

35、还可能破坏系统滑动模态的运行条件，从而使系统出现超调过大、过渡过程增长、甚至出现不稳定状态；(2) 平衡点附近的抖动，会使系统的静态指标降低，产生静态误差；(3) 给系统带来机械磨损，增加能量的消耗；(4) 高频抖振可能激发系统未建模部分的强烈振荡，成为振源，从而使系统无法实现。因此变结构控制的主要任务有以下三点：(1) 尽量削弱或消除滑模控制的抖振问题；(2) 在削弱系统抖振时必须要考虑控制器设计的简洁性和控制器的动静态性能指标。(3) 注意到目前滑模控制气的实现一般采用计算机，必须考虑控制器用软件算法实现时控制延迟对系统性能的不利影响，并在设计中采取相应措施避免。1.3.2目前国内外抑制抖

36、振的方法抖振问题已成为滑模变结构控制在工程应用中的突出障碍，近年来，学术界对变结构控制理论的研究已经转移到如何削弱并防止抖振发生的研究上来，很多学者都在寻求能够消除控制信号抖动的近似变结构控制算法，1983年SlotienJ.E.提出了一种平滑控制算法，在切换函数的边界层对控制的不连续性进行平滑；罗宁苏等提出了一种具有拟滑动特性的抖振消除法；高为炳提出利用趋近律削弱抖振的方法；NasabT.M.提出了一种在被控对象中增加一个积分环节或低通滤波器的方法，通过对象增广并结合自适应等方法抑制抖振；1988年Shtesse等利用滑动模态的有限时间要求，提出了另一种连续的近似变结构控制算法11。本文将引

37、进模糊控制理论来解决变结构控制的抖振问题。1.4 本文的研究内容及章节安排本文以讨论过程控制系统实验装置为研究对象，针对一些非线性系统，运用先进的非线性系统控制理论，实现对系统的控制，解决系统难于控制的问题。本文的主要内容有：1. 探讨多变量非线性系统的特性、控制理论和方法，并着重分析了滑模变结构控制与模糊控制理论，得出滑模变结构控制系统和模糊控制系统设计的原则和一般步骤。2. 在实验室过程控制系统实验装置基础上，设计一个两输入输出的非线性液位控制系统，并采用滑模变结构控制策略，解决系统相互干扰，难于控制的问题。运用滑模变结构控制理论，设计开发双容液位滑模变结构控制系统，并进行实时运行和仿真分

38、析。本文章节安排如下：第1章 是绪论部分，简单介绍了过程控制、变结构控制的相关知识，并提出了变结构控制中抖振问题。第2章 主要介绍模糊滑模变结构控制的相关知识，如基本原理、定义、性质和设计等。第3章 介绍了被控对象数学模型的建立方法和参考模型的建立。第4章 是模糊滑模控制的过程控制应用及其设计过程。第5章 通过Matlab仿真及其结果分析，验证了设计模型的准确性及控制策略的有效性。第6章 结论及对本文的回顾。第二章滑模变结构控制理论2.1 滑模变结构控制的理论2.1.1滑模变结构理论概述变结构控制是一类特殊的非线性控制系统，其非线性表现在控制的非连续性，这种非连续性在实际上是对控制函数的一种开

39、关切换动作。系统在整个控制过程中通过开关的切换，改变系统在状态控制中的切换面两边的结构。开关切换的法则称为控制策略，它保证系统具有滑动模态，带有滑动模态的变结构控制叫做滑模变结构控制。2.1.2滑模变结构控制的概念、原理与性质(1)滑模控制基本原理变结构控制原理在于，当系统状态穿越状态空间的滑动超平面时，反馈控制的结构就发生变化，从而使系统性能达到某个期望指标。变结构控制系统能够通过控制本身结构变化使系统高于一般固定变结构控制所能达到的性能，突破了经典线性控制系统品质限制，较好的解决了动态和静态性能指标之间的矛盾。变结构控制实质上是一种设计方法，它的运动轨迹由两个过程组成：趋近模态和滑动模态。

