带式输送机液粘软起动装置优化模糊控制研究

� 第 16卷第 8期 � 2007 年 8 月 中 � 国 � 矿 � 业 CHINAMINING MAGAZINE � Vo l. 16, No. 8 August � 2007 带式输送机液粘软起动装置优化模糊控制研究 孟庆睿 , 侯友夫 (中国矿业大学, 江苏徐州 221008) � � 摘 � 要: 针对带式输送机软起动要求, 提出了对液粘软起动装置实施控制的带有自调整因子的模糊 控制系统, 根据误差绝对值在线调整控制规则, 达到优化控制的目的。理论分析和仿真结果表明, 这种 模糊控制系统具有良好的静动态特性, 能够满足带式输送机软起动要求。 � � 关键词: 模糊控制; 优化; 液粘软起动; 带式输送机 � � 中图分类号: T D528+� 1 � � 文献标识码: B � � 文章编号: 1004- 4051 ( 2007) 08- 0063- 03 Research of optimal fuzzy control of hydroviscous drive soft starter of belt conveyor MENG Qing- rui, HOU You- fu ( China Univ ersity of M ining and Techno lo gy , Xuzhou 221008, China) � � Abstract: Based on fuzzy lo gical theo ry , a fuzzy contro ller w ith self- adjusting factor s for hydro viscous drive of belt conveyor is pr esented, which adjust s fuzzy rule on line according to the absolute v alue of er ror signal to get optimal r esult s� And the simulation r esults show the method provides bet ter contro l effect� � � Key words: fuzzy cont rol; o pt imization; hydr ov iscous drive soft star ter; belt conveyo r 收稿日期: 2007- 04- 12 作者简介: 孟庆睿 ( 1972 � ) , 男, 山东滕州人, 中国矿业大学博 士研究生, 主要研究方向为电液控制技术。 � � 带式输送机是煤矿、冶金、化工、码头等行业 广泛应用的输送设备, 但由于带式输送机是大惯性 体, 起动时间较短, 如果不对起动过程加以控制, 加速度将很大, 对输送带的紧边产生大的冲击, 由 此而产生的动张力是正常运行时的数倍。为了保证 运行可靠, 就要提高输送带的强度等级, 这样就大 大增加了前期投资。如果采用基于液粘传动技术的 软起动装置, 则可以有效解决这一问题, 使带式输 送机总成本降低 20%。为了减少冲击, 起动过程 中应该是柔性的, 无加速度突变现象。因此, 理想 的起动过程, 应为在设定时间内按照 S 曲线 (也 称正弦曲线或指数曲线) 变化规律, 电机速度从零 到额定转速渐次增加。基于液粘传动技术的软起装 置, 可实现这一要求, 达到软起动的目的。 � � 液粘 (液体粘性的简称) 传动是继液压、液力 传动之后, 第三种以液体为工作介质的传动技术, 它是基于牛顿内摩擦定律, 利用液体的粘性或油膜 的剪切作用来传递动力。目前, 液粘软起动装置控 制部分, 均采用电液比例控制系统, 控制策略采用 传统的 PID控制。由于该系统属于时变控制系统, 受外加负载、托辊、滚筒、拉紧装置等多方面的外 在因素影响, 另外摩擦片的变形及磨损也会对传动 产生影响, 传统 PID 控制器由于调节参数固定, 很难实现按 S 曲线软起动。而模糊控制用于该系 统时, 控制效果有了较大提高, 为了保证控制精 度, 要求控制器具有参数自调整功能。为此, 本文 设计了一种具有参数自调整功能的优化模糊控制 器, 实现对液粘软起动装置的控制, 提高系统性 能。 