模糊PID控制器在刮板機(jī)鏈條的張力控制

薛麗萍

（西山煤電集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西 太原 030053）

模糊PID控制器在刮板機(jī)鏈條的張力控制

薛麗萍

（西山煤電集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西 太原 030053）

摘 要本文建立了刮板機(jī)張力控制模型，并結(jié)合模糊控制和PID控制技術(shù)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，分析了模糊PID控制器對(duì)鏈條張力的控制原理，研究了參數(shù)非線性、時(shí)變性對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條張力控制系統(tǒng)的影響，制定了模糊控制規(guī)則以及模糊推理的方法。利用MATLAB軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行的仿真，表明模糊PID控制有較好的執(zhí)行性能，較好地滿足刮板機(jī)鏈條的張力控制要求。

關(guān)鍵詞模糊PID控制器；刮板輸送機(jī)；張力控制；仿真

刮板輸送機(jī)鏈條的預(yù)張力控制對(duì)其運(yùn)行性能和阻力都有較大的影響，而且刮板機(jī)機(jī)頭和機(jī)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(jī)張力控制系統(tǒng)具有非線性和時(shí)變性。

PID控制本質(zhì)上屬于線性控制［1］，其相對(duì)于非線性對(duì)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(yīng)用在特定規(guī)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(duì)電加熱鍋爐夾套溫度控制的大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于預(yù)測(cè)模型的模糊PID控制器；黃明輝等［5］結(jié)合PID和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，基于S7－300PLC的模糊PID參數(shù)自整定控制算法，提高了模鍛液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的位置精度和運(yùn)行可靠性。

圖1　刮板輸送機(jī)張力控制原理圖

1　刮板機(jī)張力控制原理及模型的建立

刮板輸送機(jī)張力控制系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)鏈輪的間距來(lái)補(bǔ)償由于鏈條彈性而產(chǎn)生的張力變化。刮板輸送機(jī)張力調(diào)節(jié)的控制原理見(jiàn)圖1.

通過(guò)傳感器獲取張力輸出信號(hào)SA和SB，處理后便可得到SA和SB的實(shí)際值，經(jīng)信號(hào)比較器比較，確定SA和SB與期望值的差值ΔSA和ΔSB后再經(jīng)信號(hào)比較器比較。判定ΔSA、ΔSB是否超過(guò)許用誤差值，從而確定輸出eA、eB觸發(fā)信號(hào)值，此時(shí)，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(fā)生器。這里，以eA的動(dòng)作情況解釋其控制邏輯：當(dāng)eA分別為－1、0、1時(shí)，液壓缸A完成伸出、停滯、收縮的動(dòng)作。

2　控制器設(shè)計(jì)

在以PID控制為基礎(chǔ)的體系上，以誤差E和誤差變化率Ec為變量進(jìn)行模糊輸入控制，對(duì)PID控制器中分別控制比例、積分和微分作用程度的參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行調(diào)節(jié)，使被控系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

2.1模糊PID的控制體系組成結(jié)構(gòu)

模糊PID控制體系組成結(jié)構(gòu)，第一部分為參數(shù)可調(diào)的PID控制器，第二部分為模糊控制器，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2.

圖2　模糊PID的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2模糊變量確定

模糊化是將實(shí)際域［emin，emax］、［˙emin，˙emax］生成模糊域E＝［E1，E2…En］、Ec＝［Ec1，Ec2…Ecm］的過(guò)程。一般情況下，n＝m.可以將E取為7個(gè)值，E＝［負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(shù)圖見(jiàn)圖3，圖3中的橫軸表示為：1）實(shí)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(shù)，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(shù)圖

圖4　刮板輸送機(jī)鏈條張力控制系統(tǒng)圖

在PID控制器中，輸出控制量：

轉(zhuǎn)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(shí)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(guī)則確定。

2.3解模糊

模糊推理的結(jié)果不能直接用于控制被控對(duì)象，需要先轉(zhuǎn)化成執(zhí)行器可以執(zhí)行的精確量。

在已知E、E0的量化量｛e｝，｛ec｝之后，按規(guī)則可事先設(shè)計(jì)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(jiàn)表1，同理可知KI、KD的查詢表。再由式（3）計(jì)算出輸出量U，U的域?yàn)椋海踀min，Umax］，而控制伺服閥的電流設(shè)定區(qū)域?yàn)椋海跧min，Imax］，由于控制是對(duì)稱的，則需要引入調(diào)整因子：

表1　KP查詢表

則控制電流Id＝λU（K）.根據(jù)式（4）得出模糊PID控制的刮板輸送機(jī)鏈條張力控制系統(tǒng)控制圖見(jiàn)圖4.

3　仿真實(shí)例分析

以某型號(hào)頭、尾雙驅(qū)動(dòng)刮板機(jī)為例，選擇Matlab仿真軟件分析，得到模糊PID控制時(shí)尾部的張力控制節(jié)點(diǎn)的張力控制效果前后對(duì)比見(jiàn)圖5.

圖5　模糊PID張力控制前后對(duì)比效果圖

從圖5可以看出，應(yīng)用模糊PID在張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)了較理想的控制效果，系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程相較常規(guī)PID控制而言，實(shí)現(xiàn)了利用更短的時(shí)間、以更小的超調(diào)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在0.3 s后，刮板輸送機(jī)預(yù)張力趨于穩(wěn)定。

4　結(jié)束語(yǔ)

從Matlab仿真結(jié)果看，模糊PID控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間，說(shuō)明其具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。將PID控制與模糊控制有效地結(jié)合起來(lái)構(gòu)成模糊PID控制，并應(yīng)用于刮板輸送機(jī)張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，可較好地增強(qiáng)刮板輸送機(jī)張力調(diào)節(jié)過(guò)程的穩(wěn)定性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 毛 君，李貴軒.刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)行為分析與控制理論研究［M］.沈陽(yáng)：遼寧大學(xué)出版社，2006：17－18.

［2］ 劉金坤.先進(jìn)PID控制及MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)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(tǒng)仿真研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007，28（09）：1027－1028.

［4］ 郭 奇，楊秀利.基于預(yù)測(cè)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(jī)位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.控制工程，2011，18（01）：15－17.

中圖分類號(hào)：TD63＋4.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672－0652（2015）02－0050－03

收稿日期：2015－01－07

作者簡(jiǎn)介：薛麗萍（1974—），女，山西離石人，2014年畢業(yè)于東北大學(xué)，工程師，主要從事煤礦機(jī)電技術(shù)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