基于參數自整定的破碎機模糊控制系統設計應用*

孔令軍

(山西西山煤電貿易有限責任公司，山西 太原 030000)

0 引 言

選煤廠破碎機用于煤礦直接開采出的原煤的破碎處理環節。破碎機運行時，負載不均勻，常出現滿載啟動、堵轉、空載等現象，且運行效率低下、故障率較高，無法滿足選煤廠的實際生產需求[1-2]。且選煤廠原破碎機控制系統存在控制系統不靈活、無法適應復雜工況、控制指令與實際運行工況無法匹配等問題，也給選煤廠安全、高效生產帶來諸多不利和困難。因此，設計具備滯后性弱、靈活性好、適應性強的破碎機控制系統成為提升破碎機生產效率的重要目標。

經眾多學者研究發現，模糊控制技術的應用，可以為選煤廠破碎機高效、智能化運行帶來便利；充分利用模糊控制技術可以達到消除控制系統滯后性，滿足破碎機復雜運行工況，保證破碎機連續、高效運行的目的[3-4]。

筆者基于參數自整定技術設計的選煤廠破碎機智能控制系統，在分析控制系統方案設計的基礎上，重點對基于參數自整定的破碎機模糊控制算法進行詳細分析并完成仿真和應用測試。通過系統測試，驗證設計的選煤廠破碎機智能控制系統的正確性和適用性，達到安全、高效生產的目的。

1 方案設計

選煤廠破碎機智能控制系統方案設計框圖見圖1所示。根據破碎機實際運行工況，破碎機智能控制系統經模糊控制算法后輸出控制指令，以CAN總線通信模式傳送給變頻器，進而完成對破碎電動機的智能控制。同時，變頻器實時返回破碎電動機實際運行參數給智能控制系統。破碎機智能控制系統根據返回的運行參數自適應調節輸出控制指令，保證破碎機控制系統的靈活性、自適應性。

圖1 選煤廠破碎機智能控制系統方案設計框圖

2 方案設計實現

2.1 硬件實現

選煤廠破碎機智能控制系統硬件主要包括核心控制系統、變頻器、破碎電機、速度傳感器、電流傳感器等。核心控制系統由STM32F103C8T6微控制器及其最小電路構成，同時擴展時鐘電路、CAN總線通信電路、JTAG電路、復位電路等。變頻器選用的型號為匯川MD380T22G，該變頻器支持三相交流異步電動機矢量控制，支持差分、UVW、旋轉變壓器等多種編碼器，具備高啟動轉矩特性，支持電機過熱、過流等多種保護功能。選用齒輥式破碎機，進料粒度小于40 mm，出料粒度控制在0～10 mm之間，生產能力為20 130 t/h。

2.2 算法實現

考慮到選煤廠破碎機運行過程中的非線性、大慣性、滯后性的特點，應用參數自整定模糊PID控制算法實現破碎機智能控制系統，以達到靈活性好、適應性強、控制精度高的目的[5-6]。該算法基于模糊推理實現破碎機智能控制系統參數Kp、Ki和Kd的初始化設置以及自適應調整，能夠適應選煤廠破碎機運行時的非線性、大延時、強干擾的運行工況。該算法的輸入信號為破碎電機運行過程中的速度誤差E和誤差變化率Ec，通過實時調整和無限逼近使得破碎機速度的響應較快、動靜態性能較好。

基于參數自整定模糊PID的破碎機控制系統原理見圖2所示，建立破碎機雙閉環調速系統的模糊控制模型，其中轉速環采用參數自調整模糊PI調節器，內環電流環采用PID控制。對于輸入語言變量|E|的論域的最大值為Emax=0.05，即破碎機模糊控制器最大值，因選煤廠破碎機控制系統具有大慣性、大滯后性，因此，在設備啟動瞬間有y=0，而e=r-y，因此有Emax=0.05。取值語言變量X={0，0.02,0.04,0.06}，Y={0,0.04,0.08,0.12}。

圖2 選煤廠破碎機控制系統參數自整定模糊控制原理

對于選煤廠破碎機智能控制系統參數Kp和Ki，采用臨界比例法進行參數自整定。臨界比例度法是基于Ziegler和Nichols的整定方法原理[7-8]，它通過系統的兩個特征參數(臨界增益Ku和臨界周期Tu)來計算PID調節器的參數。具體方法為：當系統控制器只有比例作用的時候，調節比例增益直至系統發生臨界振蕩為止，這時的比例增益為臨界增益，振蕩周期為臨界周期。采用此整定方法現場測定得出，當Kp=5，Ki=1時為最佳的整定參考值。該整定方法的輸入信號為|E|以及|EC|，隸屬度函數曲線見圖3中的(a)、(b)所示；輸出信號系數為Kp以及Ki，隸屬度函數曲線見圖3中的(c)、(d)所示。根據參數自整定原則，結合現場的實際情況，將輸出語言變量分別定為Kp:Zp={0,2.5,5,7.5}，輸出Ki:Zi={0,0.5,1,1.5}，綜上所述，系統誤差絕對值|E|：X={0，0.02,0.04,0.06}；誤差變化率絕對值|EC|：Y={0,0.04,0.08,0.12}；輸出Kp:Zp={0,2.5,5,7.5}；輸出Ki:Zi={0,0.5,1,1.5}。

