基于模糊pid控制的刮板输送机链条张力控制

基于模糊pid控制的刮板输送机链条张力控制

0刮板链的性能本文是对张家宝采矿用css1000吨/2100吨刮板机的链张力的研究。该机的装机功率为2100kW,供货长度为310m,输送能力达3000t/h,刮板链为中心双链且链速为1.39m/s,链条张力的最大值为3290kN,刮板链的中心间距是280mm,卸载为交叉侧卸。紧链采用液压马达紧链和机尾伸缩辅助紧链,液压马达直接驱动链轮运煤,机尾伸缩用液压缸实现,而液压缸能给刮板链提供可控的张紧力,二者结合可对链条张力进行及时可靠的控制。1采用自动尾螺纹装置的刮板机链张力控制器1.1控制机构设计刮板链张力的自动控制是通过改变2个链轮间距实现的,链条间距的变化能够补偿链条弹性伸长(或收缩)而引起的张力变化,实现张力值在限定范围内的目的。工作面空间的局限性使得刮板输送机只能通过液压缸的推移链轮在机体上移动来实现两链轮中心距的改变。其原理图如图1所示。在机头底链和机尾上链处,分别设1种压力传感器,将测得的压力值转换成链条张力值之后系统输出SA、SB张力信号,经信号分析、滤波后计算出SA、SB的实际值,再经信号比较器Ⅰ确定SA、SB与期望值的差值ΔSA、ΔSB,经信号比较器Ⅱ判定出ΔSA、ΔSB是否超过许用误差值[ΔS],输出eA、eB触发信号,它们是控制液压缸A和液压缸B的信号发生器,控制机尾油缸的伸缩,达到自动调整链条松紧的目的。由于期望值的范围对系统的稳定性和精度有一定的影响,即:范围大,则精度不高;范围小,系统会产生振荡。所以本文采用模糊自适应PID控制技术并利用美国JOY公司研制出的ACTS装置对刮板输送机链条张力进行控制,在该系统中,应用模糊自适应PID技术的关键在于模糊自适应PID调节器的模糊推理系统的设计,而首要的任务在于对PID调节器3个参数的整定,其次是PID算法的实现。1.2pid控制器三参数在线自校正工作流程PID参数整定中的关键问题就是选择一组较好的初始值。如果预定的值与理想的值相差太大,则会给后续的调试工作带来很多的麻烦。常用来确定PID初始参数的方法有:扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。本文采用工程中常用的扩充响应曲线法初步确定4个主要的参数KC、TS、TD、TI。确定步骤:(1)断开系统的反馈环节并且使PID控制器的比例系数为1,加一给定阶跃信号在系统的输入端,画出并测量被控对象(包括执行机构)的开环阶跃响应曲线;(2)在曲线上变化最大处作切线,求得被控对象的纯滞后时间τ和上升时间TI;(3)求出该系统的控制度,这步很难做到;(4)根据求出的纯滞后时间、上升时间和控制度的值,查扩充响应曲线法参数整定表1,即可求得PID控制器的4个主要的参数KC、TS、TD、TI,采样周期TS在3～10/s选取。用扩充响应曲线法确定的4个参数值只能作为参考,考虑到系统最终的控制效果,需要对系统作闭环调试,根据闭环阶跃响应的曲线的特征,修改控制参数,以便能使系统达到相对最佳的控制效果。对于控制度可以在表1中选取不同控制度的几组参数,分别检验控制的效果。将链条张力偏差e和偏差变化率ec作为输入,经控制器后输出PID的比例、积分、微分3个参数,再经PID调节器的调节,最后送达驱动装置完成链条张力的调节。在控制过程中,不仅对链条张力的实际偏差进行自动调节,还要对链条张力的实际偏差变化率进行调节。这样才能保证系统稳定,不致产生振荡。以链条张力偏差e和偏差变化率ec作为输入,以PID调节器的3个参数作为输出,可以满足不同时刻的偏差和偏差变化率对PID调节器三参数自整定的要求。模糊自适应PID调节器三参数在线自校正工作流程图如图2所示。在线运行过程中,通过不断检测PID调节器的输出响应值,并实时地计算出链条张力偏差e和偏差变化率ec,然后模糊化得到E和EC,利用模糊控制规则经过推理可以得到KP、Ki、Kd的调整量ΔKP、ΔKi、ΔKd,而PID调节器的参数由当前的调节器参数与模糊推理得到的参数调整增量的加权构成,这样便完成了对调节器参数的调整。1.3模糊自适应pid控制器设计步骤模糊自适应PID控制算法实现框图如图3所示。系统的动态过程性能常用阶跃响应中的参数来描述,最主要的用3个字来描述即:稳、准、快。考虑到系统阶跃响应试验中给定的链条张力目标值vm=25kN,通过对模糊自适应PID控制器的设计的各个步骤的完成包括确定输入、输出变量及变化范围;确定量化因子、比例因子;在每个变量论域内定义模糊子集;确定模糊控制规则;编制模糊控制规则表等,最后进行仿真。通过仿真结果来分析模糊自适应PID的控制性能,再对量化因子和比例因子进行调整以达到理想的控制效果。2模糊pid控制器对模糊控制的影响由于刮板输送机本身价格昂贵,所以用实物进行试验和验证比较难以实现,因此采用MATLAB中的辅助工具包Simulink对该系统进行建模、仿真和分析。仿真模型图如图4所示。通过模糊推理系统的观测窗可以看出,当刮板输送机链条张力偏差和偏差变化率取不同的值时,模糊PID控制器3个控制参数的变化情况如图5所示。该三维曲面正是模糊控制规则的直观反映。曲面图的光滑度是重要指标,它可以很直观地反映出模糊规则设计是否合理、隶属函数选取是否恰当、所采用的模糊推理算法是否适合,从而可以指导对模糊规则和隶属函数进行及时调整,以构造出性能较好的模糊控制器来满足系统性能指标的要求。给系统输入任意随机信号,观察系统的响应曲线如图6所示。从图6可以看出,设计的模糊推理系统动态特性好、鲁棒性强,基本满足系统性能指标的要求。3模糊控制+pid控制文中采用的模糊自适应PID控制技术将模糊控制与PID控制合二为一,对控制系统的比例、积分、微分参数进行在线自整定,控制超调量小,鲁棒性强,实时计算工作量小,综合了模糊控制与PID控制的优点,很好地解决了