2罐液位系统端口受控哈密顿建模与无源性控制.docxVIP

两罐液位系统的哈密顿建模与无源性控制李海龙 于海生 吴贺荣 刘进（青岛大学自动化工程学院，山东 青岛266071）摘要：基于端口受控哈密顿（PCH）系统原理，设计了一种两罐液位系统PCH建模与控制方法。根据流体力学原理及伯努利方程，建立了两罐液位系统的PCH模型。通过互联配置与阻尼注入，设计了两罐液位系统控制器，确定了期望的平衡点，并应用Lyapunov理论分析了平衡点的稳定性。为了消除稳态误差，引入了积分控制作用。建立仿真模型，进行仿真研究与并对各种扰动进行分析。最后，在实验室实验平台上进行了验证，结果表明控制器能够达到预期效果。关键词：哈密顿系统；互联配置与阻尼配置；液位系统；无源性控制中图分类号：TP13文献标识码：AHamiltonian Modeling and Passivity Based Control of Multiple Tank Liquid Level SystemLi Hai-long，Yu Hai-sheng，Wu he-rong，Liu Jin(School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China)Abstract: A two-tank liquid level system PCH control method based on Port-Controlled Hamiltonian system is established. According to the Bernoulli equation in hydromechanics, a liquid system PCH model is designed. Also, a two-tank liquid system controller is projected by interconnection and damping assignment. The desired equilibrium point is determined and its stability is analyzed by applying Lyapunov theory. In order to terminate steady error, integral control is added. Moreover, simulation model is established and research on simulation and various disturbance factors is carried out by simulation experiments. Finally, experiment is also testified on the laboratory experiment platform. The results prove that the controller is capable of reaching our expectations. Key words: Hamiltonian system; Interconnection and Damping Assignment; Liquid Level System;Passivity-based Control两罐液位系统涉及流体力学，具有各种不同的互联结构和非线性特性。在控制要求上，上一个罐体的液体在流入下罐体时，应保持其流量变化平缓，以避免过度干扰下游设备。在已有的文献中，PID控制[1]、自适应控制[2]、预测控制[3]、智能控制[4,5]等控制策略得到了广泛的应用。近年来，基于互联与阻尼配置无源性控制（IDA-PBC,Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control）方法被引入到过程控制中，并取得了一些成果[6-8]。该方法的主要特点是用端口受控哈密顿（PCH,Port-Controlled Hamiltonian）模型表示系统，进行阻尼配置，匹配原模型与闭环模型。本文结合浙大中控液位控制实验平台，建立两罐体液位系统数学模型，利用互联与阻尼配置基于无源性（IDA-PBC）控制策略，得到液位系统PCH控制器，期望能够达到更好的动态和稳态性能，对各种扰动能做出及时、精确的抑制。通过引入积分环节，消除稳态误差，并在实验平台上也得到了验证。1 两罐液位系统的PCH模型1.1 端口受控哈密顿（PCH）系统模型端口受控耗散哈密顿系统可表示为[9-10] (1)式中，为反对称矩阵，即，它反映了系统内部的互联结构；为半正定对称矩阵，即，它反映了端口上的附加的阻性结构；为输入矩阵，反映了系统