圖3 輸入輸出隸屬函數曲線

輸入語言變量|E|和|EC|的論域取值以及輸出語言變量Kp和Ki的論域取值均為：“大”(B),“中”(M),“小”(S),“零”(Z)四種。

確定好破碎機模糊PID控制系統的輸入輸出的模糊量后，需尋找一組整定PID參數的模糊規則，根據以上兩個參數的調整原則[9-10]，并結合選煤廠破碎機實際工況控制特點，可以得到Kp、Ki的調整規則表，見表1、2所列。

表1 Kp值調節規則表

表2 Ki值調節規則表

根據Kp、Ki模糊控制規則表進行模糊推理和模糊運算，并以if…then…條件語句形式表示。如表1Kp值調節規則表第一行、第一列的模糊規則可表示如下語句。

(1)if|E|=0 and |Ec|=0 thenKp=0；隸屬度可表示為：uKp1(ZP)=uZe(x)∧uZec(y)=uZe(0)∧uZec(0)。

(2)if|E|=0.02 and |Ec|=0 thenKp=7.5；隸屬度表示為：uKp2(ZP)=uSe(x)∧uZec(y)=uSe(0.75)∧uZec(0)。

(3)if|E|=0.04 and |Ec|=0 thenKp=5；隸屬度可表示為：uKp3(ZP)=uMe(x)∧uZec(y)=uMe(1.5)∧uZec(0)。

(4)if|E|=0.06 and |Ec|=0 thenKp=5.0；隸屬度表示為：uKp3(ZP)=uMe(x)∧uZec(y)=uMe(1.5)∧uZec(0)。

…………

按照上述方法，可將表1、2轉換為條件描述語句并進行推理計算，得到Kp、Ki的精確值。

3 系統測試

3.1 仿真測試

以階躍信號為系統輸入信號，驗證選煤廠破碎機參數自整定模糊PID控制系統的響應特性。當給定系統階躍輸入信號后，破碎機智能控制系統全過程速度響應曲線見圖4所示，其中曲線1為速度響應曲線，曲線2為速度給定曲線。由圖4全過程速度響應曲線可知，基于文中提出的模糊控制方案速度響應快、超調量小，速度跟隨性好。

圖4 選煤廠破碎機智能控制系統全過程速度響應曲線

模擬選煤廠破碎機運行過程中負載突變時的工況，測試破碎機速度響應曲線和電樞電流曲線，見圖5所示，其中曲線1為破碎電機速度響應曲線，曲線2為破碎電機電樞電流曲線。

圖5 負載突變時智能控制系統特性曲線

由圖5可知，采用模糊控制方案后，破碎電機運行過程中能夠應對負載突變、強干擾條件時的速度穩定性控制，并無限趨近于給定值。在負載突變、強干擾條件時破碎電機電樞電流的過渡時間較短并能快速達到給定值，未出現電流失調、轉速無法跟隨給定值的情況。與傳統算法相比，基于參數自整定的模糊PID控制算法使得選煤廠破碎機控制系統的魯棒性更好。

3.2 應用測試

為驗證智能控制系統的正確性和適用性，在某選煤廠進行為期三個月的實際應用測試。測試過程中發現，應用參數自整定模糊控制技術，可將破碎機的給料負荷控制在30%～90%之間，給料轉速控制在300～400 r/min，大大減少了破碎機超載運行、超載啟動以及空載運行時間；原煤破碎量從2.7 Mt/a提升至3.6 Mt/a；故障率減少約40%；破碎相關作業人員從9人減少至5人；減輕了作業工人的勞動強度；提升了破碎機作業安全系數。

4 結 語

針對選煤廠破碎機控制系統存在的突出問題，提出了一種基于參數自整定的破碎機模糊控制系統設計方案。本控制系統在保證破碎安全、穩定、高效運行的前提下，能夠提升破碎機控制系統的靈活性、自適應性。相較于傳統破碎機控制系統，該控制系統大大減少了破碎機空載、超載運行時間，提升了原煤破碎量，提高了作業安全系數。