CN114950251B - 一种基于速度参考控制的混沌搅拌器及混沌搅拌方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于速度参考控制的混沌搅拌器及混沌搅拌方法，属于混沌搅拌器技术领域。本发明包括混沌驱动电路、直流电机、转速传感器、桨叶和速度参考混沌转速控制电路，直流电机的输出端固定设置有搅拌轴，搅拌轴的末端固定设置有桨叶，转速传感器设置在搅拌轴上，转速传感器的输出端与速度参考混沌转速控制电路输入端电连接，速度参考混沌转速控制电路的输出端与混沌驱动电路的输入端电连接，混沌驱动电路的输出端与直流电机电连接。转速传感器采集电机转速信号并将信号反馈给速度参考混沌转速控制电路，速度参考混沌转速控制电路采用混沌映射对转速信号进行处理，通过混沌驱动电路生成控制电机产生混沌转速的输入电压，电机带动桨叶以混沌转速运转。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于速度参考控制的混沌搅拌器及混沌搅拌方法，属于混沌搅拌器技术领域。
背景技术
液体搅拌装置是冶金、石油化工、造纸和建筑等众多领域工业中十分重要的环节，具有混匀、强化传质或化学反应、强化传热、提高反应产率和控制应混合度或副反应等功能。但是，目前工业生产中的液体搅拌装置效率低下，有98％的能量被浪费掉。低下的工作效率带来的混合不均匀等问题带来了了巨大的安全隐患，例如爆炸性物质混合不均匀会造成废料爆炸等严重安全事故。如何提高液体搅拌装置的性能是保障生产安全、提高工业生产效率和增产减排必须关注的问题，液体搅拌装置性能的提高有着巨大的应用前景。
目前工业搅拌中通常采取提高转速和更换桨叶的方式来提升搅拌装置的性能，但实际生产中高速搅拌会增大能耗且破坏分子结构，更换桨叶带来的装置成本和停工损失较大且节能效果不突出。
发明内容
本发明针对现有液体搅拌混合过程中搅拌能耗大、灵活性低的问题，提供一种基于速度参考控制的混沌搅拌器及混沌搅拌方法，即通过转速传感器采集电机转速信号并将信号反馈给速度参考混沌转速控制电路，速度参考混沌转速控制电路采用混沌映射对转速信号进行处理，通过混沌驱动电路生成控制电机产生混沌转速的输入电压，电机带动桨叶以混沌转速运转；实现了电机混沌转速范围更精确、搅拌高效节能、简单便捷的混沌搅拌的目的。
一种基于速度参考控制的混沌搅拌器，包括混沌驱动电路1、直流电机2、转速传感器3、桨叶4和速度参考混沌转速控制电路5，直流电机2的输出端固定设置有搅拌轴，搅拌轴的末端固定设置有桨叶4，转速传感器3设置在搅拌轴上，转速传感器3的输出端与速度参考混沌转速控制电路5输入端电连接，转速传感器3采集电机转速信号并将信号反馈给速度参考混沌转速控制电路；速度参考混沌转速控制电路5的输出端与混沌驱动电路1的输入端电连接，混沌驱动电路1的输出端与直流电机2电连接；速度参考混沌转速控制电路采用混沌映射对转速信号进行处理，通过混沌驱动电路生成控制电机产生混沌转速的输入电压，电机带动桨叶以混沌转速运转；
所述速度参考混沌转速控制电路基于电机反馈转速和混沌映射计算生成混沌转速信号；
所述PWM驱动模块的输入端与速度参考混沌转速控制电路5的输出端相连，接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，PWM驱动模块的输出端与全桥变换电路输入端相连，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，全桥变换电路输出端与直流电机相连。
所述速度参考混沌转速控制电路5包括混沌映射模块51、参数输入模块52和PI控制模块53；
混沌映射模块(51)，用于选择控制所需的混沌映射种类；
参数输入模块(52)，用于输入控制所需混沌参数，包括速度边界Δω，Logistic-Logistic级联混沌映射控制参数u1等；
PI控制模块53，用于跟踪混沌参考速度ω*，生成混沌驱动电路驱动电机以混沌转速运行所需的控制电流信号。
所述混沌参考速度ω*的表达式为
式中，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度；Δω为速度边界；xn为混沌控制项即由混沌映射生成的混沌序列。
所述混沌映射包括但不限于Logistic混沌映射、Logistic-Logistic级联混沌映射和Logistic-Cubic级联混沌映射。
所述混沌映射为Logistic混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
xn＝uxn-1(1-xn-1)
式中，u为Logistic混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]；xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
