常偉

【摘 要】 本文針對礦井提升機運行過程中速度調(diào)節(jié)不平穩(wěn)的問題，提出了混沌優(yōu)化PID參數(shù)整定方法。通過利用混沌算法，對PID參數(shù)進行尋優(yōu)，最后進行了仿真分析，結(jié)果表明：應用混沌優(yōu)化PID參數(shù)與采用傳統(tǒng)方法得到的參數(shù)相比，其系統(tǒng)控制效果更好，具有超調(diào)更小，響應速度更快，系統(tǒng)更加穩(wěn)定的優(yōu)點。

【關鍵詞】 礦井提升機;混沌優(yōu)化;PID控制;電控系統(tǒng)

【中圖分類號】 TD534 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0036-02 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

礦井提升機是煤礦的主要運輸設備之一，在煤礦生產(chǎn)中擔負著運人、運物的作用，具有舉足輕重的地位。礦井提升機電控系統(tǒng)是提升機的關鍵，直接影響到礦井的生產(chǎn)安全。所以，對礦井提升機控制系統(tǒng)的研究也變得尤為重要。近年來，對提升機的機械結(jié)構(gòu)和部件的研究有很多，但只有同時加強控制性能方面的研究，才能提高礦井提升機的整機水平，降低提升機的能耗，提高提升效率，增大運行安全系數(shù)。目前，現(xiàn)代煤礦利用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）作為交流控制系統(tǒng)，使提升機在調(diào)速和節(jié)能方面都有了一定的改善，但還是存在運行中顫抖，速度不穩(wěn)等問題。所以，如何保持礦井提升機在運行過程中的速度平穩(wěn)調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)研究的重中之重。本文提出利用混沌優(yōu)化算法，對礦井提升機的DTC系統(tǒng)中的速度PID調(diào)節(jié)器進行優(yōu)化，以提高提升機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力等。

1礦井提升機電控系統(tǒng)分析

礦井提升機可分為單繩纏繞式和多繩摩擦式兩種，兩種形式的提升機都可視為一個完整的機械—電氣系統(tǒng)，運行時速度都很快，慣性也比較大，運行特性比較復雜，所以提升機必須具備良好的控制系統(tǒng)和保護裝置，否則提升機運行一旦脫控，輕則造成設備的損壞，重則造成人員的傷亡，后果不堪設想。因此，對礦井提升機電控系統(tǒng)的研究就變得尤為重要。

礦井提升機在運行時，罐籠的位置會通過行程控制器顯示并進行上傳，其給定的速度也會受到行程控制器的調(diào)節(jié)。當罐籠出現(xiàn)停車或者故障后，提升機的抱閘制動由閘控電路實現(xiàn)。其原理圖如圖1所示。礦井提升機電控系統(tǒng)需滿足四象限運行，同時通過設置要提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，且滿足速度的要求。

2混沌優(yōu)化PID參數(shù)整定

2.1 PID參數(shù)優(yōu)化

“混沌”是由氣象學家Lorenz提出，隸屬于非線性系統(tǒng)，具有豐富的內(nèi)部層次，它不是簡單的無序，而是在一有限的區(qū)域內(nèi)變化，且這種變化是隨機的，是系統(tǒng)自發(fā)的。混沌具有隨機性、有界性、長期不可預測性、分維性和通歷性等特點。對PID參數(shù)進行設計時，要使其達到最優(yōu)化，可利用混沌的通歷性，其參數(shù)尋優(yōu)示意圖如圖2所示。其中，數(shù)字PID控制表達式見式1。

