專家PID控制在跳汰機(jī)排料系統(tǒng)的實現(xiàn)及仿真

張紅娟

（唐山學(xué)院 裝備制造系，河北 唐山063000）

0 引言

在煤礦生產(chǎn)中，礦井產(chǎn)出的原煤含有矸石等雜質(zhì)，跳汰機(jī)就是一種根據(jù)密度不同從原煤中分離出矸石，選出精煤的機(jī)械裝置，我國目前每年用跳汰機(jī)選出的精煤是總的精煤量的70%左右。跳汰機(jī)工作原理是將入洗的原煤（粒度為0～100mm）送入跳汰機(jī)的篩板上，篩板上的原煤經(jīng)脈動水沖洗后，一部分經(jīng)篩孔落下，一部分經(jīng)排料裝置排出，排料裝置采用直流電動機(jī)驅(qū)動葉輪排料，葉輪轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)無級調(diào)速，以控制排料量大小。當(dāng)輪順時針轉(zhuǎn)動時，物料被排除，當(dāng)遇到卡矸故障時，可將輪倒轉(zhuǎn)，排除故障［1］。

跳汰機(jī)排料是跳汰機(jī)控制的一個重要組成部分，直接決定精煤的質(zhì)量。跳汰機(jī)排料系統(tǒng)的控制目的是希望通過控制排料量來維持床層厚度的穩(wěn)定（床層穩(wěn)定是分離的保證）。目前國內(nèi)較多的是使用PID調(diào)節(jié)器來進(jìn)行排料系統(tǒng)的控制，其缺點是當(dāng)原煤的顆粒、給料速度、跳汰室風(fēng)壓、水壓等因素發(fā)生變化時，很難自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)大小。專家PID控制通過對系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)輸出的識別，以了解被控對象過程動態(tài)特性的變化，在線調(diào)整輸出類型，使得過程的響應(yīng)曲線為某種最佳響應(yīng)曲線。它是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自適應(yīng)技術(shù)，其目的就是為了應(yīng)付過程中出現(xiàn)的不確定性。本文基于專家PID控制方法對跳汰機(jī)的排料控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造并做了Matlab／Simulink仿真。

1 跳汰排料自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

跳汰機(jī)自動排料裝置包括檢測和控制兩大部分，主要由浮標(biāo)傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，如圖1所示。應(yīng)用浮標(biāo)傳感器檢測床層厚度，通過控制器比較床層測量值與給定值的大小，最終取得偏差信號。應(yīng)用專家PID輸出控制信號，控制排料機(jī)構(gòu)動作，實現(xiàn)對排料量的控制，最終使跳汰機(jī)床層穩(wěn)定在給定值附近，保證跳汰機(jī)正常工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過液壓系統(tǒng)帶動閘板上下運(yùn)動，改變排料口大小，排料時要連續(xù)，不能出現(xiàn)床層塌陷、瞬時排空等破壞床層現(xiàn)象。該跳汰機(jī)的排料系統(tǒng)以8051單片機(jī)為核心，完成被控過程采樣、顯示、數(shù)據(jù)處理、根據(jù)控制算式進(jìn)行控制和輸出。

圖1 跳汰機(jī)排料系統(tǒng)專家PID控制結(jié)構(gòu)圖

2 控制算法

專家控制具有基于知識結(jié)構(gòu)處理不確定性問題的能力。引入專家系統(tǒng)使系統(tǒng)的靈活性、可靠性、處理不確定干擾能力增強(qiáng)，對控制系統(tǒng)可進(jìn)行預(yù)測、診斷錯誤、給出補(bǔ)救方案，監(jiān)視執(zhí)行。專家PID控制是利用專家經(jīng)驗來設(shè)計PID參數(shù)，針對滯后、非線性系統(tǒng)提出。專家整定PID控制器，把人的判斷和推理能力參與到控制系統(tǒng)中，PID參數(shù)由專家系統(tǒng)實現(xiàn)，控制信號由PID控制器給出，專家系統(tǒng)只是間接地影響控制過程。

在以單片機(jī)為控制核心的排料系統(tǒng)中，PID控制器是通過PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。設(shè)計數(shù)字PID控制器。令e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值，e（k－1），e（k－2）分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有：△e（k）＝e（k）－e（k－1），△e（k－1）＝e（k－1）－e（k－2）。

