基于模糊PID的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)研究

郭建軍

【摘 要】 本文針對礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)狀，采用模糊自整定PID控制算法，設(shè)計了模糊自適應(yīng)控制器，對采用傳統(tǒng)PID控制算法和模糊自整定PID控制算法的控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，采用模糊自整定PID控制算法，在5s左右達(dá)到控制精度，較傳統(tǒng)PID控制器提前了1s，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間更短，速度更快;且曲線峰值方面較傳統(tǒng)PID控制峰值低，說明超調(diào)量小;調(diào)節(jié)效果更優(yōu)，控制效果更為理想。該控制系統(tǒng)對礦井提升機(jī)的自動化和生產(chǎn)率的提高具有積極作用，具有工程實用價值。

【關(guān)鍵詞】 控制系統(tǒng);自整定PID;礦井提升機(jī);模糊規(guī)則

【中圖分類號】 TP29 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0025-03

礦井提升機(jī)是礦山的“咽喉”，負(fù)責(zé)著礦井上下設(shè)備、人員、物料等的輸送工作，礦井提升機(jī)的正常工作是礦井安全、高效生產(chǎn)的保障。礦井提升系統(tǒng)環(huán)節(jié)比較多，運(yùn)行速度大、慣性大，控制及運(yùn)行都比較復(fù)雜，同時工作狀態(tài)切換也比較頻繁，工作環(huán)境也比較惡劣，所以礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、安全、合理是礦井提升機(jī)正常工作的關(guān)鍵。雖然我國礦井提升控制系統(tǒng)發(fā)展比較迅速，但當(dāng)前采用的礦井提升機(jī)行程控制水平比較低，主要依靠速度給定和機(jī)械式行程給定來控制提升機(jī)的速度，高精度的行程和速度控制還有待提高。因此，設(shè)計出安全可靠的電控系統(tǒng)就變得尤為重要。傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)所采用的繼電器、接觸器等原件都已經(jīng)較為落后，已不適用于礦井的安全高效生產(chǎn)環(huán)境，近年來變頻調(diào)控技術(shù)逐漸應(yīng)用于電控系統(tǒng)。李志慶提出傳統(tǒng)PID同模糊控制相結(jié)合的方法用于采煤機(jī)截割系統(tǒng)，實現(xiàn)了采煤機(jī)的自適應(yīng)截割控制;王國貝等提出在選礦廠生產(chǎn)中采用模糊PID控制，實現(xiàn)了浮選、磨礦-分級的自動控制，效果明顯;張燁分析了傳統(tǒng)PID控制的缺點，提出了BP-PID控制算法用于礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過BP-PID控制器的設(shè)計及其仿真實驗分析，結(jié)果表明采用BP-PID控制算法的系統(tǒng)具備更優(yōu)的控制性能和抗干擾能力;隋濤等提出通過建立專家控制規(guī)則，對傳統(tǒng)PID進(jìn)行優(yōu)化并應(yīng)用于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中，通過設(shè)計建立專家PID控制系統(tǒng)，仿真分析，結(jié)果表明與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)具備更好的魯棒性和動態(tài)性能。

本文提出將模糊控制同傳統(tǒng)的PID相結(jié)合，設(shè)計了模糊自適應(yīng)控制器，進(jìn)行了仿真分析，通過與傳統(tǒng)PID控制算法的對比，采用模糊自整定PID控制，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間減少，超調(diào)量減少，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間縮短，表明了模糊自整定PID控制系統(tǒng)的高效性、可靠性和正確性。

