挖泥船泥泵柴油机系统自适应模糊滑模控制研究
摘 要:手工疏浚作业的效率低、成本高,自动化疏浚具有提高作业效率、提高作业质量的的潜在优势,目前已成为高效疏浚的研究热点.过程控制是自动化疏浚的基础,其中泥泵柴油机系统的控制对疏浚产量和系统的稳定性影响最大,所以研究泥泵柴油机系统的控制具有非常重要的意义.基于传统滑模控制(SMC)和对角形模糊控制器(FLC)与切换控制项之间的相似性,提出了一种泥泵柴油机系统的混合自适应控制策略,该控制策略具备了滑模控制和模糊控制的优点.仿真研究表明本文提出的控制策略对泥泵速度控制的反应速度快且没有稳态误差,具有比以往更优良的控制性能.
引 言
疏浚作业过程具有设备投资大、作业成本高、能耗大、设备保养和维修投入大等特点.我国现有疏浚船舶超过1 000艘,但是其中大部分设备陈旧,自动化程度低,大都由操作人员依据仪表和监测系统提供的数据,凭感觉进行操作和质量控制,生产效率、设备利用率及工作效率均处于非常低的水平.为提高疏浚作业效率和降低高昂的单位产量生产成本,各发达国家一直致力于研制各种适合疏浚船舶的自动化控制系统和自动化清淤疏浚监控仪表,并已取得阶段性的成功[1-2].实现疏浚作业的自动化控制是一项复杂的系统工程,需要疏浚船舶的横移、切削、泥泵、管道和台车等多个作业子系统协调配合与自动调节,是一个交叉耦合的多目标优化决策问题.本文介绍的泥泵柴油机系统在疏浚作业过程中有着非常重要的作用,该系统的合理控制决定了输送管道的流速、排距、扬程、吸排泥效率和能耗等关键因素,在自动化疏浚作业过程中与挖泥船横移控制具有同等重要的作用.目前对挖泥船的调速控制方案以PID控制较为常见.但是疏浚船舶的泥泵柴油机系统是多系统、多层次的复杂系统,难以用合适的数学模型来表达,而且随着疏浚作业过程中泥浆介质、浓度等的变化,系统的工况会在较大范围内波动[3].如采用常规的PID控制,系统控制性能会随着工况的波动而变坏,甚至会出现不稳定等现象.为改善泥泵柴油机系统的控制性能,作者提出了基于直接自适应模糊控制方法的泥泵柴油机控制方案,并针对900系列挖泥船的泥泵柴油机系统进行了仿真.
1 泥泵柴油机系统的数学模型
泥泵柴油机系统由泥泵、柴油机、油门调节执行器构成,泥浆管道内流动的浆体的作用是该系统的主要负载.要建立完整的柴油机的数学模型是非常困难的,所以实际控制过程中大多采用根据柴油机外特性得到的近似模型.邵家骧[4]认为,常规非增压柴油机的数学模型常用下式表示:
泥泵输出轴上的外部转矩对泥泵转速的影响过程实际是柴油机外特性与泥泵本身的扭矩转速特性间的动态匹配过程.一般说来,在挖泥船作业过程中泥泵输出轴上的负载转矩与泥浆管道中泥浆的浓度、介质构成、流动状态等相关,该负载转矩随着作业工况的变化而变化,难以建立其模型,所以在实际控制系统的设计过程中,通常将其作为一种剧烈波动的外部干扰对待,在控制器的设计过程中采用鲁棒性能较好的控制算法,抑制强烈干扰的作用,较常见的有变结构控制、H∞控制、模糊控制等.
泥泵柴油机闭环控制系统的结构见图1.系统以外部给定的目标转速为控制输入信号,以泥泵的实际转速为输出.泥泵柴油机系统的控制与其他类型的柴油机调速控制系统的不同之处在于该系统的干扰作用更为强烈,负载变化范围大.
2 自适应模糊控制器设计
对于单输入单输出的一阶系统
为了检验本文所提控制算法的鲁棒性,我们给系统加上了一个很强的外部作用,使泥泵的转速下降了80 r/m.仿真结果表明,当外扰发生时,系统暂时偏离了目标值,但系统能检测到有外扰作用而马上产生了一个补偿作用于系统,使系统很快恢复到原来设定的目标值(见图6、图7).在有外扰作用后,作用域的记录表明S,.S和u的作用域立刻发生了扩张,这种自适应的作用域的改变正是本文提出的控制器能够使得泥泵柴油机系统具有响应速度快、稳态误差小而又同时保持系统有足够的鲁棒性以克服很强的外部扰动的本质所在.
4 结 论
根据滑模控制和模糊控制原理,提出了一种简单的泥泵柴油机系统的混合控制策略.初步的仿真结果表明所提出的控制律具有比以往控制方法更快的反应速度.仿真结果也证明所提出的控制律鲁棒性很好,可以使得系统在由于泥泵柴油机系统恶劣的工作条件而引起的强外扰的作用下仍保持稳定的控制作用.
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