廉文利

（唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山063020）

0 引言

礦井提升機(jī)是煤炭深井生產(chǎn)過程中的重要運輸設(shè)備，用來提升礦井下的矸石與煤炭等物料和人員，其工作性能的穩(wěn)定性直接影響煤礦的生產(chǎn)效率。礦井提升機(jī)正、反兩方向需頻繁地作加減速運動，是時變非線性的復(fù)雜控制系統(tǒng)［1－2］。雖然傳統(tǒng)的PID控制器有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整參數(shù)方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是對于數(shù)學(xué)模型不能精確確定的礦井提升機(jī)，常規(guī)PID控制規(guī)律無法滿足控制需求。而自適應(yīng)控制技術(shù)，可以根據(jù)被測參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等變化對系統(tǒng)自動校正，使控制系統(tǒng)隨時處于最優(yōu)的狀態(tài)，對缺乏精確數(shù)學(xué)模型的被控制對象能進(jìn)行有效控制，從而提高控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能指標(biāo)。為此，筆者基于自適應(yīng)模糊控制對礦井提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

礦井提升機(jī)運行過程是由啟動、加速、勻速、減速、停車等組成的變速運動，罐籠（或箕斗）所裝載物體的重量和所處空間位置在運行過程中時常變化，被控制對象的不確定性與多變性是控制的難點［3］。對礦井提升機(jī)各種難以精確掌握的控制因素，常規(guī)PID控制規(guī)律難以實現(xiàn)。而模糊邏輯控制技術(shù)引入符合人行為的控制規(guī)則，往往能解決常規(guī)PID等傳統(tǒng)控制方法控制效果差的問題。自適應(yīng)模糊技術(shù)是模糊邏輯理論與自適應(yīng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在實際運行中能根據(jù)偏差與偏差變化率的不同隨時調(diào)整控制規(guī)則，使被控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能指標(biāo)始終處于最優(yōu)的狀態(tài)。礦井提升機(jī)的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦井提升機(jī)的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計

自適應(yīng)模糊控制在模糊控制技術(shù)基礎(chǔ)上融入自學(xué)習(xí)、自組織與自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)控制系統(tǒng)自身控制過程檢測的信息和外部環(huán)境參數(shù)，進(jìn)一步修改控制器參數(shù)或完善控制規(guī)則，使得自適應(yīng)模糊控制器能夠根據(jù)參數(shù)的變化對控制規(guī)則進(jìn)行不同程度的調(diào)整［4］。

2．1 模糊化

模糊化是將精確的模糊控制器輸入變量轉(zhuǎn)換為模糊化變量，并確定各自的論域范圍與模糊變量子集。對模糊控制器的輸入變量依據(jù)圖2所示的三角形隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化處理，并用相應(yīng)的模糊集合表示。

圖2 模糊化函數(shù)

將模糊控制器的模糊語言變量依據(jù)三角形隸屬函數(shù)分別定義相應(yīng)的整數(shù)，即：

PB＝3，PM＝2，PS＝1，ZE＝0，NS＝ －1，NM＝－2，NB＝－3

模糊控制器輸入變量的模糊語言變量為：

E＝｛NB，NM，NS，ZS，PM，PM，PB｝，

EC＝｛NB，NM，NS，ZS，PM，PM，PB｝。

2．2 自適應(yīng)模糊控制器算法的設(shè)計

模糊控制規(guī)則是操作者在長期控制實踐中的經(jīng)驗累積，這些經(jīng)驗一般用定性的、不精確的模糊語言規(guī)則形式表述，通過模糊推理推出模糊化的控制變量。自適應(yīng)模糊控制器采用帶修正因子的解析式確定模糊控制規(guī)則的方法，將控制規(guī)則與語言變量間確定為一一對應(yīng)的關(guān)系，這樣按常用的模糊推理算法形成的控制規(guī)則概括為如下的一個解析式：

式中λ為修正因子。

采用帶修正因子的解析式表述控制規(guī)則具有簡單方便、降低模糊規(guī)則的主觀性和盲目性、計算機(jī)容易實現(xiàn)等特點［5］。通過調(diào)整修正因子可以修正控制規(guī)則，修正因子的變化體現(xiàn)于對誤差和誤差變化率加權(quán)值的調(diào)整，反映了操作者進(jìn)行控制活動時的思維特性，避免了通?？刂埔?guī)則定義中的跳變或空檔等現(xiàn)象。不同的誤差等級對應(yīng)不同的修正因子，以實現(xiàn)對模糊控制規(guī)則的在線自調(diào)整，修正因子與誤差的關(guān)系如下：

根據(jù)式（1），（2）確定的模糊控制規(guī)則如表1所示。

2．3 模糊判決

對于模糊控制系統(tǒng)，最終應(yīng)輸出確定的控制量，驅(qū)動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。解模糊化就是執(zhí)行被模糊控制器激活的所有模糊規(guī)則輸出的組合，再轉(zhuǎn)換為精確的可執(zhí)行量。它是模糊空間到清晰空間的一種映射，這種映射稱為判決，加權(quán)平均法是常用的解模糊化判決方法，如下式：

式中u0為模糊集合u1通過加權(quán)平均法求得的判決結(jié)果。

表1 模糊控制規(guī)則狀態(tài)表

3 控制系統(tǒng)仿真分析

應(yīng)用Matlab仿真軟件中simulink工具箱對礦井提升機(jī)自適應(yīng)模糊控制器建立了仿真模型，如圖3所示。通過仿真得到自適應(yīng)模糊控制礦井提升機(jī)的速度，利用plot（v，t）繪制礦井提升機(jī)速度與時間的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，速度實際運行曲線與給定速度運行曲線基本重合。

圖3 礦井提升機(jī)自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)仿真模型

圖4 自適應(yīng)模糊控制礦井提升機(jī)速度仿真曲線

4 結(jié)論

自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)根據(jù)帶修正因子的解析式確定模糊控制規(guī)則，使主觀性與盲目性大大降低。通過應(yīng)用仿真軟件Matlab，可選擇合適的隸屬度函數(shù)，使模糊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理、簡單。實踐證明，自適應(yīng)控制方案具有準(zhǔn)確性能好、響應(yīng)速度快、性能可靠等特點，實現(xiàn)了礦井提升機(jī)調(diào)速過程的安全性與穩(wěn)定性。

［1］ 鄭勇．基于Lab VIEW的礦井提升機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計［J］．煤炭技術(shù)，2014，33（11）：234－235．

［2］ 劉曉冬，張海，龐福．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井提升機(jī)自適應(yīng)PID控制器研究［J］．煤礦機(jī)械，2014，35（7）：171－173．

［3］ 彭秋紅，成蘭．礦井提升機(jī)的模糊PID控制器研究［J］．機(jī)電信息，2014（24）：148－149．

［4］ 李嵐．自適應(yīng)模糊控制綜述［J］．山東工業(yè)技術(shù)，2015（5）：209－210．

［5］ 張景元．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)［J］．計算機(jī)工程與設(shè)計，2014，35（10）：3613－3616．