基于模糊PID的提升機低頻制動系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

李巖,姚旭東

(1.沈陽理工大學(xué) 機械學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.偉肯(蘇州)電氣傳動有限公司,江蘇 蘇州 215126)

本系統(tǒng)將模糊控制與變頻器程序控制結(jié)合,利用變頻器具有可編程功能,把模糊PID控制器內(nèi)置于變頻器中,充分發(fā)揮了變頻器內(nèi)部參數(shù)易于獲得,編程簡單,控制變頻器輸出可靠等特點。非常完美地實現(xiàn)了利用低壓變頻器控制高壓電機,完成提升機的低頻制動功能。

1 提升機低頻制動技術(shù)要求

目前我國中小型礦山提升機大量使用交流驅(qū)動系統(tǒng)。為實現(xiàn)調(diào)速,多采用繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,為實現(xiàn)停車,采用電機定子通直流電的動力制動方式。但動力制動只有負力沒有正力,當罐籠快到井口時難以實現(xiàn)準確停車,容易發(fā)生過卷故障[1]。通用變頻器輸出的電壓與頻率在V/f控制方式下基本為線性關(guān)系,無法用690 V低壓變頻器控制6 000 V或10 000 V電動機。通過VACON變頻器編程,可以改變變頻器輸出電壓與頻率的線性關(guān)系,實現(xiàn)電壓與頻率的分別控制達到控制制動力和低頻拖動電機的目的。罐籠提升速度一般設(shè)計為 5階段方式[2],如圖1所示。

圖1 罐籠速度5階段圖Fig.1 Diag ram of cage speed 5 phase

在低頻制動階段(t2-t3),低壓變頻器投入使用,產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,制動轉(zhuǎn)矩大小與變頻器輸出電壓有關(guān),通過控制變頻器輸出電壓達到控制制動轉(zhuǎn)矩的目的。由于提升機負載和速度都在變化,提升機制動時也會有需要正力或負力的情況,在每次提升重物時又難以確定負載情況,提升機工作受多種因素影響,難以建立準確數(shù)學(xué)模型。

2 模糊PID控制器設(shè)計

模糊控制是以人的經(jīng)驗為依據(jù),將人的經(jīng)驗知識用模糊算法產(chǎn)生的規(guī)則表示,利用人工智能原理中的不確定性推理技術(shù)進行推理。控制機理和策略易于接受與理解,因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握的系統(tǒng)非常適用[3]。

2.1 模糊PID工作過程

模糊PID控制器控制原理框圖見圖2。在提升機系統(tǒng)中,把電機的速度n與給定速度曲線ng的差值作為偏差e。偏差e和偏差變化率ec作為模糊推理機的輸入量,根據(jù)模糊控制原理對PID參數(shù)進行修改,控制變頻器輸出電壓達到控制轉(zhuǎn)矩。

圖2 模糊PID控制器系統(tǒng)框圖Fig.2 Fuzzy PID controller system sketch

VACON變頻器內(nèi)置模糊PID控制器系統(tǒng)框圖如圖2所示。根據(jù)低頻制動開始時電機的速度先產(chǎn)生一個低頻制動速度曲線作為模糊PID控制器的給定ng,通過模糊PID控制器控制變頻器輸出電壓U和輸出頻率f,達到控制高壓電機的速度n,以實現(xiàn)低頻制動控制。

2.2 模糊控制器規(guī)則庫的建立

建立模糊規(guī)則庫,根據(jù)提升機低頻制動時的運行狀態(tài)調(diào)整 PID中Kp,Ki和Kd項的大小,建立其與e,ec的模糊關(guān)系。確定模糊控制表如表1所示。

表1 Kp,Ki,Kd模糊控制表Tab.1 Fuzzy control table of Kp,Ki,Kd

模糊控制器的輸入變量偏差e、偏差變化率ec選取模糊控制的論域均為{-4,+4},輸入隸屬函數(shù)如圖3所示。隸屬函數(shù)取等腰三角形函數(shù),兩端取斜坡形,且隸屬度和為1,最多有2個連續(xù)的模糊集隸屬度不為零。

圖3 輸入隸屬度函數(shù)Fig.3 Input membership function

模糊控制器的輸出量Kp隸屬度論域為{PS,PM,PB}。Ki隸屬度論域為{ZO,PM,PB}。Kd隸屬度論域為{PM,PB}。二者隸屬度函數(shù)特點同Kp;輸出隸屬函數(shù)如圖4所示。