根據(jù)誤差及其變化，控制器有5種情況。

1.｜e（k）｜＞M1時，實施開環(huán)控制u（k）＝u（k）max或u（k）＝u（k）min，根據(jù)情況而定。

2.當(dāng)e（k）△e（k）＞0且｜e（k）｜＞M2時由控制器實施較強(qiáng)控制作用，其輸出為

u（k）＝u（k－1）＋k1｛Kp［e（k）－e（k－1）］＋Kie（k）＋Kd［e（k）－2e（k－1）＋e（k－2）］｝。

當(dāng)e（k）△e（k）＞0且｜e（k）｜＜M2時由控制器實施一般控制作用，其輸出為

u（k）＝u（k－1）＋Kp［e（k）－e（k－1）］＋Kie（k）＋Kd［e（k）－2e（k－1）＋e（k－2）］。

3.當(dāng)e（k）△e（k）＜0且e（k）△e（k－1）＞0或e（k）＝0時，控制器輸出不變。

4.當(dāng)e（k）△e（k）＜0且e（k）△e（k－1）＞0且｜e（k）｜＞M2時，說明誤差處于極值狀態(tài)，實施較強(qiáng)控制作用u（k）＝u（k－1）＋k1Kpem（k）

當(dāng)e（k）△e（k）＜0、e（k）△e（k－1）＜0且｜e（k）｜＜M2時，實施較小控制u（k）＝u（k－1）＋k2Kpem（k）。

式中，em（k）：誤差e的第k 個極值；u（k），u（k－1）：第k，k－1次控制器的輸出；u（k）max：控制器最大輸出；u（k）min：控制器最小輸出；k1：增益放大系數(shù)，k1＞1；k2：抑制系數(shù)，0＜k2＜1；M1，M2：設(shè)定的誤差界限，M1＞M2；em（k）：誤差e的第k 個極值；ε：任意小的正實數(shù)［2］。

3 效果比較

跳汰機(jī)排料過程是典型的大滯后，非線性、隨機(jī)干擾、多參數(shù)強(qiáng)烈耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，選擇被控對象為帶滯后環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為差分方程為：y（k）＝0.004 338u（k－3）＋0.003 755u（k－4）＋1.621y（k－1）－0.648 3y（k－2）。

對控制對象以常規(guī)PID控制器進(jìn)行Simulink仿真，如圖2所示。根據(jù)齊格勒－尼柯爾斯法設(shè)定PID參數(shù)［3］，當(dāng)Kp＝5，Ki＝6，Kd＝1時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖3虛線所示，該控制系統(tǒng)經(jīng)過4s之后穩(wěn)定，并可很好跟蹤輸入信號。在專家PID調(diào)試過程中，需要經(jīng)過多次試湊和大量仿真調(diào)試工作，才能確定專家PID算法的參數(shù)。仿真中開環(huán)控制規(guī)則：M1是閾值，其分別為0.8，0.04，0.02，0.01時執(zhí)行情況不同。

圖2 常規(guī)PID控制系統(tǒng)

圖3 專家PID與常規(guī)PID控制效果比較

專家PID算法的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖3點劃線所示，專家PID控制響應(yīng)曲線也能很好追蹤給定值，曲線平滑性好，在調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)方面都比傳統(tǒng)PID控制效果好。專家PID算法系統(tǒng)調(diào)整時間更快，1s即可穩(wěn)定，傳統(tǒng)PID調(diào)整時間需要4s；專家PID超調(diào)量（2%）比傳統(tǒng)PID控制超調(diào)量（11%）小，專家PID控制器具有優(yōu)越性。在穩(wěn)態(tài)誤差方面，專家PID控制的比傳統(tǒng)PID控制小，如圖4所示。

圖4 專家PID與常規(guī)PID控制誤差比較

4 結(jié)語

專家PID在響應(yīng)速度、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等方面優(yōu)于常規(guī)PID，尤其適用于像跳汰機(jī)排料系統(tǒng)這樣的非線性、大滯后且隨機(jī)干擾嚴(yán)重的系統(tǒng)，但專家PID需要進(jìn)行參數(shù)在線測試并進(jìn)行整定。

［1］ 易泓可.電氣控制系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)與范例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：221－223.

［2］ 劉金琨.先進(jìn)PID控制 MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：94－95.

［3］ 董景新.控制工程基礎(chǔ)［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2008：261－265.