采用Logistic混沌映射控制时，混沌转速控制电路5生成的直流电机转速ωn的表达式为
ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速，u为Logistic混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度。
所述混沌映射为Logistic-Logistic级联混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
xn＝4[u1xn+1(1-xn+1)][1-u1xn+1(1-xn+1)]
式中，u1为Logistic-Logistic级联混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]；xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
采用Logistic-Logistic级联混沌映射控制时，混沌转速控制电路5生成的直流电机转速ωn的表达式为：
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速，u1为Logistic混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度。
所述混沌映射为Logistic-Cubic级联混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
式中，u2为Logistic-Cubic级联混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]；xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
采用Logistic-Cubic级联混沌映射控制时，混沌转速控制电路5生成的直流电机转速ωn的表达式为：
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速，u2为Logistic混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度。
一种混沌搅拌方法，采用基于速度参考控制的混沌搅拌器，具体步骤如下：
(1)根据搅拌场景，选定混沌控制映射，根据所需混速范围设定混沌控制参数：电机转速为75rpm时，控制映射选择Logistic混沌映射、Logistic-Logistic级联混沌映射或Logistic-Cubic级联混沌映射，为了生成转速在75-80之间变化的混沌转速，混沌映射控制参数u2设定为0.23，Δω为速度边界设定为5；
(2)混沌转速控制电路根据混沌映射公式生成混沌信号，例如选择L-L混沌控制公式时，系统根据xn＝4[u1xn+1(1-xn+1)][1-u1xn+1(1-xn+1)]生成混沌信号，通过PI控制模块跟踪得到对应的电流信号；
(3)混沌驱动电路内的PWM驱动模块接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，并成控制电机产生混沌转速的输入电压；
(4)电机在混沌驱动电路输出的输入电压控制下，带动桨叶以混沌转速运转搅拌液体物料。
本发明的有益效果是：
(1)本发明基于速度参考控制的混沌搅拌器通过速度参考混沌转速控制电路采用混沌映射对转速信号进行处理，通过混沌驱动电路生成控制电机产生混沌转速的输入电压，电机带动桨叶以混沌转速运转，实现了电机混沌转速范围更精确、搅拌高效节能、简单便捷的混沌搅拌的目的；
(2)本发明基于速度参考控制的混沌搅拌器灵活性好，传统工业搅拌过程中常采用桨型优化的手段来解决搅拌效率不高的问题，基于速度参考控制的混沌搅拌器以生成混沌转速的方式提高搅拌效率，可以有效避免更换桨叶造成的经济损失；
(3)本发明基于速度参考控制的混沌搅拌器可根据搅拌场景选择适合的混沌映射进行控制，调速范围广。
附图说明
图1为基于速度参考控制的混沌搅拌器的结构示意图；
图2为实施例1在Logistic混沌映射控制下搅拌速度相对控制参数u的分岔图；
图3为实施例1在Logistic混沌映射控制下金属锌的一次浸出实验搅拌效果图；
图4为实施例2在Logistic-Logistic混沌映射控制下搅拌速度相对控制参数u1的分岔图；
图5为实施例2在Logistic-Logistic混沌映射控制下菜籽油-酒精的搅拌效果图；
图6为在Logistic-Cubic混沌映射控制下搅拌速度相对控制参数u2的分岔图；
图7为实施例3在Logistic-Cubic混沌映射控制下菜籽油-酒精的搅拌效果图；
