基于模糊自適應(yīng)PID的礦井提升起重機(jī)系統(tǒng)研究

胡艷麗 楊國詩 季學(xué)斌 劉團(tuán)結(jié)

摘 要：針對(duì)礦井提升機(jī)系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性，該文在分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將模糊控制和常規(guī)PID控制相結(jié)合，提出了模糊自適應(yīng)PID控制策略。根據(jù)、、的自整定規(guī)則和提升機(jī)工作人員操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出模糊PID控制規(guī)則表。通過MATLAB/SIMULINK仿真表明，模糊PID控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度都有明顯的改善，對(duì)提高煤礦生產(chǎn)效率起到了一定的積極作用。

關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī) 模糊PID Simulink仿真

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0074-01

礦井提升機(jī)作為一種大型運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備，主要用來提升重物和煤，運(yùn)輸工人和物料。提升機(jī)在運(yùn)行過程中，會(huì)發(fā)生過卷、超速等事故，使提升機(jī)工作效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成人員傷亡。事故一旦發(fā)生，會(huì)大大降低煤礦的生產(chǎn)效率。因此，礦井提升機(jī)安全性、穩(wěn)定性的提高成為了一個(gè)很重要的研究課題。

礦井提升機(jī)系統(tǒng)是非線性的，PID控制器受參數(shù)整定的影響，過分依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而提升機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型很難精確建立，因此常規(guī)PID很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，是近代控制理論中建立在模糊集合上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論。傳統(tǒng)的模糊控制雖然在處理復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)具有突出的優(yōu)越性，但響應(yīng)速度較慢。該文結(jié)合上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID控制器，即常規(guī)PID與傳統(tǒng)模糊控制的復(fù)合形式，并對(duì)此控制方法在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行仿真，和常規(guī)PID仿真結(jié)果進(jìn)行比較，分析改進(jìn)后方法的優(yōu)越性。

1 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)

礦井提升機(jī)系統(tǒng)是一種基于速度和位置的控制，安全和可靠是其重要的運(yùn)行指標(biāo)。提升機(jī)的運(yùn)行方式主要有三種：手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)。當(dāng)采用手動(dòng)和半自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，可以利用手工動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的協(xié)調(diào)；當(dāng)采用全自動(dòng)運(yùn)行方式時(shí)，就需要加入控制策略來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。如果提升機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性不能很好控制，會(huì)引起吊艙振動(dòng)增大，造成吊艙抖動(dòng)，從而對(duì)提升機(jī)的鋼絲繩破壞性較大，工作長期處于這種狀況下極易造成人身安全隱患。因此在提升機(jī)制動(dòng)的問題上，該文采用模糊自適應(yīng)PID控制策略。控制方法主要是把礦井提升機(jī)提升負(fù)載和電機(jī)電樞電流作為模糊控制器的兩個(gè)輸入變量，按照模糊控制規(guī)則找出該條件下合適的松閘速度，將此信號(hào)輸入到常規(guī)的PID控制器中，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2 礦井提升機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊自整定PID控制策略

該文采用二維輸入三維輸出的模糊PID控制器，控制原理圖如圖1所示。控制器輸入變量為e和ec，輸出變量為、、，定義、、三個(gè)參數(shù)的調(diào)整算式如式（1）。

（1）

式（1）中，PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)分別為、、，修正參數(shù)分別為、、，預(yù)整定參數(shù)分別為，，。系統(tǒng)進(jìn)行在線整定時(shí)，偏差e和偏差變化率ec要不斷進(jìn)行檢測，將其模糊化得到E和EC。

、、的自整定規(guī)則歸納如下：

（1）當(dāng)較大時(shí)，應(yīng)取較大的和較小的，這樣可以避免因開始時(shí)由于e變大引起微分過飽和；同時(shí)應(yīng)取，這樣可以避免響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)。

（2）當(dāng)為中等大小時(shí)，取值應(yīng)小些，這樣可以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)；同時(shí)和的取值要適當(dāng)，這樣可以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（3）當(dāng)較小時(shí)，和的取值應(yīng)大些，這樣可以使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能；同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩.當(dāng)較小時(shí)，通常取中等大小；當(dāng)較大時(shí)，取值一般小些。

2.2 模糊自整定PID控制規(guī)則

該文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器、、、、輸入輸出量的論域均采用{-3，-2，-1，0，1，2，3}；輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)采用三角形。同時(shí)根據(jù)反復(fù)仿真試驗(yàn)結(jié)果和礦井提升機(jī)司機(jī)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。

2.3 礦井提升機(jī)模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)仿真

在以上設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，該文在MATLAB的Simulink環(huán)境中分別對(duì)常規(guī)PID系統(tǒng)和模糊PID系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果對(duì)比可知，模糊自適應(yīng)PID控制器超調(diào)接近為零，而常規(guī)PID控制系統(tǒng)超調(diào)則要大得多。同時(shí)，模糊自適應(yīng)PID過渡期較短，穩(wěn)定性較好，可以大大減小煤礦生產(chǎn)安全隱患。

3 結(jié)語

該文在對(duì)礦井提升機(jī)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制器，并論述了、、參數(shù)的整定規(guī)則，然后設(shè)計(jì)出了PID參數(shù)整定規(guī)則表。通過在MATLAB/Simulink環(huán)境中仿真，可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的模糊自適應(yīng)PID控制器，響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)精度高，對(duì)復(fù)雜的礦井提升機(jī)系統(tǒng)非常適用。而且系統(tǒng)的這種自適應(yīng)性，對(duì)于礦井提升機(jī)運(yùn)行 在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境有較高的實(shí)用價(jià)值。

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