本发明涉及余热利用控制，具体而言是海洋核动力船用溴化锂制冷机变结构控制系统和控制方法。
背景技术：
海洋核动力船舶可为远洋开发提供电、淡水、热能等，因其具有功率大、换料周期长、机动性好的优势而获得迅速发展。为了节能减排、提高核动力的利用效率，船上的大型负荷设备如溴化锂制冷机通常采用核动力的乏汽作为动力源。
目前，溴化锂制冷机的控制系统普遍采用pid控制器，pid控制器的参数整定以经验为主，控制系统所采集的信息量有限，智能化程度较低。
核动力船舶工况变化较大，当核动力在低负荷工况运行时，其乏汽的变化很大，往往导致溴化锂制冷机产生不稳定因子，使常规的pid控制方法很难实现稳定控制。一旦出现这种情形，通常要靠具有丰富经验的操作人员进行手动控制，待稳定后再转为自动控制，不仅操作复杂繁琐，而且自动化程度低，控制效率不高。
针对现有技术的上述不足，本发明提出一种参数整定简单、系统灵敏性和鲁棒性良好的海洋核动力船用溴化锂制冷机变结构控制系统和控制方法。采用本发明，既保留了pid控制器在稳态工况下的良好品质，又解决了低负荷变工况下的系统不稳定问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种参数整定简单、系统灵敏性和鲁棒性良好的海洋核动力船用溴化锂制冷机变结构控制系统和控制方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海洋核动力船用溴化锂制冷机变结构控制系统，包括溴化锂制冷机、乏汽管道、冷水进口管、冷水出口管和可编程控制器，其特征是乏汽管道通过电动调节阀与溴化锂制冷机连接，乏汽管道上设置有乏汽压力传感器和乏汽温度传感器，冷水进口管上设置有进水温度传感器，冷水出口管上设置有出水温度传感器，可编程控制器包括选择开关、逻辑运算器、切换开关、pid控制器和混合控制器，混合控制器包括用于组成闭环控制的第一控制器、第三控制器和用于确保系统稳定裕度和灵敏性的第二控制器，pid控制器的信号输入端和信号输出端、混合控制器的信号输入端和信号输出端分别与切换开关连接，乏汽压力传感器、乏汽温度传感器、进水温度传感器和出水温度传感器的信号输出端分别与逻辑运算器的信号输入端连接，逻辑运算器的信号输出端与切换开关连接，电动调节阀的控制信号输入端与切换开关连接。
用上述控制系统对海洋核动力船用溴化锂制冷机进行变结构控制的方法，包括以下步骤：
s1.选择切换模式；
将选择开关置于“手动”或“自动”处；
s2.选择控制模式；
s2.1.手动选择；
选择开关置于“手动”处，操作人员根据系统工况和经验，将切换开关置于“pid控制器”或“混合控制器”处；
s2.2.自动选择；
选择开关置于“自动”处，逻辑运算器根据乏汽压力传感器、乏汽温度传感器、进水温度传感器和出水温度传感器的信号，进行逻辑运算，判断当前系统工况并自动输出信号：当乏汽量较小且变化较大，冷水温差值较大且变化较大，系统可能会出现不稳定状态时，将切换开关切换至“混合控制器”；其他情况下，则将切换开关切换至“pid控制器”；
s3.变结构控制；
s3.1.传统pid控制；
当步骤s2选择“pid控制器”时，由pid控制器对溴化锂制冷机进行传统pid控制；
s3.2.解析式混合控制；
当步骤s2选择“混合控制器”时，由混合控制器对溴化锂制冷机进行解析式混合控制；
s3.2.1.建立数学模型；
通过测试获得被控对象的数学模型，以分子解析式表示为：
p＝kp(s+e1)(s+e2)…(s+eg)/(s+f1)(s+f2)…(s+fh)
式中：h>g，ei(i＝1、2、…g)为零点，fj(j＝1、2、…h)为极点，kp为比例系数，均为无量纲系数，p的输入函数为阀门开度函数，输出函数为冷水出口温度函数；
s3.2.2.计算灵敏性函数s；
在稳定性条件和性能约束条件下，获取具有最优灵敏性的s函数；
s3.2.2.1.给定一组合理的闭环函数t极点和s函数的部分零点。t与s互为补函数，t＝1-s，t直接影响系统的稳定性，s直接影响系统的灵敏性，两者相互制约；
