摘要：顎式破碎機(jī)過載狀態(tài)具有差異性，導(dǎo)致單一模式的雙氣動過載保護(hù)難以達(dá)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(jī)雙氣動過載保護(hù)控制方法。在充分分析顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)工作原理基礎(chǔ)上，構(gòu)建顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)模型。將過載程度、氣壓變化率以及當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)作為模糊PID的輸入?yún)⒘浚M(jìn)行模糊化處理后，結(jié)合根據(jù)模糊規(guī)則庫與實時工況，動態(tài)調(diào)整氣胎離合器的參數(shù)。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用設(shè)計的控制方法，其對應(yīng)的無桿腔壓力收斂速度最快，能夠?qū)崿F(xiàn)對過載狀態(tài)有效響應(yīng)，并作出可靠保護(hù)。

關(guān)鍵詞：模糊PID；顎式破碎機(jī)；雙氣動過載保護(hù)；模糊規(guī)則庫

0" "引言

對于顎式破碎機(jī)而言，過載會導(dǎo)致其工作狀態(tài)不穩(wěn)定，進(jìn)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(shè)備內(nèi)部零部件的磨損，從而縮短設(shè)備的使用壽命。除此之外，過載運行還容易導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，如電機(jī)過熱、皮帶斷裂、軸承損壞等，增加維修成本和停機(jī)時間。從能耗角度分析，過載時設(shè)備需要消耗更多的能量來維持運行，導(dǎo)致能耗增加，不利于節(jié)能減排[2]。

精確控制破碎機(jī)的運行狀態(tài)和過載保護(hù)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(xué)者開展了一系列研究。王愛麗[3]對顎式破碎機(jī)過載保護(hù)優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。其主要通過設(shè)計彈簧摩擦離合器、液壓摩擦離合器等裝置進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)設(shè)備過載時，飛輪裝置在軸承外產(chǎn)生自由滑動，從而起到保護(hù)作用。這種方法多應(yīng)用于簡擺顎式破碎機(jī)，其恢復(fù)過程較為復(fù)雜。

宋學(xué)飛等[4]在分析氮氣保護(hù)氣流粉碎機(jī)的特點基礎(chǔ)上，利用氮氣惰性氣體的屬性，在過載保護(hù)過程中有效隔絕氧氣和水分，減少設(shè)備內(nèi)部零部件的氧化和腐蝕，從而增強保護(hù)效果。在響應(yīng)過載情況時，通過調(diào)整氮氣壓力或流量來實現(xiàn)對設(shè)備的快速保護(hù)。但氮氣保護(hù)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的氮氣供應(yīng)，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)或氮氣供應(yīng)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(jī)雙氣動過載保護(hù)控制方法，并通過對比測試的方式，分析所設(shè)計控制方法的應(yīng)用效果。該設(shè)計方法不僅克服了傳統(tǒng)PID控制參數(shù)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(jī)的安全運行提供了有力保障。

1" "顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)控制方法設(shè)計

1.1" "構(gòu)建顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)模型

1.1.1" "過載保護(hù)總體思路

本文在構(gòu)建顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)模型時，充分考慮了顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)的工作原理。顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)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(hù)繼電器[5-6]。在具體保護(hù)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(jié)合與分離，從而結(jié)合破碎機(jī)具體狀態(tài)實現(xiàn)過載保護(hù)。

1.1.2" "顎式破碎機(jī)過載狀態(tài)判斷方法

雙氣動過載保護(hù)系統(tǒng)中離合器氣胎內(nèi)的氣壓，直接影響其傳遞的力矩，二者之間的關(guān)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(shù)，P表示離合器氣胎內(nèi)氣壓參數(shù)，k表示離合器效率系數(shù)，A表示離合器有效作用面積。

在此基礎(chǔ)上，對于顎式破碎機(jī)過載狀態(tài)的判斷主要是根據(jù)離合器滑轉(zhuǎn)工況。當(dāng)破碎機(jī)因過載導(dǎo)致負(fù)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(zhuǎn)[7]。設(shè)實際負(fù)載力矩為Tload，最大允許負(fù)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(guān)系

