基于模糊控制算法的輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究

段 鑫

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)備租賃分公司， 山西 太原 030053）

1 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的組成

帶式輸送機(jī)的控制核心在于PLC（可編程邏輯控制器）。由主站上位機(jī)通過Profibus-DP 總線進(jìn)行與從站通信，通過RS485 與變頻器進(jìn)行通信，由變頻器控制帶式輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。硬件控制組成如圖1 所示。

2 模糊控制理論

模糊控制器基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊三個(gè)部分。E和EC分別為e 和ec模糊后的模糊量；U 為模糊控制量；u 為 U 解模糊化后的精確量。Ke、Kec、Ku分別為e、ec和u 的模糊化因子[1]。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾步。

圖1 帶式輸送機(jī)智能控控制組成

圖2 模糊控制系統(tǒng)

2.1 建立模糊控制規(guī)則庫

模糊控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。在實(shí)際工程中，模糊控制算法智能控制系統(tǒng)硬件主要包括處理器的參數(shù)、系統(tǒng)通訊等；軟件主要包括算法的邏輯及實(shí)際編程語言的實(shí)現(xiàn)。模糊控制規(guī)則：If E is A and E is B,Then U is C.其中，A、B、C 均為模糊集中的元素[2-3]。

2.2 輸入模糊化

本設(shè)計(jì)將帶速偏差e 與帶速偏差變化率ec作為模糊控制算法的輸入量，由以下公式計(jì)算：

式中：v0（h）為設(shè)定帶速，m/s；v（h）為實(shí)際帶速，m/s。

通過對(duì)模糊子集的匹配，本文假設(shè)把模糊變量E，EC以及 U 分為 7 檔，即正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）?；趯?duì)模糊算法的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，選取三角形隸屬函數(shù)，本文將U、E、EC分為{-3,-2，-1，0，+1，+2,+3}7 檔，則共有 49條模糊控制規(guī)則，根據(jù)實(shí)際工程電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則為：

1）If（E is NB）and（ECis NB）,then (Keis PB)(Kecis NB)(Kuis PB)

2）If（E is NB）and（ECis NM）,then (Keis PB)(Kecis NB)(Kuis NB)

…

2.3 輸出反模糊化

根據(jù)模糊規(guī)則，由模糊推理生成規(guī)則，可以得到以下關(guān)系：U=（E×EC）×R，通過計(jì)算得出具體模糊控制量U。根據(jù)模糊控制量U，將U 乘以Ke可以得到精確控控制量，u 經(jīng)過D/A（數(shù)字量/模擬量）轉(zhuǎn)換模塊輸出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精確控制[4-5]。

3 模糊算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 西門子S7-300 可編程邏輯控制器

帶式輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制多采用西門子PLC S7-300 型號(hào)，以下討論模糊控制算法在PLC 中的應(yīng)用。可編程邏輯控制器PLC 是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的專用型微型計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)與邏輯跟計(jì)算機(jī)基本相同[6]，如圖3 所示。

圖3 可編程邏輯控制器硬件結(jié)構(gòu)

通過其官方的博途V3 進(jìn)行程序的編寫和上傳，通過結(jié)構(gòu)化程序編寫進(jìn)行實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。PLC的編程語言有梯形圖（LD）、指令表（IL）、功能模塊圖（FBD）、順序功能流程圖（SFC）等。PLC 也可以通過通信電纜進(jìn)行和上位機(jī)或者下位機(jī)進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化控制。根據(jù)不同工程現(xiàn)場要求通過總線控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整套完善的結(jié)構(gòu)也為智能算法控制提供硬件基礎(chǔ)[7]。

3.2 程序設(shè)計(jì)流程圖

模糊控制算法可以通過梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)。在模糊控制系統(tǒng)中，采用西門子公司的S7-300 型PLC，PLC通過輸入端子采集信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，由中央處理器進(jìn)行處理，再經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換將信號(hào)送至輸出端子控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]，模糊控制設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 模糊控制設(shè)計(jì)流程圖

3.3 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)

首先，將量化因子寫入PLC 的數(shù)據(jù)寄存器中，然后利用A/D 模塊將輸入量采集到PLC 的DM 區(qū)，經(jīng)過限幅量化處理后，根據(jù)它們所對(duì)應(yīng)的輸入模糊論域中的相應(yīng)元素，查模糊控制查詢表，再乘以輸出量化因子即可得到實(shí)際值，由D/A 模塊輸出[9]。

在模糊控制算法中，模糊控制量表的查詢是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文將模糊論域的元素{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}轉(zhuǎn)換為{0，1，2，3，4，5，6}，采用基址 +變址的尋址方式將模糊控制量表中的U 的控制結(jié)果按由上到下、由左到右的順序依次填入PLC 的數(shù)據(jù)寄存DB 區(qū)中。控制量的基址為100，其偏移地址為ec×5+e，所以根據(jù)ec和e 最終得到的控制量地址為 100+ec×5+e[10]。

4 系統(tǒng)控制結(jié)果分析

使用MATLAB 集成的模糊邏輯工具箱針對(duì)井下輸送機(jī)的不同負(fù)載情況應(yīng)用本設(shè)計(jì)的模糊PID 算法和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)PID 算法進(jìn)行系統(tǒng)仿真比較，得到相應(yīng)曲線如圖5 所示。通過仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的模糊PID 控制算法系統(tǒng)超調(diào)小、響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性高，各方面均優(yōu)于常規(guī)PID 控制，達(dá)到了針對(duì)井下多級(jí)帶式輸送機(jī)負(fù)載條件的控制要求，能夠更加智能地控制輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而也達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。在實(shí)際工程中，有代替原有傳統(tǒng)控制方案的價(jià)值所在。

圖5 響應(yīng)曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

針對(duì)井下帶式輸送機(jī)智能控制應(yīng)用缺乏，大多采取恒速運(yùn)行，運(yùn)輸效率低的問題，設(shè)計(jì)了由可編程邏輯控制器（PLC）為主要核心邏輯控制元件的模糊PID 智能控制系統(tǒng)。對(duì)PLC 系統(tǒng)的硬件組成、模糊算法的基本原理以及針對(duì)常規(guī)PID 規(guī)則優(yōu)化的模糊算法規(guī)則、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過MATLAB 工具對(duì)本設(shè)計(jì)的模糊PID 算法和常規(guī)PID算法應(yīng)用在輸送機(jī)調(diào)速上進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)效能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)井下多級(jí)帶式輸送機(jī)根據(jù)不同負(fù)載智能調(diào)節(jié)帶速，實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)傳輸效率的提高。