技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋生物酶固液分離流量控制技術(shù)領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及一種模糊滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)在海洋生物酶固液分離流量控制上的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

沉降離心是目前海洋生物酶發(fā)酵中的一道重要工藝，其中進(jìn)料流量是影響離心效率的一個重要參數(shù)。如果進(jìn)料量過大，軸向流速過快，較細(xì)粒子在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時間將少于沉降所需時間，則細(xì)粒子將隨液流溢出鼓外而不能被分離。如進(jìn)料量過小，雖粒子可被分離，但分離速度過慢，效率卻太低。根據(jù)實驗得知，在一定范圍內(nèi)，流量的適當(dāng)變化對分離效率影響較小，當(dāng)流量增加到一定范圍分離效率較低。因此在海洋生物酶沉降離心過程中需將流量維持在一定范圍內(nèi)。

在流體力學(xué)中質(zhì)量守衡定理的表達(dá)式為連續(xù)方程。如圖1所示，在離心機(jī)的內(nèi)部，流場中取一微元，對于軸對稱情況，環(huán)向變化率為零，可以看出離心機(jī)中流量會隨著轉(zhuǎn)速而變化，同時由于實際操作中沉渣等因素也會導(dǎo)致離心機(jī)中流量發(fā)生變化，因此控制離心機(jī)中流量為一最佳值具有重要實際意義。

目前我國海洋酶固液分離流量控制技術(shù)與世界先進(jìn)國家想比還存在相當(dāng)差距，國內(nèi)一般采用PID控制技術(shù)來控制流量，但傳統(tǒng)PID控制在海洋生物酶固液分離流量控制這種非線性系統(tǒng)中工作的并不是太好。

近年來，滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在電機(jī)、機(jī)器人、航空、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精確性要求不高，對系統(tǒng)的不確定參數(shù)、參數(shù)變化、數(shù)學(xué)描述的不確定性及外界環(huán)境的擾動具有完全的自適應(yīng)性。但是，由于滑?？刂茷榱耸瓜到y(tǒng)保持在滑動流形上運動而需在不同的控制邏輯間來回切換，將容易引起對系統(tǒng)不利的抖振。

而將模糊控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，其相對于傳統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制，可以很好的解決滑模控制的抖振問題，同時還能提高控制精度和響應(yīng)速度。而且，將模糊控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合還可以解決傳統(tǒng)模糊控制器設(shè)計不依靠被控對象的模型、而是依靠專家或操作者的經(jīng)驗知識從而難以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：針對現(xiàn)有技術(shù)中海洋酶固液分離流量控制技術(shù)所存在的不足，提供一種基于模糊滑模變結(jié)構(gòu)的海洋生物酶固液分離流量控制器，從而將滑?？刂婆c模糊控制相結(jié)合，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和動態(tài)品質(zhì)。

具體地說，本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的：基于模糊滑模變結(jié)構(gòu)的海洋生物酶固液分離流量控制器，包括DSP模塊、滑?？刂颇K、模糊控制模塊和流量傳感器，其中：所述模糊控制模塊由模糊化模塊、模糊推理模塊、清晰化模塊和知識庫模塊組成；所述滑?？刂颇K由積分滑模面模塊、滑模趨近律模塊、等效控制器模塊和切換控制器模塊組成；所述DSP模塊輸出流量的下一個位置指令r(k)，所述流量傳感器探測并輸出當(dāng)前流量的位置信號x(k)，并有誤差信號e(k)=r(k)-x(k)。

當(dāng)|e(k)|小于預(yù)先設(shè)定的閾值ep時，先將誤差信號e(k)及其微分信號e′(K)作為積分滑模面模塊的輸入以得到切換函數(shù)信號s(k)，再由切換函數(shù)信號s(k)一方面經(jīng)滑模趨近律模塊至切換控制器模塊產(chǎn)生切換控制信號usw，另一方面經(jīng)等效控制器模塊產(chǎn)生等效控制信號uep，并得到控制信號u(k)=usw+uep；同時，將切換函數(shù)信號s(k)及其微分信號s′(k)作為模糊控制器的輸入，依次經(jīng)模糊化模塊、模糊推理模塊和清晰化模塊，得到模糊控制輸出信號fs(k)，再將模糊控制輸出信號fs(k)反饋給切換控制器模塊；最后將控制信號u(k)輸出至離心機(jī)系統(tǒng)以實現(xiàn)流量控制。

