基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制系统技术方案

本发明专利技术公开了基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制系统，包括：首先，以四容液位系统为例利用流体力学原理和哈密顿原理建立了多容液位系统的哈密顿模型。其次，基于状态误差的思想给出了多容液位系统新型哈密顿模型——状态误差哈密顿模型，然后，利用能量成型和阻尼注入技术设计出了一种反馈控制器，通过该控制器可以有效地实现多容液位系统的液位控制。最后，为解决多容液位系统中存在的测量误差、未知扰动和参数的不确定性等问题，本发明专利技术设计了一种扰动观测器来观测集总扰动，从而削弱甚至消除集总扰动对系统的影响，采用本发明专利技术的控制方法能够实现液位的位置控制、跟踪控制和扰动抑制控制。跟踪控制和扰动抑制控制。跟踪控制和扰动抑制控制。

【技术实现步骤摘要】
基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制系统


[0001]本专利技术属于工业过程控制
，特别是涉及一种基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制系统。

技术介绍

[0002]过程控制在降低能耗、节约成本、提高产品质量、环境保护等方面发挥着至关重要的作用。液位控制在过程控制中使用范围也十分普遍，即在工业领域里展示出十分重要的作用。简而言之，液位控制就是控制某容器内液体的流入量和流出量，使得容器内的液位值达到并保持期望的高度，而且可以让液位在允许的误差范围内波动。优异的控制器可以通过极为有效地控制液体的流进与流出，使液体的液位可以维持在期望的数值上，并且使误差在可以接受的范围内。在工业生产过程中，无论是重工业还是轻工业，化工行业还是食品行业，多容液位系统都得到了广泛的应用。复杂的过程控制系统本质上是具有多输入多输出特性的系统，在过程控制中，一个输入不仅影响自身的输出，而且还影响着一个或多个其他状态量的输出，具有明显的强耦合特性。所以，由于其状态量相互作用的存在，多变量过程很难控制在期望的参考上。大多数情况下，复杂控制系统具有多输入多输出的非线性行为，具有匹配和不匹配不确定性的操纵和控制变量之间存在复杂的相互作用。当前，多容液位系统的液位控制任务正面临着高度非线性、大惯性、强耦合、大时滞等因素的挑战，这些因素都会影响控制系统的稳定性。多容液位系统受测量误差、未知扰动和参数的不确定性影响较大，使得控制任务更加复杂，多变量的精确控制也非常困难。因此，研究和解决多容液位系统的多变量控制问题对于工业生产具有重要的指导意义。
[0003]哈密顿系统在物理科学、工程科学等众多领域中得到应用。采用哈密顿系统的形式，经典力学和天体力学中的很多模型都可以表现出来。20世纪50中叶，Pauli和Martin等学者建立了广义Poisson哈密顿力学。他们通过定义满足代数公理的广义括号，引入考虑系统耗散的项和控制的项，从而建立了广义的Poisson公式和广义的哈密顿方程。能量是一个基本的物理概念，利用能量的概念或者其各种修正的形式，应用于线性系统或非线性系统的稳定性分析和控制是各种控制方法的一个重要思想。近年来，基于能量的思想，设计的控制方法得到了广泛地研究和应用。因为从能量的角度考虑，解释系统中的控制行为，物理意义更为明显。因此从能量角度设计可以使控制系统具有更直观的几何概念和物理意义。
[0004]对于具有多输入多输出、强非线性和未知扰动特性的系统，简单的控制算法是不够的。此外，扰动对系统的影响很大，不仅影响系统的精确跟踪，而且威胁到整个系统的稳定性。因此，解决扰动问题势在必行。扰动观测器是将外部干扰以及模型参数变化造成的实际对象与名义模型之间的差异等效到控制输入端，即观测出等效集总扰动。并在控制中引入等效的补偿，实现对扰动的完全控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制
系统，以解决上述现有技术存在的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制系统，包括：
[0007]系统构建模块、状态误差思想模块、反馈控制器和扰动观测器；
[0008]所述系统构建模块，基于四容液位系统模型构建多容液位系统模型，；
[0009]所述状态误差思想模块，基于所述多容液位系统模型构建状态误差哈密顿模型；
[0010]所述反馈控制器，用于对所述状态误差哈密顿模型进行液位控制；
