基于參數(shù)自整定的破碎機模糊控制系統(tǒng)設計應用*

孔令軍

(山西西山煤電貿(mào)易有限責任公司，山西 太原 030000)

0 引 言

選煤廠破碎機用于煤礦直接開采出的原煤的破碎處理環(huán)節(jié)。破碎機運行時，負載不均勻，常出現(xiàn)滿載啟動、堵轉、空載等現(xiàn)象，且運行效率低下、故障率較高，無法滿足選煤廠的實際生產(chǎn)需求[1-2]。且選煤廠原破碎機控制系統(tǒng)存在控制系統(tǒng)不靈活、無法適應復雜工況、控制指令與實際運行工況無法匹配等問題，也給選煤廠安全、高效生產(chǎn)帶來諸多不利和困難。因此，設計具備滯后性弱、靈活性好、適應性強的破碎機控制系統(tǒng)成為提升破碎機生產(chǎn)效率的重要目標。

經(jīng)眾多學者研究發(fā)現(xiàn)，模糊控制技術的應用，可以為選煤廠破碎機高效、智能化運行帶來便利；充分利用模糊控制技術可以達到消除控制系統(tǒng)滯后性，滿足破碎機復雜運行工況，保證破碎機連續(xù)、高效運行的目的[3-4]。

筆者基于參數(shù)自整定技術設計的選煤廠破碎機智能控制系統(tǒng)，在分析控制系統(tǒng)方案設計的基礎上，重點對基于參數(shù)自整定的破碎機模糊控制算法進行詳細分析并完成仿真和應用測試。通過系統(tǒng)測試，驗證設計的選煤廠破碎機智能控制系統(tǒng)的正確性和適用性，達到安全、高效生產(chǎn)的目的。

1 方案設計

選煤廠破碎機智能控制系統(tǒng)方案設計框圖見圖1所示。根據(jù)破碎機實際運行工況，破碎機智能控制系統(tǒng)經(jīng)模糊控制算法后輸出控制指令，以CAN總線通信模式傳送給變頻器，進而完成對破碎電動機的智能控制。同時，變頻器實時返回破碎電動機實際運行參數(shù)給智能控制系統(tǒng)。破碎機智能控制系統(tǒng)根據(jù)返回的運行參數(shù)自適應調節(jié)輸出控制指令，保證破碎機控制系統(tǒng)的靈活性、自適應性。

圖1 選煤廠破碎機智能控制系統(tǒng)方案設計框圖

2 方案設計實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

選煤廠破碎機智能控制系統(tǒng)硬件主要包括核心控制系統(tǒng)、變頻器、破碎電機、速度傳感器、電流傳感器等。核心控制系統(tǒng)由STM32F103C8T6微控制器及其最小電路構成，同時擴展時鐘電路、CAN總線通信電路、JTAG電路、復位電路等。變頻器選用的型號為匯川MD380T22G，該變頻器支持三相交流異步電動機矢量控制，支持差分、UVW、旋轉變壓器等多種編碼器，具備高啟動轉矩特性，支持電機過熱、過流等多種保護功能。選用齒輥式破碎機，進料粒度小于40 mm，出料粒度控制在0～10 mm之間，生產(chǎn)能力為20 130 t/h。

2.2 算法實現(xiàn)

考慮到選煤廠破碎機運行過程中的非線性、大慣性、滯后性的特點，應用參數(shù)自整定模糊PID控制算法實現(xiàn)破碎機智能控制系統(tǒng)，以達到靈活性好、適應性強、控制精度高的目的[5-6]。該算法基于模糊推理實現(xiàn)破碎機智能控制系統(tǒng)參數(shù)Kp、Ki和Kd的初始化設置以及自適應調整，能夠適應選煤廠破碎機運行時的非線性、大延時、強干擾的運行工況。該算法的輸入信號為破碎電機運行過程中的速度誤差E和誤差變化率Ec，通過實時調整和無限逼近使得破碎機速度的響應較快、動靜態(tài)性能較好。

基于參數(shù)自整定模糊PID的破碎機控制系統(tǒng)原理見圖2所示，建立破碎機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的模糊控制模型，其中轉速環(huán)采用參數(shù)自調整模糊PI調節(jié)器，內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用PID控制。對于輸入語言變量|E|的論域的最大值為Emax=0.05，即破碎機模糊控制器最大值，因選煤廠破碎機控制系統(tǒng)具有大慣性、大滯后性，因此，在設備啟動瞬間有y=0，而e=r-y，因此有Emax=0.05。取值語言變量X={0，0.02,0.04,0.06}，Y={0,0.04,0.08,0.12}。