1 � 系统组成 � � 典型的液粘软起动装置控制系统结构如图 1所 示。 图 1 � 控制系统结构图 � � �d为按起动要求的给定转速, �为输出转速。 图 1中摩擦片组是液粘传动的实现部分, 通过电液 比例阀调整系统压力, 加压时油缸活塞推动摩擦片 前进, 减压时摩擦片靠弹簧力分开, 达到调节摩擦 片间油膜厚度, 从而调节摩擦片组传递扭矩能力的 目的。而电液比例阀压力调整, 是按照带式输送机 中 国 矿 业 第 16卷 起动要求制定的控制器来实现的, 因此控制器是该 控制系统中的关键环节, 其性能优劣, 直接决定了 能否实现带式输送机按 S曲线软起动的要求。 � � 文献 [ 1]、[ 2] 给出了电液比例控制环节及摩 擦片组传动环节的传递函数: G1( s) = �p�u = K 1T 1s + 1 ( 1) G2( s) = ���p = K paJ s + (K ma - K �a ) ( 2) � � 式中, �p 为电液比例溢流阀输出压力增量; �u为电液比例溢流阀输入信号增量; K 1 为电液比 例溢流阀放大倍数; T 1 为比例溢流阀时间常数; ��为输出转速增量; K pa为转矩压力增益; J 为负 载转动惯量; K ma为负载系数; K �a为转矩转速增 益。可见, 液粘软起动装置控制系统的设计, 主要 是控制器的设计。 2 � 模糊控制实现 2� 1语言变量及隶属函数 � � 由 ( 1) 式和 ( 2) 式给出的传递函数可知, 电 液比例阀的输入信号, 直接决定了软起动装置的输 出转速。因此, 对该模糊控制器而言, 可选择转速 误差 e及转速误差变化 ec 为模糊输入量, 电液比 例阀的控制电压 u作为模糊输出量。误差 e, 误差 变化 ec及控制电压u 的语言变量分别为 E, EC 和 U, 对应的模糊子集为: � � E: {N B, NM , N S , N O, PO, P S, PM , PB} � � EC和 U: {N B , NM , N S , ZO, P S, PM , PB} � � 误差模糊子集取8个元素, 区分了 NO和 PO, 主要是着眼于提高稳态精度。 � � 对应的论域均取为: {- 6, - 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, } � � 鉴于正态型模糊变量来描述人进行控制活动时 的模糊概念相对比较适宜, 因此, 本文选用正态分 布函数作为隶属函数: �( x ) = e- k( x- a) 2 � � k > 0 ( 3) � � 式中 k, a为待定系数。去模糊采用加权平均 法。 2� 2 � 控制规则的制定 � � 对于一个二维模糊控制器, 输入输出语言变量 及论域既定时, 其控制查询表可以用下式来近似: U = - E( E+ EC ) / 2 ( 4) � � 式中 U、E、EC 均为相应模糊变量的论域等 级值。 � � 实际上, 对二维模糊控制系统而言, 当误差较 大时, 控制系统的主要任务是消除误差, 对误差在 控制规则中的加权应该大些; 当误差较小时, 系统 已接近稳态, 控制系统的主要任务是使系统尽快稳 定, 为此必须减小超调, 这就要求在控制规则中, 对误差变化加权大些。而 ( 4) 式并没有考虑这些 要求, 其控制效果比较差。为改善这种状况, 须在 规则中引入加权因子: U = - [ �iE + (1 - �) EC] � | E | = i � i = 0, 1, 6 (5) � � 如果凭人工经验来调整 �i 比较困难, 这样不 但带有盲目性, 而且很难得到一组最佳参数值, 也 就无法获得令人满意的过渡过程动态特性。因此, 可以采用下面的自寻优模糊控制器。 2� 2� 1 � 自寻优模糊控制器 � � 自寻优模糊控制器, 可以采用 ITAE 积分性能 指标为最小目标函数: Q( ITA E ) =��0 t | e( t ) | dt = min (6) � � 式中 Q ( � ) 表示误差函数加权时间之后的积 分面积的大小, 括号中英文字母的意义分别是 I 表 示积分, T 表示时间, A 表示绝对值, E 表示误 差。为了便于计算机实现, 将上式变为离散形式, 即 �Q = t | e | �T (7) � � 式中 e 为误差采样值, �T 为采样间隔, t 是 控制时间。