基于模糊pid控制的刮板輸送機(jī)鏈條張力控制

基于模糊pid控制的刮板輸送機(jī)鏈條張力控制

0刮板鏈的性能本文是對(duì)張家寶采礦用css1000噸/2100噸刮板機(jī)的鏈張力的研究。該機(jī)的裝機(jī)功率為2100kW,供貨長(zhǎng)度為310m,輸送能力達(dá)3000t/h,刮板鏈為中心雙鏈且鏈速為1.39m/s,鏈條張力的最大值為3290kN,刮板鏈的中心間距是280mm,卸載為交叉?zhèn)刃丁＞o鏈采用液壓馬達(dá)緊鏈和機(jī)尾伸縮輔助緊鏈,液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)鏈輪運(yùn)煤,機(jī)尾伸縮用液壓缸實(shí)現(xiàn),而液壓缸能給刮板鏈提供可控的張緊力,二者結(jié)合可對(duì)鏈條張力進(jìn)行及時(shí)可靠的控制。1采用自動(dòng)尾螺紋裝置的刮板機(jī)鏈張力控制器1.1控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)刮板鏈張力的自動(dòng)控制是通過(guò)改變2個(gè)鏈輪間距實(shí)現(xiàn)的,鏈條間距的變化能夠補(bǔ)償鏈條彈性伸長(zhǎng)(或收縮)而引起的張力變化,實(shí)現(xiàn)張力值在限定范圍內(nèi)的目的。工作面空間的局限性使得刮板輸送機(jī)只能通過(guò)液壓缸的推移鏈輪在機(jī)體上移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩鏈輪中心距的改變。其原理圖如圖1所示。在機(jī)頭底鏈和機(jī)尾上鏈處,分別設(shè)1種壓力傳感器,將測(cè)得的壓力值轉(zhuǎn)換成鏈條張力值之后系統(tǒng)輸出SA、SB張力信號(hào),經(jīng)信號(hào)分析、濾波后計(jì)算出SA、SB的實(shí)際值,再經(jīng)信號(hào)比較器Ⅰ確定SA、SB與期望值的差值ΔSA、ΔSB,經(jīng)信號(hào)比較器Ⅱ判定出ΔSA、ΔSB是否超過(guò)許用誤差值[ΔS],輸出eA、eB觸發(fā)信號(hào),它們是控制液壓缸A和液壓缸B的信號(hào)發(fā)生器,控制機(jī)尾油缸的伸縮,達(dá)到自動(dòng)調(diào)整鏈條松緊的目的。由于期望值的范圍對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度有一定的影響,即:范圍大,則精度不高;范圍小,系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生振蕩。所以本文采用模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)并利用美國(guó)JOY公司研制出的ACTS裝置對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條張力進(jìn)行控制,在該系統(tǒng)中,應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID技術(shù)的關(guān)鍵在于模糊自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)器的模糊推理系統(tǒng)的設(shè)計(jì),而首要的任務(wù)在于對(duì)PID調(diào)節(jié)器3個(gè)參數(shù)的整定,其次是PID算法的實(shí)現(xiàn)。1.2pid控制器三參數(shù)在線自校正工作流程PID參數(shù)整定中的關(guān)鍵問(wèn)題就是選擇一組較好的初始值。如果預(yù)定的值與理想的值相差太大,則會(huì)給后續(xù)的調(diào)試工作帶來(lái)很多的麻煩。常用來(lái)確定PID初始參數(shù)的方法有:擴(kuò)充臨界比例度法和擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。本文采用工程中常用的擴(kuò)充響應(yīng)曲線法初步確定4個(gè)主要的參數(shù)KC、TS、TD、TI。確定步驟:(1)斷開(kāi)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)并且使PID控制器的比例系數(shù)為1,加一給定階躍信號(hào)在系統(tǒng)的輸入端,畫(huà)出并測(cè)量被控對(duì)象(包括執(zhí)行機(jī)構(gòu))的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線;(2)在曲線上變化最大處作切線,求得被控對(duì)象的純滯后時(shí)間τ和上升時(shí)間TI;(3)求出該系統(tǒng)的控制度,這步很難做到;(4)根據(jù)求出的純滯后時(shí)間、上升時(shí)間和控制度的值,查擴(kuò)充響應(yīng)曲線法參數(shù)整定表1,即可求得PID控制器的4個(gè)主要的參數(shù)KC、TS、TD、TI,采樣周期TS在3～10/s選取。用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法確定的4個(gè)參數(shù)值只能作為參考,考慮到系統(tǒng)最終的控制效果,需要對(duì)系統(tǒng)作閉環(huán)調(diào)試,根據(jù)閉環(huán)階躍響應(yīng)的曲線的特征,修改控制參數(shù),以便能使系統(tǒng)達(dá)到相對(duì)最佳的控制效果。對(duì)于控制度可以在表1中選取不同控制度的幾組參數(shù),分別檢驗(yàn)控制的效果。