當(dāng)|e(k)|不小于預(yù)先設(shè)定的閾值ep時，取控制信號u(k)=u(k-1)+m，并將控制信號u(k)輸出至離心機(jī)系統(tǒng)以實現(xiàn)流量控制，其中m為一有限常數(shù)值。

上述切換函數(shù)信號s(k)=ex(k),切換控制信號usw=(CB)-1[-qTs(k)-ξTsgn(s(k))],等效控制信號ueq=-(CB)-1C(A一I)X(k)，其中A、B、C均為滑?？刂葡禂?shù)，ξ=|fs(k)|，T為系統(tǒng)采樣周期，O＜q＜1/T。

本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于：所述模糊控制器的輸入s(k),s'(k以及輸出fs(k)的模糊集均取為3個，表示為{NB＝負(fù)大，ZO=零，PB=正大}，所采用的模糊規(guī)則為以下9條：

①If(s(k)isNB)and(s'(k)isNB)then(fs(k)isNB)

②If(s(k)isNB)and(s'(k)isZO)then(fs(k)isNB)

③If(s(k)isNB)and(s'(k)isPB)then(fs(k)isZO)

④If(s(k)isZO)and(s'(k)isNB)then(fs(k)isNB)

⑤If(s(k)isZO)and(s'(k)isZO)then(fs(k)isZO)

⑥If(s(k)isZO)and(s'(k)isPB)then(fs(k)isZO)

⑦If(s(k)isPB)and(s'(k)isNB)then(fs(k)isZO)

⑧If(s(k)isPB)and(s'(k)isZO)then(fs(k)isZO)

⑨If(s(k)isPB)and(s'(k)isPB)then(fs(k)isPB)。

本發(fā)明的有益效果如下：傳統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計不依靠被控對象的模型，而是依靠專家或操作者的經(jīng)驗知識，其不便于控制參數(shù)的自我學(xué)習(xí)和調(diào)整，因而難以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明的基于模糊滑模變結(jié)構(gòu)的海洋生物酶固液分離流量控制器，采用模糊控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，克服由于外界擾動而引起控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；控制精度和響應(yīng)速度得到了相應(yīng)提高；模糊控制規(guī)則大大減少，系統(tǒng)更易操作；同時由于模糊控制的引入滑?？刂频亩墩駟栴}也得到了很好的削弱。

附圖說明

圖1為海洋生物酶固液分離離心機(jī)內(nèi)微元速度分析圖。

圖2為海洋生物酶固液分離流量控制示意圖。

圖3為基于模糊滑模變結(jié)構(gòu)的海洋生物酶固液分離流量控制示意圖。

圖4為基于模糊滑模變結(jié)構(gòu)的海洋生物酶固液分離流量控制過程圖。

具體實施方式

下面參照附圖并結(jié)合實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖2為本發(fā)明離心機(jī)流量控制框圖，流量傳感器從離心腔內(nèi)測得流量信號經(jīng)過濾波，電壓電流轉(zhuǎn)換再將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入到DSP模塊，經(jīng)過DSP模塊處理后輸出控制信號調(diào)節(jié)離心腔內(nèi)的離心流量

圖3是本發(fā)明基于模糊滑模變結(jié)構(gòu)的海洋生物酶固液分離流量控制示意圖。由圖3可見本發(fā)明控制器由DSP模塊、滑?？刂颇K、模糊控制模塊和流量傳感器等部分組成。流量傳感器可采用SW-600流量傳感器。其中模糊控制模塊由模糊化模塊、模糊推理模塊、清晰化模塊和知識庫模塊組成，滑模控制模塊由積分滑模面模塊、滑模趨近律模塊、等效控制器模塊和切換控制器模塊組成。DSP模塊輸出流量的下一個位置指令r(k)，流量傳感器探測并輸出當(dāng)前流量的位置信號x(k)，并有誤差信號e(k)=r(k)-x(k)。

離散滑模控制在誤差在一定范圍內(nèi)時，更易建立滑模面，且控制更加精確，因此根據(jù)實際操作預(yù)先設(shè)定閾值ep和控制信號m，ep和m皆為有限常數(shù)值，可根據(jù)工程實際情況確定。

