煤礦膠帶輸送機的智能化PID 控制運輸功能的實現

王 沖

（山西焦煤西山煤電斜溝礦， 山西 呂梁 033600）

引言

在礦井生產運行過程中膠帶輸送機設備的平穩運行直接決定著煤炭資源能否高效持續地進行運輸，膠帶輸送機設備的好壞又取決于其運輸功能的穩定性以及是否能做到精確性控制。常規PID 控制器在進行運輸系統控制時往往存在時滯性且抵御外界干擾的能力較差，超調量也很大，很難滿足膠帶輸送機實際運行需要。因此，基于模糊控制理論實現膠帶輸送機運輸系統的智能化PID 控制就有著設計上的優越性以及可行性。

1 智能化PID 控制運輸功能原理

膠帶輸送機的智能化PID 控制運輸功能原理如圖1 所示，主要包括六大部分：自適應控制主機、物料重量監測、膠帶機速度監測、PID 控制器、電機以及終端輸送機。其中膠帶輸送機上配置有重量以及速度傳感器，可以實現對承載物料重量或膠帶輸送機運行速度等數據的監測；自適應控制主機則通過對接收到的速度信息進行自適應分析處理，然后輸出調整后的一些速度參數值如KP、KD等；PID 控制器負責對自適應控制主機中輸出的參數值進行處理分析，同時將數據傳輸至變頻器；PID 控制器的輸出信號為變頻器的輸入信號，同時PID 控制器可以驅動變頻器進行頻率調節，進而實現驅動電機轉速調整變化，實現對膠帶輸送機運輸功能的控制效果。

圖1 膠帶輸送機運輸功能控制原理示意圖

2 膠帶輸送機的智能化PID 控制設計

2.1 膠帶輸送機常規PID 控制

常規意義上的PID 控制指的是根據膠帶輸送機上承載物料的重量，利用重量傳感器輸出參數確定出膠帶輸送機驅動電機的轉速，然后該轉速值與電機速度傳感器輸出數據值之間的差值做為PID 控制器的輸入值，從而實現對膠帶輸送機運輸功能的控制效果，PID 控制器的具體控制方程為：

式中：v（t）為輸出值；δ（t）為輸出兩轉速的偏差值，包括通過重力傳感器記錄下的膠帶輸送機驅動電機速度以及通過速度傳感器監測到的電機運轉轉速兩者的差值大小；Kp為PID 控制器的比例系數，而Kl、KD分別為積分、微分系數，常規PID 控制下僅通過三個系數的取值對膠帶輸送機運輸系統進行速度調節。因此對于常規的膠帶輸送機PID 控制結構示意如圖2所示。

圖2 常規膠帶輸送機運輸功能的PID 控制結構

可以看出膠帶輸送機運行方案簡單時，常規PID控制器即可發揮出滿足設計需求的各種控制結果，可以確保膠帶輸送機運輸功能穩定長久控制。但該PID控制結構存在一大問題，當膠帶上承載的物料重量發生變化時，膠帶輸送機的運輸速度等也應相應地做出調整，這個調整主要是通過PID 控制器來實現的，而對于常規PID 控制器來說其運輸功能控制調節主要依賴于N-S 算法對比例、積分、微分系數進行優化來實現，但由于該算法自身缺陷反應速度較慢，因此對于膠帶輸送機運輸控制調節的瞬時效果就無法保證，即控制系統的實時性、控制精度上都存在著很大不足，甚至會出現膠帶空載或超載運行等威脅膠帶輸送機設備以及煤礦生產安全的事故災害[1]。

2.2 智能化PID 控制運輸功能系統結構組成

利用常規PID 控制對膠帶輸送機進行運輸功能的控制，控制方式單一，無法做到輸送機速度的動態控制。因此提出了智能化PID 控制運輸功能的系統控制結構，對常規PID 控制器進行動態調節，通過增加模糊控制器實現PID 參數的靈活控制效果。其中PID控制器的模糊控制原理為，將膠帶輸送機原有轉速值與電機速度傳感器輸出數據值之間的差值，做為模糊控制器的輸入值進行模糊化處理。依據模糊推理對PID 控制器的比例、積分以及微分系數進行參數調節，這也可以確保對3 個參數的合理化控制，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，先進行模糊處理再進行參數值代入，確保了對參數誤差的控制以及運輸功能的靈敏高效地調節。

圖3 PID 控制器的參數模糊化控制結構示意圖

2.3 PID 控制器量化因子數值確定

圖3 中輸入PID 控制器的輸入誤差e，即公式1中的δ（t）膠帶輸送機的輸出誤差值在經過取值范圍的變化后則可作為模糊控制器的量化因子，對模糊處理進行量化控制。其中膠帶輸送機由重力傳感器確定出的驅動電機轉速值與速度傳感器監測數值之間的差值范圍記為[-δ（t），+δ（t）]，而對應的膠帶輸送機運輸系統模糊集合為[-n，…，0，…，n]。為了對膠帶輸送機運輸系統誤差進行模糊化處理，設計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

根據圖3 中PID 控制器的參數模糊化控制結構可以看出，將膠帶輸送機原有轉速值與電機速度傳感器輸出數據值之間的差值做為模糊控制器的輸入值時，對輸入值進行參數模糊變化方案為：

式中：ΔKp為3 個系數的變化值；Kp'為3 個系數的預設值。利用式（2）對PID 控制器的輸入值進行模糊化處理，將對膠帶輸送機運行過程中的運輸功能調節靈敏性和可靠性大幅度提高。后續將對智能化設計后的PID 控制器進行運行效果測試，檢驗模糊控制設計是否合理。

3 智能化PID 控制的仿真試驗

為了檢驗基于模糊控制理論的膠帶輸送機運輸功能，決定利用MSTLAB 進行仿真試驗，并采用常規PID 控制器進行仿真試驗對比。其中，膠帶輸送機在持續平穩運行過程中的兩種控制相應曲線如圖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，在平穩運行情況下常規PID控制器的超調量明顯較高，膠帶輸送機在恢復正常運行時所需時間也更長；而智能化模糊處理后的PID 控制器則可實現在較小的超調值下恢復膠帶輸送機的正常運行，而且相對于常規PID 控制器恢復正常運行所用時間也更短，也就是說經過模糊處理后的PID 控制器有著更快的反應速度，可以實現運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行仿真試驗對比時，智能化設計之后的PID 控制器同樣能夠在更短的時間內使膠帶輸送機進行平穩運行，且超調量上也要明顯的小于常規PID 控制器，基本實現了膠帶輸送機的持續平穩運行，確保了對運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，能夠實現依據膠帶輸送機承載物料重量變化或運行速度需求而進行快速調節，實現了對煤礦膠帶輸送機運輸功能的智能化PID 控制效果。

4 結語

常規PID 對膠帶輸送機運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 的輸入參數值進行模糊處理后，膠帶輸送機運輸功能的瞬時調節以及精度都得到了極大提升。經過仿真對比試驗可以看出，智能化設計后的PID 控制器在膠帶輸送機進行平穩運行時所需的時間更短、超調量也更小，對運輸功能的控制更為靈敏、對外界環境的抵抗效果也更好，這對煤礦企業的高產高效發展以及機械設備的優化設計有著重大意義。