[发明专利]一种基于分数阶PID控制的核动力装置管路系统减振降噪方法

说明书

本发明涉及一种基于分数阶PID控制的核动力装置管路系统减振降噪方法，通过动力方程建立的核动力装置典型管路系统数学模型能够较好地描述实际系统情况；利用粒子群优化算法能够快速的找到使得系统振动抑制效果最优的控制器参数，即比例增益Kp，积分增益Ki，微分增益Kd，积分阶次λ，微分阶次μ；相较于开环和闭环控制方法，通过引入分数阶PID控制器，能有效的实现对核动力装置典型管路系统振动的抑制；引入分数阶PID输出反馈控制器后其振动的信号能量最高可在开环基础上降低9％。引入分数阶PID状态反馈控制器后其振动的信号能量最高可在开环基础上降低35％。

技术领域

本发明属于工艺系统管路系统主动减振领域，特别涉及一种一种基于分数阶PID控制的核动力装置管路系统减振降噪方法。

背景技术

振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，可分为被动控制与主动控制两类。被动控制由于不需外界能源，装置结构简单，许多场合下减振效果与可靠性较好，已经获得广泛应用。但随着科学技术的发展，以及人们对振动环境、产品与结构振动特性越来越高的要求，被动控制已难以满足要求，因此主动控制策略被更多的引入到减振降噪的过程中。

振动主动控制是指在振动控制过程中根据所检测到的振动信号，应用一定的控制策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。凭借其效果好、适应性强，综合多学科的特点，以及良好的控制效果和强大的适应能力受到当前机械工程方面的认可。魏辰等提出一种考虑管路结构变形的主动控制策略，以连续梁模型为基础建立复杂管路系统模型，将系统动力方程经模态变换到广义坐标下，针对广义坐标设计主动控制器，以减小管路各个部位各个方向上的振动。

基于分数阶的主动控制是近些年来控制方向研究的热点，相对于传统主动控制，基于分数阶的主动控制在其基础上引入了阶次参数，使得控制器的控制范围更加广阔，控制方法也更加灵活。陈炎东等人提出里利用分数阶PID控制实现对复杂车辆悬架系统的减振控制，通过建立1/4车辆二自由度非线性悬架数学模型,然后结合分数阶微积分理论,设计分数阶PID控制器,其实验结果表明，通过该方法可以有效的实现对复杂车辆悬架系统的振动抑制。

经检索，针对核动力装置典型管路系统这个复杂且高纬的系统，采用分数阶PID控制器实现对其振动的控制这一方法目前未在该领域上使用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明针对现有方法的不足，提出了在核动力装置典型管路系统上采用分数阶PID输出反馈控制和分数阶PID状态反馈控制的减振方法，该方法在传统整数阶PID控制参数基础上，增加了两个阶次参数λ、μ，使得控制器更能精准的匹配系统模型。

本发明的技术方案是：一种基于分数阶PID控制的核动力装置管路系统减振降噪方法，包括以下步骤：

步骤1：建立典型管路系统的振动模型，包括以下子步骤：

步骤1.1：质点体系运动时要满足的控制方程为，

其中m是系统的质量矩阵，c是系统的阻尼矩阵，k是系统的刚度矩阵，u是质点的位移，p(t)是给予质点的力；

步骤1.2：进一步得到核动力装置典型管路系统的动力方程为，

其中α是管路系统的质量矩阵，β是管路系统的阻尼矩阵，δ是管路系统的刚度矩阵，r是管路中液体的位移，f(t)是液体所受到的力；

步骤1.3：定义状态向量x＝[r,dr/dt]T，得出

从而得到系统的观测方程为，

其中N是n×q维的索引矩阵，每一列只包含一个非零项，该项标记一个被加速度计监视的特定自由度；