當(dāng)|e(k)|小于預(yù)先設(shè)定的閾值ep時，先將誤差信號e(k)及其微分信號e’(k)作為積分滑模面模塊的輸入以得到切換函數(shù)信號s(k)，再由切換函數(shù)信號s(k)一方面經(jīng)滑模趨近律模塊至切換控制器模塊產(chǎn)生切換控制信號Usw，另一方面經(jīng)等效控制器模塊產(chǎn)生等效控制信號Ueq,并得到控制信號u(k)=Usw+Ueq；同時，將切換函數(shù)信號s(k)及其微分信號s'(k)作為模糊控制器的輸入，依次經(jīng)模糊化模塊、模糊推理模塊和清晰化模塊，得到模糊控制輸出信號fs(k)，再將模糊控制輸出信號fs(k)反饋給切換控制器模塊；最后將控制信號u(k)輸出至離心機(jī)系統(tǒng)以實現(xiàn)流量控制。

當(dāng)|e(k)|不小于預(yù)先設(shè)定的閾值ep時，取控制信號u(k)=u(k-1)+m，并將控制信號u(k)輸出至離心機(jī)系統(tǒng)以實現(xiàn)流量控制。

具體而言，本發(fā)明的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計如下：

1、滑?？刂破髟O(shè)計

采樣x1(k),x2(k),.......xn(k)為系統(tǒng)k時刻的n個狀態(tài)變量，u(k)為系統(tǒng)k時刻控制信號，狀態(tài)方程為：

x1(k+1)=a11x1(k)+a12x2(k)+···a1nxn(k)+b1u(k)x2(k+1)=a21x1(k)+a22x2(k)+···a2nxn(k)+b2u(k)·········xn(k+1)=an1x1(k)+an2x2(k)+···annxn(k)+bnu(k)]]>

其中a11,a12,...ann和b1,b2,...bn皆為常數(shù)。

以上方程可化簡為：

x1(k+1)x2(k+1)···xn(k+1)=a11a12·a1na21·····an1··annx1(k)x2(k)···xn(k)+b1b2bnu(k)]]>

即海洋生物酶固液分離中流量狀態(tài)方程為：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)(1)

其中，x為狀態(tài)量，u為控制量，x∈Rn，u∈Rn，A=a11a12·a1na21·····an1··ann,]]>B=b1b2·bn,]]>a11..ann，b1..bn皆為常數(shù)，A、B的值可根據(jù)工程實際情況確定。

設(shè)采樣時間為T，設(shè)計基于趨近律的滑模面：

e(k)=r(k)-x(k)---(2)]]>

de(k)=e(k)-e(k-1)T---(3)]]>

定義切換函數(shù)為：

s(k)＝ce(k)+de(k)＝Cx(k)（4）

其中，c為可控常量，C∈Rn×1為一個常數(shù)矩陣，其值可根據(jù)工程實際情況確定。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入理想滑動模態(tài)時，取等效控制ueq為控制量，s(k)滿足：

s(k+1)＝s(k)(5)

將式5代入式4，有：

(CA-C)x(k)+CBueq=0---(8)]]>

同時，可由式5得：

s(k+1)-s(k)＝0（7）

將式4和式6代入式7得：

(CA-C)x(k)+CBueq=0---(8)]]>

當(dāng)[CB]滿秩時，即有：

ueq＝-[CB]-1C(A-I)x(k)（9）

本發(fā)明采用等效控制加趨近律的方法能削弱抖振，采用這種方法時總的控制律為：

u＝ueq+usw（10）

對于連續(xù)滑模變結(jié)構(gòu)控制，常用的趨近律為指數(shù)趨近律為：

s'(t)＝-ξsgn(s(t))-qs(t)（11）

針對本離散系統(tǒng)將其離散化，得到指數(shù)趨近律為：

s(k+1)-s(k)＝-qTs(k)-ξTsgn(s(k))（12）

其中，ξ＞0，q＞0，1-qT＞O，T為采樣周期。

不是理想模態(tài)時，由式6得：

s(k+1)＝Cx(k+1)＝CAx(k)+CBu(k)（13）

將式13帶入式12得：

-qTs(k)-ξTsgn(s(k))＝C(A-I)x(k)+CBu(k)（14）

當(dāng)[CB]滿秩時，有：

u(k)＝-(CB)-1[C(A-I)x(k)+qTs(k)+ξTsgn(s(k))]（15）

將式9和10代入式15得出：

usw＝(CB)-1[-qTs(k)-ξTsgn(s(k))]（16）

其中s'＝-qTs(k)-ξTsgn(s(k))是趨近階段的控制率。

本發(fā)明方法的可達(dá)性和穩(wěn)定性證明如下：

[s(k+1)-s(k)]sgn(s(k))＝[-qTs(k)-ξTsgn(s(k))]sgn(s(k))