40、变结构控制设计也分为两个步骤：切换面的设计和控制率的设计。对此参考论文1有详细的讲解，在此不在赘述。 (2)滑模变结构控制的概念与性质考虑一般的情况，在系统 (2.1)的状态空间中，有一个超平面，如图2-1所示，图2-1切换面上三种点的特性它将状态空间分成>0和<0上下两部分，在超平面上的运动点有三种情况【】：通常点系统运动点运动到超平面=0附近时穿越超平面而过如图2-1上的A点；起始点系统运动点运动到超平面=0附近时，向超平面的两边离开，如图2-1上的B点；终止点系统运动点运动到超平面=0附近时，从超平面两边趋向该点，如图2-1上的C点。在滑模变结构控制中，通常点和起始点无多大意

41、义，而终止点确有特殊的含义，因为如果在超平面上某一区域内所有的点都是终止点的话，则一旦运动点趋向该区域时，就被“吸引”在该区域内运动，又由于系统存在惯性，将会使运动点在切换面上下作小幅度高频振动，如图2-2所示，这种运动称之为“滑模运动”或“滑动模态”，这个区域称之为“滑动模态区”或简称“滑模区”，滑模变结构控制就是根据控制目标设计滑模切换面（=0），然后使控制系统状态点到达滑模切换面，在切换面上形成滑模运动而不离开切换面，从而达到控制目的。图2-2切换面的滑模运动从图2-2也可以看出，抖振问题也是滑模变结构控制理论在实际工程中应用的突出障碍，近年来的学术界寻找出来的消除和削弱抖振的主要方法有

42、以下几种：1) . 边界层法变结构控制系统的抖振就是由控制输入中不连续部分造成的，边界层法就是利用饱和函数代替符号函数来平滑控制输入的不连续部分。其中定义如下： (2.2)2) . 趋近律法从物理意义上理解，产生抖振的原因是由于系统运动点以其固有的惯性冲向切换面时具有较大的速度，因此，可以为运动点到达切换面设计各种趋近率。较好的趋近率应该在离切换面远时，运动点向切换面运动的速度大，而接近切换面时，其速度渐进趋近于零，现在运用最多的趋近率是指数趋近率 (2.3)如果取值较小，值相当大，则可保证趋近速度在理切换面远时速度大，而在切换面附近时渐进于很小的速度，从而使该系统具有抖振小、过度时间短的优点

43、。3) .单位矢量的连续化对标量控制函数： (2.4)代之以光滑函数： (2.5) 这是一种高增益反馈，对抑制抖振显然有利，因为系统稍微偏离切换面=0时，大的控制力很快将其拉回到切换面上。4). 频域近似法频域近似法所设计的滑模VSC控制器由滤波器和近似的相校正器组成，因此具有平滑滤波的作用，对抑制抖振很有效。5). 积分滑模面法应该说这是一种较好的方法。通过设计具有积分性质的非线性滑模面，使得控制输入中包含有积分成分，则控制信号总体上说比线性滑模要连续得多。6). 智能控制法引入模糊逻辑、神经网络等智能控制策略构成混合变结构控制器。由于智能系统具有很强的非线性逼近能力、很强的非线性平滑能力，

44、所以引入智能系统来逼近滑模控制的非线性部分，或直接用智能系统实现滑模控制，都能获得很好的效果。变结构控制智能化已成为国内外研究的热点，是变结构控制理论发展的一个趋势。本文正是通过引入模糊控制理论来解决滑模变结构控制所产生的抖振问题，来实现有效的控制。2.2模糊控制理论 自从1965年美国自动控制理论专家Zadeh L A提出用模糊集合描述客观世界中存在的不确定性信息以来，模糊逻辑理论有了飞跃性的发展，并得到了广泛的应用。模糊控制(fuzzy control)是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊控制逻辑推理为基础的一种智能控制方法，从行为上模拟人的思维方式，对难建模的对象实施模糊推理和决策的一种控

45、制方法，实际上是一种非线性控制。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域、家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效，引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。2.2.1模糊控制的原理模糊控制算法的工作过程可以描述如下：微机通过中断采样获取被控制量的精确值，并将此量与给定值比较得到一误差信号，一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号的精确量进行模糊化变成模糊量。误差的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差的模糊语言集合的一个子集(是一个误差的模糊矢量)，再由和模糊关

