一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法技术

本发明专利技术涉及一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法，基于浆料生产过程的无滞后四阶系统，将系统总干扰d(k)加入状态、控制通道后使用改进指数趋近律设计滑模控制器，提高了系统控制精度；通过设计特定的观测器，对系统状态和干扰同时估计，然后使用估计值和对滑模控制器中的状态x(k)和干扰d(k)进行替代，既实现输出反馈控制，又能对系统干扰完全补偿，增强了系统的鲁棒性。结果表明，所设计的控制系统有效地稳定料浆浓度值，对系统干扰有很强的抑制能力，且便于工程实现。本发明专利技术面向工程实际问题，成果将为矿山充填料浆生产控制提供参考，对减少料浆浓度波动提高充填质量具有重要的应用价值。量具有重要的应用价值。量具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法


[0001]本专利技术涉及过程控制
，尤其涉及一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法。

技术介绍

[0002]随着国家日益重视矿山安全生产和生态环境建设，加之充填技术的不断发展，越来越多的矿山采用充填采矿法进行矿产资源开采。充填料浆是充填采矿法重要组成部分，其生产过程复杂，具体涉及骨料、胶结物和水的物理和化学反应，其浓度的稳定性是高质量充填的基础。然而，生产环境较恶劣，骨料的传输与混合物的搅拌存在一定的时延，料浆制备过程是一个典型的多输入大滞后系统。因此，对于这样的系统，要生产出期望浓度的料浆，控制系统的设计是关键。
[0003]当前，对矿山充填料浆浓度的控制，主要分为无模型控制和模型控制两种。其中，模型控制是建立料浆生产过程的数学模型，以数学模型进行控制器设计，该方式由于使用了过程的动态特性信息，使得控制系统的输出更有针对性、更及时，从而有利于系统控制性能的提高。比如，专利CN202011011134.5公开了一种矿山充填浆料浓度高精度控制方法，其通过构造增广误差系统，将料浆浓度期望输出未来信息与生产过程模型进行融合，利用最优控制理论完成控制律的设计，但该方法没有考虑干扰对系统的影响。硕士学位论文(基于预见理论的矿山充填料浆浓度滑模控制研究，2021)则在增广误差系统的基础上，考虑匹配干扰对系统的影响，研究了料浆浓度的滑模控制问题。同样是考虑匹配干扰的影响，专利CN202011297097.9一种矿山充填浆料浓度鲁棒控制方法中，先将三阶滞后系统中的时滞算子近似为一阶惯性环节，得到无滞后的四阶系统，进而利用反演控制算法完成控制器的设计。
[0004]但是，上述方案在实际应用过程中存在如下问题：由于料浆生产过程环境极为复杂，仅考虑匹配干扰的控制系统鲁棒性差，因为系统还受到不匹配干扰的影响，所以提高系统对不匹配干扰的抑制能力，对增强系统的鲁棒性至关重要。另外，以上研究是假设全部状态属于可测量情形，这在实际应用中较难实现。
[0005]因此，如何为料浆生产过程设计一个基于有限输入信息且鲁棒性强的控制系统，对提高系统的抗干扰能力、保证料浆浓度稳定性具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法，其利用有限的输出信息设计高精度、强抗干扰能力的控制系统。
[0007]为解决上述问题，本专利技术所述的一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法包括：
[0008]S1、确定浆料生产过程的无滞后四阶系统，将其转化为状态空间形式并进行离散化，得到第一状态方程；
[0009]S2、将系统总干扰d(k)加入所述第一状态方程的状态、控制通道，得到第二状态方程；
[0010]S3、基于所述第二状态方程，使用改进指数趋近律设计滑模控制器，得到滑模控制器；
[0011]其中，所述改进指数趋近律为：
[0012]S(k+1)
‑
S(k)＝
‑
qT
s
S(k)
‑
εS2(k)T
s sgn(S(k))
[0013]式中，切换函数S(k)＝C
s
x(k)，C
s
为滑模面参数；q、ε为设计参数，且需要满足q＞0，0＜1
‑
qT
s
＜1，ε＞0；
[0014]S4、将输出信息和控制信息输入预设的观测器，对干扰信息和状态信息进行估计，输出相应的估计值和
