礦井提升機的模糊PID控制器研究

彭秋紅 成 蘭

（河南省平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山467001）

0 引言

礦井提升機的主要任務是沿井筒提升煤炭（或礦石、矸石）、運送材料、升降人員和設備等，因此，它是地面和井下聯系的紐帶，在礦井生產中占有重要地位。為了進一步提高礦井提升機在運行過程中的安全和調速性能，設計一種高性能的礦井提升機調速系統是現代化礦井生產的必然要求。目前，我國交流提升機采用三相繞線式異步電動機轉子回路串電阻和晶閘管串級調速2種方式進行調速，但轉子回路串電阻這種調速方法屬于轉差功率消耗型，即轉速越低，則轉差功率的消耗越大，效率就越低，而且費用較高；晶閘管串級調速這種方法則功率因數偏低。所以，本文將模糊PID控制算法引入礦井提升機調速系統中，提高系統的調速性能，進而達到更加安全、準確停車的目的，并通過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

礦井提升機主要是反復進行啟動—加速—勻速—減速—爬行—停車這樣的變速運行過程，這種控制的困難在于對象特性的多變性。提升機在運行過程中所處空間位置和裝載重量都不相同，啟動和減速過程具有不對稱的增益特性，箕斗（或罐籠）的實際承載量也常常變化，所以礦井提升機調速系統是一個非線性、時變、有噪聲干擾、有純滯后的系統。這類系統建模的困難使現代控制理論中的最優控制難以應用，而模糊PID控制恰可應用于這類數學模型為未知或多變的過程。

對于礦井提升機調速系統的控制，采用的做法是多段模糊PID控制，即從啟動至勻速運行階段，采用模糊控制；從減速至停車階段，采用模糊控制與PID控制相結合的方法，以此確保礦井提升機按規程中要求的速度運行，最終達到安全、準確停車的目的。

2 礦井提升機模糊PID控制器的設計

采用模糊PID控制的礦井提升機調速系統結構如圖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，kP為比例放大系數，kI為積分作用系數，kD為微分作用系數。

圖1 模糊PID控制的礦井提升機調速系統結構圖

2.1 模糊控制器的設計

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分別為負大、負中、負小、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Ve、Vec和U 均服從三角形隸屬函數曲線分布，如圖2所示。

圖2 Ve、Vec和U的隸屬函數曲線圖

再次建立模糊控制規則表，如表1所示。

最后采用查表法來加快系統的輸出響應，即提高礦井提升機的運行速度。

2.2 PID控制器的設計

離散PID控制算法為：

式中，k為采樣序號；T為采樣時間。

PID參數模糊自整定是找出PID的3個參數kP、kI、kD與Ve和Vec之間的模糊關系，在運行中不斷檢測Ve和Vec，根據模糊控制思想對3個參數進行在線修改，以滿足不同Ve和Vec對控制參數的要求，從而使礦井提升機有良好的動、靜態性能。這樣可以得出針對kP、kI和kD3個參數分別進行整定的模糊控制規則表，如表2～4所示。

表1 模糊控制規則表

表2 kP的模糊控制規則表

表3 kI的模糊控制規則表

表4 kD的模糊控制規則表

kP、kI、kD的模糊控制規則表建立好后，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算完成對PID參數的在線校正，進而實現礦井提升機運行中的平滑準確過渡。

3 控制系統仿真

利用Matlab中的Simulink工具箱，對圖1所示礦井提升機模糊PID控制系統建立了仿真模型。圖3為模糊PID控制系統跟蹤礦井提升機運行過程中速度的示意圖。

圖3 實際運行速度示意圖

4 結語

采用模糊PID控制的方法，使礦井提升機在運行過程中能夠根據系統的速度偏差調整控制參數，從而使系統的過渡過程更加平穩。尤其是在提升機由減速爬行運行至停車階段時，改善了制動時由于機械沖擊或人為干預等因素所造成的振動，達到了預期的控制要求，實現了礦井提升機調速過程的安全性和穩定性，對全礦井綜合自動化的實現起到了積極的作用。

［1］李士勇.模糊控制、神經控制和智能控制論［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998

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