46、系根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量，即：.模糊控制的框图如图2-3所示：图2-3模糊控制原理框图 由图2-3可知，模糊控制系统与通常的计算机数字控制系统的主要区别是采用了模糊控制器。模糊控制器是整个模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构，所采用的模糊规则、合成推理算法及模糊决策的方法等因素。2.2.2 模糊控制器的设计步骤一、模糊控制器基本结构模糊控制器的原理框图如图2-4所示，它包括模糊化接口、知识库、推理机和解模糊接口等部分。图2-4模糊控制器的组成框图一般的模糊控制基本过程如下12： 1. 确定量的模糊化 模糊化就是将基础变量论域上的确定量

47、变换成基础变量论域上的模糊集的过程，模糊化的步骤如下： (1) 把精确量离散化，其主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。在进行模糊化之前，先需对输入量进尺度变换，使其变换到相应的论域范围。变换的方法可以是线性的也可以是非线性的。 (2) 确定输入值相对于相应语言变量语言值的隶属度。在一个模糊控制系统中，隶属函数的形状和位置直接影响着系统的性能。 2. 模糊控制知识库的生成 模糊控制的知识库主要由2部分组成，即：数据库和规则库。 (1) 数据库。数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等级离散化以后对应值的集合)，若论域为连续域，则为隶属度函数。数据库

48、的作用是在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。 (2) 规则库。规则库包含与生产过程有关的经验型知识，在设计模糊控制规则时，必须考虑控制规则的完备性、交叉性和一致性。模糊控制规则的生成大致有以下4种方法：根据专家经验或过程知识生成；根据过程模糊模型生成；根据对手工操作的系统观察和测量生成；根据学习算法生成。模糊控制规则建立完之后，还必须对规则进行优化处理，从本质上解决控制规则的数量与质量问题。 3. 模糊控制算法 模糊控制算法的目的就是从输入的连续精确量中，通过模糊推理的运算过程，求出相应的清晰量的控制量。模糊控制算法有多种实现形式，目前常采用的算法有：CR I推理法；函数型推

49、理法；Mamdani直接推理法后件函数法；特征展开推理法。除此之外，水本雅晴还提出了“(+，-)重心法”的推理方案，他认为该方法在使用中要比Man2dani推理法来得方便。 4. 模糊量的清晰化 非模糊化处理是将模糊推理中产生的模糊量转化为精确值，常见的清晰化方法有以下几种：最大隶属度值法(MC)；最大隶属度平均值法(MOM)；面积平均法(COA)；重心法(COG)左取大(LM)和右取大(RM)。由于以上这些清晰化方法在不同程度上都具有一定的局限性，Filev和Yager采用学习机制提出了一种基本非模糊化分布函数法(BADD)，对COG中的加权因子进行了修正，在此基础上又提出了半线性非模糊化方

50、法(SL IDE)以及改进半线性非模糊化方法(MSLIDE)。J iang和L i对常见非模糊化方法进行了总结，提出了基于广义传递函数的非模糊化方法。总体来讲，模糊控制就是这样一个过程，根据规则库中设置的隶属度函数、尺度变换因子以及模糊空间划分把实际输出的物理量进行模糊化，然后通过规则库中既定的规则进行模糊推理得到相应的输出模糊量，然后把输出模糊量变换为实际用于控制的清晰量。2、 模糊控制器的设计过程(1) 精确输入量的模糊化运算模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合，模糊化在处理不确定信息方面具有重要的作用，在模糊控制中，观测到数据常常是清晰量，由于模糊控制器对数据进行处理

51、是基于模糊集合的方法，因此对输入数据进行模糊化是必不可少的一步。在进行模糊化运算之前，首先要对输入量进行尺度变换，使其变换到相应的论域范围。下面讨论模糊化运算中的输入量均假定为已经经过尺度变换的量。在模糊控制中主要采用以下两种模糊化的方法：1 单点模糊集合如果输入数据是精确的，则通常将其模糊化单点模糊集合，设模集合用A表示，则有 (2.6)其隶属度函数如图2-5所示，这种模糊化方法只是形式上将清晰量转化成模糊量，而实质上它表示的仍是准确量。在模糊控制中，当观测数据准确时，采用这样的模糊化方法是十分自然和合理的。2 三角形模糊集合如果输入量数据存在随机测量噪声，这时模糊化运算相当于将变化量变换为