在破碎機(jī)啟動過程中，通過控制充氣速度調(diào)節(jié)啟動加速度。啟動加速度與充氣時間的關(guān)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(zhuǎn)動慣量，dV/dt表示充氣速率，k'表示與氣壓和力矩轉(zhuǎn)換相關(guān)的系數(shù)。

當(dāng)破碎機(jī)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(hù)。按照上述流程，實現(xiàn)對顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)模型的構(gòu)建，為后續(xù)的控提供執(zhí)行基礎(chǔ)，以確保保護(hù)的有效性。

1.2" "基于模糊PID的雙氣動過載保護(hù)控制策略

結(jié)合構(gòu)建的顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)模型，本文在開展具體的雙氣動過載保護(hù)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(yīng)。通過結(jié)合模糊控制的靈活性和PID控制的精確性，以應(yīng)對破碎機(jī)工作過程中的復(fù)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(jù)實時工況動態(tài)調(diào)整氣胎離合器的參數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。本文設(shè)置模糊PID的輸入變量包括過載程度（負(fù)載力矩與設(shè)定閾值之間的關(guān)系）、氣壓變化率、以及當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)（啟動、正常運行、過載）。對應(yīng)的輸出變量為控制信號，即調(diào)節(jié)氣胎離合器氣壓的信號，以此影響離合器的結(jié)合與分離。將輸入變量進(jìn)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(yīng)的模糊集，（NB）、（NM）、（NS）、（ZO）、（PS）、（PM）、（PB）分別表示輸入變量顯著低于設(shè)定值，輸入變量低于設(shè)定值，輸入變量略低于設(shè)定值，輸入變量與設(shè)定值擬合，輸入變量略高于設(shè)定值，輸入變量高于設(shè)定值以及輸入變量明顯高于設(shè)定值。

1.2.2" "模糊規(guī)則庫設(shè)置

對于模糊規(guī)則庫，具體的設(shè)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(zhuǎn)換為精確控制信號

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模糊規(guī)則庫和當(dāng)前輸入變量的模糊值，進(jìn)行模糊推理，得到輸出變量的模糊值。在模糊集上進(jìn)行反向映射，將輸出變量的模糊值轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后對應(yīng)的精確控制信號，u表示慣量參數(shù)，E表示電動機(jī)功率參數(shù)。

1.2.4" "PID控制參數(shù)調(diào)整策略

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

按照上述的設(shè)計，利用模糊PID對顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)動作進(jìn)行精準(zhǔn)控制，有效提高過載保護(hù)系統(tǒng)的適應(yīng)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(shù)調(diào)整步驟，實現(xiàn)對過載保護(hù)動作的動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化。

2" 測試與分析

2.1" "測試準(zhǔn)備

在分析本文設(shè)計顎式破碎機(jī)雙氣動過載保護(hù)控制方法的應(yīng)用效果時，以PE-1200×1500型復(fù)擺顎式破碎機(jī)作為具體測試對象。PE-1200×1500型復(fù)擺顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)合圖1所示的結(jié)構(gòu)配置，確定采取PE-1200×1500型復(fù)擺顎式破碎機(jī)進(jìn)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(fù)擺顎式破碎機(jī)參數(shù)如表1所示。

2.2" "測試方案設(shè)計

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

2.3" "測試結(jié)果與分析

在測試過程中，分別實施了三種過載保護(hù)控制方法，并對應(yīng)主液壓缸無桿腔壓力變化情況進(jìn)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(hù)控制方法的性能。不同方法測試結(jié)果對比如圖2所示。

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

3" 結(jié)束語

顎式破碎機(jī)過載狀態(tài)具有差異性，導(dǎo)致單一模式的雙氣動過載保護(hù)難以達(dá)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(jī)雙氣動過載保護(hù)控制方法。利用模糊PID控制通過模糊邏輯對顎式破碎機(jī)進(jìn)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(jī)的精確控制。該方法不僅提高了保護(hù)的冗余性，還增強了顎式破碎機(jī)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(chǎn)效率、保障設(shè)備安全、降低能耗與成本以及推動技術(shù)創(chuàng)新等方面提供參考價值。

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