CN106855718A - 无模型自适应控制水箱液位控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液位控制系统领域,尤其是无模型自适应控制水箱液位控制系统，包括三容水箱主体、电控箱和控制平台，所述三容水箱主体内设置有液位变送器、三相无刷直流水泵、液位传感器检测原件和数据采集卡。本发明有益效果是作为无模型自适应控制理论在三容水箱液位控制领域的首次应用，对无模型控制理论的实践推广有非常重要的意义，利用无模型控制算法的泛模型导出控制律，转化成实用的PLC算法程序，从而实现三容水箱液位的精确控制，将复杂控制利用PLC程序实现，通用性强。

Description

无模型自适应控制水箱液位控制系统

技术领域

本发明涉及液位控制系统领域,尤其是无模型自适应控制水箱液位控制系统。

背景技术

随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题，例如居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制，另外涉及蓄液容器的生产过程也很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入液流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制问题，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。

无模型自适应控制(MFAC)是自动控制领域中一种全新的理论和技术，它为解决工业过程中的复杂回路控制问题提出了新颖而有效的理念和方法。无模型自适应控制技术的关键可以归结为：

1)所有过程的信息都已包含在输入输出的信号中，只是以采用传统的控制方法缺乏有效提取这些信息并加以利用的手段。

2)通过无事先训练的快速强制学习等方式，使无模型控制器能够准确把握过程对象当前的特征，产生更合理的对策，从而获得理想的调节控制结果。

目前，此类无模型自适应控制方法己经在铸模、电机、化工、温度、压力等领域、城市快速路交通控制和工程结构减震、板材成形中得到成功的应用。但应用于具有大惯性、大时滞和非线性较明显的三容水箱系统的研究还停留在仿真研究阶段。

因此，对于上述问题有必要提出无模型自适应控制水箱液位控制系统。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供通用性强，控制效果显著的无模型自适应控制水箱液位控制系统。

无模型自适应控制水箱液位控制系统，包括三容水箱主体、电控箱和控制平台，所述三容水箱主体内设置有液位变送器和三相无刷直流水泵，所述电控箱内设置SIEMENS S71200 PLC和数据采集卡，所述控制平台设置有上位计算机，所述液位变送器、三相无刷直流水泵与数据采集卡连接，数据采集卡与SIEMENS S7-1200 PLC连接，所述上位计算机与SIEMENS S7 1200 PLC连接，所述液位变送器包括液位传感器检测原件和信号转换电路。

优选地，所述上位计算机采用组态编写控制界面和数据链接程序，用于实现液位监控和初始控制参数的设定。

优选地，所述三容水箱主体的控制算法步骤为:

(1)首先设置Tank(T1)、Tank(T2)、Tank(T3)分别为三容水箱主体中的玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3；

(2)用CV1、CV2、CV3描述各个玻璃容器之间的连接阀门开关，其中连接阀门开关CV3为进水阀；

(3)用LV1、LV2、LV3描述各个玻璃容器的排水阀，假设三个玻璃容器的横截面积均为s，通过手动调节排水阀控制排水的流量大小，在排水阀下安装回收水槽以供水泵使用；

(4)用T₁和T₃分别描述利用水泵抽取的水流入的水容器；

(5)分别在玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3中安装液位传感器检测原件，能够有效的测量出液位的高度；

(6)液位数据采集后通过PLC的A/D转换模块送入PLC，上位控制计算机通过与PLC通信获得数据进行显示，控制算法在PLC里面运行；

(7)通过算法控制PLC PWM脉冲的宽度，进而控制直流水泵的速度，实现进水流量的有效控制。

优选地，进一步对三容水箱主体的液位控制系统建立数学模型，首先打开三容水箱主体的连接阀门开关CV1和CV2以及玻璃容器的排水阀LV3，其余阀门处于关闭状态，以进水流量为系统输入，以水容器T₃的液位高度为系统输出，通过水泵的速度从而控制三容水箱的进水流量。

优选地，进一步的将三容水箱主体的液位控制系统构成一个封闭的回路，设置h_i为液位高度，且i＝1,2,3,...，根据流量平衡原理能够得到下述计算公式：

将公式(1)-(3)进行优化训练，设置A为各个水箱的有效横截面积，能够得到下述液位高度h计算公式为：

为了提高三容水箱液位控制的精确性，根据托里切利规则，设置连通管中流量q的约束条件为其中Δh为相邻水箱之间的液位差，利用下述公式能够计算出流速Q_ij：

在上述公式中，假设该三容水箱使用的进水管、排水管和连接管的横截面积均相同，用az_i描述流量系数，且az_i的取值范围在[0,1]，用g描述重力加速度，用sgn(z)描述三容水箱控制系统的参数符号。

