王 沖

（山西焦煤西山煤電斜溝礦， 山西 呂梁 033600）

引言

在礦井生產(chǎn)運(yùn)行過程中膠帶輸送機(jī)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行直接決定著煤炭資源能否高效持續(xù)地進(jìn)行運(yùn)輸，膠帶輸送機(jī)設(shè)備的好壞又取決于其運(yùn)輸功能的穩(wěn)定性以及是否能做到精確性控制。常規(guī)PID 控制器在進(jìn)行運(yùn)輸系統(tǒng)控制時(shí)往往存在時(shí)滯性且抵御外界干擾的能力較差，超調(diào)量也很大，很難滿足膠帶輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行需要。因此，基于模糊控制理論實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化PID 控制就有著設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性以及可行性。

1 智能化PID 控制運(yùn)輸功能原理

膠帶輸送機(jī)的智能化PID 控制運(yùn)輸功能原理如圖1 所示，主要包括六大部分：自適應(yīng)控制主機(jī)、物料重量監(jiān)測、膠帶機(jī)速度監(jiān)測、PID 控制器、電機(jī)以及終端輸送機(jī)。其中膠帶輸送機(jī)上配置有重量以及速度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對承載物料重量或膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測；自適應(yīng)控制主機(jī)則通過對接收到的速度信息進(jìn)行自適應(yīng)分析處理，然后輸出調(diào)整后的一些速度參數(shù)值如KP、KD等；PID 控制器負(fù)責(zé)對自適應(yīng)控制主機(jī)中輸出的參數(shù)值進(jìn)行處理分析，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至變頻器；PID 控制器的輸出信號為變頻器的輸入信號，同時(shí)PID 控制器可以驅(qū)動(dòng)變頻器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整變化，實(shí)現(xiàn)對膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能的控制效果。

圖1 膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能控制原理示意圖

2 膠帶輸送機(jī)的智能化PID 控制設(shè)計(jì)

2.1 膠帶輸送機(jī)常規(guī)PID 控制

常規(guī)意義上的PID 控制指的是根據(jù)膠帶輸送機(jī)上承載物料的重量，利用重量傳感器輸出參數(shù)確定出膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后該轉(zhuǎn)速值與電機(jī)速度傳感器輸出數(shù)據(jù)值之間的差值做為PID 控制器的輸入值，從而實(shí)現(xiàn)對膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能的控制效果，PID 控制器的具體控制方程為：

式中：v（t）為輸出值；δ（t）為輸出兩轉(zhuǎn)速的偏差值，包括通過重力傳感器記錄下的膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度以及通過速度傳感器監(jiān)測到的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速兩者的差值大??；Kp為PID 控制器的比例系數(shù)，而Kl、KD分別為積分、微分系數(shù)，常規(guī)PID 控制下僅通過三個(gè)系數(shù)的取值對膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。因此對于常規(guī)的膠帶輸送機(jī)PID 控制結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 常規(guī)膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能的PID 控制結(jié)構(gòu)

可以看出膠帶輸送機(jī)運(yùn)行方案簡單時(shí)，常規(guī)PID控制器即可發(fā)揮出滿足設(shè)計(jì)需求的各種控制結(jié)果，可以確保膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能穩(wěn)定長久控制。但該P(yáng)ID控制結(jié)構(gòu)存在一大問題，當(dāng)膠帶上承載的物料重量發(fā)生變化時(shí)，膠帶輸送機(jī)的運(yùn)輸速度等也應(yīng)相應(yīng)地做出調(diào)整，這個(gè)調(diào)整主要是通過PID 控制器來實(shí)現(xiàn)的，而對于常規(guī)PID 控制器來說其運(yùn)輸功能控制調(diào)節(jié)主要依賴于N-S 算法對比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，但由于該算法自身缺陷反應(yīng)速度較慢，因此對于膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸控制調(diào)節(jié)的瞬時(shí)效果就無法保證，即控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、控制精度上都存在著很大不足，甚至?xí)霈F(xiàn)膠帶空載或超載運(yùn)行等威脅膠帶輸送機(jī)設(shè)備以及煤礦生產(chǎn)安全的事故災(zāi)害[1]。

2.2 智能化PID 控制運(yùn)輸功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

利用常規(guī)PID 控制對膠帶輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸功能的控制，控制方式單一，無法做到輸送機(jī)速度的動(dòng)態(tài)控制。因此提出了智能化PID 控制運(yùn)輸功能的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，對常規(guī)PID 控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，通過增加模糊控制器實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)的靈活控制效果。其中PID控制器的模糊控制原理為，將膠帶輸送機(jī)原有轉(zhuǎn)速值與電機(jī)速度傳感器輸出數(shù)據(jù)值之間的差值，做為模糊控制器的輸入值進(jìn)行模糊化處理。依據(jù)模糊推理對PID 控制器的比例、積分以及微分系數(shù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，這也可以確保對3 個(gè)參數(shù)的合理化控制，如圖3所示。通過取代原有誤差值直接做為PID 控制器輸入值的方式，先進(jìn)行模糊處理再進(jìn)行參數(shù)值代入，確保了對參數(shù)誤差的控制以及運(yùn)輸功能的靈敏高效地調(diào)節(jié)。

