一种基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法与流程

本发明属于氢能流量计驱动控制，具体涉及一种基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法。

背景技术：

1、氢能科里奥利流量计，即应用于氢能源领域的科里奥利质量流量计(coriolismass flowmeter)，是一种利用流体在振动管道中流动时产生的与质量流量成正比的科里奥利力原理来直接测量流体质量流量的装置。它由流量检测元件和转换器组成，通过检测流体在管道中流动时产生的相位差来测量其质量流量。由于科里奥利流量计的原理是基于流体在管道中的动态行为，因此其测量精度较高，能够满足氢能领域对精确测量的需求。氢能科里奥利流量计适用于多种流体介质，在氢能领域具有广泛的应用前景。随着氢能技术的不断发展，氢能科里奥利流量计的应用也将得到进一步推广和优化。

2、流量计的驱动控制系统主要负责对流量计的运作进行精准的控制和调节。通过不断调整驱动机构的参数，控制单元能够使流量计的测量值逐渐接近设定值，从而实现对流量的精确调节。传统的驱动系统采用pid控制器来控制。但这种pid控制方式调节时间长，且控制精度有限。对此，《科氏质量流量计驱动系统模糊pi控制方法》(黄世震，欧阳峰，《太赫兹科学与电子信息学报》，2014年第12卷第1期)一文提出了一种模糊比例积分(pi)控制方法，其在两相流状态下取得了更快的响应速度和更稳定的振动幅值。但是，其较快响应速度和较稳定振动幅值的获得主要是通过调节pi控制参数实现的，而控制参数的选择严重依赖于专家经验，这可能导致控制参数选择不合理，从而影响流量计的响应速度和控制精度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术所存在的氢能科里奥利流量计的驱动控制系统采用pid控制方法时调节时间长且控制精度有限、以及采用模糊pi控制方法依赖于专家经验而影响响应速度和控制精度的问题，而提供了一种基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，其在氢能科里奥利流量计驱动控制系统中引入有限时间收敛的控制思想，能获取更好的瞬态性能、更快的收敛速度和更高的控制精度。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、一种基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1，建立氢能科里奥利质量流量计的振动管的动力学模型；

5、步骤2，构建扩张状态观测器，用于在线估计流量计驱动控制系统的集总不确定，集总不确定包括驱动控制系统的不确定性和外部干扰；

6、步骤3，设计分层终端滑模控制器，以确定步骤1建立的动力学模型中的由流量计中驱动器的驱动线圈产生的静电驱动力，并将步骤2得到的集总不确定前馈至所确定的静电驱动力中，实现驱动控制系统的跟踪误差在有限时间内收敛，其中在终端滑模面中引入积分项，以削弱滑模控制的抖振。

7、进一步地，步骤1包括：

8、步骤1.1，建立流量计振动管的动力学模型如下：

9、

10、式中，和x分别为流量计振动管的振动加速度、振动速度和振动位移，m为振动管的质量，c和k分别为振动管的阻尼系数和刚度系数，d(t)为振动管接收到的振动，f为由驱动线圈产生的静电驱动力；

11、步骤1.2，令c＝c0+δc和k＝k0+δk，其中c0和k0分别为振动管阻尼系数和刚度系数中已知的常值部分，δc和δk为未知不确定参数，将动力学模型表述为：

12、

13、式中，表示系统不确定性，集总不确定为

14、进一步地，步骤2包括：

15、步骤2.1，将动力学模型写为扩张状态方程：

16、

17、式中，z1＝x，h为集总不确定φ的导数；

18、步骤2.2，设计扩张状态观测器，得到集总不确定φ的估计

19、

20、式中，为zi的估计，αi为观测器增益，αi＞0，i＝1,2,3。

21、进一步地，步骤3包括：

22、步骤3.1，定义驱动控制系统的跟踪误差e：

23、e＝x-xr

24、式中，xr为振动管振动位移的参考轨迹，ar为参考轨迹的振幅，为参考轨迹的频率；

25、步骤3.2，定义分层终端滑模面：

26、

27、

28、式中，和为设定常数，sign(·)为符号函数；和为自适应滑模参数，其自适应更新律为：

29、

30、式中，和为设定常数，proj(·)为光滑参数投影函数：

31、

32、式中，ξ'为proj(·)函数的输入，为proj(·)函数的输出；

33、步骤3.3，确定流量计驱动控制器：

34、

35、式中，κ1、κ2和υ为设定常数，且κ1＞0，κ2＞0，0＜υ＜1。

36、本发明的优点是：

37、1、本发明的基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，对氢能流量计的振动管建立了动力学模型，构建了扩张状态观测器来在线估计流量计驱动控制系统的集总不确定，将集总不确定前馈至通过分层终端滑模控制器确定的模型中的静电驱动力，实现了流量计驱动控制系统的跟踪误差在有限时间内的收敛控制。因此，本发明通过设计分层终端滑模控制器，能获得更好的瞬态性能和更快的收敛速度，同时考虑了系统的各种不确定性和扰动的影响，能获得更好的控制精度。

38、2、本发明设计的分层终端滑模控制器具有非奇异特性，且积分项的引入能够有效减少终端滑模控制的抖振现象，能进一步提高控制精度。

技术特征：

1.一种基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求2所述的基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

4.根据权利要求3所述的基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：

技术总结
本发明提供了一种基于分层终端滑模的氢能流量计有限时间收敛驱动控制方法，包括：建立流量计振动管的动力学模型；构建扩张状态观测器，用于在线估计流量计驱动控制系统的集总不确定，集总不确定包括驱动控制系统的不确定性和外部干扰；设计分层终端滑模控制器，以确定所建立动力学模型中的由流量计中驱动器的驱动线圈产生的静电驱动力，并将所得到的集总不确定前馈至所确定的静电驱动力中，实现驱动控制系统的跟踪误差在有限时间内收敛，其中在终端滑模面中引入积分项，以削弱滑模控制的抖振。本发明通过设计分层终端滑模控制器，能获得更好的瞬态性能和更快的收敛速度，同时考虑了系统的各种不确定性和扰动的影响，能获得更好的控制精度。

技术研发人员：李小瑞,张睿,韩晨超,张鹏
受保护的技术使用者：西安鼎正测控科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5