s3.2.2.2.根据系统性能指标要求，确定一组包括稳定性条件和性能约束条件的约束条件，作为插值条件；
s3.2.2.3.通过插值方法，求取s函数。即在d域内寻找一组闭环极点，在f域内寻找必须给定的s函数零点，使得min||s||∞<q；
s3.2.2.4.求取t函数；t＝1-s，计算||t||∞值，是否满足要求,若不满足要求，则返回到步骤s3.2.2.1，重新给定一组合理的闭环函数t极点和s函数的部分零点，进行计算。直到得到符合要求的s函数；
s3.2.3.计算混合控制器的传递函数c；
由步骤s3.2.1-s3.2.2得到的p函数、t函数和s函数，根据以下公式，求得c函数，
c＝t/ps；
s3.2.4.计算第一控制器、第二控制器和第三控制器的分函数c1、c2和c3；
上述求得的c以解析式表示为：
c＝kk(s+b1)(s+b2)...(s+bm)/(s+a1)(s+a2)...(s+an)
式中kk常量，s为变量，ai(i＝1、2、…n)、bj(j＝1、2、…m)分别为极点和零点，n>m；
设:由c1、c3组成闭环回路的传递函数cuv＝(s+a)/k(s-a),
c1＝k1(s+d)/(s+b),c3＝k2；
则有d＝a,k1＝1,k2＝k-1,b＝(-2k+1)a，其中k<1/2,k≠0；
c2＝k*kk(s+b1)(s+b2)...(s+bm)/(s+a)(s+a2)...(s+an)；
s3.2.5.搭建混合控制器；
c具有一个右半平面极点a,设a1＝-a,a>0,c为不稳定控制器，故搭建混合控制器：c1、c3组成闭环回路，实现c的不稳定部分，c2实现c的其余部分；
s3.2.6.混合控制器对溴化锂制冷机进行解析式混合控制；
混合控制器根据出水温度给定值同出水温度传感器的差值，用控制算法计算出有效的阀门开度值，控制电动调节阀的开度，调节进入溴化锂制冷机的乏汽量，直至冷水温度到达给定值并且系统运行稳定。
本发明提供的海洋核动力船用溴化锂制冷机变结构控制系统，能够自动识别工况并根据工况在“pid控制器”和“混合控制器”之间切换：当乏汽量较小且变化较大，冷水温差值较大且变化较大，系统可能会出现不稳定状态时，切换至“混合控制器”控制；其他情况下，则切换至“pid控制器”控制。这样，既保留了pid控制器在稳态工况下的良好品质，又解决了低负荷变工况下的系统不稳定问题。
本发明采用混合控制器，它由第一控制器、第三控制器和第二控制器等三个稳定的、可实现的控制器组成，其中，第一控制器和第三控制器组成闭环控制，第二控制器用于确保系统稳定裕度和灵敏性，有效保证了整个变结构控制系统在低负荷工况仍然能够稳定运行。
本发明的混合控制器采用插值方法求解，即在满足灵敏性和一定鲁棒性的性能指标要求下，进行h∞次最优求解。由于通过解析式求解，故参数整定简单，系统具有较好的灵敏性和鲁棒性。
本发明利用可编程控制器实现数据分析、多种控制器数字化、变结构控制、参数自整定、全过程自动控制，系统自动化程度和智能化程度高。
附图说明
图1为本发明的控制系统结构示意图；
图2为本发明的可编程控制器结构示意图；
图3为本发明的混合控制器结构示意图。
图中：1-溴化锂制冷机；2-乏汽管道；3-冷水进口管；4-冷水出口管；5-可编程控制器；5.1-选择开关；5.2-逻辑运算器；5.3-切换开关；5.4-pid控制器；5.5-混合控制器；5.5.1-第一控制器；5.5.2-第二控制器；5.5.3-第三控制器；6-电动调节阀；7-乏汽压力传感器；8-乏汽温度传感器；9-进水温度传感器；10-出水温度传感器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
