模糊PID控制器在刮板機鏈條的張力控制

薛麗萍

（西山煤電集團公司技術中心，山西 太原 030053）

模糊PID控制器在刮板機鏈條的張力控制

薛麗萍

（西山煤電集團公司技術中心，山西 太原 030053）

摘 要本文建立了刮板機張力控制模型，并結合模糊控制和PID控制技術設計了模糊PID控制器，分析了模糊PID控制器對鏈條張力的控制原理，研究了參數非線性、時變性對刮板輸送機鏈條張力控制系統的影響，制定了模糊控制規則以及模糊推理的方法。利用MATLAB軟件對建立的模型進行的仿真，表明模糊PID控制有較好的執行性能，較好地滿足刮板機鏈條的張力控制要求。

關鍵詞模糊PID控制器；刮板輸送機；張力控制；仿真

刮板輸送機鏈條的預張力控制對其運行性能和阻力都有較大的影響，而且刮板機機頭和機尾的摩擦阻力較大、鏈條剛度的非線性以及物料分布的不均勻特性，使得刮板機張力控制系統具有非線性和時變性。

PID控制本質上屬于線性控制［1］，其相對于非線性對象的控制效果卻不是很明顯［2］。由于模糊控制從根本上考慮其控制方式為非線性控制［3］，PID控制器控制方式應用在特定規則下的模糊控制方式，則PID控制器就包含了模糊控制功能。目前，模糊PID控制的研究較為成熟，郭奇等［4］針對電加熱鍋爐夾套溫度控制的大滯后、時變性等特點，設計了基于預測模型的模糊PID控制器；黃明輝等［5］結合PID和模糊控制的優點，基于S7－300PLC的模糊PID參數自整定控制算法，提高了模鍛液壓機活動橫梁的位置精度和運行可靠性。

圖1　刮板輸送機張力控制原理圖

1　刮板機張力控制原理及模型的建立

刮板輸送機張力控制系統是通過調節兩個鏈輪的間距來補償由于鏈條彈性而產生的張力變化。刮板輸送機張力調節的控制原理見圖1.

通過傳感器獲取張力輸出信號SA和SB，處理后便可得到SA和SB的實際值，經信號比較器比較，確定SA和SB與期望值的差值ΔSA和ΔSB后再經信號比較器比較。判定ΔSA、ΔSB是否超過許用誤差值，從而確定輸出eA、eB觸發信號值，此時，eA、eB的值可表示為下式：

式中：［ΔS］為許用張力差值，eA、eB可表示為液壓缸A和液壓缸B的控制發生器。這里，以eA的動作情況解釋其控制邏輯：當eA分別為－1、0、1時，液壓缸A完成伸出、停滯、收縮的動作。

2　控制器設計

在以PID控制為基礎的體系上，以誤差E和誤差變化率Ec為變量進行模糊輸入控制，對PID控制器中分別控制比例、積分和微分作用程度的參數KP、KI、KD進行調節，使被控系統具有良好的動靜態性能。

2.1模糊PID的控制體系組成結構

模糊PID控制體系組成結構，第一部分為參數可調的PID控制器，第二部分為模糊控制器，其結構示意圖見圖2.

圖2　模糊PID的控制系統結構示意圖

2.2模糊變量確定

模糊化是將實際域［emin，emax］、［˙emin，˙emax］生成模糊域E＝［E1，E2…En］、Ec＝［Ec1，Ec2…Ecm］的過程。一般情況下，n＝m.可以將E取為7個值，E＝［負大，負中，負小，零，正小，正中，正大］，記為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝.以偏差e為例，｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝為模糊域。等分三角形隸屬度函數圖見圖3，圖3中的橫軸表示為：1）實際精確的輸入量e.2）模糊論域及其量化值。其中｛e｝不一定是整數，可整取，則就有：E＝｛－3，－2，－1，0，1，2｝，同樣，EC及Ec也可仿此處理。

圖3　等分三角形隸屬度函數圖

圖4　刮板輸送機鏈條張力控制系統圖

在PID控制器中，輸出控制量：

轉化為模糊量化控制的輸出控制量為：

式中：E（k）、Ec（k）為第k步控制時輸出偏差量e及偏差變化量ec的模糊量化值，而Kp、K1、KD可按模糊控制規則確定。

2.3解模糊

模糊推理的結果不能直接用于控制被控對象，需要先轉化成執行器可以執行的精確量。

在已知E、E0的量化量｛e｝，｛ec｝之后，按規則可事先設計出KP、KI、KD的控制查詢表，由查詢表分別查出KP、KI、KD，同樣以為KP為例，列出查詢表，見表1，同理可知KI、KD的查詢表。再由式（3）計算出輸出量U，U的域為：［Umin，Umax］，而控制伺服閥的電流設定區域為：［Imin，Imax］，由于控制是對稱的，則需要引入調整因子：

表1　KP查詢表

則控制電流Id＝λU（K）.根據式（4）得出模糊PID控制的刮板輸送機鏈條張力控制系統控制圖見圖4.

3　仿真實例分析

以某型號頭、尾雙驅動刮板機為例，選擇Matlab仿真軟件分析，得到模糊PID控制時尾部的張力控制節點的張力控制效果前后對比見圖5.

圖5　模糊PID張力控制前后對比效果圖

從圖5可以看出，應用模糊PID在張力調節系統的控制過程實現了較理想的控制效果，系統過渡過程相較常規PID控制而言，實現了利用更短的時間、以更小的超調量達到穩定狀態，在0.3 s后，刮板輸送機預張力趨于穩定。

4　結束語

從Matlab仿真結果看，模糊PID控制具有較小的超調量和較短的調節時間，說明其具有較好的動態響應特性和較好的系統穩定性。將PID控制與模糊控制有效地結合起來構成模糊PID控制，并應用于刮板輸送機張力調節控制系統，可較好地增強刮板輸送機張力調節過程的穩定性。

參 考 文 獻

［1］ 毛 君，李貴軒.刮板輸送機動力學行為分析與控制理論研究［M］.沈陽：遼寧大學出版社，2006：17－18.

［2］ 劉金坤.先進PID控制及MATLAB仿真［M］.北京：電子工業出版社，2004：24－25.

［3］ 姚春德，劉小平.基于模糊PID控制的可變配氣相位控制系統仿真研究［J］.兵工學報，2007，28（09）：1027－1028.

［4］ 郭 奇，楊秀利.基于預測模型的模糊－PID控制及仿真研究［J］.控制工程，2011，18（03）：361－363.

［5］ 黃明輝，熊歡歡.模糊PID在液壓機位置控制系統中的應用［J］.控制工程，2011，18（01）：15－17.

中圖分類號：TD63＋4.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672－0652（2015）02－0050－03

收稿日期：2015－01－07

作者簡介：薛麗萍（1974—），女，山西離石人，2014年畢業于東北大學，工程師，主要從事煤礦機電技術研究工作（E－mail）Xlp6215686＠163.com

Tension Control of Fuzzy PID Controller in Scraper Conveyor Chain

XUE LiPing

AbstractEstablishes the tension control model of scraper conveyor，and combines with fuzzy control and PID control technology，designs fuzzy PID controller.The control theory of the fuzzy PID controller to chain tension is analyzed.The influence of parametrical nonlinearity and time－characteristic to scraper conveyer chain tension control system is studied.The fuzzy control rule and the method of fuzzy reasoning is developed.Utilizes MATLAB software simulating the established model，the simulation result shows that the fuzzy PID control has a good performance，it better satisfies the tension control requirement of scraper conveyor chain.

Key wordsFuzzy PID controller；Scraper conveyer；Tension control；Simulation