基于模糊PID的颚式破碎机双气动过载保护控制方法

摘要：颚式破碎机过载状态具有差异性，导致单一模式的双气动过载保护难以达到利用的效果，为解决这一问题，提出一种基于模糊PID的颚式破碎机双气动过载保护控制方法。在充分分析颚式破碎机双气动过载保护工作原理基础上，构建颚式破碎机双气动过载保护模型。将过载程度、气压变化率以及当前系统状态作为模糊PID的输入参量，进行模糊化处理后，结合根据模糊规则库与实时工况，动态调整气胎离合器的参数。实验结果表明，应用设计的控制方法，其对应的无杆腔压力收敛速度最快，能够实现对过载状态有效响应，并作出可靠保护。

关键词：模糊PID；颚式破碎机；双气动过载保护；模糊规则库

0" "引言

对于颚式破碎机而言，过载会导致其工作状态不稳定，进而影响其破碎效果，使得破碎后的物料粒度不均匀，影响后续加工流程[1]。同时长期过载运行也会加剧设备内部零部件的磨损，从而缩短设备的使用寿命。除此之外，过载运行还容易导致设备出现故障，如电机过热、皮带断裂、轴承损坏等，增加维修成本和停机时间。从能耗角度分析，过载时设备需要消耗更多的能量来维持运行，导致能耗增加，不利于节能减排[2]。

精确控制破碎机的运行状态和过载保护过程，对于减少不必要的能耗和浪费具有重要的现实意义。针对于此，众多学者开展了一系列研究。王爱丽[3]对颚式破碎机过载保护优化方法进行了研究。其主要通过设计弹簧摩擦离合器、液压摩擦离合器等装置进行保护。当设备过载时，飞轮装置在轴承外产生自由滑动，从而起到保护作用。这种方法多应用于简摆颚式破碎机，其恢复过程较为复杂。

宋学飞等[4]在分析氮气保护气流粉碎机的特点基础上，利用氮气惰性气体的属性，在过载保护过程中有效隔绝氧气和水分，减少设备内部零部件的氧化和腐蚀，从而增强保护效果。在响应过载情况时，通过调整氮气压力或流量来实现对设备的快速保护。但氮气保护系统需要稳定的氮气供应，对于偏远地区或氮气供应不便的工况可能不适用。

基于以上研究成果，本文提出一种基于模糊PID的颚式破碎机双气动过载保护控制方法，并通过对比测试的方式，分析所设计控制方法的应用效果。该设计方法不仅克服了传统PID控制参数固定不变的缺点，还充分利用了模糊控制的智能性和鲁棒性，为颚式破碎机的安全运行提供了有力保障。

1" "颚式破碎机双气动过载保护控制方法设计

1.1" "构建颚式破碎机双气动过载保护模型

1.1.1" "过载保护总体思路

本文在构建颚式破碎机双气动过载保护模型时，充分考虑了颚式破碎机双气动过载保护的工作原理。颚式破碎机双气动过载保护系统，主要包括气胎离合器、气压控制系统、散热系统以及过流保护继电器[5-6]。在具体保护过程中，气胎离合器通过控制压缩空气的充放，实现离合器的结合与分离，从而结合破碎机具体状态实现过载保护。

1.1.2" "颚式破碎机过载状态判断方法

双气动过载保护系统中离合器气胎内的气压，直接影响其传递的力矩，二者之间的关系可近似表示为：

式中：Tmax表示离合器能传递的最大力矩参数，P表示离合器气胎内气压参数，k表示离合器效率系数，A表示离合器有效作用面积。

在此基础上，对于颚式破碎机过载状态的判断主要是根据离合器滑转工况。当破碎机因过载导致负载力矩超过离合器能传递的最大力矩时，离合器将发生滑转[7]。设实际负载力矩为Tload，最大允许负载力矩为Tmax，则过载判断条件可以表示为：

1.1.3" "确定启动加速度与充气时间关系

在破碎机启动过程中，通过控制充气速度调节启动加速度。启动加速度与充气时间的关系可以表示为：

式中：a表示启动加速度，t表示充气时间，ω表示角速度，I表示系统转动惯量，dV/dt表示充气速率，k'表示与气压和力矩转换相关的系数。

当破碎机发生过载时，通过气控系统使气胎迅速放气，可让离合器脱开，实现过载保护。按照上述流程，实现对颚式破碎机双气动过载保护模型的构建，为后续的控提供执行基础，以确保保护的有效性。

1.2" "基于模糊PID的双气动过载保护控制策略

结合构建的颚式破碎机双气动过载保护模型，本文在开展具体的双气动过载保护控制时，引入了模糊PID，以实现对具体过载状态的精确响应。通过结合模糊控制的灵活性和PID控制的精确性，以应对破碎机工作过程中的复杂性和不确定性。

1.2.1" "模糊集表示方法

模糊PID控制能够根据实时工况动态调整气胎离合器的参数，提高系统的响应速度和稳定性。本文设置模糊PID的输入变量包括过载程度（负载力矩与设定阈值之间的关系）、气压变化率、以及当前系统状态（启动、正常运行、过载）。对应的输出变量为控制信号，即调节气胎离合器气压的信号，以此影响离合器的结合与分离。将输入变量进行模糊化处理，将其映射到模糊集上，具体的模糊集可以表示为：

