浅谈滑模变结构在传统控制系统中的特点

刘娜

【摘要】文章从传统的继电器-接触器控制技术入手，分析了其优缺点，然后对PLC新型控制系统进行了类比，发现PLC系统在矿用提升仿真系统中能很好的弥补了传统控制技术的弊端，整体上提高了提升系统的安全性和效率。PLC系统由于选型没有严格的标准，元器件自身的缺陷以及没有稳定的通信功能，使得PLC控制技术没有得到广泛的推广和应用。

【关键词】继电器-接触器控制系统 变结构 PLC系统 类比

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）13-0223-01

一、传统继电器-接触器控制系统

我国的煤矿企业绝大多数采用交流电动机作为提升的动力来源，通过继电器-交流接触器控制交流电动机作为主要的控制技术，这样的控制方法还将持续很长的时间。那么传统的继电器-交流接触器控制技术的缺点究竟有哪些？主要归纳为以下几点：1.占用空间大。由于提升的重量大，要求电器元件的功率大，从而元器件的体积大，一套完整的电控系统需要有熔断器、断路器、刀开关等配电电器，还需要有交流接触器、主令电器、各种继电器组成的控制电器，这些元器件安装在一个控制区域内，占用空间大。2.电磁干扰严重。交流接触器、各种继电器大多是电磁系统，由于大电流流过线圈，产生的磁场密集，当两个或以上磁场的方向相同，就会产生叠加，从而强磁场出现，这个磁场中的仪表仪器就可能失效，从而影响了整个提升系统的稳定性。3.接触器、继电器自身缺陷。接触器、继电器、刀开关等都是通过触点来完成线路的接通和切断，机械触点都有机械寿命和电气寿命，使用的次数较多，触点烧蚀就严重，当操作次数在1/4机械寿命时，可以通过一些简单的方法进行处理，如果长期重复处理，导致触点无法使用，只能更换接触器或继电器，这样就影响到生产。4.电气故障多。对于提升系统而言，机械部分维护保养准时、彻底，机械部分故障较少，出現的故障可以检查找出，维修相对简单。而元器件种类多，故障出现的几率大，主要体现在触点故障，一旦出现故障，查找是难点，这就需要有丰富工作经验的电工来排故，提升系统电气比较复杂，排除故障的时间就长，有可能耽误生产。终上所述，传统的继电器-接触器控制系统由于故障较多，效率低下，能量损耗严重，逐步退出历史的舞台。

PLC控制技术作为换代产品出现，经过多年的使用和改进，PLC控制系统成为了工业企业和生产企业的核心控制技术，和传统的控制系统相比有体积小、功能强大、可靠性高等优点。和继电器、接触器的触点相比，PLC是“软触点”，也就是虚拟触点，一次接线完毕，通过内部触点的切换来实现电路的接通和关断。PLC系统由于选型没有严格的标准，元器件自身的缺陷以及没有稳定的通信功能，使得PLC没有得到广泛的推广和应用。

二、滑模变结构

由于PLC系统是数字系统，也是离散系统，所以选择适当的采样周期非常重要，本文选取0.001s。滑模变结构理论在中国的发展将近40年，已经形成了比较完善的理论体系，并且逐步应用到各行各业中。趋近律是变结构控制的典型策略，大多数控制就是直接使用趋近律或把趋近律变形后应用到控制系统中。传统趋近律分为幂次趋近律、指数趋近律、等速趋近律和一般趋近律[1]，其中四种趋近律都各有优缺点。每一种趋近律的选择与其微分形式有关，幂次趋近律运用于控制精度不高的控制系统中，由于指数a的取值范围较小，导致了其有先天的缺陷，不能直接使用。指数趋近律使用较广，由于微分形式简单而且便于计算，工程上使用较多。等速趋近律和一般趋近律使用较少，不经过结合或变形直接使用，有可能导致系统不可控或不稳定。

指数趋近律的一般形式为

s=-ksgn（s）-？着s k>0，？着>0 （1）

对（1）求积分，得出：

s=k/？着+ce-？着t c为常数 （2）

（2）中k、？着均为常数，s（t）为滑动模态，即滑模面，系统轨迹在理想状态下经有限次穿越后停留在滑模面上，由于■■的存在，使得系统轨迹无论怎么穿越都不可能停留在滑模面上，只能停留在滑模面上下两侧的等幅值面上，从而系统能产生一定的抖振[2]。接下来验证指数趋近律的可达性：

ss=s·（-ksgn（s）-？着s）=-ks·sgn（s）-ks2<0满足到达条件。

经过推导，系统轨迹到达滑模面的时间为：

t=ln（k/？着2c） （3）

（3）中可以得出，系统轨迹在有限的时间内达到。

综上所述，指数趋近律满足可达性和在有限的时间内到达滑模面，符合滑模变结构的控制要求。指数趋近律应用到矿用提升系统的控制中，主要体现在罐笼上升和下降的具体回路中，罐笼的上升和下降是提升系统的核心所在。

三、滑模变结构与传统继电器-接触器结合

传统继电器-接触器控制系统逐渐被PLC控制系统所代替，由于PLC控制系统的特点，将滑模变结构与PLC相结合应用到矿用仿真系统中，将大大改善提升系统的功能，提高系统的安全性。

参考文献：

[1]刘金琨.滑模变结构控制MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社 ，2005，3：34-56.

[2]高为炳.变结构控制的理论及设计方法[M].北京：科学出版社 ，1996.