基于模糊控制的礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)

范子榮

(山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同037003)

煤礦生產(chǎn)過程中的人員、設(shè)備和物料運(yùn)輸都是利用礦井提升機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，由于礦井提升機(jī)不斷地進(jìn)行加速、勻速、減速等的切換，使其平穩(wěn)運(yùn)行顯得特別重要。傳統(tǒng)的控制方式很多，但沒有取得良好的控制效果。比如采用PID的控制策略，因?yàn)樘嵘龣C(jī)系統(tǒng)的時(shí)變性和不確定性，僅采用PID控制不能取得良好的控制效果。為了滿足提升機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和不確定性的要求，提出了模糊PID的控制方法。模糊控制[1-5]可以解決實(shí)時(shí)性和不確定性的要求，對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型沒有更高的要求。本文提出了模糊PID的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井提升機(jī)的速度系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。

1 工作原理

基于模糊控制的礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)由速度傳感器、單片機(jī)、數(shù)據(jù)總線、人工智能模糊PID調(diào)節(jié)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等組成，見圖1。采用速度傳感器來檢測(cè)礦井提升機(jī)的速度信號(hào)，通過數(shù)據(jù)總線將速度信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后通過數(shù)據(jù)總線在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，并通過人工智能模糊PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)礦井提升機(jī)的速度使其按照規(guī)定的速度運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高度智能化。

圖1 礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID調(diào)節(jié)器

2.1.1 傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器

傳統(tǒng)PID控制器包含一個(gè)比例環(huán)節(jié)、一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)微分環(huán)節(jié)，其輸入輸出形式可表示為：

其中，e(k)、u(k)、Kp、Ki、Kd分別為傳統(tǒng)PID控制器的輸入量、輸出量、比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

PID調(diào)節(jié)器由運(yùn)算放大器A1、A2、A3和A4組成，見圖2。其中，1個(gè)5 kΩ電阻、2個(gè)10 kΩ電阻、1個(gè)20 kΩ電位器和運(yùn)算放大器A1組成比例環(huán)節(jié)；2個(gè)100 kΩ電阻，1個(gè)10 kΩ電阻，1個(gè)2 MΩ的電位器、1個(gè)200μF電容和運(yùn)算放大器A2組成積分環(huán)節(jié)；4個(gè)10 kΩ電阻、1個(gè)2 MΩ電位器、1個(gè)0.2μF電容、1個(gè)20μF電容和運(yùn)算放大器A3組成微分環(huán)節(jié)；最后由1個(gè)3 kΩ電阻、1個(gè)10 kΩ電阻和運(yùn)算放大器A4對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大。

圖2 PID調(diào)節(jié)器原理圖

2.1.2 模糊PID調(diào)節(jié)器

定義輸入量偏差E、偏差變化率Ec和輸出控制量Kp、KI、KD的模糊子集都為：｛NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB｝。其中，NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別表示正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。

如果我們選取E和Ec以及Kp、KI、KD的論域都為｛-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6｝，且假設(shè)E和Ec以及Kp、KI、KD全部都服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布，見圖3。

圖3 E、Ec、Kp、KI、KD的隸屬函數(shù)曲線

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，可得模糊控制規(guī)則表，見表1。

表1 E和Ec的模糊控制規(guī)則表

據(jù)表1可以得到參數(shù)E和Ec以及Kp、KI、KD調(diào)整規(guī)則的條件語句如下：

IfEisMiandECisNi

ThenKp、KI、KDisUi

其中，Mi、Ni、Ui是模糊集合，i=1,2,…,m。

運(yùn)用Mamdani模糊推理算法和極大極小合成模糊規(guī)則來進(jìn)行模糊推理運(yùn)算。例如e=m，ec=n，通過表1可得到Kp的模糊推理結(jié)論：

其中，ωi=μMi(m)∧μN(yùn)i(n)。

2.2 單片機(jī)ATmega16的工作原理

單片機(jī)ATmega16是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，有RISC結(jié)構(gòu)、130條指令，單時(shí)鐘周期的指令執(zhí)行時(shí)間，32個(gè)8位通用工作寄存器，工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS，具有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

單片機(jī)ATmega16的REST接復(fù)位電路，XTAL1和XTAL2接晶振電路，ADC0接測(cè)速傳感器，PB0口接PID調(diào)節(jié)器，PD口通過CAN總線接工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，見圖4。

圖4 ATmega16的工作原理圖

2.3 測(cè)速傳感器的工作原理

測(cè)速傳感器的原理，見圖5。采用光電傳感器測(cè)速，U是紅外對(duì)管，LED發(fā)出紅外光,光敏三極管接收到就導(dǎo)通，否則截止。需測(cè)速的部位有遮光片，每轉(zhuǎn)1周遮擋1次或指定次數(shù)，使轉(zhuǎn)速變成一定頻率的脈沖信號(hào)。

圖5 測(cè)速傳感器的原理圖

3 仿真分析

應(yīng)用以上控制方法可得礦井提升機(jī)S型速度曲線，見圖6，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)的平滑調(diào)速，該控制方法取得了良好的控制效果。

圖6 礦井提升機(jī)的速度曲線

4 結(jié)語

模糊PID和單片機(jī)ATmega16相結(jié)合的智能化控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井提升機(jī)的平滑調(diào)速，且控制效果良好，為煤礦安全生產(chǎn)提供了一定的技術(shù)支持。