图8为Logistic混沌映射控制下生成的混沌转速图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明基于速度参考控制的混沌搅拌器(见图1)，包括混沌驱动电路1、直流电机2、转速传感器3、桨叶4和速度参考混沌转速控制电路5，直流电机2的输出端固定设置有搅拌轴，搅拌轴的末端固定设置有桨叶4，转速传感器3设置在搅拌轴上，转速传感器3的输出端与速度参考混沌转速控制电路5输入端电连接，转速传感器3采集电机转速信号并将信号反馈给速度参考混沌转速控制电路；速度参考混沌转速控制电路5的输出端与混沌驱动电路1的输入端电连接，混沌驱动电路1的输出端与直流电机2电连接；速度参考混沌转速控制电路采用混沌映射对转速信号进行处理，通过混沌驱动电路生成控制电机产生混沌转速的输入电压，电机带动桨叶以混沌转速运转；
速度参考混沌转速控制电路基于电机反馈转速和混沌映射计算生成混沌转速信号；
混沌驱动电路1包括PWM驱动模块和全桥变换电路，具体结构见附图1；PWM驱动模块的输入端与速度参考混沌转速控制电路5的输出端相连，接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，PWM驱动模块的输出端与全桥变换电路输入端相连，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，全桥变换电路输出端与直流电机相连；
速度参考混沌转速控制电路5包括混沌映射模块51、参数输入模块52和PI控制模块53；
混沌映射模块51，用于选择控制所需的混沌映射种类；
参数输入模块52，用于输入控制所需混沌参数，包括速度边界Δω，Logistic-Logistic级联混沌映射控制参数u1等；
PI控制模块53，用于跟踪混沌参考速度ω*，生成混沌驱动电路驱动电机以混沌转速运行所需的控制电流信号；
混沌参考速度ω*的表达式为
式中，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度；Δω为速度边界；xn为混沌控制项即由混沌映射生成的混沌序列。
实施例1：本实施例以金属锌的一次浸出实验中的混沌搅拌为例；
一种混沌搅拌方法，采用基于速度参考控制的混沌搅拌器，具体步骤如下：
(1)选择Logistic混沌映射为混沌控制映射，对混沌控制参数进行设定，为了生成转速在130-160之间变化的混沌转速，混沌映射控制参数u设定为4，Δω为速度边界设定为30；
混沌映射为Logistic混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
xn＝uxn-1(1-xn-1)
式中，u为Logistic混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]，xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
在Logistic混沌映射控制下搅拌速度相对控制参数u的分岔图见图2，从图2可知，当u取值范围为(0,3]时，控制系统输出的为130rpm的恒定转速。当u取值范围为(3,3.63]时，控制系统输出的为在140～157rpm之间变化的周期转速；当u取值范围为(3.63,4]时，即系统进入混沌状态后，控制系统输出的为在130～160rpm之间变化的混沌转速；
(2)混沌转速控制电路根据混沌映射公式生成混沌信号，根据xn＝uxn-1(1-xn-1)生成混沌信号，通过PI控制模块跟踪得到对应的电流信号；
(3)混沌驱动电路内的PWM驱动模块接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，并成控制电机产生混沌转速的输入电压；
(4)电机在混沌驱动电路输出的输入电压控制下，带动桨叶以混沌转速运转搅拌液体物料；
采用Logistic混沌映射控制时，混沌转速控制电路5生成的直流电机转速ωn的表达式为
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速，u为Logistic混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度；
本实施例金属锌的一次浸出实验进行混沌搅拌120min后的效果见图3，从图3可知，物料均匀混合，经检测，金属锌的浸出率为85.6％。
实施例2：本实施例菜籽油-酒精的的混沌搅拌为例；
一种混沌搅拌方法，采用基于速度参考控制的混沌搅拌器，具体步骤如下：
(1)选择Logistic混沌映射为混沌控制映射，对混沌控制参数进行设定，为了生成转速在130～160rpm之间变化的混沌转速，混沌映射控制参数u1设定为2.1，Δω为速度边界设定为30；
混沌映射为Logistic-Logistic混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
xn＝4[u1xn+1(1-xn+1)][1-u1xn+1(1-xn+1)]
