基于模糊自適應(yīng)PID的皮帶運輸速度控制系統(tǒng)

摘 要： 結(jié)合礦井皮帶運輸啟動速度的調(diào)控特點，采用總線式監(jiān)控方式，在分析皮帶PLC控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套皮帶運輸速度控制模糊自適應(yīng)PID控制策略，通過調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)速度控制的精確定位。比較常規(guī)的PID、模糊控制與模糊自適應(yīng)PID的控制性能，得出模糊自適應(yīng)PID具有較快的響應(yīng)速度，較小的超調(diào)量、更快達到穩(wěn)態(tài)、更強的抗干擾能力等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對皮帶系統(tǒng)速度的最佳控制。仿真結(jié)果表明模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)能夠有效地控制皮帶運輸?shù)乃俣瓤刂疲瑯O大地保證運輸系統(tǒng)的安全。

關(guān)鍵詞： 皮帶運輸； 速度控制； 模糊控制； PID控制

中圖分類號： TN919?34； TD528 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0168?03

Abstract： In combination with the control characteristics of belt transportation starting speed of the mine， and applying the bus?based monitoring mode， a set belt transportation speed control based on fuzzy adaptive PID control strategy was designed on the basis of the analysis of belt PLC control， in which the precise positioning of speed control is realized by adjusting the para?meters. The control performance of the conventional PID， fuzzy control and fuzzy adaptive PID are compared. The comparison results show that the fuzzy adaptive PID has the advantages of faster response speed， smaller overshoot， stronger anti?interference ability， and shorter time to achieve the steady state， which can realize the best control for the speed of the belt system. The si?mulation results show that the fuzzy adaptive PID control technology can effectively control the speed of belt transportation， and greatly ensure the safety of the transportation system.

Keywords： belt transportation； speed control； fuzzy control； PID control

0 引 言

隨著礦井高效率開采設(shè)備的推行，皮帶運輸作為礦井運煤的最重要方式之一，速度也會進一步得到提高。隨之對設(shè)備運行、電壓電網(wǎng)的要求也需要加強[1]。合理地控制好皮帶機的運輸速度，尤其是啟動速度對保障皮帶運輸系統(tǒng)的高效運行具有重要的作用，也是煤礦智能化的一項重要工程之一[2?3]。許多學(xué)者展開了皮帶運輸速度控制方面的研究，也取得了很好的成果。

目前，常規(guī)PID控制作為一種最基本的控制方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但當(dāng)被控對象的數(shù)學(xué)模型是非線性的、動態(tài)的時候，控制結(jié)果一直不是很理想[4]。模糊控制方式因為不要求得到被控對象的精確結(jié)果，所以適合于非線性系統(tǒng)的控制，尤其是具有較快的響應(yīng)速度和較小的超調(diào)量的被控對象[5]。李文華針對皮帶啟動過程中參數(shù)的不確定性，設(shè)計了一種模糊PID控制器，并通過仿真對其得到的速度控制結(jié)果進行了驗證[6]。肖崢把模糊控制變頻調(diào)速的方法應(yīng)用于皮帶速度控制系統(tǒng)中，成功實現(xiàn)了速度的可調(diào)[7]。胡偉采用無模型自適應(yīng)控制方法對皮帶從啟動到運行進行追蹤系統(tǒng)控制[8]。

本文分別從PID系統(tǒng)，模糊控制及其自適應(yīng)方面著手，通過對控制參數(shù)的實時調(diào)整，實現(xiàn)皮帶運輸速度的精確定位。基于運用Matlab平臺的數(shù)值模擬，比較了模糊控制器、常規(guī)PID控制器和模糊自適應(yīng)PID控制器的控制性能。

1 速度控制流程

皮帶機操作方式有順序啟動、上位機點動和機旁啟動三種，每條皮帶均可以實現(xiàn)在現(xiàn)場啟動，其控制流程如圖1所示。

皮帶運輸系統(tǒng)選擇操作方式啟動以后，系統(tǒng)末端設(shè)備最先啟動，其他設(shè)備從尾到頭依次啟動，最后頭部設(shè)備啟動。等整個流程內(nèi)的所有設(shè)備成功啟動運行正常后，才可以進行運輸煤工作。在整個流程啟動過程中，任何一臺設(shè)備出現(xiàn)故障，皮帶運輸系統(tǒng)馬上報警，這時所有設(shè)備停止工作。待現(xiàn)場操作員確認后，根據(jù)發(fā)生故障級別，按照順序依次停機。例如相關(guān)設(shè)備檢測到皮帶機“撕裂開關(guān)”一旦運行，則必須急停該皮帶及其上游的所有皮帶；而檢測到皮帶“打滑開關(guān)”運行，只需按流程停止該皮帶即可。皮帶運輸系統(tǒng)在控制過程中，動作指令信號均由PLC發(fā)出，并由PLC確認上位機的起停指令。

