基于模糊PID的矿井提升机控制系统研究

郭建军

【摘 要】 本文针对矿井提升机电控系统现状，采用模糊自整定PID控制算法，设计了模糊自适应控制器，对采用传统PID控制算法和模糊自整定PID控制算法的控制系统进行了仿真分析。结果表明，采用模糊自整定PID控制算法，在5s左右达到控制精度，较传统PID控制器提前了1s，控制系统响应时间更短，速度更快;且曲线峰值方面较传统PID控制峰值低，说明超调量小;调节效果更优，控制效果更为理想。该控制系统对矿井提升机的自动化和生产率的提高具有积极作用，具有工程实用价值。

【关键词】 控制系统;自整定PID;矿井提升机;模糊规则

【中图分类号】 TP29 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0025-03

矿井提升机是矿山的“咽喉”，负责着矿井上下设备、人员、物料等的输送工作，矿井提升机的正常工作是矿井安全、高效生产的保障。矿井提升系统环节比较多，运行速度大、惯性大，控制及运行都比较复杂，同时工作状态切换也比较频繁，工作环境也比较恶劣，所以矿井提升机电控系统的稳定、可靠、安全、合理是矿井提升机正常工作的关键。虽然我国矿井提升控制系统发展比较迅速，但当前采用的矿井提升机行程控制水平比较低，主要依靠速度给定和机械式行程给定来控制提升机的速度，高精度的行程和速度控制还有待提高。因此，设计出安全可靠的电控系统就变得尤为重要。传统的电控系统所采用的继电器、接触器等原件都已经较为落后，已不适用于矿井的安全高效生产环境，近年来变频调控技术逐渐应用于电控系统。李志庆提出传统PID同模糊控制相结合的方法用于采煤机截割系统，实现了采煤机的自适应截割控制;王国贝等提出在选矿厂生产中采用模糊PID控制，实现了浮选、磨矿-分级的自动控制，效果明显;张烨分析了传统PID控制的缺点，提出了BP-PID控制算法用于矿井提升机调速系统，通过BP-PID控制器的设计及其仿真实验分析，结果表明采用BP-PID控制算法的系统具备更优的控制性能和抗干扰能力;隋涛等提出通过建立专家控制规则，对传统PID进行优化并应用于矿井提升机控制系统中，通过设计建立专家PID控制系统，仿真分析，结果表明与传统PID控制系统相比，系统具备更好的鲁棒性和动态性能。

本文提出将模糊控制同传统的PID相结合，设计了模糊自适应控制器，进行了仿真分析，通过与传统PID控制算法的对比，采用模糊自整定PID控制，控制系统响应时间减少，超调量减少，达到稳态值的时间缩短，表明了模糊自整定PID控制系统的高效性、可靠性和正确性。

1模糊控制原理

模糊控制就是以人的模糊推理和决策为依据，通过人为的设计相对应的模糊规则，模糊化处理外界采集的信息，并将之作为输入信号，在控制器中完成推理并将结果录入执行部件，最后得到理想的控制效果。模糊控制器结构如图1所示。

通过制定特定规则，采用不同的语言形式实现模糊控制，参与的专家不同，制定出的规则也不尽相同。但碰到复杂系统时，为更方便创建数学模型，通常采用模糊控制，从而更容易实现更优控制。模糊控制的实现，一般需要现场技术人员的经验知识和现场收集的操作数据。在对矿井提升机进行分析时，主要分析提升机的速度和速度变化率，将它们作为输入量，比例、积分、微分作为输出量。通过图1可知，通过模糊化和解模糊处理，充分分析输入量，调整模糊规则，进而改变输出量，使系统获得最优控制。在进行模糊化处理，首先需要精准完成被控信息的采集，通过与给定值的比较得到误差信息，再对其进行模糊化处理，得到模糊变量e，其最为常用的为7个等级，分别为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，与之对应的语言变量为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

2模糊自适应控制器设计

传统PID控制器是由Kp，Ki，Kd三部分组成，其中Kp为比例调节系数，用以提升系统调节响应时的速率;Ki为积分调节系数，用以消除系统稳定后的误差;Kd为微分调节分数，是系统在稳态前对误差进行实时预报，修订误差来改变系统的动态性能。模糊自整定PID则是在传统PID的基础上，加入了模糊控制规则，对偏差e和偏差变化ec进行了修订，对上述三個参数进行修订，使控制系统进一步得到优化。其控制器结构如图2所示。

速度偏差e的语言变量为E，速度偏差变化率的语言变量为EC，输出变量△Kp，△Ki，△Kd的模糊子集均采用7等级{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，对应的论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}，根据经验，得到模糊规则表1，2，3。

3仿真分析

对模糊PID及传统PID控制建模，采用的传递函数为：

利用ode23tb算法，仿真模型见图3所示。上下两部分分别为模糊PID控制及传统PID控制模型，仿真结果见图4。

图4的（a）中曲线较高的为传统PID控制的仿真波形，较低的曲线为模糊PID控制波形。显然，在响应时间、稳态误差和超调量方面，采用模糊自整定PID控制更具优势。在5s左右，模糊自整定PID控制器已达标准控制精度，较传统PID控制器提前了1s，且曲线峰值方面，模糊自整定PID控制的曲线较传统PID控制波形低，说明超调量比较小，反应速度也迅速。由此可知，与传统PID控制算法相比，系统采用模糊自整定PID控制后，具备更优的动静态调节功能，同时响应速度变得更快，达到稳态值的时间大大缩小，同时超调量减少，具备更优的调节效果。通过图4的（b）（c）（d）可知，在采用模糊PID算法后，Kp，Ki，Kd参数的波形变化说明三个参数在整个过程均受到不断调整，且自行调整速度较快，在短时间内达到设定值，使整个控制效果更为理想。

4结论

以矿井提升机控制系统为研究对象，分析了模糊控制理论，同时将PID控制和模糊算法相结合，并在传统PID控制器的基础上修订参数Kp、Ki、Kd，制定了模糊规则表，设计了模糊自适应控制器，充分利用了PID控制和模糊算法的优点，能够有效改善矿井提升机控制系统的性能。

仿真结果表明，与传统PID控制算法相比，系统采用模糊自整定PID控制后，动静态调节功能好，响应速度快，在5s左右达到控制精度，较传统PID控制器提前了1s，达到稳态值的时间短，同时超调量减少。

矿井提升机控制系统采用模糊自整定PID控制算法，参数不断快速调整至稳定值，系统更加准确、及时、稳定，具有更好的控制性能，控制效果更为理想。

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