基于模糊PID算法的帶式輸送機(jī)控制研究

徐少杰

摘 要：帶式輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)是非線(xiàn)性且受不確定性因素影響，為了得到穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，文章將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)自整定功能，通過(guò)MATLAB仿真，驗(yàn)證輸送機(jī)提高穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；模糊PID算法；MATLAB

前言

隨著環(huán)境意識(shí)的提高，國(guó)家對(duì)煤炭的產(chǎn)量提出更高的要求。煤炭年產(chǎn)量是根據(jù)皮帶的運(yùn)行速度，工作時(shí)間，單位面積上煤的重量乘積得出。但是皮帶電機(jī)會(huì)受到外界擾動(dòng)，使其不能勻速運(yùn)動(dòng)，從而影響產(chǎn)煤精度。本文通過(guò)比對(duì)，選擇將傳統(tǒng)PID控制與模糊控制相結(jié)合，使得電機(jī)控制系統(tǒng)在遇到外界擾動(dòng)時(shí)，快速響應(yīng)，消弱擾動(dòng)響應(yīng)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

1 模型建立

模糊控制魯棒性強(qiáng)，對(duì)模型的精確度要求不高，為了便于說(shuō)明，根據(jù)帶式輸送機(jī)速度輸入數(shù)據(jù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)matlab仿真擬合出基于速度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型。其傳遞函數(shù)[1]可以表示為式（1）：

在線(xiàn)整定的模糊PID控制系統(tǒng)，PID理想的控制算法如式（2）：

帶式輸送機(jī)在運(yùn)煤過(guò)程中，由于破碎機(jī)的破碎不均衡，造成皮帶局部受力過(guò)大，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，使電機(jī)不能勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)而言，使原本穩(wěn)定的系統(tǒng)受到外界持續(xù)擾動(dòng)，發(fā)生超調(diào)，變成不穩(wěn)定的系統(tǒng)，需要重新對(duì)比例，微分，積分參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整使系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定。此方法需要人工進(jìn)行實(shí)時(shí)操作且響應(yīng)速度較慢。取kx=0.2，wn=5，獲得該系統(tǒng)初步控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)，初步整定后的控制閉環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1：

在此基礎(chǔ)上引入模糊控制算法，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的FIS編輯器如圖2。

經(jīng)模糊化處理得到e和ec，通過(guò)模糊控制規(guī)則得出？駐kp，？駐ki，？駐kd，經(jīng)逆模糊化方法得到新的kp，ki，kd進(jìn)而改善系統(tǒng)性能。選擇速度誤差e和誤差變化率ec的數(shù)據(jù)庫(kù)模糊規(guī)則作為輸入變量，選擇？駐kp，？駐ki，？駐kd的數(shù)據(jù)庫(kù)模糊規(guī)則作為輸出變量，出于對(duì)計(jì)算量與準(zhǔn)確度的考慮，本論文選取的模糊規(guī)則定義域?yàn)槠邆€(gè)等級(jí)，分別為“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”；七個(gè)定義域選擇等值三角分布并且：e，ec的模糊定義域設(shè)為：[-2，+2]；？駐kp的模糊定義域設(shè)為：[-0.2，+0.2]；？駐ki的模糊定義域設(shè)為：[-0.06，+0.06]；？駐kd的模糊定義域設(shè)為：[-0.3，+0.3]。

參數(shù)整定規(guī)則是控制器的核心，它由擬合傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)總結(jié)：針對(duì)不同的e和ec，？駐kp，？駐ki，？駐kd的整定原則為：（1）當(dāng)|e|較大時(shí)，為得到較快地響應(yīng)速度，對(duì)應(yīng)的模糊控制規(guī)則應(yīng)選較大的比例增益？駐kp與較小的微分增益？駐kd，積分增益曲0值可以有效地抑制較大超調(diào)量的出現(xiàn)；（2）當(dāng)|e|和|ec|較小時(shí)，較小的比例增益？駐kp可以有效地抑制超調(diào)，使系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生大的波動(dòng)，此情況下，微分增益？駐kd的值也會(huì)影響超調(diào)量，取值越小超調(diào)量越小，積分增益？駐ki的值選始終[2-3]。

2 仿真

模糊PID控制器的核心是通過(guò)不同的擾動(dòng)情形，自動(dòng)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)規(guī)則，從而得到較為理想的系統(tǒng)參數(shù)，使得控制系統(tǒng)在無(wú)人干預(yù)的情況下重新達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，使得帶式輸送機(jī)快速恢復(fù)到勻速穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。模糊規(guī)則的進(jìn)一步細(xì)化與更多的參數(shù)獲取，會(huì)進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的快速穩(wěn)定響應(yīng)。

在原始參數(shù)不變的情況下，被控系統(tǒng)的比例，積分，微分參數(shù)經(jīng)模糊控制器重新整定，載入到帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中，其仿真結(jié)果如圖3：

3 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)閹捷斔碗姍C(jī)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到多種外部干擾使其無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。常規(guī)控制需要人為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；而本文所提控制系統(tǒng)，只需加載模糊控制器模塊，實(shí)現(xiàn)自診斷，根據(jù)不同的規(guī)則輸入，自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，不僅響應(yīng)速度快而且實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的智能操作。最終結(jié)果顯示模糊PID控制能夠更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定功能：系統(tǒng)的超調(diào)量減小到10%，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]陸磊.模糊PID控制在輪式機(jī)器人上的應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2010，26（12）：31-33.

[2]黃友銳，曲立國(guó).PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)[M].科學(xué)出版社，2010，2：8-15.