CN110442024A - 基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统 - Google Patents

基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统 Download PDF

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毛小兵
马哲轩
蔡乐
岳健鹏
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Wuhan University of Technology WUT
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/30—Automatic controllers with an auxiliary heating device affecting the sensing element, e.g. for anticipating change of temperature
    • G05D23/32—Automatic controllers with an auxiliary heating device affecting the sensing element, e.g. for anticipating change of temperature with provision for adjustment of the effect of the auxiliary heating device, e.g. a function of time

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Abstract

本发明公开了一种基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统，包括双容水温模块和控制模块，双容水温模块包括套在一起的内筒和外筒、分别为内筒和外筒加水的电磁阀、为内筒加热的加热机构、收集外筒溢流水的溢流水箱以及分别检测内筒温度、外筒温度、电磁阀开度的传感器；控制模块以流体力学控制方程组为基础，结合双容水温模块的状态方程，建立基于滑模变结构控制的非线性的双容水温模块数学模型，控制模块在双容水温模块数学模型指导下通过调节加热机构和电磁阀的开度来控制内筒温度和外筒温度。该系统保证了温控的精确性，效率高，控制惯性小，延迟低。

Description

基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统
技术领域
本发明属于船舶控制领域，具体涉及一种基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水 温控制系统。
背景技术
目前，船舶水温控制系统采用PID控制，超调量大、参数调节难、系统精度差、调节时间及上升时间长。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统，该 系统保证了温控的精确性，效率高，控制惯性小，延迟低。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统，包括双容水温模块和控 制模块，双容水温模块包括套在一起的内筒和外筒、分别为内筒和外筒加水的电磁阀、为 内筒加热的加热机构、收集外筒溢流水的溢流水箱以及分别检测内筒温度、外筒温度、电 磁阀开度的传感器；控制模块以流体力学控制方程组为基础，结合双容水温模块的状态方 程，建立基于滑模变结构控制的非线性的双容水温模块数学模型，控制模块在双容水温模 块数学模型指导下通过调节加热机构和电磁阀的开度来控制内筒温度和外筒温度。
双容水温模块数学模型的建立过程是：
根据双容水温模块的热交换过程，建立数学模型，
其中，c为水的比热容；m1为内筒水的质量；m2为外筒水的质量；T1为内筒水的温度；T2为内筒水的温度；Q1为加热机构产生的热流量值，其大小与加热机构的输入信号u1有关；F1为内筒水的散热面积；F2为外筒水的吸热面积；α1为内筒对外筒的放热系数；α2为外筒 对内筒的吸热系数；k2为电磁阀开度与流入水量之间的系数，u2为调节水阀的开度，取 值范围是0～1000；T0为环境温度；为内筒水增加的热流量；α1(T1-T2)F1为内筒水通 过内筒容器内壁传出去的热流量；为外筒水增加的热流量；α2(T1-T2)F2为外筒水通过内 筒容器外壁吸收的热流量；ck2u2(T2-T0)为外筒溢出去的水带走的热流量，是一个非线性 项；
忽略直线拟合的误差，并取Q1在数量上与u1相等，则式(1)变为，
其中，k1＝1，与式(1)相比，式(2)将Q1项用简单的线性项k1u1进行代替；
将式(2)写为，
记
对式(3)的系统，取状态变量为，
其中T10为内筒温度设定值，e1为内筒温度偏差；T20为外筒温度设定值，e2为外筒温度 偏差；
则系统状态方程写为下述两式，
于是，将双输入双输出系统分解为两个单输入系统考虑；
对于式(4)的系统，因为d1是常数，所以是一个简单的二阶线性系统，可以用一般的分 析线性系统的滑模变结构理论来分析；
取切换函数，
s1＝c1x1+x2
则系统一旦进入滑动模态应满足，
此即系统滑动模态方程，其解为，
显然，只有当c1＞0时，上述解是稳定的，故变结构系统也是稳定的；
当取比例型趋近律，
这样，便确定了滑模控制器，
上述解得的u1即为加热机构的控制律；
再考虑式(5)的系统，因为d2是输出变量温度T1和T2的函数，且有：
T1＝T10-x2，T2＝T20-x4
由以上分析可知，经过变换得到的非线性系统状态方程等价于高阶微分方程的形式。
进一步地，双容水温模块数学模型采用趋近律控制策略。
本发明的有益效果是：
滑模变结构是系统的运动先达到设计的切换面，然后再以滑动模态运动的方式渐近地 趋向原点，它是一种基于精确数学模型的现代控制算法，尤其是对实际的系统进行控制时 可保留其完整的非线性特性，获得更稳定、指标性能更优化的控制效果。在水温控制中运 用此种滑模变结构，保证了温控的精确性，相比于传统水温控制系统有着更高的效率。该 水温控制系统是一套多输入非线性水温控制系统，采用了内外筒的结构，意味着在温度控 制的复杂性和精确性上更高，且相比于传统的水温控制系统来说控制惯性更小，延迟更低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