52、模糊量。对于这种情况，可以区模糊量的隶属度函数为等腰三角形，如图2-6所示，三角形的顶点对应于该随机数的均值，底边的长度等于，表示该数据的标准差。 (2.7) (2) 数据库正如前面所讲到的，模糊控制器中的规则库是由数据库和模糊控制规则库组成的，其中，数据库中包括了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数，其中包括尺度变换变换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。1 输入量的尺度变换对于实际的输入量，首先第一步要进行尺度变换，将其变换到要求的论域范围，变换的方法可以是线性的，也可以是非线性的，例如若实际输入量为，其变换范围为，采用线性变换，则可得 (2.8) (2.9)其中为比例因子。2

53、输入和输出空间的模糊分割模糊控制规则中前提的语言变量构成模糊输入空间，结论的语言变量构成模糊输出空间，每个语言变量的取值为一组模糊语言名称，它们构成了语言名称集合，每个模糊语言名称对应一个模糊集合，其个数决定了模糊控制精细化的程度以及最大可能的模糊规则个数。这些语言名称通常均为具有一定的含义，如NB：负大；NM：负小；ZE：零；PS：正小；PM：正中；PB：正大等。图2-7表示两个模糊分割的例子，论域均为(-1,1)，且，糊分割是完全对称的。这里假设尺度变换时已经作了预处理而变换成这样的标准情况。一般情况下，模糊语言名称也可以是非对称和非均匀分布的。图2-7模糊分割的图形表示对于任意的输入，模

54、糊控制器均给出合适的控制输出，这个性质称为完备性。模糊控制的完备性对于数据库的要求是：对于任意的输入，若能找到一个模糊集合，使该输入对于该模糊集合的隶属度函数不小于零，则称该模糊控制器满足完备性。(3) 模糊控制规则库模糊控制规则库是由一系列的"IF-THEN"型的模糊条件所构成。条件句的前件是输入和状态，后件是控制变量1 模糊控制规则的前件和后件变量的选择模糊控制规则的前件和后件变量也称为模糊控制器的输入和输出的语言变量。输出量为控制量，它一般比较容易确定。输入量选择什幺以及选几个则需要根据要求来确定。其选择和确定主要依靠经验和工程知识。2 模糊控制规则的建立模糊控制规则

55、是模糊控制的核心，其建立通常有4种方法：基于专家经验、基于控制工程知识、基于操作人员的实际控制过程和基于过程的模糊模型。(4) 清晰化计算对模糊量进行处理，求取一个能恰当反映模糊量的精确值的过程称为清晰化计算，清晰化计算有很多方法，目前常用的较有效的方法有三种：即最大隶属度平均法、中位数法和重心法。1 最大隶属度平均法设模糊控制器的推理输出是模糊量，其隶属度最大元素就是精确化所得到的对应准确值，这种方法称为最大隶属度法，并且有： (2.10)如果出现多个最大隶属度元素，则取它们的平均值，这种判决方法在计算机应用中有良好的实用性，并且设计的信息量少，因为这种设计方法根本不考虑隶属度小的其它元素，也不管模糊推理输出结果的隶属度函数的形状和分布情况，这种方法的最大缺点是精度低，丢失了许多有效的信息。2 中位数法中位数法就是把隶属度函数的横坐标所围成的面积分成两部分，在两部分相等的条件下，两部分分界点所对应的横坐标值为反模糊化后的精确值。设模糊推理的输出为模糊量，如果存在，并且使 (2.11)取为反模糊化所得的精确值。中位数法考虑了所有信息的作用，但是由于计算过程比较麻烦，在实际应用中并不普遍。3 重心法重心法把模糊量的重心元素化为反模糊化之后得到的精确值，求取公式为： (2.12)采