基于自适应模糊控制的矿井提升机系统设计

2015-05-14廉文利

唐山学院学报 2015年6期

廉文利

（唐山学院智能与信息工程学院，河北唐山063020）

0 引言

矿井提升机是煤炭深井生产过程中的重要运输设备，用来提升矿井下的矸石与煤炭等物料和人员，其工作性能的稳定性直接影响煤矿的生产效率。矿井提升机正、反两方向需频繁地作加减速运动，是时变非线性的复杂控制系统［1－2］。虽然传统的PID控制器有结构简单、调整参数方便、稳定性好等优点，但是对于数学模型不能精确确定的矿井提升机，常规PID控制规律无法满足控制需求。而自适应控制技术，可以根据被测参数、环境参数等变化对系统自动校正，使控制系统随时处于最优的状态，对缺乏精确数学模型的被控制对象能进行有效控制，从而提高控制系统动、静态性能指标。为此，笔者基于自适应模糊控制对矿井提升机系统进行设计。

1 矿井提升机控制系统的构成

矿井提升机运行过程是由启动、加速、匀速、减速、停车等组成的变速运动，罐笼（或箕斗）所装载物体的重量和所处空间位置在运行过程中时常变化，被控制对象的不确定性与多变性是控制的难点［3］。对矿井提升机各种难以精确掌握的控制因素，常规PID控制规律难以实现。而模糊逻辑控制技术引入符合人行为的控制规则，往往能解决常规PID等传统控制方法控制效果差的问题。自适应模糊技术是模糊逻辑理论与自适应控制技术相结合的产物，在实际运行中能根据偏差与偏差变化率的不同随时调整控制规则，使被控制系统动、静态性能指标始终处于最优的状态。矿井提升机的自适应模糊控制系统结构如图1所示。

图1 矿井提升机的自适应模糊控制系统结构

2 自适应模糊控制器的设计

自适应模糊控制在模糊控制技术基础上融入自学习、自组织与自适应技术，根据控制系统自身控制过程检测的信息和外部环境参数，进一步修改控制器参数或完善控制规则，使得自适应模糊控制器能够根据参数的变化对控制规则进行不同程度的调整［4］。

2．1 模糊化

模糊化是将精确的模糊控制器输入变量转换为模糊化变量，并确定各自的论域范围与模糊变量子集。对模糊控制器的输入变量依据图2所示的三角形隶属函数进行模糊化处理，并用相应的模糊集合表示。

图2 模糊化函数

将模糊控制器的模糊语言变量依据三角形隶属函数分别定义相应的整数，即：

PB＝3，PM＝2，PS＝1，ZE＝0，NS＝－1，NM＝－2，NB＝－3

模糊控制器输入变量的模糊语言变量为：

E＝｛NB，NM，NS，ZS，PM，PM，PB｝，

EC＝｛NB，NM，NS，ZS，PM，PM，PB｝。

2．2 自适应模糊控制器算法的设计

模糊控制规则是操作者在长期控制实践中的经验累积，这些经验一般用定性的、不精确的模糊语言规则形式表述，通过模糊推理推出模糊化的控制变量。自适应模糊控制器采用带修正因子的解析式确定模糊控制规则的方法，将控制规则与语言变量间确定为一一对应的关系，这样按常用的模糊推理算法形成的控制规则概括为如下的一个解析式：

式中λ为修正因子。

采用带修正因子的解析式表述控制规则具有简单方便、降低模糊规则的主观性和盲目性、计算机容易实现等特点［5］。通过调整修正因子可以修正控制规则，修正因子的变化体现于对误差和误差变化率加权值的调整，反映了操作者进行控制活动时的思维特性，避免了通常控制规则定义中的跳变或空档等现象。不同的误差等级对应不同的修正因子，以实现对模糊控制规则的在线自调整，修正因子与误差的关系如下：