[發明專利]基于模糊滑模變結構的海洋生物酶固液分離流量控制器

有效

• 申請號: 201310200179.0
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN103309364A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 朱湘臨;朱浩;孫謐;劉國海;劉葉飛
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G05D7/06
• 分類號: G05D7/06
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明屬于海洋生物酶固液分離流量控制技術領域，更準確地說，本發明涉及一種模糊滑模變結構技術在海洋生物酶固液分離流量控制上的應用。

背景技術

沉降離心是目前海洋生物酶發酵中的一道重要工藝，其中進料流量是影響離心效率的一個重要參數。如果進料量過大，軸向流速過快，較細粒子在轉鼓內停留時間將少于沉降所需時間，則細粒子將隨液流溢出鼓外而不能被分離。如進料量過小，雖粒子可被分離，但分離速度過慢，效率卻太低。根據實驗得知，在一定范圍內，流量的適當變化對分離效率影響較小，當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。

在流體力學中質量守衡定理的表達式為連續方程。如圖1所示，在離心機的內部，流場中取一微元，對于軸對稱情況，環向變化率為零，可以看出離心機中流量會隨著轉速而變化，同時由于實際操作中沉渣等因素也會導致離心機中流量發生變化，因此控制離心機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與世界先進國家想比還存在相當差距，國內一般采用PID控制技術來控制流量，但傳統PID控制在海洋生物酶固液分離流量控制這種非線性系統中工作的并不是太好。

近年來，滑模變結構控制技術在電機、機器人、航空、軍事等領域得到了廣泛的關注。滑模變結構控制對系統的數學模型精確性要求不高，對系統的不確定參數、參數變化、數學描述的不確定性及外界環境的擾動具有完全的自適應性。但是，由于滑模控制為了使系統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，將容易引起對系統不利的抖振。

而將模糊控制與滑模變結構控制相結合，其相對于傳統的滑模變結構控制，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速度。而且，將模糊控制與滑模變結構控制相結合還可以解決傳統模糊控制器設計不依靠被控對象的模型、而是依靠專家或操作者的經驗知識從而難以保證控制系統的穩定性的問題。

發明內容

本發明的目的是：針對現有技術中海洋酶固液分離流量控制技術所存在的不足，提供一種基于模糊滑模變結構的海洋生物酶固液分離流量控制器，從而將滑模控制與模糊控制相結合，以提高系統穩定性、可靠性和動態品質。

具體地說，本發明是采用以下的技術方案來實現的：基于模糊滑模變結構的海洋生物酶固液分離流量控制器，包括DSP模塊、滑模控制模塊、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；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前流量的位置信號x(k)，并有誤差信號e(k)=r(k)-x(k)。

當|e(k)|小于預先設定的閾值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信號s(k)，再由切換函數信號s(k)一方面經滑模趨近律模塊至切換控制器模塊產生切換控制信號u_sw，另一方面經等效控制器模塊產生等效控制信號u_ep，并得到控制信號u(k)=u_sw+u_ep；同時，將切換函數信號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)輸出至離心機系統以實現流量控制。

當|e(k)|不小于預先設定的閾值ep時，取控制信號u(k)=u(k-1)+m，并將控制信號u(k)輸出至離心機系統以實現流量控制，其中m為一有限常數值。

上述切換函數信號s(k)=ex(k),切換控制信號u_sw=(CB)^-1[-qTs(k)-ξTsgn(s(k))],等效控制信號u_eq=-(CB)^-1C(A一I)X(k)，其中A、B、C均為滑模控制系數，ξ=|fs(k)|，T為系統采樣周期，O＜q＜1/T。

本發明的進一步特征在于：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＝負大，ZO=零，PB=正大}，所采用的模糊規則為以下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)