基于模糊PID的礦井提升機控制系統研究

郭建軍

【摘 要】 本文針對礦井提升機電控系統現狀，采用模糊自整定PID控制算法，設計了模糊自適應控制器，對采用傳統PID控制算法和模糊自整定PID控制算法的控制系統進行了仿真分析。結果表明，采用模糊自整定PID控制算法，在5s左右達到控制精度，較傳統PID控制器提前了1s，控制系統響應時間更短，速度更快;且曲線峰值方面較傳統PID控制峰值低，說明超調量小;調節效果更優，控制效果更為理想。該控制系統對礦井提升機的自動化和生產率的提高具有積極作用，具有工程實用價值。

【關鍵詞】 控制系統;自整定PID;礦井提升機;模糊規則

【中圖分類號】 TP29 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0025-03

礦井提升機是礦山的“咽喉”，負責著礦井上下設備、人員、物料等的輸送工作，礦井提升機的正常工作是礦井安全、高效生產的保障。礦井提升系統環節比較多，運行速度大、慣性大，控制及運行都比較復雜，同時工作狀態切換也比較頻繁，工作環境也比較惡劣，所以礦井提升機電控系統的穩定、可靠、安全、合理是礦井提升機正常工作的關鍵。雖然我國礦井提升控制系統發展比較迅速，但當前采用的礦井提升機行程控制水平比較低，主要依靠速度給定和機械式行程給定來控制提升機的速度，高精度的行程和速度控制還有待提高。因此，設計出安全可靠的電控系統就變得尤為重要。傳統的電控系統所采用的繼電器、接觸器等原件都已經較為落后，已不適用于礦井的安全高效生產環境，近年來變頻調控技術逐漸應用于電控系統。李志慶提出傳統PID同模糊控制相結合的方法用于采煤機截割系統，實現了采煤機的自適應截割控制;王國貝等提出在選礦廠生產中采用模糊PID控制，實現了浮選、磨礦-分級的自動控制，效果明顯;張燁分析了傳統PID控制的缺點，提出了BP-PID控制算法用于礦井提升機調速系統，通過BP-PID控制器的設計及其仿真實驗分析，結果表明采用BP-PID控制算法的系統具備更優的控制性能和抗干擾能力;隋濤等提出通過建立專家控制規則，對傳統PID進行優化并應用于礦井提升機控制系統中，通過設計建立專家PID控制系統，仿真分析，結果表明與傳統PID控制系統相比，系統具備更好的魯棒性和動態性能。

本文提出將模糊控制同傳統的PID相結合，設計了模糊自適應控制器，進行了仿真分析，通過與傳統PID控制算法的對比，采用模糊自整定PID控制，控制系統響應時間減少，超調量減少，達到穩態值的時間縮短，表明了模糊自整定PID控制系統的高效性、可靠性和正確性。

1模糊控制原理

模糊控制就是以人的模糊推理和決策為依據，通過人為的設計相對應的模糊規則，模糊化處理外界采集的信息，并將之作為輸入信號，在控制器中完成推理并將結果錄入執行部件，最后得到理想的控制效果。模糊控制器結構如圖1所示。

通過制定特定規則，采用不同的語言形式實現模糊控制，參與的專家不同，制定出的規則也不盡相同。但碰到復雜系統時，為更方便創建數學模型，通常采用模糊控制，從而更容易實現更優控制。模糊控制的實現，一般需要現場技術人員的經驗知識和現場收集的操作數據。在對礦井提升機進行分析時，主要分析提升機的速度和速度變化率，將它們作為輸入量，比例、積分、微分作為輸出量。通過圖1可知，通過模糊化和解模糊處理，充分分析輸入量，調整模糊規則，進而改變輸出量，使系統獲得最優控制。在進行模糊化處理，首先需要精準完成被控信息的采集，通過與給定值的比較得到誤差信息，再對其進行模糊化處理，得到模糊變量e，其最為常用的為7個等級，分別為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，與之對應的語言變量為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

2模糊自適應控制器設計

傳統PID控制器是由Kp，Ki，Kd三部分組成，其中Kp為比例調節系數，用以提升系統調節響應時的速率;Ki為積分調節系數，用以消除系統穩定后的誤差;Kd為微分調節分數，是系統在穩態前對誤差進行實時預報，修訂誤差來改變系統的動態性能。模糊自整定PID則是在傳統PID的基礎上，加入了模糊控制規則，對偏差e和偏差變化ec進行了修訂，對上述三個參數進行修訂，使控制系統進一步得到優化。其控制器結構如圖2所示。

速度偏差e的語言變量為E，速度偏差變化率的語言變量為EC，輸出變量△Kp，△Ki，△Kd的模糊子集均采用7等級{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，對應的論域為{-6，-4，-2，0，2，4，6}，根據經驗，得到模糊規則表1，2，3。

3仿真分析

對模糊PID及傳統PID控制建模，采用的傳遞函數為：

利用ode23tb算法，仿真模型見圖3所示。上下兩部分分別為模糊PID控制及傳統PID控制模型，仿真結果見圖4。

圖4的（a）中曲線較高的為傳統PID控制的仿真波形，較低的曲線為模糊PID控制波形。顯然，在響應時間、穩態誤差和超調量方面，采用模糊自整定PID控制更具優勢。在5s左右，模糊自整定PID控制器已達標準控制精度，較傳統PID控制器提前了1s，且曲線峰值方面，模糊自整定PID控制的曲線較傳統PID控制波形低，說明超調量比較小，反應速度也迅速。由此可知，與傳統PID控制算法相比，系統采用模糊自整定PID控制后，具備更優的動靜態調節功能，同時響應速度變得更快，達到穩態值的時間大大縮小，同時超調量減少，具備更優的調節效果。通過圖4的（b）（c）（d）可知，在采用模糊PID算法后，Kp，Ki，Kd參數的波形變化說明三個參數在整個過程均受到不斷調整，且自行調整速度較快，在短時間內達到設定值，使整個控制效果更為理想。

4結論

以礦井提升機控制系統為研究對象，分析了模糊控制理論，同時將PID控制和模糊算法相結合，并在傳統PID控制器的基礎上修訂參數Kp、Ki、Kd，制定了模糊規則表，設計了模糊自適應控制器，充分利用了PID控制和模糊算法的優點，能夠有效改善礦井提升機控制系統的性能。

仿真結果表明，與傳統PID控制算法相比，系統采用模糊自整定PID控制后，動靜態調節功能好，響應速度快，在5s左右達到控制精度，較傳統PID控制器提前了1s，達到穩態值的時間短，同時超調量減少。

礦井提升機控制系統采用模糊自整定PID控制算法，參數不斷快速調整至穩定值，系統更加準確、及時、穩定，具有更好的控制性能，控制效果更為理想。

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