將鏈條張力偏差e和偏差變化率ec作為輸入,經(jīng)控制器后輸出PID的比例、積分、微分3個(gè)參數(shù),再經(jīng)PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié),最后送達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置完成鏈條張力的調(diào)節(jié)。在控制過(guò)程中,不僅對(duì)鏈條張力的實(shí)際偏差進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),還要對(duì)鏈條張力的實(shí)際偏差變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定,不致產(chǎn)生振蕩。以鏈條張力偏差e和偏差變化率ec作為輸入,以PID調(diào)節(jié)器的3個(gè)參數(shù)作為輸出,可以滿足不同時(shí)刻的偏差和偏差變化率對(duì)PID調(diào)節(jié)器三參數(shù)自整定的要求。模糊自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)器三參數(shù)在線自校正工作流程圖如圖2所示。在線運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)不斷檢測(cè)PID調(diào)節(jié)器的輸出響應(yīng)值,并實(shí)時(shí)地計(jì)算出鏈條張力偏差e和偏差變化率ec,然后模糊化得到E和EC,利用模糊控制規(guī)則經(jīng)過(guò)推理可以得到KP、Ki、Kd的調(diào)整量ΔKP、ΔKi、ΔKd,而PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)由當(dāng)前的調(diào)節(jié)器參數(shù)與模糊推理得到的參數(shù)調(diào)整增量的加權(quán)構(gòu)成,這樣便完成了對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整。1.3模糊自適應(yīng)pid控制器設(shè)計(jì)步驟模糊自適應(yīng)PID控制算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程性能常用階躍響應(yīng)中的參數(shù)來(lái)描述,最主要的用3個(gè)字來(lái)描述即:穩(wěn)、準(zhǔn)、快?？紤]到系統(tǒng)階躍響應(yīng)試驗(yàn)中給定的鏈條張力目標(biāo)值vm=25kN,通過(guò)對(duì)模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟的完成包括確定輸入、輸出變量及變化范圍;確定量化因子、比例因子;在每個(gè)變量論域內(nèi)定義模糊子集;確定模糊控制規(guī)則;編制模糊控制規(guī)則表等,最后進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)分析模糊自適應(yīng)PID的控制性能,再對(duì)量化因子和比例因子進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到理想的控制效果。2模糊pid控制器對(duì)模糊控制的影響由于刮板輸送機(jī)本身價(jià)格昂貴,所以用實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證比較難以實(shí)現(xiàn),因此采用MATLAB中的輔助工具包Simulink對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。仿真模型圖如圖4所示。通過(guò)模糊推理系統(tǒng)的觀測(cè)窗可以看出,當(dāng)刮板輸送機(jī)鏈條張力偏差和偏差變化率取不同的值時(shí),模糊PID控制器3個(gè)控制參數(shù)的變化情況如圖5所示。該三維曲面正是模糊控制規(guī)則的直觀反映。曲面圖的光滑度是重要指標(biāo),它可以很直觀地反映出模糊規(guī)則設(shè)計(jì)是否合理、隸屬函數(shù)選取是否恰當(dāng)、所采用的模糊推理算法是否適合,從而可以指導(dǎo)對(duì)模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,以構(gòu)造出性能較好的模糊控制器來(lái)滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。給系統(tǒng)輸入任意隨機(jī)信號(hào),觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖6可以看出,設(shè)計(jì)的模糊推理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好、魯棒性強(qiáng),基本滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。3模糊控制+pid控制文中采用的模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)將模糊控制與PID控制合二為一,對(duì)控制系統(tǒng)的比例、積分、微分參數(shù)進(jìn)行在線自整定,控制超調(diào)量小,魯棒性強(qiáng),實(shí)時(shí)計(jì)算工作量小,綜合了模糊控制與PID控制的優(yōu)點(diǎn),很好地解決了