基于混沌优化PID矿井提升机电控系统研究

常伟

【摘 要】 本文针对矿井提升机运行过程中速度调节不平稳的问题，提出了混沌优化PID参数整定方法。通过利用混沌算法，对PID参数进行寻优，最后进行了仿真分析，结果表明：应用混沌优化PID参数与采用传统方法得到的参数相比，其系统控制效果更好，具有超调更小，响应速度更快，系统更加稳定的优点。

【关键词】 矿井提升机;混沌优化;PID控制;电控系统

【中图分类号】 TD534 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0036-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

矿井提升机是煤矿的主要运输设备之一，在煤矿生产中担负着运人、运物的作用，具有举足轻重的地位。矿井提升机电控系统是提升机的关键，直接影响到矿井的生产安全。所以，对矿井提升机控制系统的研究也变得尤为重要。近年来，对提升机的机械结构和部件的研究有很多，但只有同时加强控制性能方面的研究，才能提高矿井提升机的整机水平，降低提升机的能耗，提高提升效率，增大运行安全系数。目前，现代煤矿利用直接转矩控制（DTC）作为交流控制系统，使提升机在调速和节能方面都有了一定的改善，但还是存在运行中颤抖，速度不稳等问题。所以，如何保持矿井提升机在运行过程中的速度平稳调节是控制系统研究的重中之重。本文提出利用混沌优化算法，对矿井提升机的DTC系统中的速度PID调节器进行优化，以提高提升机控制系统的稳定性、抗干扰能力等。

1矿井提升机电控系统分析

矿井提升机可分为单绳缠绕式和多绳摩擦式两种，两种形式的提升机都可视为一个完整的机械—电气系统，运行时速度都很快，惯性也比较大，运行特性比较复杂，所以提升机必须具备良好的控制系统和保护装置，否则提升机运行一旦脱控，轻则造成设备的损坏，重则造成人员的伤亡，后果不堪设想。因此，对矿井提升机电控系统的研究就变得尤为重要。

矿井提升机在运行时，罐笼的位置会通过行程控制器显示并进行上传，其给定的速度也会受到行程控制器的调节。当罐笼出现停车或者故障后，提升机的抱闸制动由闸控电路实现。其原理图如图1所示。矿井提升机电控系统需满足四象限运行，同时通过设置要提高系统的可靠性、稳定性，且满足速度的要求。

2混沌优化PID参数整定

2.1 PID参数优化

“混沌”是由气象学家Lorenz提出，隶属于非线性系统，具有丰富的内部层次，它不是简单的无序，而是在一有限的区域内变化，且这种变化是随机的，是系统自发的。混沌具有随机性、有界性、长期不可预测性、分维性和通历性等特点。对PID参数进行设计时，要使其达到最优化，可利用混沌的通历性，其参数寻优示意图如图2所示。其中，数字PID控制表达式见式1。

对u*（k）比例放大，如式（2）所示：

其中kp，ki，kd，ku为相互独立的待定参数，且满足式（3）：

kp，ki，kd，ku的传递函数为：

本文选用如下性能指标并对其进行离散化：

其中，m为采样点数;T为采样周期。

2.2具体步骤

混沌优化利用的是轨道遍历性特点，先利用混沌变量的遍历性进行粗搜索，确定次优化值，再以次优化值为中心，进行小幅度变化来确定最优解。本文混沌优化是利用Logistic方程来产生混沌序列，其表达式为Xn=KXn（1-Xn）。对参数进行确定时，可先利用传统方法确定系数a、b、c、d的大致范围，再取不同的初始值代入上式中，得到四个不同的混沌变量X1、X2、X3、X4，将其中的X4通过比例放大，在利用式（2）（3）确定出不同的四个参数对，根据式（4）得出满足稳定性条件的多组参数对，利用式（6）得出次优参数值KP*，Ki*，Kd*，Ku*，最后縮小混沌变量的遍历范围，以次优参数值为中心，在其邻域内进行细搜索，确定最终的最优参数KP，Ki，Kd，Ku。

2.3仿真结果分析

以某电动机为研究对象，对混沌优化PID及传统PID控制方法进行仿真分析，采用的传递方程为G（s）=■，采样周期为0.001S，参数a、b、c、d的值均取100，采样点数为100，通过优化程序，得到K为3.9、4.0、4.0001后的PID参数优化值，见表1。仿真曲线见图3。

由图分析可知，当k=4.0时，系统没有出现超调，调节所需时间最短，而偏离4.0后，由曲线走势可以看出，系统性能均变差，但较应用传统PID参数的系统控制效果更好。所以，采用混沌优化PID参数后，系统的控制效果要好，超调更小，调节所需时间更短，并且当系统处于完全混沌的时候，系统性能达到最佳状态。

3混沌优化PID应用仿真实验

本文采用Matlab/Simulink对矿井提升机DTC系统进行仿真实验，设置电动机的初始负载转矩为20N·M，设定转速为1000rad/s。经过0.8s，负载转矩为50N·M，混沌优化PID参数设置为Ki=1.328，Kp=0.067，Kd=0，Ku=3.0871，为进行比较，设置传统速度PI参数为Kp=0.15，Ki=5.0。仿真结果如图4、5所示。

由图4分析可知，两种系统的磁链轨迹均接近于圆形，但与传统速度PID调节相比，应用混沌优化PID参数整定后，系统的脉动比较小，调节所需要的时间比较短。同时，由图5可知，两种系统在0.8s后，混沌优化PID系统会以更快的速度完成调节，更易完成平稳过渡，具备更强的抗干扰能力，效果要更好。

4结论

本文分析了矿井提升机的电控系统，并介绍了混沌优化PID参数寻优方法及其具体步骤，最后通过仿真实验得出提升机控制系统采用混沌优化PID参数后，系统会更加稳定，具备更强的抗干扰能力，速度调节效果更好。

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