优选地，进一步的公式(8)进行归一化处理，能够得到下述计算公式：

根据上述方法进行公式推导，能够得到三容水箱液位控制系统的状态方程为:

得到的三容水箱液压控制系统的输出方程为:

y＝[h₁ h₂ h₃]^T (11)

根据上面阐述的方法，对三容水箱工作原理进行分析，进水流量为系统输入，以水容器的液位高度为系统输出，建立三容水箱控制系统的数学模型，通过调节进水阀的开度控制三容水箱的进水流量，从而为三容水箱的准确控制提供了准确的依据。

优选地，进一步的对三容水箱主体的液位准确控制，以y(.)作为三容水箱液位控制系统的输出，以u(.)作为三容水箱液位控制系统的输入，能够用m描述三容水箱液位控制系统的输出阶数，能够用n描述三容水箱液位控制系统的输入阶数，建立一般离散时间非线性三容水箱液位控系统的计算公式为：

y(k+1)＝f(y(k),y(k-1),...,y(k-m),u(k),u(k-1),...,u(k-n)) (12)

为了维持三容水箱液位控制系统的收敛性，需要进行以下3个假设：

(1)假设三容水箱液位控制系统的输入和输出具有可观测性、可控制性。

(2)假设函数f(x)对于三容水箱液位控制系统的输入信号u(.)的偏导数是连续的，

(3)假设f(x)系统是广义的Lipschitz的，当Δu(k)≠0时，能够得到其中L为的维数。

优选地，进行三容水箱液位控制过程中可以看作滞后时间的数据采样，利用神经网络算法对滞后时间进行优化训练，当||u(k)||≠0，必须满足Δu(k)≤h，利用下述公式建立变化速度约束条件，从而实现Δu(k)≤h，具体公式如下所示：

J(u(k))＝[y(k+1)-y^*(k+1)]²+λ||Δu(k)||² (13)

在上述公式中，能够用y^*(k+1)描述三容水箱液位控制系统的期望输出，能够用λ描述三容水箱液位控制系统的惩罚系数。

优选地，为了避免多余的运算，对进行简化处理，能够得到下述计算公式为：

设置ρ为三容水箱液位控制系统的步长系数，将上述公式(14)代入公式(12)，能够获得三容水箱液位控制系统的输入控制变量的控制律为：

上面推导出的控制规律中，特征参量是未知，由于特征参量是一个时变参数，必须对其进行在线估计，根据在设计控制律时对控制输入变化限制的思路，对采用与控制律相似的准则函数进行在线估计，得到特征参量估计表达式：

根据上面阐述的方法，可以将三容水箱液位控制过程中可以看作滞后时间的数据采样，利用滞后算法对滞后时间进行优化，从而实现了三容水箱液位的精确控制。

优选地，所述三相无刷直流水泵采用24V水泵可调制2米扬程，也可7米扬程，体积不变，所述三相无刷直流水泵采用PWM调速，0～5V模拟信号调速或电位器调速。

优选地，所述三相无刷直流水泵的轴心采用高性能陶瓷，所述三容水箱主体如图3所示。

由于采用上述技术方案，本发明有益效果是作为无模型自适应控制理论在三容水箱液位控制领域的首次应用，对无模型控制理论的实践推广有非常重要的意义，可作为过程控制系统的教学和科研的研究对象，满足过程控制、工业控制的科研需求；无模型自适应控制理论，利用无模型控制算法的泛模型导出控制律，转化成实用的PLC算法程序，从而实现三容水箱液位的精确控制，将复杂控制利用PLC程序实现，通用性强，可以移植到其它型号的PLC中。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明实施例的SIEMENS S7-1200 PLC及数据采集卡硬件结构图；

图3本发明实施例的三容水箱主体结构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1并结合图2和图3所示，无模型自适应控制水箱液位控制系统，包括三容水箱主体、电控箱和控制平台，所述三容水箱主体内设置有液位变送器、三相无刷直流水泵和数据采集卡，所述电控箱内设置SIEMENS S7-1200 PLC，所述控制平台设置有上位计算机，所述液位变送器、三相无刷直流水泵与数据采集卡连接，数据采集卡与SIEMENS S7-1200 PLC连接，所述上位计算机与SIEMENS S7 1200 PLC连接，所述液位变送器包括液位传感器检测原件和信号转换电路。

