基于參數(shù)自整定的破碎機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用*

孔令軍

(山西西山煤電貿(mào)易有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

0 引 言

選煤廠破碎機(jī)用于煤礦直接開采出的原煤的破碎處理環(huán)節(jié)。破碎機(jī)運(yùn)行時，負(fù)載不均勻，常出現(xiàn)滿載啟動、堵轉(zhuǎn)、空載等現(xiàn)象，且運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)存在控制系統(tǒng)不靈活、無法適應(yīng)復(fù)雜工況、控制指令與實際運(yùn)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(shè)計具備滯后性弱、靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)的破碎機(jī)控制系統(tǒng)成為提升破碎機(jī)生產(chǎn)效率的重要目標(biāo)。

經(jīng)眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，模糊控制技術(shù)的應(yīng)用，可以為選煤廠破碎機(jī)高效、智能化運(yùn)行帶來便利；充分利用模糊控制技術(shù)可以達(dá)到消除控制系統(tǒng)滯后性，滿足破碎機(jī)復(fù)雜運(yùn)行工況，保證破碎機(jī)連續(xù)、高效運(yùn)行的目的[3-4]。

筆者基于參數(shù)自整定技術(shù)設(shè)計的選煤廠破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)，在分析控制系統(tǒng)方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對基于參數(shù)自整定的破碎機(jī)模糊控制算法進(jìn)行詳細(xì)分析并完成仿真和應(yīng)用測試。通過系統(tǒng)測試，驗證設(shè)計的選煤廠破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)的正確性和適用性，達(dá)到安全、高效生產(chǎn)的目的。

1 方案設(shè)計

選煤廠破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計框圖見圖1所示。根據(jù)破碎機(jī)實際運(yùn)行工況，破碎機(jī)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(jìn)而完成對破碎電動機(jī)的智能控制。同時，變頻器實時返回破碎電動機(jī)實際運(yùn)行參數(shù)給智能控制系統(tǒng)。破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)根據(jù)返回的運(yùn)行參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出控制指令，保證破碎機(jī)控制系統(tǒng)的靈活性、自適應(yīng)性。

圖1 選煤廠破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計框圖

2 方案設(shè)計實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

選煤廠破碎機(jī)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(jī)、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(gòu)成，同時擴(kuò)展時鐘電路、CAN總線通信電路、JTAG電路、復(fù)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(jī)矢量控制，支持差分、UVW、旋轉(zhuǎn)變壓器等多種編碼器，具備高啟動轉(zhuǎn)矩特性，支持電機(jī)過熱、過流等多種保護(hù)功能。選用齒輥式破碎機(jī)，進(jìn)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(jī)運(yùn)行過程中的非線性、大慣性、滯后性的特點(diǎn)，應(yīng)用參數(shù)自整定模糊PID控制算法實現(xiàn)破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)，以達(dá)到靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)、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(jī)智能控制系統(tǒng)參數(shù)Kp、Ki和Kd的初始化設(shè)置以及自適應(yīng)調(diào)整，能夠適應(yīng)選煤廠破碎機(jī)運(yùn)行時的非線性、大延時、強(qiáng)干擾的運(yùn)行工況。該算法的輸入信號為破碎電機(jī)運(yùn)行過程中的速度誤差E和誤差變化率Ec，通過實時調(diào)整和無限逼近使得破碎機(jī)速度的響應(yīng)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(jī)控制系統(tǒng)原理見圖2所示，建立破碎機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制模型，其中轉(zhuǎn)速環(huán)采用參數(shù)自調(diào)整模糊PI調(diào)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(jī)模糊控制器最大值，因選煤廠破碎機(jī)控制系統(tǒng)具有大慣性、大滯后性，因此，在設(shè)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(jī)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(jī)智能控制系統(tǒng)參數(shù)Kp和Ki，采用臨界比例法進(jìn)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(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體方法為：當(dāng)系統(tǒng)控制器只有比例作用的時候，調(diào)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(dāng)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(jié)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(jī)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(diào)整原則[9-10]，并結(jié)合選煤廠破碎機(jī)實際工況控制特點(diǎn)，可以得到Kp、Ki的調(diào)整規(guī)則表，見表1、2所列。

表1 Kp值調(diào)節(jié)規(guī)則表

表2 Ki值調(diào)節(jié)規(guī)則表

根據(jù)Kp、Ki模糊控制規(guī)則表進(jìn)行模糊推理和模糊運(yùn)算，并以if…then…條件語句形式表示。如表1Kp值調(diào)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(zhuǎn)換為條件描述語句并進(jìn)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(jī)參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性。當(dāng)給定系統(tǒng)階躍輸入信號后，破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)全過程速度響應(yīng)曲線見圖4所示，其中曲線1為速度響應(yīng)曲線，曲線2為速度給定曲線。由圖4全過程速度響應(yīng)曲線可知，基于文中提出的模糊控制方案速度響應(yīng)快、超調(diào)量小，速度跟隨性好。

圖4 選煤廠破碎機(jī)智能控制系統(tǒng)全過程速度響應(yīng)曲線

模擬選煤廠破碎機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載突變時的工況，測試破碎機(jī)速度響應(yīng)曲線和電樞電流曲線，見圖5所示，其中曲線1為破碎電機(jī)速度響應(yīng)曲線，曲線2為破碎電機(jī)電樞電流曲線。

圖5 負(fù)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(jī)運(yùn)行過程中能夠應(yīng)對負(fù)載突變、強(qiáng)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(fù)載突變、強(qiáng)干擾條件時破碎電機(jī)電樞電流的過渡時間較短并能快速達(dá)到給定值，未出現(xiàn)電流失調(diào)、轉(zhuǎn)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(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性更好。

3.2 應(yīng)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(jìn)行為期三個月的實際應(yīng)用測試。測試過程中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用參數(shù)自整定模糊控制技術(shù)，可將破碎機(jī)的給料負(fù)荷控制在30%～90%之間，給料轉(zhuǎn)速控制在300～400 r/min，大大減少了破碎機(jī)超載運(yùn)行、超載啟動以及空載運(yùn)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(guān)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(qiáng)度；提升了破碎機(jī)作業(yè)安全系數(shù)。

4 結(jié) 語

針對選煤廠破碎機(jī)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(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計方案。本控制系統(tǒng)在保證破碎安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的前提下，能夠提升破碎機(jī)控制系統(tǒng)的靈活性、自適應(yīng)性。相較于傳統(tǒng)破碎機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)大大減少了破碎機(jī)空載、超載運(yùn)行時間，提升了原煤破碎量，提高了作業(yè)安全系數(shù)。