基于模糊自適應(yīng)PID的皮帶運(yùn)輸速度控制系統(tǒng)

摘 要： 結(jié)合礦井皮帶運(yùn)輸啟動(dòng)速度的調(diào)控特點(diǎn)，采用總線(xiàn)式監(jiān)控方式，在分析皮帶PLC控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套皮帶運(yùn)輸速度控制模糊自適應(yīng)PID控制策略，通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)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(dá)到穩(wěn)態(tài)、更強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)輸?shù)乃俣瓤刂?，極大地保證運(yùn)輸系統(tǒng)的安全。

關(guān)鍵詞： 皮帶運(yùn)輸； 速度控制； 模糊控制； PID控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34； TD528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(kāi)采設(shè)備的推行，皮帶運(yùn)輸作為礦井運(yùn)煤的最重要方式之一，速度也會(huì)進(jìn)一步得到提高。隨之對(duì)設(shè)備運(yùn)行、電壓電網(wǎng)的要求也需要加強(qiáng)[1]。合理地控制好皮帶機(jī)的運(yùn)輸速度，尤其是啟動(dòng)速度對(duì)保障皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的高效運(yùn)行具有重要的作用，也是煤礦智能化的一項(xiàng)重要工程之一[2?3]。許多學(xué)者展開(kāi)了皮帶運(yùn)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型是非線(xiàn)性的、動(dòng)態(tài)的時(shí)候，控制結(jié)果一直不是很理想[4]。模糊控制方式因?yàn)椴灰蟮玫奖豢貙?duì)象的精確結(jié)果，所以適合于非線(xiàn)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(duì)象[5]。李文華針對(duì)皮帶啟動(dòng)過(guò)程中參數(shù)的不確定性，設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制器，并通過(guò)仿真對(duì)其得到的速度控制結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了速度的可調(diào)[7]。胡偉采用無(wú)模型自適應(yīng)控制方法對(duì)皮帶從啟動(dòng)到運(yùn)行進(jìn)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(guò)對(duì)控制參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸速度的精確定位?；谶\(yùn)用Matlab平臺(tái)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(jī)操作方式有順序啟動(dòng)、上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)和機(jī)旁啟動(dòng)三種，每條皮帶均可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)，其控制流程如圖1所示。

皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)選擇操作方式啟動(dòng)以后，系統(tǒng)末端設(shè)備最先啟動(dòng)，其他設(shè)備從尾到頭依次啟動(dòng)，最后頭部設(shè)備啟動(dòng)。等整個(gè)流程內(nèi)的所有設(shè)備成功啟動(dòng)運(yùn)行正常后，才可以進(jìn)行運(yùn)輸煤工作。在整個(gè)流程啟動(dòng)過(guò)程中，任何一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)馬上報(bào)警，這時(shí)所有設(shè)備停止工作。待現(xiàn)場(chǎng)操作員確認(rèn)后，根據(jù)發(fā)生故障級(jí)別，按照順序依次停機(jī)。例如相關(guān)設(shè)備檢測(cè)到皮帶機(jī)“撕裂開(kāi)關(guān)”一旦運(yùn)行，則必須急停該皮帶及其上游的所有皮帶；而檢測(cè)到皮帶“打滑開(kāi)關(guān)”運(yùn)行，只需按流程停止該皮帶即可。皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)在控制過(guò)程中，動(dòng)作指令信號(hào)均由PLC發(fā)出，并由PLC確認(rèn)上位機(jī)的起停指令。

皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)流程控制停止時(shí)，頭部設(shè)備首先停止，然后按從頭到尾順序延時(shí)依次停機(jī)。決定帶啟動(dòng)條件是該皮帶自身拉伸及跑偏等保護(hù)開(kāi)關(guān)正常、高壓柜正常、皮帶機(jī)電機(jī)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(huì)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(gè)控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)態(tài)性能。

2.2 模糊自適應(yīng)PID的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的過(guò)程中，需要參考人工操作經(jīng)驗(yàn)和以往測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)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(yǔ)言變量

將速度控制系統(tǒng)中輸入語(yǔ)言變量（偏差e和偏差變化率ec）和輸出語(yǔ)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(xiàn)形狀較尖，分辨率越高，控制靈敏度高；反之，曲線(xiàn)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(duì)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(duì)于本系統(tǒng)而言，控制模糊關(guān)系原則如下：當(dāng)較大時(shí)，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(shí)為了防止的瞬時(shí)過(guò)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(shí)，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(shí)，為了減小超調(diào)，ΔKp和ΔKi要小一些。對(duì)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(gè)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(duì)密集，故不需要再對(duì)模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真框圖

為了驗(yàn)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(tái)下，建立了三個(gè)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(yùn)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(lái)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(xiàn)。

顯然，模糊自適應(yīng)PID控制器在響應(yīng)時(shí)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(shí)模糊自適應(yīng)PID控制器已達(dá)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(hào)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(yùn)輸速度信號(hào)的變化規(guī)律，從結(jié)果來(lái)看并沒(méi)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(qiáng)的抗干擾能力。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)皮帶運(yùn)輸啟動(dòng)速度控制的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比例?積分?微分系數(shù)的優(yōu)化控制，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于速度系統(tǒng)信號(hào)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(dá)到穩(wěn)態(tài)等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)速度的最優(yōu)控制。

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