如图所示的一种海洋核动力船用溴化锂制冷机变结构控制系统，包括溴化锂制冷机1、乏汽管道2、冷水进口管3、冷水出口管4和可编程控制器5，乏汽管道2通过电动调节阀6与溴化锂制冷机1连接，乏汽管道2上设置有乏汽压力传感器7和乏汽温度传感器8，冷水进口管3上设置有进水温度传感器9，冷水出口管4上设置有出水温度传感器10，可编程控制器5包括选择开关5.1、逻辑运算器5.2、切换开关5.3、pid控制器5.4和混合控制器5.5，混合控制器5.5包括用于组成闭环控制的第一控制器5.5.1、第三控制器5.5.3和用于确保系统稳定裕度和灵敏性的第二控制器5.5.2，pid控制器5.4的信号输入端和信号输出端、混合控制器5.5的信号输入端和信号输出端分别与切换开关5.3连接，乏汽压力传感器7、乏汽温度传感器8、进水温度传感器9和出水温度传感器10的信号输出端分别与逻辑运算器5.2的信号输入端连接，逻辑运算器5.2的信号输出端与切换开关5.3连接，电动调节阀6的控制信号输入端与切换开关5.3连接。
用上述控制系统对海洋核动力船用溴化锂制冷机进行变结构控制的方法，包括以下步骤：
s1.选择切换模式；
将选择开关5.1置于“手动”或“自动”处；
s2.选择控制模式；
s2.1.手动选择；
选择开关5.1置于“手动”处，操作人员根据系统工况和经验，将切换开关5.3置于“pid控制器”或“混合控制器”处；
s2.2.自动选择；
选择开关5.1置于“自动”处，逻辑运算器5.2根据乏汽压力传感器、乏汽温度传感器、进水温度传感器和出水温度传感器的信号，进行逻辑运算，判断当前系统工况并自动输出信号：当乏汽量较小且变化较大，冷水温差值较大且变化较大，系统可能会出现不稳定状态时，将切换开关5.3切换至“混合控制器”；其他情况下，则将切换开关5.3切换至“pid控制器”；
s3.变结构控制；
s3.1.传统pid控制；
当步骤s2选择“pid控制器”时，由pid控制器5.4对溴化锂制冷机进行传统pid控制；
s3.2.解析式混合控制；
当步骤s2选择“混合控制器”时，由混合控制器5.5对溴化锂制冷机进行解析式混合控制；
s3.2.1.建立数学模型；
通过测试获得被控对象的数学模型，以分子解析式表示为：
p＝kp(s+e1)(s+e2)…(s+eg)/(s+f1)(s+f2)…(s+fh)
式中：h>g，ei(i＝1、2、…g)为零点，fj(j＝1、2、…h)为极点，kp为比例系数，均为无量纲系数，p的输入函数为阀门开度函数，输出函数为冷水出口温度函数；
s3.2.2.计算灵敏性函数s；
在稳定性条件和性能约束条件下，获取具有最优灵敏性的s函数；
s3.2.2.1.给定一组合理的闭环函数t极点和s函数的部分零点。t与s互为补函数，t＝1-s，t直接影响系统的稳定性，s直接影响系统的灵敏性，两者相互制约；
s3.2.2.2.根据系统性能指标要求，确定一组包括稳定性条件和性能约束条件的约束条件，作为插值条件；
s3.2.2.3.通过插值方法，求取s函数。即在d域内寻找一组闭环极点，在f域内寻找必须给定的s函数零点，使得min||s||∞<q；
s3.2.2.4.求取t函数；t＝1-s，计算||t||∞值，是否满足要求,若不满足要求，则返回到步骤s3.2.2.1，重新给定一组合理的闭环函数t极点和s函数的部分零点，进行计算。直到得到符合要求的s函数；
s3.2.3.计算混合控制器5.5的传递函数c；
由步骤s3.2.1-s3.2.2得到的p函数、t函数和s函数，根据以下公式，求得c函数，
c＝t/ps；
s3.2.4.计算第一控制器5.5.1、第二控制器5.5.2和第三控制器5.5.3的分函数c1、c2和c3；
上述求得的c以解析式表示为：
c＝kk(s+b1)(s+b2)...(s+bm)/(s+a1)(s+a2)...(s+an)
式中kk常量，s为变量，ai(i＝1、2、…n)、bj(j＝1、2、…m)分别为极点和零点，n>m；
设:由c1、c3组成闭环回路的传递函数cuv＝(s+a)/k(s-a),
c1＝k1(s+d)/(s+b),c3＝k2；
则有d＝a,k1＝1,k2＝k-1,b＝(-2k+1)a，其中k<1/2,k≠0；