将上式作为目标函数, 寻优过程采取目 标函数逐步减小的原则, 不断校正加权因子的取值, 从而获得一组优选的加权因子, 使得系统最优。 � � 采用上述方法, 可以获得最佳参数来达到令人 满意的效果, 但可以看出, 寻优过程本身较复杂, 计算量大。尤其是随着误差、误差变化及控制量的 论域量化等级的增加, 调整因子数也相应增加, 使 得寻优过程变得更复杂。而带式输送机的起动特性 又要求快速响应, 因此, 自寻优模糊控制器由于不 便于在线调整而难于应用。为此, 设计一种在全域 范围内带有自调整因子的控制器便十分必要。 2� 2� 2 � 带有自调整因子的模糊控制器 � � 带有自调整因子的模糊控制器, 一方面吸取了 带多个调整因子的优点, 另一方面使寻优过程简 化, 其模糊控制规则可表示为: U = - [ �E + (1 - �) EC] �= 1 N ( �s - �0) | E | + �0 (8) � � 式中 0��0 ��s �1, �� [ a0 , �s ]。 64 第 8 期 孟庆睿等: 带式输送机液粘软起动装置优化模糊控制研究 � � 该调整规则的特点, 是调整因子 �在 �0 至 �s 之间随着误差绝对值 | E | 的大小呈线性变化, 因 为N 为量化等级, 故 �有 N个可能的取值。因此, 这种规则体现了按误差大小自动调整误差对控制作 用的权重, 符合人在控制决策过程中的思维特点, 具有优化的特点, 而且更大的优点在于, 可以通过 微机实时实现其控制算法。 3 � 算例 � � 为了对比上述三种控制器的控制效果, 本文以 某 200kW 液粘软起动装置为例, 进行了计算机仿 真分析。 � � 该液粘软起动装置误差 E 的实际论域为 [ - 38� 57, 38� 57] r ad/ s, 误差变化 EC 的实际论域 为 [ - 6� 28, 6� 28] rad/ s, 控制电压实际论域为 [ 0, 5] V。则相应的量化因子 K E � 0� 16, K EC � 0� 96, K U � 0� 42。电液比例溢流阀参数: K 1 = 636400, T 1 = 0� 15。负载转动惯量 J = 15kg / m2 s, 转矩压力增益 K pa = 3� 85 � 10- 5 , 负载系数 K ma = 1, 转矩转速增益 K �a= 0� 85。 � � 控制系统框图如图 2所示。根据以上规则及数 据, 在 matlab中编制程序进行仿真, 其中, 基于 ITAE 积分性能指标的自寻优模糊控制器, 优化采 图 2 � 模糊控制系统框图 用单纯形法。仿真结果如图 3所示。图中粗实线代 表常规模糊控制规则结果, 细实线代表基于 ITAE 积分性能指标的自寻优模糊控制结果, 虚线代表带 有自调整因子的模糊控制结果。从图中可以看出, 带有自调整因子的模糊控制结果, 接近于自寻优模 糊控制结果, 其性能虽未达到最优, 但与常规模糊 控制相比, 已有很大的提高。 图 3 � 不同控制方法仿真结果 4 � 结论 � � 采用带有自调整因子的模糊控制规则, 对带式 输送机液粘软起动装置实施控制, 其效果接近于优 化结果, 与常规模糊控制相比, 性能已有很大的提 高, 而且这种方法算法简单, 计算量小, 便于实现 带式输送机软起动的实时控制。 参考文献 〔1〕 � 路甬祥, 胡大纮. 电液比例控制技术 [ M ] . 北京: 机械工 业出版社, 1988. 〔2〕 � 魏宸官, 赵家象. 液体粘性传动技术 [ M ] . 北京: 国防工 业出版社, 1996. 〔3〕 � 翁思义. 自动控制系统计算机仿真与辅助设计 [ M ] . 西安: 西安交通大学出版社, 1987. 〔4〕 � 吴爱国, 杜春燕, 宋晓强. 参数自寻优模糊控制器在中央空 调温度控制系统中的应用 [ J ] . 中国工程科学, 2004, 6 ( 11) : 85- 87� 〔5〕 � 丁鸣艳, 等. 参数自寻优模糊控制器在过程控制系统中的应 用 [ J] . 大连铁道学院学报, 2006, 27 ( 1) : 51- 54� 〔6〕 � 蓝淑渊, 璩柏青. 自寻优模糊控制器及其在温室温控中的应 用 [ J] . 计算机时代, 2005, 10: 20- 21� 65