摘 要： 將具有強(qiáng)魯棒性的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐爐口微差壓系統(tǒng)，采用爐口壓力控制模型，分析、設(shè)計(jì)了兩種變結(jié)構(gòu)控制器。通過(guò)仿真研究表明滑模變結(jié)構(gòu)控制方法具有很強(qiáng)的魯棒性，可有效地改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)。
關(guān)鍵詞： 微壓差控制系統(tǒng)；滑模變結(jié)構(gòu)控制；仿真
滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)VSS(Variable-Structure Control system with sliding Mode)是一類(lèi)特殊非線(xiàn)性系統(tǒng)，其非線(xiàn)性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。該系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其“結(jié)構(gòu)”并非固定，而是在控制過(guò)程中不斷地改變。“結(jié)構(gòu)”在諸多的控制理論文獻(xiàn)中并未給出統(tǒng)一的解釋?zhuān)瑓⒖嘉墨I(xiàn)[1]的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給出了解釋?zhuān)合到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是系統(tǒng)在狀態(tài)空間(或相空間)中的狀態(tài)軌跡(或相軌跡)的總體幾何(拓?fù)?性質(zhì)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是具有極強(qiáng)的魯棒性，即對(duì)被控對(duì)象的模型誤差、對(duì)象參數(shù)的變化以及外部干擾有極佳的不敏感性，因此它十分適用于解決復(fù)雜的非線(xiàn)性和不確定性系統(tǒng)的控制問(wèn)題。
近年來(lái)，針對(duì)離散變結(jié)構(gòu)控制理論與設(shè)計(jì)的研究逐漸增多，并且已取得了一些成果[2-3]。參考文獻(xiàn)[4]為了消除離散滑?？刂频亩墩?，設(shè)計(jì)了兩種濾波器：前濾波器和后濾波器，其中前濾波器用于控制信號(hào)的平滑及縮小飽和函數(shù)的邊界層厚度，后濾波器用于消除對(duì)象輸出的噪聲干擾。參考文獻(xiàn)[5]基于兩種不同的切換面，設(shè)計(jì)了離散時(shí)間系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制器。所設(shè)計(jì)的控制器保持了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，消除了系統(tǒng)的抖振。
本文將具有強(qiáng)魯棒性的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐爐口微差壓系統(tǒng)，采用爐口壓力控制模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法及兩種滑模變結(jié)構(gòu)控制器，提高了控制性能，并具有強(qiáng)魯棒性，避免或削弱了抖振。
1 系統(tǒng)建模
被控對(duì)象的傳遞函數(shù)描述為：
2 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)與仿真分析
滑模變結(jié)構(gòu)控制理論不是一種分析方法，而是一種綜合方法，其重點(diǎn)就是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器的基本步驟包括兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：
若[CB]滿(mǎn)秩，可解出等效控制。
再選取趨近律中的參數(shù)?著和k就能完全確定控制律。
2.1.3 系統(tǒng)仿真分析
為了驗(yàn)證滑模控制效果，下面作仿真分析。
對(duì)于系統(tǒng)中的純滯后采用Smith預(yù)估補(bǔ)償。仿真框圖如圖1所示，圖中S_controller是用S函數(shù)編寫(xiě)的控制器，S_plant為S函數(shù)編寫(xiě)的控制對(duì)象。輸入設(shè)定值10 Pa。
為了考察滑?？刂圃诳垢蓴_和不確定性方面的魯棒性，在式(4)的系統(tǒng)中加入干擾，同時(shí)，模型參數(shù)也加以變化，此時(shí)的系統(tǒng)表示為：
由圖可見(jiàn)，雖然對(duì)象中含有可很大的干擾，對(duì)象模型也發(fā)生了變化，但控制性能卻沒(méi)有明顯變壞，顯示了滑模變結(jié)構(gòu)控制的魯棒性。通過(guò)相軌跡分析，抖振有所變大。
2.2 準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)控制器設(shè)計(jì)
2.2.1準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)控制器設(shè)計(jì)過(guò)程
從相軌跡方面來(lái)說(shuō)，具有理想滑動(dòng)模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制是一定范圍內(nèi)的狀態(tài)點(diǎn)均被吸引至切換面，速度矢量始終沿切換面。準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)控制在實(shí)現(xiàn)上的這種差別，使它從根本上避免或削弱了抖振。其設(shè)計(jì)步驟與前述方法相同，只是將有繼電特性的符號(hào)函數(shù)用飽和函數(shù)或連續(xù)函數(shù)替換。
常用的準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)控制有以下兩種：
(1)用飽和函數(shù)sat(s)代替上述滑模中的符號(hào)函數(shù)sgn(s)。
2.2.2 系統(tǒng)仿真分析
采用與前述滑?？刂葡嗤耐饨鐥l件，用連續(xù)函數(shù)?茲(s)取代符號(hào)函數(shù)sgn(s)。仿真結(jié)果如圖3所示。
由仿真結(jié)果可見(jiàn)，滑?？刂菩Ч芾硐?。從相軌跡圖可看出系統(tǒng)狀態(tài)在原點(diǎn)的抖振不明顯，有效地抑制了抖振。
爐口微差壓控制系統(tǒng)通過(guò)上述用趨近律方法設(shè)計(jì)的滑?？刂破鲗?shí)現(xiàn)滑?？刂坪?，取得了控制速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)定性好及對(duì)參數(shù)變化不敏感等一系列優(yōu)于傳統(tǒng)控制器的控制效果。而準(zhǔn)滑?？刂颇苓M(jìn)一步減小抖振影響，從而在實(shí)際工作中得到了廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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