基于模糊自適應PID的礦井提升起重機系統研究

胡艷麗 楊國詩 季學斌 劉團結

摘 要：針對礦井提升機系統的非線性和時變性，該文在分析系統的基礎上，將模糊控制和常規PID控制相結合，提出了模糊自適應PID控制策略。根據、、的自整定規則和提升機工作人員操作經驗設計出模糊PID控制規則表。通過MATLAB/SIMULINK仿真表明，模糊PID控制系統與常規PID控制系統相比，響應速度和穩態精度都有明顯的改善，對提高煤礦生產效率起到了一定的積極作用。

關鍵詞：礦井提升機 模糊PID Simulink仿真

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0074-01

礦井提升機作為一種大型運輸機械設備，主要用來提升重物和煤，運輸工人和物料。提升機在運行過程中，會發生過卷、超速等事故，使提升機工作效率降低，嚴重時會造成人員傷亡。事故一旦發生，會大大降低煤礦的生產效率。因此，礦井提升機安全性、穩定性的提高成為了一個很重要的研究課題。

礦井提升機系統是非線性的，PID控制器受參數整定的影響，過分依賴系統的數學模型，而提升機系統的數學模型很難精確建立，因此常規PID很難達到預期的控制效果。模糊控制是智能控制的一個重要分支，是近代控制理論中建立在模糊集合上的一種基于語言規則與模糊推理的控制理論。傳統的模糊控制雖然在處理復雜系統時具有突出的優越性，但響應速度較慢。該文結合上述特點，設計了模糊自適應PID控制器，即常規PID與傳統模糊控制的復合形式，并對此控制方法在MATLAB/SIMULINK中進行仿真，和常規PID仿真結果進行比較，分析改進后方法的優越性。

1 礦井提升機控制系統

礦井提升機系統是一種基于速度和位置的控制，安全和可靠是其重要的運行指標。提升機的運行方式主要有三種：手動、半自動和全自動。當采用手動和半自動方式運行時，可以利用手工動作來實現制動系統和調速系統的協調；當采用全自動運行方式時，就需要加入控制策略來實現系統的協調控制。如果提升機系統協調性不能很好控制，會引起吊艙振動增大，造成吊艙抖動，從而對提升機的鋼絲繩破壞性較大，工作長期處于這種狀況下極易造成人身安全隱患。因此在提升機制動的問題上，該文采用模糊自適應PID控制策略。控制方法主要是把礦井提升機提升負載和電機電樞電流作為模糊控制器的兩個輸入變量，按照模糊控制規則找出該條件下合適的松閘速度，將此信號輸入到常規的PID控制器中，對制動系統進行控制。

2 礦井提升機模糊自適應PID控制器設計

2.1 模糊自整定PID控制策略

該文采用二維輸入三維輸出的模糊PID控制器，控制原理圖如圖1所示。控制器輸入變量為e和ec，輸出變量為、、，定義、、三個參數的調整算式如式（1）。

（1）

式（1）中，PID控制器的三個控制參數分別為、、，修正參數分別為、、，預整定參數分別為，，。系統進行在線整定時，偏差e和偏差變化率ec要不斷進行檢測，將其模糊化得到E和EC。

、、的自整定規則歸納如下：

（1）當較大時，應取較大的和較小的，這樣可以避免因開始時由于e變大引起微分過飽和；同時應取，這樣可以避免響應出現較大的超調。

（2）當為中等大小時，取值應小些，這樣可以使系統具有較小的超調；同時和的取值要適當，這樣可以保證系統的響應速度。

（3）當較小時，和的取值應大些，這樣可以使系統具有良好的穩態性能；同時為避免系統在設定值附近出現震蕩.當較小時，通常取中等大小；當較大時，取值一般小些。

2.2 模糊自整定PID控制規則

該文設計的模糊PID控制器、、、、輸入輸出量的論域均采用{-3，-2，-1，0，1，2，3}；輸入、輸出變量隸屬度函數采用三角形。同時根據反復仿真試驗結果和礦井提升機司機的實際操作經驗。

2.3 礦井提升機模糊自適應PID系統仿真

在以上設計的基礎上，該文在MATLAB的Simulink環境中分別對常規PID系統和模糊PID系統進行仿真。

仿真結果對比可知，模糊自適應PID控制器超調接近為零，而常規PID控制系統超調則要大得多。同時，模糊自適應PID過渡期較短，穩定性較好，可以大大減小煤礦生產安全隱患。

3 結語

該文在對礦井提升機系統分析的基礎上，設計了一種自適應模糊PID控制器，并論述了、、參數的整定規則，然后設計出了PID參數整定規則表。通過在MATLAB/Simulink環境中仿真，可以發現改進的模糊自適應PID控制器，響應速度快，穩態精度高，對復雜的礦井提升機系統非常適用。而且系統的這種自適應性，對于礦井提升機運行 在惡劣的生產環境有較高的實用價值。

參考文獻

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