进一步的，所述上位计算机采用组态编写控制界面和数据链接程序，用于实现液位监控和初始控制参数的设定。

实施案例一：三容水箱主体的控制算法步骤为:

(1)首先设置Tank(T1)、Tank(T2)、Tank(T3)分别为三容水箱主体中的玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3；

(2)用CV1、CV2、CV3描述各个玻璃容器之间的连接阀门开关，其中连接阀门开关CV3为进水阀；

(3)用LV1、LV2、LV3描述各个玻璃容器的排水阀，假设三个玻璃容器的横截面积均为s，通过手动调节排水阀控制排水的流量大小，在排水阀下安装回收水槽以供水泵使用；

(4)用T₁和T₃分别描述利用水泵抽取的水流入的水容器；

(5)分别在玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3中安装液位传感器检测原件，能够有效的测量出液位的高度；

(6)液位数据采集后通过PLC的A/D转换模块送入PLC，上位控制计算机通过与PLC通信获得数据进行显示，控制算法在PLC里面运行；

(7)通过算法控制PLC PWM脉冲的宽度，进而控制直流水泵的速度，实现进水流量的有效控制。

进一步对三容水箱主体的液位控制系统建立数学模型，首先打开三容水箱主体的连接阀门开关CV1和CV2以及玻璃容器的排水阀LV1和LV3，其余阀门处于关闭状态，以进水流量为系统输入，以水容器T₁和T₃的液位高度为系统输出，通过水泵的速度从而控制三容水箱的进水流量。

进一步的将三容水箱主体的液位控制系统构成一个封闭的回路，设置h_i为液位高度，且i＝1,2,3,…，根据流量平衡原理能够得到下述计算公式：

将公式(1)-(3)进行优化训练，设置A为各个水箱的有效横截面积，能够得到下述液位高度h计算公式为：

为了提高三容水箱液位控制的精确性，根据托里切利规则，设置连通管中流量q的约束条件为其中Δh为相邻水箱之间的液位差，利用下述公式能够计算出流速Q_ij：

在上述公式中，假设该三容水箱使用的进水管、排水管和连接管的横截面积均相同，用az_i描述流量系数，且az_i的取值范围在[0,1]，用g描述重力加速度，用sgn(z)描述三容水箱控制系统的参数符号。

进一步的公式(8)进行归一化处理，能够得到下述计算公式：

根据上述方法进行公式推导，能够得到三容水箱液位控制系统的状态方程为:

得到的三容水箱液压控制系统的输出方程为:

y＝[h₁ h₂ h₃]^T (11)

根据上面阐述的方法，对三容水箱工作原理进行分析，进水流量为系统输入，以水容器的液位高度为系统输出，建立三容水箱控制系统的数学模型，通过调节进水阀的开度控制三容水箱的进水流量，从而为三容水箱的准确控制提供了准确的依据。

进一步的对三容水箱主体的液位准确控制，以y(.)作为三容水箱液位控制系统的输出，以u(.)作为三容水箱液位控制系统的输入，能够用m描述三容水箱液位控制系统的输出阶数，能够用n描述三容水箱液位控制系统的输入阶数，建立一般离散时间非线性三容水箱液位控系统的计算公式为：

y(k+1)＝f(y(k),y(k-1),...,y(k-m),u(k),u(k-1),...,u(k-n)) (12)

为了维持三容水箱液位控制系统的收敛性，需要进行以下3个假设：

(1)假设三容水箱液位控制系统的输入和输出具有可观测性、可控制性，

(2)假设函数f(x)对于三容水箱液位控制系统的输入信号u(.)的偏导数是连续的，

(3)假设f(x)系统是广义的Lipschitz的，当Δu(k)≠0时，能够得到其中L为的维数。

优选地，进行三容水箱液位控制过程中可以看作滞后时间的数据采样，利用神经网络算法对滞后时间进行优化训练，当||u(k)||≠0，必须满足Δu(k)≤h，利用下述公式建立变化速度约束条件，从而实现Δu(k)≤h，具体公式如下所示：

J(u(k))＝[y(k+1)-y^*(k+1)]²+λ||Δu(k)||² (13)