1模糊控制原理

模糊控制就是以人的模糊推理和決策為依據(jù)，通過人為的設(shè)計相對應(yīng)的模糊規(guī)則，模糊化處理外界采集的信息，并將之作為輸入信號，在控制器中完成推理并將結(jié)果錄入執(zhí)行部件，最后得到理想的控制效果。模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過制定特定規(guī)則，采用不同的語言形式實現(xiàn)模糊控制，參與的專家不同，制定出的規(guī)則也不盡相同。但碰到復(fù)雜系統(tǒng)時，為更方便創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，通常采用模糊控制，從而更容易實現(xiàn)更優(yōu)控制。模糊控制的實現(xiàn)，一般需要現(xiàn)場技術(shù)人員的經(jīng)驗知識和現(xiàn)場收集的操作數(shù)據(jù)。在對礦井提升機(jī)進(jìn)行分析時，主要分析提升機(jī)的速度和速度變化率，將它們作為輸入量，比例、積分、微分作為輸出量。通過圖1可知，通過模糊化和解模糊處理，充分分析輸入量，調(diào)整模糊規(guī)則，進(jìn)而改變輸出量，使系統(tǒng)獲得最優(yōu)控制。在進(jìn)行模糊化處理，首先需要精準(zhǔn)完成被控信息的采集，通過與給定值的比較得到誤差信息，再對其進(jìn)行模糊化處理，得到模糊變量e，其最為常用的為7個等級，分別為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，與之對應(yīng)的語言變量為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

2模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計

傳統(tǒng)PID控制器是由Kp，Ki，Kd三部分組成，其中Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，用以提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)時的速率;Ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)，用以消除系統(tǒng)穩(wěn)定后的誤差;Kd為微分調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù)，是系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)前對誤差進(jìn)行實時預(yù)報，修訂誤差來改變系統(tǒng)的動態(tài)性能。模糊自整定PID則是在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上，加入了模糊控制規(guī)則，對偏差e和偏差變化ec進(jìn)行了修訂，對上述三個參數(shù)進(jìn)行修訂，使控制系統(tǒng)進(jìn)一步得到優(yōu)化。其控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

速度偏差e的語言變量為E，速度偏差變化率的語言變量為EC，輸出變量△Kp，△Ki，△Kd的模糊子集均采用7等級{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，對應(yīng)的論域為{-6，-4，-2，0，2，4，6}，根據(jù)經(jīng)驗，得到模糊規(guī)則表1，2，3。

3仿真分析

對模糊PID及傳統(tǒng)PID控制建模，采用的傳遞函數(shù)為：

利用ode23tb算法，仿真模型見圖3所示。上下兩部分分別為模糊PID控制及傳統(tǒng)PID控制模型，仿真結(jié)果見圖4。

圖4的（a）中曲線較高的為傳統(tǒng)PID控制的仿真波形，較低的曲線為模糊PID控制波形。顯然，在響應(yīng)時間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量方面，采用模糊自整定PID控制更具優(yōu)勢。在5s左右，模糊自整定PID控制器已達(dá)標(biāo)準(zhǔn)控制精度，較傳統(tǒng)PID控制器提前了1s，且曲線峰值方面，模糊自整定PID控制的曲線較傳統(tǒng)PID控制波形低，說明超調(diào)量比較小，反應(yīng)速度也迅速。由此可知，與傳統(tǒng)PID控制算法相比，系統(tǒng)采用模糊自整定PID控制后，具備更優(yōu)的動靜態(tài)調(diào)節(jié)功能，同時響應(yīng)速度變得更快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間大大縮小，同時超調(diào)量減少，具備更優(yōu)的調(diào)節(jié)效果。通過圖4的（b）（c）（d）可知，在采用模糊PID算法后，Kp，Ki，Kd參數(shù)的波形變化說明三個參數(shù)在整個過程均受到不斷調(diào)整，且自行調(diào)整速度較快，在短時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，使整個控制效果更為理想。

4結(jié)論

以礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)為研究對象，分析了模糊控制理論，同時將PID控制和模糊算法相結(jié)合，并在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上修訂參數(shù)Kp、Ki、Kd，制定了模糊規(guī)則表，設(shè)計了模糊自適應(yīng)控制器，充分利用了PID控制和模糊算法的優(yōu)點，能夠有效改善礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的性能。

仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制算法相比，系統(tǒng)采用模糊自整定PID控制后，動靜態(tài)調(diào)節(jié)功能好，響應(yīng)速度快，在5s左右達(dá)到控制精度，較傳統(tǒng)PID控制器提前了1s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間短，同時超調(diào)量減少。

礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)采用模糊自整定PID控制算法，參數(shù)不斷快速調(diào)整至穩(wěn)定值，系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、及時、穩(wěn)定，具有更好的控制性能，控制效果更為理想。

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