基于模糊PID的顎式破碎機雙氣動過載保護控制方法

摘要：顎式破碎機過載狀態(tài)具有差異性，導致單一模式的雙氣動過載保護難以達到利用的效果，為解決這一問題，提出一種基于模糊PID的顎式破碎機雙氣動過載保護控制方法。在充分分析顎式破碎機雙氣動過載保護工作原理基礎上，構建顎式破碎機雙氣動過載保護模型。將過載程度、氣壓變化率以及當前系統(tǒng)狀態(tài)作為模糊PID的輸入參量，進行模糊化處理后，結合根據模糊規(guī)則庫與實時工況，動態(tài)調整氣胎離合器的參數。實驗結果表明，應用設計的控制方法，其對應的無桿腔壓力收斂速度最快，能夠實現(xiàn)對過載狀態(tài)有效響應，并作出可靠保護。

關鍵詞：模糊PID；顎式破碎機；雙氣動過載保護；模糊規(guī)則庫

0" "引言

對于顎式破碎機而言，過載會導致其工作狀態(tài)不穩(wěn)定，進而影響其破碎效果，使得破碎后的物料粒度不均勻，影響后續(xù)加工流程[1]。同時長期過載運行也會加劇設備內部零部件的磨損，從而縮短設備的使用壽命。除此之外，過載運行還容易導致設備出現(xiàn)故障，如電機過熱、皮帶斷裂、軸承損壞等，增加維修成本和停機時間。從能耗角度分析，過載時設備需要消耗更多的能量來維持運行，導致能耗增加，不利于節(jié)能減排[2]。

精確控制破碎機的運行狀態(tài)和過載保護過程，對于減少不必要的能耗和浪費具有重要的現(xiàn)實意義。針對于此，眾多學者開展了一系列研究。王愛麗[3]對顎式破碎機過載保護優(yōu)化方法進行了研究。其主要通過設計彈簧摩擦離合器、液壓摩擦離合器等裝置進行保護。當設備過載時，飛輪裝置在軸承外產生自由滑動，從而起到保護作用。這種方法多應用于簡擺顎式破碎機，其恢復過程較為復雜。

宋學飛等[4]在分析氮氣保護氣流粉碎機的特點基礎上，利用氮氣惰性氣體的屬性，在過載保護過程中有效隔絕氧氣和水分，減少設備內部零部件的氧化和腐蝕，從而增強保護效果。在響應過載情況時，通過調整氮氣壓力或流量來實現(xiàn)對設備的快速保護。但氮氣保護系統(tǒng)需要穩(wěn)定的氮氣供應，對于偏遠地區(qū)或氮氣供應不便的工況可能不適用。

基于以上研究成果，本文提出一種基于模糊PID的顎式破碎機雙氣動過載保護控制方法，并通過對比測試的方式，分析所設計控制方法的應用效果。該設計方法不僅克服了傳統(tǒng)PID控制參數固定不變的缺點，還充分利用了模糊控制的智能性和魯棒性，為顎式破碎機的安全運行提供了有力保障。

1" "顎式破碎機雙氣動過載保護控制方法設計

1.1" "構建顎式破碎機雙氣動過載保護模型

1.1.1" "過載保護總體思路

本文在構建顎式破碎機雙氣動過載保護模型時，充分考慮了顎式破碎機雙氣動過載保護的工作原理。顎式破碎機雙氣動過載保護系統(tǒng)，主要包括氣胎離合器、氣壓控制系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)以及過流保護繼電器[5-6]。在具體保護過程中，氣胎離合器通過控制壓縮空氣的充放，實現(xiàn)離合器的結合與分離，從而結合破碎機具體狀態(tài)實現(xiàn)過載保護。

1.1.2" "顎式破碎機過載狀態(tài)判斷方法

雙氣動過載保護系統(tǒng)中離合器氣胎內的氣壓，直接影響其傳遞的力矩，二者之間的關系可近似表示為：

式中：Tmax表示離合器能傳遞的最大力矩參數，P表示離合器氣胎內氣壓參數，k表示離合器效率系數，A表示離合器有效作用面積。

在此基礎上，對于顎式破碎機過載狀態(tài)的判斷主要是根據離合器滑轉工況。當破碎機因過載導致負載力矩超過離合器能傳遞的最大力矩時，離合器將發(fā)生滑轉[7]。設實際負載力矩為Tload，最大允許負載力矩為Tmax，則過載判斷條件可以表示為：

1.1.3" "確定啟動加速度與充氣時間關系

在破碎機啟動過程中，通過控制充氣速度調節(jié)啟動加速度。啟動加速度與充氣時間的關系可以表示為：

式中：a表示啟動加速度，t表示充氣時間，ω表示角速度，I表示系統(tǒng)轉動慣量，dV/dt表示充氣速率，k'表示與氣壓和力矩轉換相關的系數。

當破碎機發(fā)生過載時，通過氣控系統(tǒng)使氣胎迅速放氣，可讓離合器脫開，實現(xiàn)過載保護。按照上述流程，實現(xiàn)對顎式破碎機雙氣動過載保護模型的構建，為后續(xù)的控提供執(zhí)行基礎，以確保保護的有效性。