在上述公式中，能够用y^*(k+1)描述三容水箱液位控制系统的期望输出，能够用λ描述三容水箱液位控制系统的惩罚系数。

进一步的，为了避免多余的运算，对进行简化处理，能够得到下述计算公式为：

设置ρ为三容水箱液位控制系统的步长系数，将上述公式(14)代入公式(12)，能够获得三容水箱液位控制系统的输入控制变量的最优解为：

根据上面阐述的方法，可以将三容水箱液位控制过程中可以看作滞后时间的数据采样，利用滞后算法对滞后时间进行优化，从而实现了三容水箱液位的精确控制。

进一步的，所述三相无刷直流水泵采用24V水泵可调制2米扬程，也可7米扬程，体积不变，所述三相无刷直流水泵采用PWM调速，0～5V模拟信号调速或电位器调速。

进一步的，所述三相无刷直流水泵的轴心采用高性能陶瓷，所述三容水箱主体的液位控制系统采用A1000小型控制系统。

本发明有益效果是作为无模型自适应控制理论在三容水箱液位控制领域的首次应用，对无模型控制理论的实践推广有非常重要的意义，可作为过程控制系统的教学和科研的研究对象，满足过程控制，工业控制的科研需求；无模型自适应控制理论，利用无模型控制算法的泛模型导出控制律，转化成PLC控制程序，从而实现三容水箱液位的精确控制，将复杂控制利用PLC程序实现，通用性强，可以移植到其它型号的PLC中。

无模型控制理论与方法是指:“控制器的设计仅利用受控系统的I/O数据,控制器中不包含受控过程数学模型的任何信息的控制理论与方法”。无模型自适应控制是自动控制领域中一种全新的理论和技术，它为解决工业过程中的复杂回路控制问题提出了新颖而有效的理念和方法。无模型自适应控制技术的关键可以归结为：所有过程的信息都已包含在输入输出的信号中，只是以采用传统的控制方法缺乏有效提取这些信息并加以利用的手段；通过无事先训练的快速强制学习等方式，无模型控制器能够准确把握过程对象当前的特征，产生更合理的对策，从而获得理想的调节控制结果。

SIMATIC S7-1200新型小型可编程控制器，硬件结构紧凑，灵活性高。SIMATIC S7-1200 CPU最多可以添加三个通讯模块，RS485和RS232通讯模块为点到点的串行通讯提供连接。对该通讯的组态和编程采用了扩展指令或库功能、USS驱动协议、Modbus RTU主站和从站协议，它们都包含在SIMATIC STEP 7 Basic工程组态系统中。集成的PROFINET接口用于编程、HMI通讯和PLC间的通讯。此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通讯。该接口带一个具有自动交叉网线(auto-cross-over)功能的RJ45连接器，提供10/100Mbit/s的数据传输速率。高速输入SIMATIC S7-1200控制器带有多达6个高速计数器。其中3个输入为100kHz，3个输入为30kHz，用于计数和测量。高速输出SIMATIC S7-1200控制器集成了两个100kHz的高速脉冲输出，用于步进电机或伺服驱动器的速度和位置控制。

SIMATIC存储卡可选，通过不同的设置可用作编程卡，传送卡和硬件更新卡三种功能。通过它可以方便地将程序传输至多个CPU。该卡还可以用来存储各种文件或更新控制器系统的固件速度和位置控制PLCopen运动控制指令。SIMATIC S7-1200控制器中提供了多达16个带自动调节功能的PID控制回路，用于简单的闭环过程控制。

三容水箱液位控制系统试验装置是模拟工业生产过程中对液位、流量参数进行测量、控制、观察其变化特性,研究过程控制规律的科研产品,具有过程控制中动态过程的一般特点一大惯性、大时延、非线性,难以对其进行精确控制,从而使其成为控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。

三相无刷直流水泵：无碳刷，无污染，电子换向，寿命长。减震硅胶，吸收震动，降低噪音，硅胶位置可调节，方便安装。电机的定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，解决了电机式直流水泵长期潜水产生的渗漏问题，完全防水。解决了水泵在复杂环境中出现的卡死、水泵突然不启动等一系列问题。水泵可选配缺水保护、空转保护、堵转保护、卡死保护等功能。水泵轴心采用高性能陶瓷(降低成本可选不锈钢轴)，精度高，耐磨性好，由于采用高精密轴套与陶瓷轴的精密配合，可根据要求调制水泵参数，24V水泵可调制2米扬程，也可7米扬程，体积不变，可宽电压运行。解决了水泵驱动的死亡率问题，目前市面上的水泵死亡率大概在2％～3％左右，该水泵的死亡率降低到了0.05％以内，可选配调速功能(PWM调速，0～5V模拟信号调速，电位器调速)如需加大水泵扬程还可将水泵串联，则扬程可加倍。水陆两用(外用时安装位置低于液面)。可根据用户要求定制设计水泵及其相关控制系统。

