基于模糊控制算法调速的煤矿皮带集控系统设计

李东

（临沂矿业集团菏泽煤电有限公司，山东 菏泽 274700）

0 引言

皮带运输机运行稳定性，会直接影响矿井生产效率、经济效益。皮带运输机运行期间，物料会影响运行速度，存在滞后性、非线性特点，因此采用传统调速控制法，无法科学控制运行[1]。所以，确保皮带运输机运行安全性，可以保障矿井正常运行。基于模糊算法，优化设计皮带集控系统，合理应用PLC控制器，实现检测、采集、监管一体化。通过模糊控制，可以简化系统动态，在复杂对象中得以广泛应用，无需建立数学模型，就可以获得显著控制效果，科学调节皮带运输机速率，确保运行速度理想化。本文主要围绕煤矿皮带集控系统设计展开讨论，充分应用模糊控制算法，确保系统设计效果。

1 皮带运输机控制系统组成

皮带运输机集控系统，可以集中化监控、控制皮带运输机运行过程中，尤其是运输废矸石、煤矿开采的参数信息，可以高度集成故障监控、实时通讯、煤炭运输等功能，确保皮带运输机无人值守状态。PLC系统能够独立运行，与煤矿自动化系统联合起来，实现统一化、集中化控制，以此确保井下各层通讯的可靠性与稳定性。该系统结合监控与监测系统，同时对程序运行、调度、执行进行优化，全面提升数据采集效率、传输效率[2]。在优化设计皮带运输机集控系统时，深入分析矿井现场环境，同时联合具体应用要求，通过先进技术设备，联合高成熟度、高稳定性的集控方式，注重系统方案规划设计。系统采用工业控制技术、通信网络、自动化技术，全面维护系统运营效果。对于皮带断裂、堆煤、跑偏故障，采用多种传感器设备，对数据信息予以采集，向PLC控制器发送结果。注重数据结算科学性，处理动作正确性。整个控制过程，均能够实现无人值守效果。通过以太网，使PLC控制器将实况展示出来，主要通过组态软件，以表格、图像方式展示，为管理人员查阅、管理提供便利性。此外，管理人员利用组态软件，可以将动作命令下发至PLC控制器，远程控制设备运行[3]。

2 皮带集控系统保护

2.1 急停保护

应用皮带运输机，能够实现远程传输。在不同位置、地点，都会发生故障隐患。当产生故障问题时，必须停止皮带机运行。为了处理好该类问题，需要将串联式触点开关，安装在皮带支架上。一旦发生故障问题，任意地点可以开启暂停开关，以免影响系统运行。

2.2 跑偏保护

皮带运输期间，常常会面临皮带跑偏故障。皮带纵向轴线，与运输机中心线相脱离，就会产生跑偏问题。当发生该类故障时，将会加剧设备磨损，还会缩短皮带使用寿命。跑偏保护利用行程开关，加大监控、管理科学度。如果出现跑偏故障，能够发出警报、停车信号。

2.3 皮带撕裂保护

皮带运输煤炭时，极易产生断裂、撕裂等故障，若没有及时处理，将会加剧人员伤亡，经济损失比较大。操作处理期间，在皮带下方安装触感器。当皮带撕裂时，下落物料触发传感器，同时发出停车信号[4]。

2.4 堆煤保护

对于皮带机头、机尾、转载机位置，由于出煤量较多，极易产生堆煤问题，相应增加滚筒电机负荷，从而出现皮带打滑、电机堵转、皮带跑偏等问题。选择位置传感器，安装在皮带机头、机尾、转载机位置。如果出现明显堆煤情况，将会导致位置开关被触发，极易发出停车信号。

