滑模变结构控制系统的超调问题研究
摘 要:文章以船舶机舱的温度、转速和实验室的倒立摆系统为例,分析滑模变结构控制的效果,通过与其他方法控制的仿真效果相比,得出滑模变结构控制系统几乎无超调的结论。这对实际的大惯性的系统的控制有非常重大的指导意义。
关键词:滑模变结构 超调 大惯性
我国的造船量虽然已跃居全球第二位,但是科学技术水平非常落后,尤其是轮机自动化系统和控制设备与国外还有非常大的差距。本文将以船舶锅炉、柴油机和供油系统等为被控对象,以转速、水温、汽压、油温和粘度等为被控量,分别建立起它们的数学模型,然后分析以上系统的特征,最后进行滑模变结构控制器的设计和MATLAB/Simulink软件仿真,以得到如下结论:只要建立起系统的数学模型,就可用滑模变结构的控制算法代替船舶轮机自动化系统普遍使用的PID或模糊-PID控制算法,并且有超调较小、抗干扰能力强和鲁棒性好的优点,尤其是对非线性系统而言,滑模变结构可以达到精确控制的效果。
一、我国造船业现状
在全球经济危机的冲击下,我国的造船行业也必须注重科学技术含量的提高,以缓解国内造船附加值低,大量设备依赖进口的现状。而目前国内还有大量营运船舶和部分新造船舶的轮机自动化设备使用的是电气控制系统,使用计算机控制系统的船舶机舱自动化设备主要依赖进口或者国外的领先技术。而且,在全球大力倡导节约能源、减少排放和保护环境的大背景下,在船舶的入级规范越来越严格的情况下,随着科学技术的不断进步,对营运和新造船舶的要求必然会越来越高。所以,船舶机舱将会向数字化和网络化方向发展,即计算机控制系统会遍布船舶机舱的每一个角落。本文正是在这种背景下,进行计算机控制软件系统的很重要的一个部分,即控制算法的分析。
二、滑模变结构算法的提出
滑模变结构控制自20世纪50年代提出来后就一直引起足够的重视,并且形成了一套成熟的滑模线性控制系统理论,而且在众多的工程领域都有广泛的应用,如基于低阶线性模型的电机转速控制系统和水位、水温控制系统;基于高阶线性模型的倒立摆控制系统。虽然都是在线性系统中应用,但是转速和温度等被控量的滑模控制研究为本项目的基于转速、温度和粘度等被控量的轮机自动化系统的研究提供了对象依据。
滑模变结构控制的非线性系统理论的部分列举了部分非线性微分方程控制器求解的纯数学实例,其中全面地包含了单输入系统和多输入系统,这为本项目对实际非线性对象的研究提供了理论依据。
船舶机舱的自动化设备大多采用传统的PID控制或者模糊-PID的控制算法,以上方法是针对偏差的控制或者根据经验设计模糊规则来控制,不要求找到系统的数学模型,所以实现的不是精确控制。而且,水温、油温等系统都是大惯性的系统,如果超调量过大必然会影响系统的可靠性。本文以速度、温度和倒立摆等系统的线性或非线性数学模型为例,分析基于滑模变结构控制算法的控制系统超调的问题。
三、超调问题研究
本文以实际的对象为例,分别进行PID控制和滑模变结构控制研究,得出PID控制超调量大,而滑模控制无超调的结论。
(一)柴油机非线性调速系统
该系统是一个单输入-单输出非线性系统,有转速n的平方相,因转速通常为1500r/m,所以平方后数量级较大,而且非线性模型较复杂,但状态方程为二阶。其仿真的结果如图1、图2所示。
-(二)双容水温非线性控制系统(见图3、图4)
它是一个双输入-双输出非线性系统,可分解为两个单输入-双输出系统,非线性模型结构比较简单,同属于二阶系统。其仿真的结果如图3、图4所示。
(三)倒立摆系统(见图5、图6)
它是四阶高阶系统,很有代表性。
综上可知,滑模控制响应快、超调小,对实际工程对象有广泛的借鉴意义。
(作者单位:武汉理工大学能源与动力工程学院)
【参考文献】
王丰尧.滑模变结构控制[M].机械工业出版社,1998.