圖4 Kp,Ki,Kd的隸屬度函數(shù)Fig.4 Kp,Ki,Kdmembership function

PID控制算法采用差分方程給出:

式中:u(k)為變頻器輸出電壓值,AC 200～690 V;e(k)為給定電機低頻制動速度曲線與電機實際速度差值在k時刻的采樣值;e(k-1)為在k-1時刻的采樣值。

2.3 內(nèi)置于變頻器的模糊PID算法的軟件實現(xiàn)

芬蘭VACON變頻器具有NC61131-3編程平臺軟件,在應(yīng)用層次軟件對用戶開放,編程語言可以用功能塊圖(FBD),結(jié)構(gòu)文本(ST)和順序功能圖(SFC)3種語言。在變頻器應(yīng)用層內(nèi)置算法比外置控制器如PLC等具有抗干擾性強的特點,可以很容易獲得變頻器輸入的模擬量、變頻器輸出的電壓、頻率、電流、轉(zhuǎn)矩、加減速時間等變量,更容易完成變頻器的控制。采用結(jié)構(gòu)文本(ST)完成25條模糊規(guī)則的程序編制。

PID控制中的微分控制部分:

PID控制輸出為微分部分與比例積分部分之和:

PID控制中的比例積分控制部分采用變頻器內(nèi)置的PI控制功能塊圖模塊PIC編程,如圖5所示。

圖5 PI控制功能塊圖Fig.5 PI control function block diag ram

3 低頻制動變頻器控制系統(tǒng)

山東棗莊某鐵礦提升機電機參數(shù)為:定子,額定電壓10 000 V,額定頻率50 Hz,額定電流60 A,cos φ=0.8;轉(zhuǎn)子 ,額定電流 461 A,額定電壓1126 V,額定轉(zhuǎn)速738 r/min。提升機為單籠豎井,井深208 m,罐裝料10 t,轉(zhuǎn)子串電阻共 8級,罐重8 t,鋼絲繩重 2 t。

提升機啟動時為轉(zhuǎn)子串電阻啟動,隨著電機速度的升高,逐級切轉(zhuǎn)子電阻,當達到額定轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)子電阻全部切掉,電機以額定轉(zhuǎn)速工作,當罐籠快到井口需要停車時,先將電機定子的高壓電源切掉,同時將8級轉(zhuǎn)子電阻全部串入轉(zhuǎn)子,經(jīng)過0.7 s的延時將變頻器的輸出端接到電機的定子,開始低頻制動,當電機轉(zhuǎn)速降到3 Hz對應(yīng)的速度時,Vacon變頻器切換到低頻爬行狀態(tài)。

變頻器選型:電壓690 V,功率為高壓電機功率的10%～15%。變頻器要內(nèi)置制動斬波器,制動電阻功率為變頻器功率的40%。變頻器連線見圖6。變頻器工作方式與端子狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 變頻器工作方式Tab.2 T he working mode of converter

提升機控制系統(tǒng)控制器采用西門子S7-300 PLC,PLC根據(jù)主令信號啟動電動機,進行轉(zhuǎn)子電阻的投切,切換到變頻器低頻制動的狀態(tài)并給出變頻器的工作方式,完成提升機的工作控制和安全保護。

圖6 變頻器連接圖Fig.6 Connect diag ram of converter

4 結(jié)論

本文設(shè)計的用低電壓小功率變頻器實現(xiàn)高壓電機的低頻制動控制系統(tǒng),在實際應(yīng)用中獲得了成功,系統(tǒng)實測電機速度、電機電壓、PID控制器的給定速度和電機速度反饋曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實測曲線Fig.7 M easure curves of sy stem

在低頻制動階段,電機速度反饋基本上跟隨給定速度曲線,較好地控制了電機的制動。本低頻制動控制系統(tǒng)的研制成功,對我國現(xiàn)階段礦山大量使用的高壓電機串電阻調(diào)速系統(tǒng),實現(xiàn)低頻制動提供了一種全新的技術(shù)方案,此系統(tǒng)具有很好的推廣價值。

[1]馬建民.現(xiàn)代提升機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].江蘇:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2002.

[2]顧永輝.煤礦固定設(shè)備電力拖動[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999.

[3]張化光,何希勤.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[4]Petrov M,Ganchev I,Taneva A.Fuzzy PID Control of N onlinear Plants[C]∥Intelligent Systems,2002.Proceedongs.2002 First International IEEE Symposium,2002,1:10-12.