劉朝榮

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

金屬礦山開采工藝技術(shù)的發(fā)展具有多樣化，礦石從開采到選礦廠的運(yùn)輸方式也各不一樣，在地形復(fù)雜的礦山多通過平硐電機(jī)車運(yùn)輸?shù)V石，降低礦石運(yùn)輸成本，這種輸送礦石方式在我國(guó)很多大型礦山被采用，尤其是開采時(shí)間比較長(zhǎng)的礦山。某礦山公司礦井開采的礦石經(jīng)過提升機(jī)系統(tǒng)提升至地面溜井礦倉(cāng)，溜井下部礦倉(cāng)采用指形閘門放料至平硐礦車，再由平硐絞車牽引礦車出硐，完成平硐礦車裝車過程，最后再由火車牽引礦車送往選礦廠進(jìn)行下道工序。其中，礦車裝車是礦石輸送的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。原裝車環(huán)節(jié)停留在手動(dòng)、半自動(dòng)裝車的水平，由工人控制礦車牽引與礦倉(cāng)閘門的手動(dòng)配合操作，完成礦車的裝車工作，裝車方式效率低(約3 min/節(jié))，而且人為因素影響較大，通常因?yàn)槿斯げ僮鞯氖д`造成跑料、堵軌等安全事故，直接影響到礦石的輸送［1］。因此，全自動(dòng)連續(xù)裝車方式的實(shí)現(xiàn)意義重大，本文針對(duì)連續(xù)裝車時(shí)的核心問題——料位控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)分析

連續(xù)裝車方式是礦車以合適的速度不間斷運(yùn)行的同時(shí)，控制礦倉(cāng)閘門協(xié)調(diào)動(dòng)作進(jìn)行礦石裝車，這種方式既提高裝車效率又保證裝車質(zhì)量。圖1是礦石礦車裝車系統(tǒng)的料位控制系統(tǒng)圖。其中，礦車礦石料位的檢測(cè)采用超聲波料位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 礦石裝車控制系統(tǒng)示意圖

礦車自動(dòng)連續(xù)裝礦最主要的問題是對(duì)于料位的控制，而礦車料位控制的主要問題是:料位值是隨被控對(duì)象放礦閘門的開度變化而變化，閘門控制具有大慣性、時(shí)變性的特點(diǎn)，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)。另外，礦車采用連續(xù)方式放礦時(shí)，由于閘門控制受到車速、料位、流量、礦石塊度等非線性因素影響，也導(dǎo)致難以建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。采用常規(guī)PID控制方式，參數(shù)的整定困難，控制效果不佳，容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，選擇適合這種特定環(huán)境下的控制方法則是自動(dòng)放礦系統(tǒng)首要解決的問題。

2 控制算法設(shè)計(jì)

2.1 概述

通過對(duì)裝車過程的仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，料位的變化經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，尤其是出現(xiàn)大塊礦石堵塞閘門時(shí)，料位變化緩慢，但如果調(diào)節(jié)礦倉(cāng)閘門開度增大，礦石急劇傾瀉料位瞬間增大，閘門開度又需調(diào)節(jié)減少，如此反復(fù)動(dòng)作導(dǎo)致料位控制效果差。采用常規(guī)PID控制料位，kp、ki、kd參數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)試湊法獲得，對(duì)于正常的料位變化控制效果較好，但對(duì)于料位工況的變化，固定的參數(shù)難以解決這種動(dòng)態(tài)的工況變化;模糊控制器對(duì)復(fù)雜以及不確定數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用控制效果較好，而且適應(yīng)過程中參數(shù)變化的能力較強(qiáng)［2］。因此，采用模糊控制方法在線自整定PID參數(shù)，構(gòu)成模糊自整定參數(shù)PID控制器，完成對(duì)裝車過程中的料位變化的控制。

2.2 模糊自整定參數(shù)PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PID參數(shù)模糊自整定是根據(jù)跟蹤誤差信號(hào)自整定PID 3個(gè)參數(shù)，對(duì)kp，ki，kd 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以達(dá)到改善控制效果。模糊PID控制器由常規(guī)PID控制器和模糊控制器兩部分組成。模糊控制器輸入是料位設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值的偏差e和偏差變化率 ec，輸出 Δkp、Δki、Δkd 作為 PID 控制器的輸入?yún)?shù)［3］。料位控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 料位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

模糊自整定PID控制器的表達(dá)式:

