间接自适应模糊滑模控制在电弧炉中的应用_

间接自适应模糊滑模控制在电弧炉中的应用
   李继超，管萍，刘小河
   （北京信息科技大学自动化学院，北京100192）
   摘要：将模糊控制与滑模控制结合应用于电弧炉电极调节系统中，给出了自适应模糊滑模控制系统的详细设计过程。用自适应模糊控制逼近滑模控制中的不确定参数，加入切换控制以保证滑动条件的成立，推导了规则参数调整的自适应律。在线调节自适应模糊滑模控制器的参数以克服电弧炉电极调节系统的不确定性,具有较强的鲁棒性。仿真结果表明：该控制算法能有效地抑制弧长扰动，从而获得较好的动态性能。
   关键词：自适应模糊控制；滑模控制；电弧炉；电极调节系统
   中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1004-731X(2009)02-0542-05
   引言
   电弧炉电极调节系统是一个多变量、非线性、强耦合的时变系统，随机干扰十分严重，电极工作不稳定时可能造成耗电量增加、效率下降、地区电网电压波动[1]，因此使用传统的控制方法难以得到满意的效果。近年来，一些学者将自适应控制、智能控制等引入到电弧炉控制中[2-4]，文献[2]研究了电弧炉电极调节系统的自适应控制问题，提出了电极自适应调节系统的构成方案，讨论了计算机实现的算法问题。但是该方案将电弧炉主电路视为一个线性对象进行控制，回避了电弧参数变化所带来的问题，与实际的对象还有很大的差距。文献[3]采用工业计算机网络，文献[4]采用了神经网络的方法。这些方法虽然取得了一定的效果，但是算法太复杂，不易在实际中应用。
   模糊滑模控制能够充分利用模糊控制不依赖对象模型、能充分运用控制专家的信息及具有鲁棒性的优点和滑模控制对系统参数的不确定性和干扰具有较强的鲁棒性的优点，是处理非线性系统的常用方法之一，近些年已开始广泛应用[5-11]。文献[5]综合了滑模控制和模糊控制的设计方法，提出了减小抖动的模糊滑模控制的设计方法，但控制律不能用解析式表示，其决策表的形式也很复杂。文献[6]利用模糊逼近原理提出了稳定自适应模糊控制器的设计方案，但是当过程的状态变量维数较大时，所需要的模糊规则数目太大。文献[7]采用模糊控制器来逼近滑模控制器符号函数的系数，自适应效果比较好，但是由于符号函数的切换增益是引起抖振的主要原因，系统不可避免会产生抖振现象，使系统出现不稳定现象。文献[8]的算法计算太复杂，难以在线利用。文献[9,10]提出了一种自适应算法和模糊算法来确定系统不确定性界，但存在着由于各种误差的影响而可能造成系统饱和的危险。文献[11]采用模糊系统来逼近系统的不确定性，但为了保证系统逼近误差和控制稳定性，需要较多的模糊规则，增加了系统复杂性。
   鉴于此，本文将自适应模糊滑模控制应用于电弧炉电极调节系统中，对系统中的三相电流采用模糊滑模控制，用自适应模糊控制逼近滑模控制中的不确定参数，以解决系统中参数不确定性的问题，设计简单。利用Lyapunov函数推导自适应律，以确保系统的稳定性。仿真结果证明了该方法的有效性和合理性。
   1问题描述
   电弧炉电极调节系统的示意图如图1所示[12]。其中，整流滤波环节用来将检测的主电路电压、电流信号变换为相应电平的直流信号，比较器将转换成的直流电压信号与给定输入进行比较。它们的差值信号通过调节器进入触发回路来控制晶闸管整流电压，由这个电压控制的直流或交流电动机来带动机械传动机构，使电极上下移动来调节电弧长度，维持电弧电流和电压在某一个设定值上。为使系统稳定运行，通常引入速度反馈环节。

由图1可知，在电弧炉电极调节系统中，电极调节器可以用线性传递函数来描述，电弧炉主电路可由一组非线性状态方程来描述其特性，然而如果直接从基本方程出发来分析电弧炉电极调节系统，无疑是十分复杂的，甚至得不出系统的解答。因此，有必要对电弧炉系统进行简化。由于电弧炉主电路的时间常数大大小于电弧炉电极调节系统调节过程的时间，而我们并不关心电弧电压、电流的瞬时波形，主要关心电弧弧长对电弧电流有效值的影响，故从工程应用的角度，可以把电弧炉主电路视为将电弧弧长映射为电弧电流的非线性静态环节，根据文献[13]提出的电弧炉主电路的模型，电弧炉主电路的非线性映射可以用图2表示。

上仿真结果可以看出，与常规滑模控制相比，自适应模糊滑模控制由于能在线调节参数，可有效处理系统中的不确定性等优点，所以控制系统的响应快，超调量小，对三相电弧炉的参数变化不敏感，具有更快的跟踪能力，对弧长各种扰动而产生的影响具有良好的抑制能力。

4 结论
本文将自适应模糊滑模控制应用于三相电弧炉电级调节控制中，使用具有参数在线调节的自适应模糊控制，逼近滑模控制中的不确定参数，这样就可以避免参数不确定性问题，能有效的抑制干扰、增强系统的鲁棒性。仿真结果表明，所提出的自适应模糊滑模控制系统具有良好的动态品质和稳态性能，为将算法推广到一类像电弧炉一样的非线性系统中提供了理论依据。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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