式中，u1为Logistic-Logistic级联混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]，xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
在Logistic-Logistic混沌映射控制下搅拌速度相对控制参数u1的分岔图见图4，从图4可知，当u1取值小于1.53时，控制系统输出的为130～157rpm之间的恒定转速或周期转速。当u1取值范围为[1.53,4]时，即系统进入混沌状态后，控制系统输出的为在130～160rpm之间变化的混沌转速；
(2)混沌转速控制电路根据混沌映射公式生成混沌信号，例如选择L-L混沌控制公式时，系统根据xn＝4[u1xn+1(1-xn+1)][1-u1xn+1(1-xn+1)]生成混沌信号，通过PI控制模块跟踪得到对应的电流信号；
(3)混沌驱动电路内的PWM驱动模块接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，并成控制电机产生混沌转速的输入电压；
(4)电机在混沌驱动电路输出的输入电压控制下，带动桨叶以混沌转速运转搅拌液体物料；
采用Logistic-Logistic混沌映射控制时，混沌转速控制电路5生成的直流电机转速ωn的表达式为
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速，u1为Logistic混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度；部分混沌转速信号如图8所示；
本实施例菜籽油-酒精的混沌搅拌5min后的效果见图5，菜籽油和酒精各75ml，从图5可知，菜籽油和被苏丹红染料染色后的酒精被充分混合。
实施例3：本实施例以菜籽油-酒精的混沌搅拌为例；
一种混沌搅拌方法，采用基于速度参考控制的混沌搅拌器，具体步骤如下：
(1)选定Logistic-Cubic混沌映射为混沌控制映射，对混沌控制参数进行设定，为了生成转速在130～160rpm之间变化的混沌转速，混沌映射控制参数u2设定为2.1，Δω为速度边界设定为30；
混沌映射为Logistic-Cubic混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
式中，u2为Logistic-Cubic级联混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]，xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
在Logistic-Cubic混沌映射控制下搅拌速度相对控制参数u1的分岔图见图6，从图6可知，当u1取值小于1.55时，控制系统输出的为130～157rpm之间的恒定转速或周期转速；当u1取值范围为[1.55,4]时，即系统进入混沌状态后，控制系统输出的为在130～160rpm之间变化的混沌转速；
(2)混沌转速控制电路根据混沌映射公式生成混沌信号，选择L-L混沌控制公式，系统根据
生成混沌信号，通过PI控制模块跟踪得到对应的电流信号；
(3)混沌驱动电路内的PWM驱动模块接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，并成控制电机产生混沌转速的输入电压；
(4)电机在混沌驱动电路输出的输入电压控制下，带动桨叶以混沌转速运转搅拌液体物料；
采用Logistic-Cubic混沌映射控制时，混沌转速控制电路5生成的直流电机转速ωn的表达式为：
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速，u2为Logistic混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器3采集的直流电机2稳定运行速度；
菜籽油-酒精的混沌搅拌3min后的效果见图7，菜籽油和酒精各75ml，从图7可知，菜籽油和被苏丹红染料染色后的酒精被充分混合，且混合速度较L-L控制策略下的快，混合状态较图5中的物料更加均匀，未观察到油滴。
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种基于速度参考控制的混沌搅拌器，其特征在于：包括混沌驱动电路(1)、直流电机(2)、转速传感器(3)、桨叶(4)和速度参考混沌转速控制电路(5)，直流电机(2)的输出端固定设置有搅拌轴，搅拌轴的末端固定设置有桨叶(4)，转速传感器(3)设置在搅拌轴上，转速传感器(3)的输出端与速度参考混沌转速控制电路(5)输入端电连接，速度参考混沌转速控制电路(5)的输出端与混沌驱动电路(1)的输入端电连接，混沌驱动电路(1)的输出端与直流电机(2)电连接；
速度参考混沌转速控制电路(5)包括混沌映射模块(51)、参数输入模块(52)和PI控制模块(53)，