[0015]S5、将所述估计值和代入所述滑模控制器的控制律u(k)，进行控制实施。
[0016]优选地，步骤S2中所述第二状态方程为：
[0017][0018]式中，T
s
是采样周期；A
s
、b
s
分别是系统矩阵和输入矩阵，C是系统的输出矩阵；
[0019]步骤S3中所述滑模控制器的控制律为：
[0020][0021]优选地，步骤S4中所述观测器为：
[0022][0023][0024][0025]式中，分别是对状态、干扰和输出的估计，L
x
、L
d
分别是状态和干扰估计的增益矩阵；C是系统的输出矩阵。
[0026]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
[0027]本专利技术基于浆料生产过程的无滞后四阶系统，提出一种滑模控制方案，将系统总干扰d(k)加入状态、控制通道后使用改进指数趋近律设计滑模控制器，提高了系统控制精度；通过设计特定的观测器，对系统状态和干扰同时估计，然后使用估计值和对滑模控制器中的状态x(k)和干扰d(k)进行替代，既实现输出反馈控制，又能对系统干扰(包括匹配干扰和不匹配干扰)完全补偿，增强了系统的鲁棒性。
[0028]结果表明，所设计的控制系统有效地稳定料浆浓度值，对系统干扰有很强的抑制能力，同时便于工程实现。本专利技术面向工程实际问题，成果将为矿山充填料浆生产控制提供
参考，对减少料浆浓度波动提高充填质量具有重要的应用价值。
附图说明
[0029]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0030]图1为本专利技术实施例提供的矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法的系统框图。
[0031]图2为本专利技术实施例提供的验证实验中系统响应曲线图。
具体实施方式
[0032]参考图1，本专利技术实施例提供的一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法具体包括如下内容(步骤S1
‑
S5)：
[0033]步骤S1、确定浆料生产过程的无滞后四阶系统，将其转化为状态空间形式并进行离散化，得到第一状态方程。
[0034]首先，确定无滞后四阶系统：传统方案中，经常将料浆上产过程用一个三阶惯性加滞后环节来表示，但由于料浆生产过程是一个大滞后系统，而对大滞后系统进行控制设计是件困难的事情，因此需要将其无滞后化。这里采用将三阶滞后系统中的时滞算子近似为一阶惯性环节，得到无滞后的四阶系统，具体的转化思路可以参考CN202011297097.9。无滞后的四阶系统如下。
[0035][0036]其中，T1、T2、T3为惯性环节的时间常数，τ为滞后时间。比如，某一金属矿山，经理论分析和实验测定，以上常数为：T1＝0.4，T2＝0.1，T3＝9，τ＝10。
[0037]其次，将无滞后四阶系统公式(1)表示为状态空间形式，并将常数代入，有：
[0038][0039]式中，y表示系统的输出，为料浆的浓度；C是系统的输出矩阵，且C＝[1 0 0 0]；表示系统的状态变量，由料浆浓度及其一、二和三阶导数组成；A
s
、b
s
分别是系统矩阵和输入矩阵，且有：
[0040][0041]最后，由于大多数料浆生产采用微机控制，因此有必要将公式(2)进行离散化，可得到第一状态方程：
[0042][004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿山充填料浆浓度输出反馈鲁棒控制方法，其特征在于，该方法包括：S1、确定浆料生产过程的无滞后四阶系统，将其转化为状态空间形式并进行离散化，得到第一状态方程；S2、将系统总干扰d(k)加入所述第一状态方程的状态、控制通道，得到第二状态方程；S3、基于所述第二状态方程，使用改进指数趋近律设计滑模控制器，得到滑模控制器；其中，所述改进指数趋近律为：S(k+1)
‑
S(k)＝
‑
qT
s
S(k)
‑
εS2(k)T
s
sgn(S(k))式中，切换函数S(k)＝C
s
x(k)，C
s
为滑模面参数；q、ε为设计参数，且需要满足q＞0，0＜1
‑
qT
s
＜1，ε＞...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐伟强，张靖华，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：