式中：X表示输入变量对应的模糊集，（NB）、（NM）、（NS）、（ZO）、（PS）、（PM）、（PB）分别表示输入变量显著低于设定值，输入变量低于设定值，输入变量略低于设定值，输入变量与设定值拟合，输入变量略高于设定值，输入变量高于设定值以及输入变量明显高于设定值。

1.2.2" "模糊规则库设置

对于模糊规则库，具体的设置情况如下：如果过载程度PB且气压变化率PB，则输出增加气压PS；如果过载程度NS且系统状态为过载，则输出减少气压NM。

1.2.3" "将输出变量模糊值转换为精确控制信号

在此基础上，根据模糊规则库和当前输入变量的模糊值，进行模糊推理，得到输出变量的模糊值。在模糊集上进行反向映射，将输出变量的模糊值转换为精确的控制信号。具体的处理方式可以表示为

式中：x表示输出变量模糊值转换后对应的精确控制信号，u表示惯量参数，E表示电动机功率参数。

1.2.4" "PID控制参数调整策略

利用模糊推理得到的控制信号，动态调整PID控制器的参数（比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd）。其中PID控制参数的具体调整策略可以表示为式中：Kp0、Ki0、Kd0为PID控制器的初始参数，∆Kp、∆Ki、∆Kd为根据模糊推理结果调整的参数增量。将调整后的PID控制参数应用于系统，通过控制气压来实现对颚式破碎机双气动过载保护动作的精准控制。

按照上述的设计，利用模糊PID对颚式破碎机双气动过载保护动作进行精准控制，有效提高过载保护系统的适应性和稳定性。通过模糊化处理、模糊规则库建立、模糊推理、解模糊化以及PID控制参数调整步骤，实现对过载保护动作的动态调整和优化。

2" 测试与分析

2.1" "测试准备

在分析本文设计颚式破碎机双气动过载保护控制方法的应用效果时，以PE-1200×1500型复摆颚式破碎机作为具体测试对象。PE-1200×1500型复摆颚式破碎机结构如图1所示。

结合图1所示的结构配置，确定采取PE-1200×1500型复摆颚式破碎机进行测试，测试工况如下：破碎抗压强度350MPa以下粗碎、中碎矿石或岩石，粒径为500～1800mm。PE-1200×1500型复摆颚式破碎机参数如表1所示。

2.2" "测试方案设计

为更加客观地体现设计过载保护控制方法的性能，分别设置文献[3]提出颚式破碎机过载保护优化方法，以及文献[4]提出的以氮气为基础的破碎机过载保护方法，作为测试的对照组。具体过载工况设置如表2所示。在上述工况下，分别实施3种过载保护控制方法，并对主液压缸无杆腔的压力情况进行统计。

2.3" "测试结果与分析

在测试过程中，分别实施了三种过载保护控制方法，并对应主液压缸无杆腔压力变化情况进行统计。之所以选择主液压缸无杆腔的压力作为统计对象，因为在过载工况下其承受着最大的压力冲击，其压力变化情况能够直观地反映出过载保护控制方法的性能。不同方法测试结果对比如图2所示。

结合图2所示的测试结果可以看出，在3种不同方法下，本文设计控制方法对应主液压缸无杆腔压力收敛速度最快，表明其能够实现对过载状态有效响应，作出可靠保护，颚式破碎机能够在过载工况下实现安全运行。

3" 结束语

颚式破碎机过载状态具有差异性，导致单一模式的双气动过载保护难以达到利用的效果，为解决这一问题，本文提出一种基于模糊PID的颚式破碎机双气动过载保护控制方法。利用模糊PID控制通过模糊逻辑对颚式破碎机进行建模，有效处理过载状态下的不确定性和非线性问题，从而实现对颚式破碎机的精确控制。该方法不仅提高了保护的冗余性，还增强了颚式破碎机的整体稳定性和安全性。借助本文的研究，希望在提高生产效率、保障设备安全、降低能耗与成本以及推动技术创新等方面提供参考价值。

参考文献

[1] 孙刚，冉翌正，程蔚，等.基于DEM与FEM的双齿辊破碎机破碎齿磨损及强度研究[J].矿山机械， 2024，52（8）：40-45.

[2] 杨硕，闫军，刘志勇.基于DEM-FEM耦合的环锤式破碎机反击板可靠性分析[J].机械设计， 2024，41（7）：114-120.

[3] 王爱丽.颚式破碎机过载保护方法分析及优化[J].建筑机械， 2023 （4）：78-79+85.

[4] 宋学飞，韩鹏.水泥窑协同处置危废破碎过程中氮气保护的重要性[J].化工管理， 2022（25）：77-80.

[5] 杜鹏. ZPG-LC-500×1500齿辊式破碎机结构方案论证及耦合器的选择[J].中国设备工程，2022（14）：106-108.

[6] 贾晋光.基于ABAQUS的矿用破碎机中破碎齿及齿环的结构性能研究[J].机械管理开发，2022，37（6）：107-109.

[7] 刘红宁，赵磊，李刚，等. PCY-S2020B型破碎机的提产改造实践[J].水泥技术，2022（3）：27-30.

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