c2＝k*kk(s+b1)(s+b2)...(s+bm)/(s+a)(s+a2)...(s+an)；
s3.2.5.搭建混合控制器；
c具有一个右半平面极点a,设a1＝-a,a>0,c为不稳定控制器，故搭建混合控制器：c1、c3组成闭环回路，实现c的不稳定部分，c2实现c的其余部分；
s3.2.6.混合控制器5.5对溴化锂制冷机1进行解析式混合控制；
混合控制器5.5根据出水温度给定值同出水温度传感器10的差值，用控制算法计算出有效的阀门开度值，控制电动调节阀6的开度，调节进入溴化锂制冷机1的乏汽量，直至冷水温度到达给定值并且系统运行稳定。
实施例一：用于某核动力船溴化锂制冷机控制。50万大卡制冷机，乏汽压力0.16-0.45mpa,乏汽管道dn50，采用本控制方法实现如下。
s1.选择切换模式；
将选择开关5.1置于“自动”处；
s2.选择“自动”控制模式；
选择开关5.1置于“自动”处，逻辑运算器5.2根据乏汽压力传感器、乏汽温度传感器、进水温度传感器和出水温度传感器的信号，进行逻辑运算，判断当前系统工况并自动输出信号：当乏汽量较小，压力小于0.16mpa，且变化较大，冷水温差值较大,大于5℃,且变化较大，系统可能会出现不稳定状态时，将切换开关5.3切换至“混合控制器”；其他情况下，则将切换开关5.3切换至“pid控制器”；
s3.变结构控制；
s3.1.传统pid控制；
当步骤s2选择“pid控制器”时，由pid控制器5.4对溴化锂制冷机进行传统pid控制；
s3.2.解析式混合控制；
当步骤s2选择“混合控制器”时，由混合控制器5.5对溴化锂制冷机进行解析式混合控制；
s3.2.1.建立数学模型；
通过测试获得被控对象的数学模型，以分子解析式表示为：
p＝(s-2)/s(s-1)
s3.2.2.计算灵敏性函数s；
在稳定性条件和性能约束条件下，即||t||∞<4和||s||∞<4,获取具有最优灵敏性的s函数；
s3.2.2.1.给定一组合理的闭环函数t极点和s函数的部分零点。给定极点-1，-0.3，零点0，1；
s3.2.2.2.根据系统性能指标要求，确定一组包括稳定性条件和性能约束条件的约束条件，作为插值条件；
s3.2.2.3.通过插值方法，求取s函数。即在d域内寻找一组闭环极点，在f域内寻找必须给定的s函数零点，使得min||s||∞<4；
s＝s(s-1)(s+116.6)/(s+0.3)(s+1)(s+32.3)，||s||∞＝3.57<4,满足要求；
s3.2.2.4.求取t函数；
t＝(-82s2+126.6s+9.7)/(s+0.3)(s+1)(s+32.3)
||t||∞＝3.67<4，满足要求；
s3.2.3.计算混合控制器5.5的传递函数c；
由步骤s3.2.1-s3.2.2得到的p函数、t函数和s函数，根据以下公式，求得c函数，
c＝t/ps＝(-82s2+126.6s+9.7)/(s-2)(s+116.6)；
s3.2.4.计算第一控制器5.5.1、第二控制器5.5.2和第三控制器5.5.3的分函数c1、c2和c3；
设:由c1、c3组成闭环回路的传递函数cuv＝(s+2)/0.3(s-2),
则有c1＝(s+2)/(s+0.8),c3＝-0.7；
c2＝(-24.6s2+38s+2.9)/(s+2)(s+116.6)；
s3.2.5.搭建混合控制器；
c具有一个右半平面极点2,c为不稳定控制器，故搭建混合控制器：c1、c3组成闭环回路，实现c的不稳定部分，c2实现c的其余部分；
s3.2.6.混合控制器5.5对溴化锂制冷机1进行解析式混合控制；
混合控制器5.5根据出水温度给定值同出水温度传感器10的差值，用控制算法计算出有效的阀门开度值，控制电动调节阀6的开度，调节进入溴化锂制冷机1的乏汽量，直至冷水温度到达给定值并且系统运行稳定。
本说明书中未做详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。