皮帶運輸系統(tǒng)流程控制停止時，頭部設(shè)備首先停止，然后按從頭到尾順序延時依次停機。決定帶啟動條件是該皮帶自身拉伸及跑偏等保護開關(guān)正常、高壓柜正常、皮帶機電機溫度正常等。

2 模糊自適應(yīng)PID控制器

2.1 控制原理

模糊自適應(yīng)PID控制器是將模糊控制器和自適應(yīng)PID控制器串聯(lián)到一起，該控制方式不會出現(xiàn)較大的超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，其控制原理如圖2所示。

式中為設(shè)定的初始值。在模糊自適應(yīng)PID控制器中，三個控制參數(shù)對系統(tǒng)運行所起到的作用不同：比例系數(shù)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度；積分系數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差；微分系數(shù)改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.2 模糊自適應(yīng)PID的控制系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計模糊控制系統(tǒng)的過程中，需要參考人工操作經(jīng)驗和以往測試數(shù)據(jù)來確定控制器的結(jié)構(gòu)，并選擇合適的模糊規(guī)則和近似推理算法。

2.2.1 定義輸入和輸出語言變量

將速度控制系統(tǒng)中輸入語言變量（偏差e和偏差變化率ec）和輸出語言變量（比例調(diào)教參數(shù)微分調(diào)教參數(shù)積分調(diào)教參數(shù)ΔKd）的論域均量化在[-6 6]，并取模糊子集為[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]。

在隸屬函數(shù)的選擇方面，隸屬函數(shù)曲線形狀較尖，分辨率越高，控制靈敏度高；反之，曲線平緩的隸屬度函數(shù)控制特性平緩，具有良好的穩(wěn)定性。所以對輸入變量偏差e和偏差變化率ec的隸屬函數(shù)選用高斯型可保證推理結(jié)果的凸性和正規(guī)性，輸出變量ΔKp，ΔKi，ΔKd選用三角形有利于控制的靈敏度。

2.2.2 規(guī)則表建立

對于本系統(tǒng)而言，控制模糊關(guān)系原則如下：當(dāng)較大時，不論如何變化，ΔKp都應(yīng)取較大值以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時為了防止的瞬時過大而引起不必要的超調(diào)，ΔKi和ΔKd宜取小些；反之當(dāng)較小時，為消除穩(wěn)態(tài)誤差，ΔKp和ΔKi宜取大一些；同理當(dāng)和為中等大小時，為了減小超調(diào)，ΔKp和ΔKi要小一些。對于后兩種情況，ΔKd都應(yīng)取適當(dāng)值。根據(jù)上述原則建立參數(shù)調(diào)整規(guī)則表，如表1所示。整個論域上輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系，其期望值均在輸出結(jié)論空間的中心附近，且形狀在常用的區(qū)域范圍內(nèi)相對密集，故不需要再對模糊控制器進行優(yōu)化。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真框圖

為了驗證方案的有效性，比較模糊自適應(yīng)PID控制和常規(guī)PID及模糊控制性能的優(yōu)劣。在Matlab平臺下，建立了三個控制器并聯(lián)的控制模型，如圖3所示，其中模糊自適應(yīng)PID控制器的封裝如圖4所示，模糊化因子用和表示，均表示解模糊因子。

3.2 仿真結(jié)果分析

由于皮帶運輸系統(tǒng)的速度控制特性可用二階慣性環(huán)節(jié)加滯后來表示，所以選取數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)為模糊化因子解模糊因子PID的預(yù)設(shè)初值圖5為三種控制器的單位階躍響應(yīng)曲線。

顯然，模糊自適應(yīng)PID控制器在響應(yīng)時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差方面都要優(yōu)于常規(guī)PID控制器和模糊控制器，尤其在控制精度方面，在12.6 s時模糊自適應(yīng)PID控制器已達精度要求，分別比模糊控制器和常規(guī)PID控制器提前了9.6 s和12.2 s。在受方波信號干擾后，模糊自適應(yīng)PID控制器所表現(xiàn)出的跟蹤精度和響應(yīng)速度更為優(yōu)秀，能夠很好地消除外界干擾造成的不確定性因素，準(zhǔn)確地反映皮帶運輸速度信號的變化規(guī)律，從結(jié)果來看并沒有產(chǎn)生較大的超調(diào)，且回到穩(wěn)態(tài)的速度也較快，體現(xiàn)了模糊自適應(yīng)PID控制器更強的抗干擾能力。

4 結(jié) 論

本文針對皮帶運輸啟動速度控制的特點，通過對比例?積分?微分系數(shù)的優(yōu)化控制，設(shè)計了應(yīng)用于速度系統(tǒng)信號處理的模糊自適應(yīng)PID控制器。相比模糊控制器和常規(guī)PID控制器，模糊自適應(yīng)PID控制器表現(xiàn)出了響應(yīng)速度快、超調(diào)小、能夠更快達到穩(wěn)態(tài)等優(yōu)勢，可實現(xiàn)對皮帶運輸系統(tǒng)速度的最優(yōu)控制。

參考文獻

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