混沌映射模块(51)，用于选择控制所需的混沌映射种类；所述混沌映射为Logistic混沌映射、Logistic-Logistic级联混沌映射或Logistic-Cubic级联混沌映射；
参数输入模块(52)，用于输入控制所需混沌参数，包括速度边界Δω、混沌映射控制参数；
PI控制模块(53)，用于跟踪混沌参考速度ω*，生成混沌驱动电路(1)驱动直流电机(2)以混沌转速运行所需的控制电流信号i*；
所述混沌参考速度ω*的表达式为
式中，为基速度即由转速传感器(3)采集的直流电机(2)稳定运行速度；Δω为速度边界；xn为混沌控制项即由混沌映射生成的混沌序列；
所述混沌映射为Logistic混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
xn＝uxn-1(1-xn-1)
式中，u为Logistic混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]，xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
采用Logistic混沌映射控制时，速度参考混沌转速控制电路(5)生成的直流电机转速ωn的表达式为
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速；u为Logistic混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器(3)采集的直流电机(2)稳定运行速度；
所述混沌映射为Logistic-Logistic级联混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
xn＝4[u1xn+1(1-xn+1)][1-u1xn+1(1-xn+1)]
式中，u1为Logistic-Logistic级联混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]，xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
采用Logistic-Logistic级联混沌映射控制时，速度参考混沌转速控制电路(5)生成的直流电机转速ωn的表达式为
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速；u1为Logistic-Logistic级联混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器(3)采集的直流电机(2)稳定运行速度；
所述混沌映射为Logistic-Cubic级联混沌映射时，混沌控制项xn的表达式为
式中，u2为Logistic-Cubic级联混沌映射控制参数，取值范围为[0,4]，xn为公式进行第n次运算生成的混沌信号，xn-1为第n-1个混沌信号；
采用Logistic-Cubic级联混沌映射控制时，速度参考混沌转速控制电路(5)生成的直流电机转速ωn的表达式为：
式中，ωn为公式进行第n次计算生成的混沌转速，ωn-1为第n-1个混沌转速；u2为Logistic-Cubic级联混沌映射控制参数，Δω为速度边界，为基速度即由转速传感器(3)采集的直流电机(2)稳定运行速度。
2.根据权利要求1所述基于速度参考控制的混沌搅拌器，其特征在于：混沌驱动电路(1)包括PWM驱动模块和全桥变换电路，PWM驱动模块的4个输出端与全桥变换电路中的4个三极管的输入端相连，PWM驱动模块的输入端与速度参考混沌转速控制电路(5)的输出端相连，用以接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，PWM驱动模块的输出端与全桥变换电路输入端相连，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，全桥变换电路输出端与直流电机(2)相连接。
3.一种混沌搅拌方法，其特征在于：采用权利要求1～2任一项所述基于速度参考控制的混沌搅拌器，具体步骤如下：
(1)根据搅拌场景，选定混沌映射种类，根据所需混沌转速范围设定混沌参数：直流电机(2)转速为a rpm时，为生成转速在a到b之间变化的混沌转速，混沌映射控制参数设定为混沌区间内的任意数值，Δω为速度边界设定为b-a；
(2)速度参考混沌转速控制电路(5)根据混沌映射公式生成混沌信号xn，通过PI控制模块跟踪得到对应的控制电流信号i*；
(3)混沌驱动电路(1)内的PWM驱动模块接收控制电流信号i*并转换为占空比信号，全桥变换电路根据占空比信号开关元件，生成控制直流电机(2)产生混沌转速的输入电压；
(4)直流电机(2)在混沌驱动电路(1)输出的输入电压控制下，带动桨叶(4)以混沌转速运转搅拌液体物料。
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