圖2 選煤廠破碎機控制系統(tǒng)參數(shù)自整定模糊控制原理

對于選煤廠破碎機智能控制系統(tǒng)參數(shù)Kp和Ki，采用臨界比例法進行參數(shù)自整定。臨界比例度法是基于Ziegler和Nichols的整定方法原理[7-8]，它通過系統(tǒng)的兩個特征參數(shù)(臨界增益Ku和臨界周期Tu)來計算PID調節(jié)器的參數(shù)。具體方法為：當系統(tǒng)控制器只有比例作用的時候，調節(jié)比例增益直至系統(tǒng)發(fā)生臨界振蕩為止，這時的比例增益為臨界增益，振蕩周期為臨界周期。采用此整定方法現(xiàn)場測定得出，當Kp=5，Ki=1時為最佳的整定參考值。該整定方法的輸入信號為|E|以及|EC|，隸屬度函數(shù)曲線見圖3中的(a)、(b)所示；輸出信號系數(shù)為Kp以及Ki，隸屬度函數(shù)曲線見圖3中的(c)、(d)所示。根據(jù)參數(shù)自整定原則，結合現(xiàn)場的實際情況，將輸出語言變量分別定為Kp:Zp={0,2.5,5,7.5}，輸出Ki:Zi={0,0.5,1,1.5}，綜上所述，系統(tǒng)誤差絕對值|E|：X={0，0.02,0.04,0.06}；誤差變化率絕對值|EC|：Y={0,0.04,0.08,0.12}；輸出Kp:Zp={0,2.5,5,7.5}；輸出Ki:Zi={0,0.5,1,1.5}。

圖3 輸入輸出隸屬函數(shù)曲線

輸入語言變量|E|和|EC|的論域取值以及輸出語言變量Kp和Ki的論域取值均為：“大”(B),“中”(M),“小”(S),“零”(Z)四種。

確定好破碎機模糊PID控制系統(tǒng)的輸入輸出的模糊量后，需尋找一組整定PID參數(shù)的模糊規(guī)則，根據(jù)以上兩個參數(shù)的調整原則[9-10]，并結合選煤廠破碎機實際工況控制特點，可以得到Kp、Ki的調整規(guī)則表，見表1、2所列。

表1 Kp值調節(jié)規(guī)則表

表2 Ki值調節(jié)規(guī)則表

根據(jù)Kp、Ki模糊控制規(guī)則表進行模糊推理和模糊運算，并以if…then…條件語句形式表示。如表1Kp值調節(jié)規(guī)則表第一行、第一列的模糊規(guī)則可表示如下語句。

(1)if|E|=0 and |Ec|=0 thenKp=0；隸屬度可表示為：uKp1(ZP)=uZe(x)∧uZec(y)=uZe(0)∧uZec(0)。

(2)if|E|=0.02 and |Ec|=0 thenKp=7.5；隸屬度表示為：uKp2(ZP)=uSe(x)∧uZec(y)=uSe(0.75)∧uZec(0)。

(3)if|E|=0.04 and |Ec|=0 thenKp=5；隸屬度可表示為：uKp3(ZP)=uMe(x)∧uZec(y)=uMe(1.5)∧uZec(0)。

(4)if|E|=0.06 and |Ec|=0 thenKp=5.0；隸屬度表示為：uKp3(ZP)=uMe(x)∧uZec(y)=uMe(1.5)∧uZec(0)。

…………

按照上述方法，可將表1、2轉換為條件描述語句并進行推理計算，得到Kp、Ki的精確值。

3 系統(tǒng)測試

3.1 仿真測試

以階躍信號為系統(tǒng)輸入信號，驗證選煤廠破碎機參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)的響應特性。當給定系統(tǒng)階躍輸入信號后，破碎機智能控制系統(tǒng)全過程速度響應曲線見圖4所示，其中曲線1為速度響應曲線，曲線2為速度給定曲線。由圖4全過程速度響應曲線可知，基于文中提出的模糊控制方案速度響應快、超調量小，速度跟隨性好。

圖4 選煤廠破碎機智能控制系統(tǒng)全過程速度響應曲線

模擬選煤廠破碎機運行過程中負載突變時的工況，測試破碎機速度響應曲線和電樞電流曲線，見圖5所示，其中曲線1為破碎電機速度響應曲線，曲線2為破碎電機電樞電流曲線。

圖5 負載突變時智能控制系統(tǒng)特性曲線

由圖5可知，采用模糊控制方案后，破碎電機運行過程中能夠應對負載突變、強干擾條件時的速度穩(wěn)定性控制，并無限趨近于給定值。在負載突變、強干擾條件時破碎電機電樞電流的過渡時間較短并能快速達到給定值，未出現(xiàn)電流失調、轉速無法跟隨給定值的情況。與傳統(tǒng)算法相比，基于參數(shù)自整定的模糊PID控制算法使得選煤廠破碎機控制系統(tǒng)的魯棒性更好。

3.2 應用測試

為驗證智能控制系統(tǒng)的正確性和適用性，在某選煤廠進行為期三個月的實際應用測試。測試過程中發(fā)現(xiàn)，應用參數(shù)自整定模糊控制技術，可將破碎機的給料負荷控制在30%～90%之間，給料轉速控制在300～400 r/min，大大減少了破碎機超載運行、超載啟動以及空載運行時間；原煤破碎量從2.7 Mt/a提升至3.6 Mt/a；故障率減少約40%；破碎相關作業(yè)人員從9人減少至5人；減輕了作業(yè)工人的勞動強度；提升了破碎機作業(yè)安全系數(shù)。

4 結 語

針對選煤廠破碎機控制系統(tǒng)存在的突出問題，提出了一種基于參數(shù)自整定的破碎機模糊控制系統(tǒng)設計方案。本控制系統(tǒng)在保證破碎安全、穩(wěn)定、高效運行的前提下，能夠提升破碎機控制系統(tǒng)的靈活性、自適應性。相較于傳統(tǒng)破碎機控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)大大減少了破碎機空載、超載運行時間，提升了原煤破碎量，提高了作業(yè)安全系數(shù)。