＝-qT|s(k)|-ξT|s(k)|＜0（17）

所以可設(shè)計以下的滿足可達(dá)性條件，定義Lyapunov函數(shù)為：

V(k)=12s(k)2---(18)]]>

由式6得：

S(k+1)＝Cx(k+1)＝CAx(k)+CBu(k)（19）

s(k+1)2-s(k)2=2s(k)CBusw+(CBusw)2---(20)]]>

要使s(k+1)2-s(k)2＜0，只要此時所設(shè)計的滑動模態(tài)滿足穩(wěn)定性條件。

2、模糊控制器設(shè)計

變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)和外部擾動的不變性是其突出優(yōu)點，然而由于時間上得延遲、空間上的滯后以及系統(tǒng)模型的簡化等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入滑模面后并不是嚴(yán)格的按照滑模曲線滑動，而是一種沿著滑模曲線的抖振動運動，抖振是滑模結(jié)構(gòu)控制的一個明顯的缺點?；谏鲜鏊枷耄O(shè)計一模糊控制器消弱系統(tǒng)的抖振，提高控制品質(zhì)。

在采樣時間固定的條件下，ξ的值決定了控制器抖振的幅度。取ξ為模糊控制系統(tǒng)的輸出fs(k)的絕對值：

ξ＝|fs(k)|(21)

設(shè)計二輸入單輸出模糊控制器，取切換函數(shù)s(k)及其變化率s’(k)作為輸入，變化范圍為[-1，1];fs(k)作為輸出，變化范圍為[-1,1]。

（1）定義模糊集

PB=正大ZO=零NB=負(fù)小

（2）根據(jù)模糊控制原理，定義s(k)和s’(k)為模糊控制器的輸入，輸出為fs(k)：

s(k)={NB,ZO,PB}

s'(k)={NB,ZO,PB}

fs(k)={NB,ZO,PB}

其論域為：

s(k)={-1，0，十1}

s'(k)={-1,0,+1}

fs(k)={-1，0，十1}

(3)確定模糊滑模控制器的模糊控制規(guī)則

通過采用模糊控制規(guī)則和模糊推理使s(k)→0。

根據(jù)經(jīng)驗，采用以下9條模糊規(guī)則

①If(s(k)isNB)and(s'(k)isNB)then(fs(k)isNB)

②If(s(k)isNB)and(s'(k)isZO)then(fs(k)isNB)

③If(s(k)isNB)and(s'(k)isPB)then(fs(k)isZO)

④If(s(k)isZO)and(s'(k)isNB)then(fs(k)isNB)

⑤If(s(k)isZO)and(s'(k)isZO)then(fs(k)isZO)

⑥If(s(k)isZO)and(s'(k)isPB)then(fs(k)isZO)

⑦If(s(k)isPB)and(s'(k)isNB)then(fs(k)isZO)

⑧If(s(k)isPB)and(s'(k)isZO)then(fs(k)isZO)

⑨If(s(k)isPB)and(s'(k)isPB)then(fs(k)isPB)。

（4）反模糊化：

本發(fā)明采用重心法將模糊輸出精確化。

圖4為基于模糊滑模變結(jié)構(gòu)的海洋生物酶固液分離流量控制過程圖。如圖4所示，將系統(tǒng)初始化后采樣誤差信號e(k)和e’(k)，當(dāng)誤差信號在一定范圍內(nèi)時，將誤差信號e(k)和e’(k)做為滑?？刂破鞯妮斴斎攵x切換函數(shù)，設(shè)計變結(jié)構(gòu)控制律，再將切換函數(shù)s(k)和s’(k)模糊化作為作為模糊控制器的輸入經(jīng)過模糊推理，清晰化輸出fs(k)反饋給控制量。當(dāng)誤差信號不在設(shè)定范圍內(nèi)時，則取控制信號為u(k)=u(k-1)+m,m為根據(jù)控制經(jīng)驗得到的有限常數(shù)值。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發(fā)明之保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本技術(shù)的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)。