彭秋紅 成 蘭

（河南省平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山467001）

0 引言

礦井提升機(jī)的主要任務(wù)是沿井筒提升煤炭（或礦石、矸石）、運(yùn)送材料、升降人員和設(shè)備等，因此，它是地面和井下聯(lián)系的紐帶，在礦井生產(chǎn)中占有重要地位。為了進(jìn)一步提高礦井提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的安全和調(diào)速性能，設(shè)計(jì)一種高性能的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)的必然要求。目前，我國(guó)交流提升機(jī)采用三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻和晶閘管串級(jí)調(diào)速2種方式進(jìn)行調(diào)速，但轉(zhuǎn)子回路串電阻這種調(diào)速方法屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型，即轉(zhuǎn)速越低，則轉(zhuǎn)差功率的消耗越大，效率就越低，而且費(fèi)用較高；晶閘管串級(jí)調(diào)速這種方法則功率因數(shù)偏低。所以，本文將模糊PID控制算法引入礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的調(diào)速性能，進(jìn)而達(dá)到更加安全、準(zhǔn)確停車的目的，并通過(guò)Matlab仿真表明該方法的有效性、正確性和可靠性。

1 模糊PID控制思想

礦井提升機(jī)主要是反復(fù)進(jìn)行啟動(dòng)—加速—?jiǎng)蛩佟獪p速—爬行—停車這樣的變速運(yùn)行過(guò)程，這種控制的困難在于對(duì)象特性的多變性。提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中所處空間位置和裝載重量都不相同，啟動(dòng)和減速過(guò)程具有不對(duì)稱的增益特性，箕斗（或罐籠）的實(shí)際承載量也常常變化，所以礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變、有噪聲干擾、有純滯后的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)建模的困難使現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制難以應(yīng)用，而模糊PID控制恰可應(yīng)用于這類數(shù)學(xué)模型為未知或多變的過(guò)程。

對(duì)于礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制，采用的做法是多段模糊PID控制，即從啟動(dòng)至勻速運(yùn)行階段，采用模糊控制；從減速至停車階段，采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法，以此確保礦井提升機(jī)按規(guī)程中要求的速度運(yùn)行，最終達(dá)到安全、準(zhǔn)確停車的目的。

2 礦井提升機(jī)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

采用模糊PID控制的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中V0為給定速度，Vf為反饋速度，Ve為速度偏差，Vec為速度偏差變化率，U為模糊控制器的輸出信號(hào)，kP為比例放大系數(shù)，kI為積分作用系數(shù)，kD為微分作用系數(shù)。

圖1 模糊PID控制的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

首先，選用兩輸入、單輸出的模糊控制器，控制器的輸入為Ve和Vec，輸出為U。

其次，設(shè)Ve、Vec和U 的模糊集均為｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝，其中，NB、NM、NS、0、PS、PM、PB分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大；Ve、Vec和U 的論域均為｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝，并假設(shè)Ve、Vec和U 均服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布，如圖2所示。

圖2 Ve、Vec和U的隸屬函數(shù)曲線圖

再次建立模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

最后采用查表法來(lái)加快系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，即提高礦井提升機(jī)的運(yùn)行速度。

2.2 PID控制器的設(shè)計(jì)

離散PID控制算法為：

式中，k為采樣序號(hào)；T為采樣時(shí)間。

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID的3個(gè)參數(shù)kP、kI、kD與Ve和Vec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷檢測(cè)Ve和Vec，根據(jù)模糊控制思想對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同Ve和Vec對(duì)控制參數(shù)的要求，從而使礦井提升機(jī)有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。這樣可以得出針對(duì)kP、kI和kD3個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行整定的模糊控制規(guī)則表，如表2～4所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

表2 kP的模糊控制規(guī)則表

表3 kI的模糊控制規(guī)則表

表4 kD的模糊控制規(guī)則表

kP、kI、kD的模糊控制規(guī)則表建立好后，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算完成對(duì)PID參數(shù)的在線校正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)運(yùn)行中的平滑準(zhǔn)確過(guò)渡。

3 控制系統(tǒng)仿真

利用Matlab中的Simulink工具箱，對(duì)圖1所示礦井提升機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)建立了仿真模型。圖3為模糊PID控制系統(tǒng)跟蹤礦井提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中速度的示意圖。

圖3 實(shí)際運(yùn)行速度示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用模糊PID控制的方法，使礦井提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中能夠根據(jù)系統(tǒng)的速度偏差調(diào)整控制參數(shù)，從而使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程更加平穩(wěn)。尤其是在提升機(jī)由減速爬行運(yùn)行至停車階段時(shí)，改善了制動(dòng)時(shí)由于機(jī)械沖擊或人為干預(yù)等因素所造成的振動(dòng)，達(dá)到了預(yù)期的控制要求，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)調(diào)速過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)全礦井綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)起到了積極的作用。

［1］李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998

［2］《礦井提升機(jī)故障處理和技術(shù)改造》編委會(huì).礦井提升機(jī)故障處理和技術(shù)改造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

［3］孫麗軍.基于礦井提升機(jī)的自適應(yīng)模糊PID控制器研究［J］.山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（2）：63～65

［4］陳惠賢，劉雙，唐清泰.模糊PID控制策略在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2008（9）：17～19