圖3 PID 控制器的參數(shù)模糊化控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 PID 控制器量化因子數(shù)值確定

圖3 中輸入PID 控制器的輸入誤差e，即公式1中的δ（t）膠帶輸送機(jī)的輸出誤差值在經(jīng)過取值范圍的變化后則可作為模糊控制器的量化因子，對模糊處理進(jìn)行量化控制。其中膠帶輸送機(jī)由重力傳感器確定出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速值與速度傳感器監(jiān)測數(shù)值之間的差值范圍記為[-δ（t），+δ（t）]，而對應(yīng)的膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)模糊集合為[-n，…，0，…，n]。為了對膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)誤差進(jìn)行模糊化處理，設(shè)計(jì)出的誤差量化因子為Ke=n/e[2]。

2.4 模糊PID 控制器的控制方式

根據(jù)圖3 中PID 控制器的參數(shù)模糊化控制結(jié)構(gòu)可以看出，將膠帶輸送機(jī)原有轉(zhuǎn)速值與電機(jī)速度傳感器輸出數(shù)據(jù)值之間的差值做為模糊控制器的輸入值時(shí)，對輸入值進(jìn)行參數(shù)模糊變化方案為：

式中：ΔKp為3 個(gè)系數(shù)的變化值；Kp'為3 個(gè)系數(shù)的預(yù)設(shè)值。利用式（2）對PID 控制器的輸入值進(jìn)行模糊化處理，將對膠帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中的運(yùn)輸功能調(diào)節(jié)靈敏性和可靠性大幅度提高。后續(xù)將對智能化設(shè)計(jì)后的PID 控制器進(jìn)行運(yùn)行效果測試，檢驗(yàn)?zāi)：刂圃O(shè)計(jì)是否合理。

3 智能化PID 控制的仿真試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)基于模糊控制理論的膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能，決定利用MSTLAB 進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并采用常規(guī)PID 控制器進(jìn)行仿真試驗(yàn)對比。其中，膠帶輸送機(jī)在持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行過程中的兩種控制相應(yīng)曲線如圖4-1所示，在有外界因素干擾情況下的控制曲線如圖4-2所示[3]。

圖4 常規(guī)與模糊處理下的PID 控制器效果對比仿真模擬圖

由圖4-1 可以看出，在平穩(wěn)運(yùn)行情況下常規(guī)PID控制器的超調(diào)量明顯較高，膠帶輸送機(jī)在恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)所需時(shí)間也更長；而智能化模糊處理后的PID 控制器則可實(shí)現(xiàn)在較小的超調(diào)值下恢復(fù)膠帶輸送機(jī)的正常運(yùn)行，而且相對于常規(guī)PID 控制器恢復(fù)正常運(yùn)行所用時(shí)間也更短，也就是說經(jīng)過模糊處理后的PID 控制器有著更快的反應(yīng)速度，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸功能的智能化控制；通過圖4-2 也可以看出，在外界干擾條件下進(jìn)行仿真試驗(yàn)對比時(shí)，智能化設(shè)計(jì)之后的PID 控制器同樣能夠在更短的時(shí)間內(nèi)使膠帶輸送機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)行，且超調(diào)量上也要明顯的小于常規(guī)PID 控制器，基本實(shí)現(xiàn)了膠帶輸送機(jī)的持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，確保了對運(yùn)輸功能的精確控制效果。

總的來說，智能化PID 控制器能夠有效地抵御外界干擾，且有著良好的跟蹤效果，能夠?qū)崿F(xiàn)依據(jù)膠帶輸送機(jī)承載物料重量變化或運(yùn)行速度需求而進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對煤礦膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能的智能化PID 控制效果。

4 結(jié)語

常規(guī)PID 對膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能的控制效果有著靈敏度低、約束性大的缺陷，而在引入模糊控制器對PID 的輸入?yún)?shù)值進(jìn)行模糊處理后，膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸功能的瞬時(shí)調(diào)節(jié)以及精度都得到了極大提升。經(jīng)過仿真對比試驗(yàn)可以看出，智能化設(shè)計(jì)后的PID 控制器在膠帶輸送機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)所需的時(shí)間更短、超調(diào)量也更小，對運(yùn)輸功能的控制更為靈敏、對外界環(huán)境的抵抗效果也更好，這對煤礦企業(yè)的高產(chǎn)高效發(fā)展以及機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重大意義。