對u*（k）比例放大，如式（2）所示：

其中kp，ki，kd，ku為相互獨立的待定參數(shù)，且滿足式（3）：

kp，ki，kd，ku的傳遞函數(shù)為：

本文選用如下性能指標并對其進行離散化：

其中，m為采樣點數(shù);T為采樣周期。

2.2具體步驟

混沌優(yōu)化利用的是軌道遍歷性特點，先利用混沌變量的遍歷性進行粗搜索，確定次優(yōu)化值，再以次優(yōu)化值為中心，進行小幅度變化來確定最優(yōu)解。本文混沌優(yōu)化是利用Logistic方程來產(chǎn)生混沌序列，其表達式為Xn=KXn（1-Xn）。對參數(shù)進行確定時，可先利用傳統(tǒng)方法確定系數(shù)a、b、c、d的大致范圍，再取不同的初始值代入上式中，得到四個不同的混沌變量X1、X2、X3、X4，將其中的X4通過比例放大，在利用式（2）（3）確定出不同的四個參數(shù)對，根據(jù)式（4）得出滿足穩(wěn)定性條件的多組參數(shù)對，利用式（6）得出次優(yōu)參數(shù)值KP*，Ki*，Kd*，Ku*，最后縮小混沌變量的遍歷范圍，以次優(yōu)參數(shù)值為中心，在其鄰域內(nèi)進行細搜索，確定最終的最優(yōu)參數(shù)KP，Ki，Kd，Ku。

2.3仿真結(jié)果分析

以某電動機為研究對象，對混沌優(yōu)化PID及傳統(tǒng)PID控制方法進行仿真分析，采用的傳遞方程為G（s）=■，采樣周期為0.001S，參數(shù)a、b、c、d的值均取100，采樣點數(shù)為100，通過優(yōu)化程序，得到K為3.9、4.0、4.0001后的PID參數(shù)優(yōu)化值，見表1。仿真曲線見圖3。

由圖分析可知，當k=4.0時，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)超調(diào)，調(diào)節(jié)所需時間最短，而偏離4.0后，由曲線走勢可以看出，系統(tǒng)性能均變差，但較應用傳統(tǒng)PID參數(shù)的系統(tǒng)控制效果更好。所以，采用混沌優(yōu)化PID參數(shù)后，系統(tǒng)的控制效果要好，超調(diào)更小，調(diào)節(jié)所需時間更短，并且當系統(tǒng)處于完全混沌的時候，系統(tǒng)性能達到最佳狀態(tài)。

3混沌優(yōu)化PID應用仿真實驗

本文采用Matlab/Simulink對礦井提升機DTC系統(tǒng)進行仿真實驗，設置電動機的初始負載轉(zhuǎn)矩為20N·M，設定轉(zhuǎn)速為1000rad/s。經(jīng)過0.8s，負載轉(zhuǎn)矩為50N·M，混沌優(yōu)化PID參數(shù)設置為Ki=1.328，Kp=0.067，Kd=0，Ku=3.0871，為進行比較，設置傳統(tǒng)速度PI參數(shù)為Kp=0.15，Ki=5.0。仿真結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4分析可知，兩種系統(tǒng)的磁鏈軌跡均接近于圓形，但與傳統(tǒng)速度PID調(diào)節(jié)相比，應用混沌優(yōu)化PID參數(shù)整定后，系統(tǒng)的脈動比較小，調(diào)節(jié)所需要的時間比較短。同時，由圖5可知，兩種系統(tǒng)在0.8s后，混沌優(yōu)化PID系統(tǒng)會以更快的速度完成調(diào)節(jié)，更易完成平穩(wěn)過渡，具備更強的抗干擾能力，效果要更好。

4結(jié)論

本文分析了礦井提升機的電控系統(tǒng)，并介紹了混沌優(yōu)化PID參數(shù)尋優(yōu)方法及其具體步驟，最后通過仿真實驗得出提升機控制系統(tǒng)采用混沌優(yōu)化PID參數(shù)后，系統(tǒng)會更加穩(wěn)定，具備更強的抗干擾能力，速度調(diào)節(jié)效果更好。

【參考文獻】

[1]聶虹.礦井提升機的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].礦山機械，2015，

43（07）：13-17.

[2]劉云霞，劉春麗.礦井提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展和應用[J].煤炭技術(shù)，2017，36（10）：264-266.

[3]譚宇碩.基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)設計[J].煤炭技術(shù)，2018，37（07）：276-279.

[4]薛勝男.基于PLC礦井提升機變頻控制系統(tǒng)研究[J].山西能源學院學報，2017，30（04）：36-37，50.

[5]李丹.電動機及減速器在礦井提升機中的匹配選用[J].煤礦機械，2017，38（12）：110-112.

[6]冀亞偉.礦井提升機電氣控制系統(tǒng)應用及改造[J].機械研究與應用，2018，31（04）：193-195.

[7]商德勇，潘越，劉志民.直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)在提升機控制中的應用[J].煤礦機械，2009，30（10）：184-186.

[8]蔡名璋.混沌技術(shù)及其在保密通信中的應用研究[D].廣東：華南理工大學，2007.