柴油机调速系统自适应滑模控制算法的研究与仿真
摘 要:建立2135型柴油机调速器的非线性模型,设计一种滑模控制器,以实现对单输入非线性柴油机调速系统的控制,并用MatLab/Simulink仿真,体现出滑模变结构控制对非线性系统进行控制的动态、静态品质优良,鲁棒性好的特点,解决传统PID控制超调量大、调节时间长的问题。针对滑模变结构控制器容易产生抖振的问题,设计了自适应离散滑模控制器,取得较好的仿真结果。
变结构控制是苏联学者Utkin和Itkin在20世60年代初提出的一种设计方法。滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略,它是在相平面法基础上产生的一种现代控制理论的综合方法。其基本思想是:系统的运动先达到某切换面,然后在这个子空间作滑动模态渐近地趋向原点,当这个滑动运动具有良好品质时,就实现了控制的目的[1]。
这种控制与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。该控制特性可以迫使系统的“结构”在瞬变过程中,根据系统当时的状态(偏差及其各阶导数等),以跃变方式有目的地变化,并在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动,即滑动模态或“滑模”运动。这种控制的最大特点就是系统具有极强的鲁棒性,对被控制对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有极佳的不敏感性[2]。
1 柴油机调速器模型的建立
随着单片机技术和控制技术的发展,柴油机调速器也开始由传统的机械式调速器向电子调速器方向发展。但其转速的控制都是采用PID或模糊-PID算法。PID控制技术,虽然结构简单,但有超调较大、调节时间长和存在稳态误差等缺点。因此,不能保证柴油机以较优的性能运行。
本文设计了自适应滑模变结构控制器来控制柴油机的转速,MatLab/Simulink仿真的结果显示对转速有良好的控制效果。
柴油机调速系统的主要功能就是进行转速调节,柴油机转速的变化直接取决于其动力转矩M和负载转矩Ml的差值,根据达兰贝尔原理,其基本运动方程为:
可见,滑模趋近律式(12)满足离散滑动模态的存在性和到达性条件,所设计的控制系统是稳定的。
4.3 自适应滑模控制器调速系统仿真自适应离散滑模控制器结构,仿真效果见图2。结果显示较好地削弱了图1的抖振。
5 结束语
变结构的控制方法是非线性系统控制的主要方法之一[4],在很多情况下,研究非线性系统是用多种方法将非线性系统线性化,然后进行线性系统研究,这样就会导致系统的控制效果不理想。我们研究的目的就是用变结构理论来研究非线性发动机调速系统,以保持系统的非线性特性。而且自适应参数的引入很好的解决了滑模变结构控制的抖振问题。
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