2罐液位系统的端口受控哈密顿建模与无源性控制

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1、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；

2、无源性控制中图分类号：TP13文献标识码：AHamiltonianModelingandPassivityBasedControlofMultipleTankLiquidLevelSystemLiHai-long，YuHai-sheng，Wuhe-rong，LiuJin(SchoolofAutomationEngineering，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China)Abstract:Atwo-tankliquidlevelsystemPCHcontrolmethodbasedonPort-ControlledHamiltoniansy

3、stemisestablished.AccordingtotheBernoulliequationinhydromechanics,aliquidsystemPCHmodelisdesigned.Also,atwo-tankliquidsystemcontrollerisprojectedbyinterconnectionanddampingassignment.ThedesiredequilibriumpointisdeterminedanditsstabilityisanalyzedbyapplyingLyapunovtheory.Inordertoterminates

4、teadyerror,integralcontrolisadded.Moreover,simulationmodelisestablishedandresearchonsimulationandvariousdisturbancefactorsiscarriedoutbysimulationexperiments.Finally,experimentisalsotestifiedonthelaboratoryexperimentplatform.Theresultsprovethatthecontrolleriscapableofreachingourexpectation

5、s.Keywords:Hamiltoniansystem;InterconnectionandDampingAssignment;LiquidLevelSystem;Passivity-basedControl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,InterconnectionandDampin

6、gAssignmentPassivity-BasedControl）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-ControlledHamiltonian）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。收稿日期：2011-0-0基金项目：国家

7、自然科学基金项目（60774027）；山东省自然科学基金项目（ZR2009GM034）作者简介：李海龙(1986-），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为工业过程的非线性控制。通讯作者：于海生(1963-)，男，博士，教授，博导，研究方向为工程系统的非线性控制、计算机控制。Email:yh.sh@163.com1两罐液位系统的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