基于模糊自适应PID的矿井提升起重机系统研究

胡艳丽 杨国诗 季学斌 刘团结

摘 要：针对矿井提升机系统的非线性和时变性，该文在分析系统的基础上，将模糊控制和常规PID控制相结合，提出了模糊自适应PID控制策略。根据、、的自整定规则和提升机工作人员操作经验设计出模糊PID控制规则表。通过MATLAB/SIMULINK仿真表明，模糊PID控制系统与常规PID控制系统相比，响应速度和稳态精度都有明显的改善，对提高煤矿生产效率起到了一定的积极作用。

关键词：矿井提升机 模糊PID Simulink仿真

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0074-01

矿井提升机作为一种大型运输机械设备，主要用来提升重物和煤，运输工人和物料。提升机在运行过程中，会发生过卷、超速等事故，使提升机工作效率降低，严重时会造成人员伤亡。事故一旦发生，会大大降低煤矿的生产效率。因此，矿井提升机安全性、稳定性的提高成为了一个很重要的研究课题。

矿井提升机系统是非线性的，PID控制器受参数整定的影响，过分依赖系统的数学模型，而提升机系统的数学模型很难精确建立，因此常规PID很难达到预期的控制效果。模糊控制是智能控制的一个重要分支，是近代控制理论中建立在模糊集合上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论。传统的模糊控制虽然在处理复杂系统时具有突出的优越性，但响应速度较慢。该文结合上述特点，设计了模糊自适应PID控制器，即常规PID与传统模糊控制的复合形式，并对此控制方法在MATLAB/SIMULINK中进行仿真，和常规PID仿真结果进行比较，分析改进后方法的优越性。

1 矿井提升机控制系统

矿井提升机系统是一种基于速度和位置的控制，安全和可靠是其重要的运行指标。提升机的运行方式主要有三种：手动、半自动和全自动。当采用手动和半自动方式运行时，可以利用手工动作来实现制动系统和调速系统的协调；当采用全自动运行方式时，就需要加入控制策略来实现系统的协调控制。如果提升机系统协调性不能很好控制，会引起吊舱振动增大，造成吊舱抖动，从而对提升机的钢丝绳破坏性较大，工作长期处于这种状况下极易造成人身安全隐患。因此在提升机制动的问题上，该文采用模糊自适应PID控制策略。控制方法主要是把矿井提升机提升负载和电机电枢电流作为模糊控制器的两个输入变量，按照模糊控制规则找出该条件下合适的松闸速度，将此信号输入到常规的PID控制器中，对制动系统进行控制。

2 矿井提升机模糊自适应PID控制器设计

2.1 模糊自整定PID控制策略

該文采用二维输入三维输出的模糊PID控制器，控制原理图如图1所示。控制器输入变量为e和ec，输出变量为、、，定义、、三个参数的调整算式如式（1）。

（1）

式（1）中，PID控制器的三个控制参数分别为、、，修正参数分别为、、，预整定参数分别为，，。系统进行在线整定时，偏差e和偏差变化率ec要不断进行检测，将其模糊化得到E和EC。

、、的自整定规则归纳如下：

（1）当较大时，应取较大的和较小的，这样可以避免因开始时由于e变大引起微分过饱和；同时应取，这样可以避免响应出现较大的超调。

（2）当为中等大小时，取值应小些，这样可以使系统具有较小的超调；同时和的取值要适当，这样可以保证系统的响应速度。

（3）当较小时，和的取值应大些，这样可以使系统具有良好的稳态性能；同时为避免系统在设定值附近出现震荡.当较小时，通常取中等大小；当较大时，取值一般小些。

2.2 模糊自整定PID控制规则

该文设计的模糊PID控制器、、、、输入输出量的论域均采用{-3，-2，-1，0，1，2，3}；输入、输出变量隶属度函数采用三角形。同时根据反复仿真试验结果和矿井提升机司机的实际操作经验。

2.3 矿井提升机模糊自适应PID系统仿真

在以上设计的基础上，该文在MATLAB的Simulink环境中分别对常规PID系统和模糊PID系统进行仿真。

仿真结果对比可知，模糊自适应PID控制器超调接近为零，而常规PID控制系统超调则要大得多。同时，模糊自适应PID过渡期较短，稳定性较好，可以大大减小煤矿生产安全隐患。

3 结语

该文在对矿井提升机系统分析的基础上，设计了一种自适应模糊PID控制器，并论述了、、参数的整定规则，然后设计出了PID参数整定规则表。通过在MATLAB/Simulink环境中仿真，可以发现改进的模糊自适应PID控制器，响应速度快，稳态精度高，对复杂的矿井提升机系统非常适用。而且系统的这种自适应性，对于矿井提升机运行 在恶劣的生产环境有较高的实用价值。

参考文献

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