式中:kp(0)、ki(0)、kd(0)為參數(shù) kp、ki、kd 的給定初值，通過實(shí)驗(yàn)試湊法得到。Δkp、Δki、Δkd為模糊控制器的輸出，作為PID控制的調(diào)整參數(shù)。

PID控制算法分為增量式PID控制算法和位置式PID控制算法。增量式只計(jì)算當(dāng)前增量，當(dāng)存在計(jì)算誤差時(shí)，對(duì)控制量的影響較?。?］。根據(jù)料位的控制特性，選擇增量式PID控制算法。

式中:kp為放大系數(shù)，

將式(3)代入式(2)可得:

式中:Ts、Ti、Td分別為采樣周期、積分常數(shù)和微分常數(shù)。

2.3 模糊自整定參數(shù)PID控制器的設(shè)計(jì)

輸入輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)曲線，模糊論域?yàn)椋郏?，6］，模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，對(duì)應(yīng)表示為{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。料位偏差e的基本論域?yàn)椋郏?，1］，對(duì)應(yīng)的量化因子ke=0.6;料位偏差變化ec的基本論域?yàn)椋郏?.1，0.1］，對(duì)應(yīng)量化因子 kc=1.2;輸出變量 Δkp、Δki、Δkd 的基本論域?yàn)椋郏?.5，0.5］，對(duì)應(yīng)的比例因子 k=0.0833。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及操作經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)Δkp、Δki、Δkd的整定原則考慮如下因素［5，6］:

(1)當(dāng)設(shè)定與實(shí)際值的偏差e較大時(shí)，PID控制參數(shù)中ΔKp取值大、ΔKd取值小，可以更好的跟蹤設(shè)定;同時(shí)為了減少系統(tǒng)的超調(diào)，通常取ΔKi=0。

(2)當(dāng)偏差e和偏差變化ec處于中等大小時(shí)，ΔKp取值小，ΔKi取值適當(dāng)，系統(tǒng)輸出超調(diào)減少，ΔKd取值適中，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

(3)當(dāng)偏差e較小時(shí)，ΔKp和ΔKi取值大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好，還避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近上下振蕩。另外，偏差變化ec較小時(shí)，ΔKd取值大;當(dāng)ec較大時(shí)，ΔKd取值小。

模糊規(guī)則如表1(僅列出Δkp)所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

對(duì)于表中的49條控制規(guī)則，分別求出49個(gè)Fuzzy控制量，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊運(yùn)算。

3 仿真與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證所建立的Fuzzy-PID控制器是否跟隨料位設(shè)定值、實(shí)時(shí)響應(yīng)調(diào)節(jié)的性能，通過MATLAB進(jìn)行仿真，仿真設(shè)定值為1.0，仿真結(jié)果如圖3所示?？煽闯?與常規(guī)PID控制相比，自適應(yīng)模糊PID控制器能更有效的跟蹤料位設(shè)定值，系統(tǒng)的超調(diào)及輸出振蕩小，過渡時(shí)間快，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好。

將上述算法應(yīng)用于礦山裝礦系統(tǒng)，經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn)，每節(jié)礦車的裝礦時(shí)間縮短為1 min/節(jié)，裝車效率大大提高，裝車效果如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)礦車裝車過程時(shí)變、非線性、精確模型難建立等特點(diǎn)，采用自適應(yīng)Fuzzy-PID控制方法組成料位控制系統(tǒng)，通過MATLAB仿真及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行，取得了明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的控制效果，達(dá)到了連續(xù)自動(dòng)裝車的目的，提高了裝車效率，實(shí)踐證明了該控制方法的正確性。

［1］ 吳延明，郝曉弘.基于模糊控制的平硐礦機(jī)車自動(dòng)裝車系統(tǒng)研究［J］.礦山機(jī)械，2007，25(12):54－56.

［2］ 周克良，張建榮.模糊－PID串級(jí)控制在磨機(jī)給礦量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2008，29(2):162－164.

［3］ 郭欣.全自動(dòng)礦山鐵路裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(10):89－93.

［4］ 陳新元，曾良才，李遠(yuǎn)慧，等.模糊神經(jīng)PID控制在工業(yè)爐冶金閥門位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，30(2):132－135.

［5］ 李麗娜，柳洪義，羅忠，等.模糊PID復(fù)合控制算法改進(jìn)及應(yīng)用［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(2):274－278.

［6］ 孫元華.基于MATLAB的電液比例模糊PID控制研究［J］.電氣自動(dòng)化，2010，32(3):28－30.