1.2" "基于模糊PID的雙氣動過載保護控制策略

結合構建的顎式破碎機雙氣動過載保護模型，本文在開展具體的雙氣動過載保護控制時，引入了模糊PID，以實現(xiàn)對具體過載狀態(tài)的精確響應。通過結合模糊控制的靈活性和PID控制的精確性，以應對破碎機工作過程中的復雜性和不確定性。

1.2.1" "模糊集表示方法

模糊PID控制能夠根據實時工況動態(tài)調整氣胎離合器的參數，提高系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性。本文設置模糊PID的輸入變量包括過載程度（負載力矩與設定閾值之間的關系）、氣壓變化率、以及當前系統(tǒng)狀態(tài)（啟動、正常運行、過載）。對應的輸出變量為控制信號，即調節(jié)氣胎離合器氣壓的信號，以此影響離合器的結合與分離。將輸入變量進行模糊化處理，將其映射到模糊集上，具體的模糊集可以表示為：

式中：X表示輸入變量對應的模糊集，（NB）、（NM）、（NS）、（ZO）、（PS）、（PM）、（PB）分別表示輸入變量顯著低于設定值，輸入變量低于設定值，輸入變量略低于設定值，輸入變量與設定值擬合，輸入變量略高于設定值，輸入變量高于設定值以及輸入變量明顯高于設定值。

1.2.2" "模糊規(guī)則庫設置

對于模糊規(guī)則庫，具體的設置情況如下：如果過載程度PB且氣壓變化率PB，則輸出增加氣壓PS；如果過載程度NS且系統(tǒng)狀態(tài)為過載，則輸出減少氣壓NM。

1.2.3" "將輸出變量模糊值轉換為精確控制信號

在此基礎上，根據模糊規(guī)則庫和當前輸入變量的模糊值，進行模糊推理，得到輸出變量的模糊值。在模糊集上進行反向映射，將輸出變量的模糊值轉換為精確的控制信號。具體的處理方式可以表示為

式中：x表示輸出變量模糊值轉換后對應的精確控制信號，u表示慣量參數，E表示電動機功率參數。

1.2.4" "PID控制參數調整策略

利用模糊推理得到的控制信號，動態(tài)調整PID控制器的參數（比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd）。其中PID控制參數的具體調整策略可以表示為式中：Kp0、Ki0、Kd0為PID控制器的初始參數，?Kp、?Ki、?Kd為根據模糊推理結果調整的參數增量。將調整后的PID控制參數應用于系統(tǒng)，通過控制氣壓來實現(xiàn)對顎式破碎機雙氣動過載保護動作的精準控制。

按照上述的設計，利用模糊PID對顎式破碎機雙氣動過載保護動作進行精準控制，有效提高過載保護系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)定性。通過模糊化處理、模糊規(guī)則庫建立、模糊推理、解模糊化以及PID控制參數調整步驟，實現(xiàn)對過載保護動作的動態(tài)調整和優(yōu)化。

2" 測試與分析

2.1" "測試準備

在分析本文設計顎式破碎機雙氣動過載保護控制方法的應用效果時，以PE-1200×1500型復擺顎式破碎機作為具體測試對象。PE-1200×1500型復擺顎式破碎機結構如圖1所示。

結合圖1所示的結構配置，確定采取PE-1200×1500型復擺顎式破碎機進行測試，測試工況如下：破碎抗壓強度350MPa以下粗碎、中碎礦石或巖石，粒徑為500～1800mm。PE-1200×1500型復擺顎式破碎機參數如表1所示。

2.2" "測試方案設計

為更加客觀地體現(xiàn)設計過載保護控制方法的性能，分別設置文獻[3]提出顎式破碎機過載保護優(yōu)化方法，以及文獻[4]提出的以氮氣為基礎的破碎機過載保護方法，作為測試的對照組。具體過載工況設置如表2所示。在上述工況下，分別實施3種過載保護控制方法，并對主液壓缸無桿腔的壓力情況進行統(tǒng)計。

2.3" "測試結果與分析

在測試過程中，分別實施了三種過載保護控制方法，并對應主液壓缸無桿腔壓力變化情況進行統(tǒng)計。之所以選擇主液壓缸無桿腔的壓力作為統(tǒng)計對象，因為在過載工況下其承受著最大的壓力沖擊，其壓力變化情況能夠直觀地反映出過載保護控制方法的性能。不同方法測試結果對比如圖2所示。

結合圖2所示的測試結果可以看出，在3種不同方法下，本文設計控制方法對應主液壓缸無桿腔壓力收斂速度最快，表明其能夠實現(xiàn)對過載狀態(tài)有效響應，作出可靠保護，顎式破碎機能夠在過載工況下實現(xiàn)安全運行。

3" 結束語

顎式破碎機過載狀態(tài)具有差異性，導致單一模式的雙氣動過載保護難以達到利用的效果，為解決這一問題，本文提出一種基于模糊PID的顎式破碎機雙氣動過載保護控制方法。利用模糊PID控制通過模糊邏輯對顎式破碎機進行建模，有效處理過載狀態(tài)下的不確定性和非線性問題，從而實現(xiàn)對顎式破碎機的精確控制。該方法不僅提高了保護的冗余性，還增強了顎式破碎機的整體穩(wěn)定性和安全性。借助本文的研究，希望在提高生產效率、保障設備安全、降低能耗與成本以及推動技術創(chuàng)新等方面提供參考價值。

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