本发明有益效果是作为无模型自适应控制理论在三容水箱液位控制领域的首次应用，对无模型控制理论的实践推广有非常重要的意义，可作为过程控制系统的教学和科研的研究对象，满足过程控制，工业控制的科研需求；无模型自适应控制理论，利用无模型控制算法的泛模型导出控制律，转化成PLC控制程序，从而实现三容水箱液位的精确控制，将复杂控制利用PLC程序实现，通用性强，可以移植到其它型号的PLC中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：包括三容水箱主体、电控箱和控制平台，所述三容水箱主体内设置有液位变送器和三相无刷直流水泵，所述电控箱内设置SIEMENS S7-1200PLC和数据采集卡，所述控制平台设置有上位计算机，所述液位变送器、三相无刷直流水泵与数据采集卡连接，所述数据采集卡与SIEMENS S7-1200PLC连接，所述上位计算机与SIEMENS S7-1200PLC连接，所述液位变送器包括液位传感器检测原件和信号转换电路。

2.如权利要求1所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：所述上位计算机采用组态编写控制界面和数据链接程序，用于实现液位监控和初始控制参数的设定。

3.如权利要求1所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：所述三容水箱主体的控制算法步骤为:

(1)首先设置Tank(T1)、Tank(T2)、Tank(T3)分别为三容水箱主体中的玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3；

(2)用CV1、CV2、CV3描述各个玻璃容器之间的连接阀门开关，其中连接阀门开关CV3为进水阀；

(3)用LV1、LV2、LV3描述各个玻璃容器的排水阀，假设三个玻璃容器的横截面积均为s，通过手动调节排水阀控制排水的流量大小，在排水阀下安装回收水槽以供水泵使用；

(4)用T₁和T₃分别描述利用水泵抽取的水流入的水容器；

(5)分别在玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3中安装液位传感器检测原件，能够有效的测量出液位的高度；

(6)液位数据采集后通过PLC的A/D转换模块送入PLC，上位控制计算机通过与PLC通信获得数据进行显示，控制算法在PLC里面运行；

(7)通过算法控制PLC PWM脉冲的宽度，进而控制直流水泵的速度，实现进水流量的有效控制。

4.如权利要求3所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：进一步对三容水箱主体的液位控制系统建立数学模型，首先打开三容水箱主体的连接阀门开关CV1和CV2以及玻璃容器的排水阀LV3，其余阀门处于关闭状态，以进水流量为系统输入，以水容器T₁和T₃的液位高度为系统输出，通过水泵的速度从而控制三容水箱的进水流量。

5.如权利要求4所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：进一步的将三容水箱主体的液位控制系统构成一个封闭的回路，设置h_i为液位高度，且i＝1,2,3,...，根据流量平衡原理能够得到下述计算公式：

$A\frac{{\mathrm{dh}}_1}{dt}=Q_1-Q_{12}-Q_{10}---\left(1\right)$

$A\frac{{\mathrm{dh}}_2}{dt}=Q_{12}-Q_{23}---\left(2\right)$

$A\frac{{\mathrm{dh}}_3}{dt}=Q_3+Q_{23}-Q_{30}---\left(3\right)$

将公式(1)-(3)进行优化训练，设置A为各个水箱的有效横截面积，能够得到下述液位高度h计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ h_3\end{array}\right]=\frac{1}{A}\left[\begin{array}{cc}-Q_{10}& -Q_{12}\\ Q_{12}& -Q_{23}\\ Q_{23}& -Q_{30}\end{array}\right]+\frac{1}{A}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_1\\ {\mathrm{\μ}}_3\end{array}\right]---\left(4\right)$

为了提高三容水箱液位控制的精确性，根据托里切利规则，设置连通管中流量q的约束条件为其中Δh为相邻水箱之间的液位差，利用下述公式能够计算出流速Q_ij：

$Q_{10}={\mathrm{az}}_{1}S\sqrt{2{\mathrm{gh}}_1}---\left(5\right)$

$Q_{12}={\mathrm{az}}_{1}S\mathrm{sgn}(h_1-h_2)\sqrt{2g|h_1-h_2|}---\left(6\right)$