3 基于模糊算法调速系统设计

模糊控制算法，是一种非线性技术，能够对人类思维进行模仿，控制算法智能水平高。对于被控对象，无需建设数学模型，主要是按照生产经验予以控制，具备较强的适应性、鲁棒性，在皮带运输系统中得以广泛应用，尤其应用到滞后性、非线性系统控制中。操作控制期间，将精确量转变为控制量，由控制规则、数据库组成知识库。在数据库内，涉及到变换因子、隶属函数。控制规则，有助于搭建模糊语言规则，主要为生产经验。在应用模糊控制算法时，需要发挥出模糊化接口作用。通过模糊化接口，能够将精确量转变为模糊量，处理输入量，使其满足模糊控制器要求。做好尺度变换，将其转变为多论域范围内，之后进行模糊化处理。在知识库内，包含知识与要求控制目标，涉及到数据库、模糊控制规则库。数据库内，涉及到不同语言变量、隶属度函数。规则库包含数据库、模糊语言控制规则库。在模糊控制系统中，推理机属于重要核心。在获取模糊控制信息时，需要利用模糊逻辑获取，按照模糊输入与控制规则，对模糊关系方程进行求解。同时注重应用模糊判决接口，其可以将模糊推理控制量，转变为实际控制对象，能够满足应用的清晰量。在控制器体系中，模糊推理属于重要核心。根据控制规则，实现数据运算。清晰化特征，为模糊化逆性运算，能够使模糊值转变为控制量[5]。

3.1 模糊控制器设计

第一，通过速度传感器，采集皮带速度值，传输至PLC控制器，比较与设定速度值，获得速度差值、差值变化率。针对速度差值、差值变化率，实行模糊运算，获取模糊控制变量，同时将结果存储至控制器内。注重模糊控制表查询，可以获得实际输出量。通过数模转换器，获取控制变频器模拟量，利用变频器，对电机转速进行调整，确保调速过程准确性。

第二，明确输入量、论域：在优化设计中，采用两输入、一输出控制器，可以实现模拟控制。将差值、差值变化率作为输入，将实际输出量作为输出量，基本论域区间设定为[-E，E]，[-C，C]，[-U，U]，通常应用误差、误差变化率、控制量，且上述论域值均大于5。如果论域值越大，那么系统精度就越高；如果计算量越大，那么系统越复杂。

第三，模糊分割：将3个空间，划分为5个不同子区，设置NS负小、NB负大、ZE零、PB正大、PS正小，则输入量、输出量模糊子集为{NB，NS，ZE，PS，PB}。通过描述方法，确保隶属度描述准确度。合理应用三角形隶属度函数，确保误差值隶属函数图，如下图所示。利用隶属函数图，可以获得差值、差值变化率、实际输出量隶属度，如表1所示：

图1 隶属函数图

表1 隶属度

第四，控制规则：现场技术人员按照专业知识，经验积累，确保模糊控制规则设置合理性。如果误差明显时，则必须消除误差；如果误差较小，必须提升系统稳定性。控制规则语句，可以通过以下格式描述：

1.if e=NB and ec=NB then=PB；

2.if e=NB and ec=NS then=PS；

3.if e=NB and ec=ZE then=PS。

第五，模糊推理、清晰化：对1.if e=NB and ec=NB then=PB，对模糊关系进行求解。按照表1数据可知，其隶属函数如下：

（NB）e=（1 0.75 0.25 000000000）

（BN）ec=（1 0.75 0.25 000000000）

（PB）m=（0000000000 0.25 0.75 1）

3.2 调速仿真

合理控制皮带转速，为每分钟740r；设定控制量初始值，即26537，在2s时间点，给予模糊控制、PID控制、一次负载干扰，获取仿真图（图2）。合理调节皮带运输系统运行速度，可以获得显著模糊控制效果，明显优于PID控制效果。

图2 调速仿真图

4 结语

综上所述，选用PLC控制器，将其作为集控系统核心。通过多种传感器，可以密切监控皮带运输故障问题，维护系统安全稳定运行。通过模糊控制算法，调节皮带运输机运行速度，效果显著高于传统调控方法。当发生突发性事件时，模糊控制算法可以稳定实现调速，确保皮带运输机运行效果。通过本文研究分析，验证了模糊控制算法的应用价值，提升皮带集控系统运行效益。