[0011]所述扰动观测器，用于消除集总扰动对所述状态误差哈密顿模型的影响。
[0012]可选的，所述系统构建模块基于四容液位系统模型构建多容液位系统模型的过程中包括：
[0013]将所述四容液位系统模型作为控制物理系统，基于流体力学原理和哈密顿原理构建多容液位系统模型，所述多容液位系统模型如下：
[0014][0015]其中，x为状态变量x＝[x
1 x
2 x
3 x4]T
，u为控制输入变量u
EH
＝[u
EH1 u
EH2
]T
，y为输出变量y＝[y
1 y2]T
＝[h1(x) h2(x)]T
，H(x)是一个具有下界并且连续可微的哈密顿函数，J(x)是一个互联矩阵，且具有反对称的性质，即J(x)＝
‑
J
T
(x)，R(x)是一个阻尼矩阵，且是一个正定的对称矩阵R(x)＝R
T
(x)≥0，是一个求偏导的运算符。
[0016]可选的，所述状态误差思想模块基于所述多容液位系统模型构建状态误差哈密顿模型的过程中，所述状态误差思想模块包括状态误差和反馈控制律，所述状态误差哈密顿模型为：
[0017][0018]其中，为状态误差，为状态误差，为基于状态误差的互联矩阵，为基于状态误差的阻尼矩阵，为基于状态误差的期望能量函数。
[0019]可选的，所述反馈控制器的构建过程包括：
[0020]基于能量成型和阻尼注入技术构建控制律；
[0021]基于所述控制律构建反馈控制器。
[0022]可选的，所述控制律u
EH
为：
[0023][0024]其中，为关于状态误差的矩阵，为的转置矩阵。
[0025]可选的，所述扰动观测器消除集总扰动对所述状态误差哈密顿模型的影响的过程中包括：
[0026]基于系统扰动项构建扰动观测器；
[0027]基于扰动观测器消除集总扰动对所述状态误差哈密顿模型的影响。
[0028]可选的，所述系统扰动项包括：外部扰动、输入补偿、不确定性误差、不确定参数、结构不确定性和测量噪声干扰。
[0029]可选的，所述系统还包括通过Lyapunov函数V对稳定性进行计算，获取系统的稳定情况。
[0030]本专利技术的技术效果为：
[0031]本专利技术首先以四容液位系统为例利用流体力学原理和哈密顿原理建立了多容液位系统的哈密顿模型。其次，基于状态误差的思想给出了多容液位系统新型哈密顿模型——状态误差哈密顿模型，然后，利用能量成型和阻尼注入技术设计出了一种反馈控制器，通过该控制器可以有效地实现多容液位系统的液位控制。最后，为解决多容液位系统中存在的测量误差、未知扰动和参数的不确定性等问题，设计了一种扰动观测器来观测集总扰动，从而削弱甚至消除集总扰动对系统的影响。实验结果表明采用本专利技术的控制方法能够实现液位的位置控制、跟踪控制和扰动抑制控制。
附图说明
[0032]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0033]图1为本专利技术实施例中的系统结构示意图；
[0034]图2为本专利技术实施例中的位置控制的液位1、2的液位实验曲线图；
[0035]图3为本专利技术实施例中的位置控制的泵1、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制系统，其特征在于，包括：系统构建模块、状态误差思想模块、反馈控制器和扰动观测器；所述系统构建模块，基于四容液位系统模型构建多容液位系统模型，；所述状态误差思想模块，基于所述多容液位系统模型构建状态误差哈密顿模型；所述反馈控制器，用于对所述状态误差哈密顿模型进行液位控制；所述扰动观测器，用于消除集总扰动对所述状态误差哈密顿模型的影响。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统构建模块基于四容液位系统模型构建多容液位系统模型的过程中包括：将所述四容液位系统模型作为控制物理系统，基于流体力学原理和哈密顿原理构建多容液位系统模型，所述多容液位系统模型如下：其中，x为状态变量x＝[x
1 x
2 x
3 x4]
T
，u为控制输入变量u
EH
＝[u
EH1 u
EH2
]
T
，y为输出变量y＝[y
1 y2]
T
＝[h1(x) h2(x)]
T
，H(x)是一个具有下界并且连续可微的哈密顿函数，J(x)是一个互联矩阵，且具有反对称的性质，即J(x)＝
‑
J
T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥祥，于海生，张洁，杨庆，吴贺荣，许涛，于金鹏，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：