$Q_{23}={\mathrm{az}}_{2}S\mathrm{sgn}(h_2-h_3)\sqrt{2g|h_2-h_3|}---\left(7\right)$

$Q_{30}={\mathrm{az}}_{3}S\sqrt{2{\mathrm{gh}}_3}---\left(8\right)$

在上述公式中，假设该三容水箱使用的进水管、排水管和连接管的横截面积均相同，用az_i描述流量系数，且az_i的取值范围在[0,1]，用g描述重力加速度，用sgn(z)描述三容水箱控制系统的参数符号；

进一步的公式(8)进行归一化处理，能够得到下述计算公式：

$h=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ h_3\end{array}\right],u=\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\end{array}\right],$

$A\left(h\right)=\frac{1}{A}\left[\begin{array}{cc}-Q_{10}& -Q_{12}\\ Q_{12}& -Q_{23}\\ Q_{23}& -Q_{30}\end{array}\right],B=\frac{1}{A}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(9\right)$

根据上述方法进行公式推导，能够得到三容水箱液位控制系统的状态方程为:

$\frac{dh}{dt}=A\left(h\right)+Bu---\left(10\right)$

得到的三容水箱液压控制系统的输出方程为:

y＝[h₁ h₂ h₃]^T (11)

根据上面阐述的方法，对三容水箱工作原理进行分析，进水流量为系统输入，以水容器的液位高度为系统输出，建立三容水箱控制系统的数学模型，通过调节水泵的速度控制三容水箱的进水流量，从而为三容水箱的准确控制提供了准确的依据。

6.如权利要求5所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：进一步的对三容水箱主体的液位准确控制，以y(.)作为三容水箱液位控制系统的输出，以u(.)作为三容水箱液位控制系统的输入，能够用m描述三容水箱液位控制系统的输出阶数，能够用n描述三容水箱液位控制系统的输入阶数，建立一般离散时间非线性三容水箱液位控系统的计算公式为：

y(k+1)＝f(y(k),y(k-1),...,y(k-m),u(k),u(k-1),...,u(k-n)) (12)

为了维持三容水箱液位控制系统的收敛性，需要进行以下3个假设：

(1)假设三容水箱液位控制系统的输入和输出具有可观测性、可控制性，

(2)假设函数f(x)对于三容水箱液位控制系统的输入信号u(.)的偏导数是连续的，

(3)假设f(x)系统是广义的Lipschitz的，当Δu(k)≠0时，能够得到其中L为的维数。

7.如权利要求6所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：进行三容水箱液位控制过程中可以看作滞后时间的数据采样，利用神经网络算法对滞后时间进行优化训练，当||u(k)||≠0，必须满足Δu(k)≤h，利用下述公式建立准则函数，从而实现Δu(k)≤h，具体公式如下所示：

J(u(k))＝[y(k+1)-y^*(k+1)]²+λ||Δu(k)||² (13)

在上述公式中，能够用y^*(k+1)描述三容水箱液位控制系统的期望输出，能够用λ描述三容水箱液位控制系统的惩罚系数。

8.如权利要求7所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：

为了避免多余的运算，对进行简化处理，能够得到下述计算公式为：

设置ρ为三容水箱液位控制系统的步长系数，将上述公式(14)代入公式(13)求导，能够获得三容水箱液位控制系统的输入控制变量的控制律为：

上面推导出的控制规律中，特征参量是未知，由于特征参量是一个时变参数，必须对其进行在线估计，根据在设计控制律时对控制输入变化限制的思路，对采用与控制律相似的准则函数进行在线估计，得到特征参量估计表达式：

根据上面阐述的方法，可以将三容水箱液位控制过程中可以看作滞后时间的数据采样，利用滞后算法对滞后时间进行优化，从而实现了三容水箱液位的精确控制。

9.如权利要求1所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：所述三相无刷直流水泵采用24V水泵可调制2米扬程，也可7米扬程，体积不变，所述三相无刷直流水泵采用PWM调速，0～5V模拟信号调速或电位器调速。

10.如权利要求1所述的无模型自适应控制水箱液位控制系统，其特征在于：所述三相无刷直流水泵的轴心采用高性能陶瓷。