基于状态反馈的四容水箱过程控制系统设计

作     者：王永翔 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李志军;黄孝彬

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：状态反馈 四容水箱 极点配置 LQR 

摘      要：本文主要工作是使用状态反馈的方式,分别使用极点配置的方法和LQR控制的方法设计控制器,并将控制器应用在四容水箱状态反馈控制系统中,实现对水箱液位的控制。首先对四容水箱过程控制系统实验平台及涉及到的相关基础知识进行介绍,主要包括硬件部分、软件部分、物理模型等几个方面。根据物理模型建立四容水箱系统的数学模型,结合Simulink搭系统模型,并使用Matlab对系统模型进行仿真,验证了研究方法的可行性。然后针对四容水箱这一实际被控对象,找出系统合适的工作点,基于工作点上的系统状态辨识出四容水箱这一双输入双输出系统的较为精确的数学模型,然后将数学模型转换为状态空间方程,为后面状态反馈的研究建立基础。本文使用两种方法设计状态反馈控制器,分别为极点配置的方法和LQR控制方法,使用状态反馈的反馈方式构建闭环控制系统应用在四容水箱系统的液位高度控制上。在极点配置的控制设计部分,使用将多输入系统化为单输入系统的极点配置方法,首先判定A矩阵为循环矩阵,然后按照单输入系统极点配置方法步骤得到状态反馈矩阵K,最后设计完成状态反馈加积分校正的反馈控制系统,并分别在Matlab和实验平台上验证控制器的控制效果。在LQR控制设计部分,选取简单的Q矩阵和R矩阵,使用线性二次型最优控制的方法求取反馈增益矩阵K,并结合Matlab使用LQI的方法设计完成一个状态反馈的LQR最优输出跟踪控制系统,分别在Matlab和实验平台上进行验证,取得了较好的控制效果。