一种基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统，包括双容水温模块和控 制模块，双容水温模块包括套在一起的内筒和外筒、分别为内筒和外筒加水的电磁阀、为 内筒加热的加热机构、收集外筒溢流水的溢流水箱以及分别检测内筒温度、外筒温度、电 磁阀开度的传感器；控制模块以(连续性方程、动量方程、物态方程等)流体力学控制方 程组为基础，结合双容水温模块的状态方程，建立基于滑模变结构控制的非线性的双容水 温模块数学模型，控制模块在双容水温模块数学模型指导下通过调节加热机构和电磁阀的 开度来控制内筒温度和外筒温度。
双容水温模块数学模型的建立过程是：
根据双容水温模块的热交换过程，建立数学模型，
其中，c为水的比热容；m1为内筒水的质量；m2为外筒水的质量；T1为内筒水的温度；T2为内筒水的温度；Q1为加热机构产生的热流量值，其大小与加热机构的输入信号u1有关；F1为内筒水的散热面积；F2为外筒水的吸热面积；α1为内筒对外筒的放热系数；α2为外筒 对内筒的吸热系数；k2为电磁阀开度与流入水量之间的系数，u2为调节水阀的开度，取 值范围是0～1000；T0为环境温度；为内筒水增加的热流量；α1(T1-T2)F1为内筒水通 过内筒容器内壁传出去的热流量；为外筒水增加的热流量；α2(T1-T2)F2为外筒水通过内 筒容器外壁吸收的热流量；ck2u2(T2-T0)为外筒溢出去的水带走的热流量，是一个非线性 项；
忽略直线拟合的误差，并取Q1在数量上与u1相等，则式(1)变为，
其中，k1＝1，与式(1)相比，式(2)将Q1项用简单的线性项k1u1进行代替；
将式(2)写为，
记
通过实验测量和计算，得出上述各参数值如下：
c＝4.183kJ/(kg·℃)；m1＝4.97kg；m2＝5.45kg；F1＝0.4m2；F2＝0.36m2；
α1＝780(W/(m2·K)；α2＝7600W/(m2·K)；k1＝1kJ/(s·mA)；k2＝0.009m2/(s·mA)
取T0＝25℃，则
a1＝15，b1＝15，a2＝5，b2＝-6，d1＝0.01
对式(3)的系统，取状态变量为，
其中T10为内筒温度设定值，e1为内筒温度偏差；T20为外筒温度设定值，e2为外筒温度 偏差；
则系统状态方程写为下述两式，
于是，将双输入双输出系统分解为两个单输入系统考虑；
对于式(4)的系统，因为d1是常数，所以是一个简单的二阶线性系统，可以用一般的分 析线性系统的滑模变结构理论来分析；
取切换函数，
s1＝c1x1+x2
则系统一旦进入滑动模态应满足，
此即系统滑动模态方程，其解为，
显然，只有当c1＞0时，上述解是稳定的，故变结构系统也是稳定的；
当取比例型趋近律，
这样，便确定了滑模控制器，
上述解得的u1即为加热机构的控制律；
再考虑式(5)的系统，因为d2是输出变量温度T1和T2的函数，且有：
T1＝T10-x2，T2＝T20-x4
由以上分析可知，经过变换得到的非线性系统状态方程等价于高阶微分方程的形式。
在本实施例中，双容水温模块数学模型采用趋近律控制策略。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而 所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统，其特征在于：包括双容水温模块和控制模块，双容水温模块包括套在一起的内筒和外筒、分别为内筒和外筒加水的电磁阀、为内筒加热的加热机构、收集外筒溢流水的溢流水箱以及分别检测内筒温度、外筒温度、电磁阀开度的传感器；控制模块以流体力学控制方程组为基础，结合双容水温模块的状态方程，建立基于滑模变结构控制的非线性的双容水温模块数学模型，控制模块在双容水温模块数学模型指导下通过调节加热机构和电磁阀的开度来控制内筒温度和外筒温度。
2.如权利要求1所述的基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统，其特征在于：双容水温模块数学模型的建立过程是，
根据双容水温模块的热交换过程，建立数学模型，
其中，c为水的比热容；m1为内筒水的质量；m2为外筒水的质量；T1为内筒水的温度；T2为内筒水的温度；Q1为加热机构产生的热流量值，其大小与加热机构的输入信号u1有关；F1为内筒水的散热面积；F2为外筒水的吸热面积；α1为内筒对外筒的放热系数；α2为外筒对内筒的吸热系数；k2为电磁阀开度与流入水量之间的系数，u2为调节水阀的开度，取值范围是0～1000；T0为环境温度；为内筒水增加的热流量；α1(T1-T2)F1为内筒水通过内筒容器内壁传出去的热流量；为外筒水增加的热流量；α2(T1-T2)F2为外筒水通过内筒容器外壁吸收的热流量；ck2u2(T2-T0)为外筒溢出去的水带走的热流量，是一个非线性项；
忽略直线拟合的误差，并取Q1在数量上与u1相等，则式(1)变为，
其中，k1＝1，与式(1)相比，式(2)将Q1项用简单的线性项k1u1进行代替；
将式(2)写为，
记
对式(3)的系统，取状态变量为，
其中T10为内筒温度设定值，e1为内筒温度偏差；T20为外筒温度设定值，e2为外筒温度偏差；
则系统状态方程写为下述两式，
于是，将双输入双输出系统分解为两个单输入系统考虑；
对于式(4)的系统，因为d1是常数，所以是一个简单的二阶线性系统，可以用一般的分析线性系统的滑模变结构理论来分析；
取切换函数，
s1＝c1x1+x2
则系统一旦进入滑动模态应满足，
此即系统滑动模态方程，其解为，
显然，只有当c1＞0时，上述解是稳定的，故变结构系统也是稳定的；
当取比例型趋近律，
这样，便确定了滑模控制器，
上述解得的u1即为加热机构的控制律；
再考虑式(5)的系统，因为d2是输出变量温度T1和T2的函数，且有：
T1＝T10-x2T2＝T20-x4
由以上分析可知，经过变换得到的非线性系统状态方程等价于高阶微分方程的形式。
3.如权利要求2所述的基于滑模变结构控制的多输入非线性船舶水温控制系统，其特征在于：双容水温模块数学模型采用趋近律控制策略。
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