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孔令军
(山西西山煤电贸易有限责任公司，山西 太原 030000)
选煤厂破碎机用于煤矿直接开采出的原煤的破碎处理环节。破碎机运行时，负载不均匀，常出现满载启动、堵转、空载等现象，且运行效率低下、故障率较高，无法满足选煤厂的实际生产需求[1-2]。且选煤厂原破碎机控制系统存在控制系统不灵活、无法适应复杂工况、控制指令与实际运行工况无法匹配等问题，也给选煤厂安全、高效生产带来诸多不利和困难。因此，设计具备滞后性弱、灵活性好、适应性强的破碎机控制系统成为提升破碎机生产效率的重要目标。
经众多学者研究发现，模糊控制技术的应用，可以为选煤厂破碎机高效、智能化运行带来便利；
充分利用模糊控制技术可以达到消除控制系统滞后性，满足破碎机复杂运行工况，保证破碎机连续、高效运行的目的[3-4]。
笔者基于参数自整定技术设计的选煤厂破碎机智能控制系统，在分析控制系统方案设计的基础上，重点对基于参数自整定的破碎机模糊控制算法进行详细分析并完成仿真和应用测试。通过系统测试，验证设计的选煤厂破碎机智能控制系统的正确性和适用性，达到安全、高效生产的目的。
选煤厂破碎机智能控制系统方案设计框图见图1所示。根据破碎机实际运行工况，破碎机智能控制系统经模糊控制算法后输出控制指令，以CAN总线通信模式传送给变频器，进而完成对破碎电动机的智能控制。同时，变频器实时返回破碎电动机实际运行参数给智能控制系统。破碎机智能控制系统根据返回的运行参数自适应调节输出控制指令，保证破碎机控制系统的灵活性、自适应性。
图1 选煤厂破碎机智能控制系统方案设计框图
2.1 硬件实现
选煤厂破碎机智能控制系统硬件主要包括核心控制系统、变频器、破碎电机、速度传感器、电流传感器等。核心控制系统由STM32F103C8T6微控制器及其最小电路构成，同时扩展时钟电路、CAN总线通信电路、JTAG电路、复位电路等。变频器选用的型号为汇川MD380T22G，该变频器支持三相交流异步电动机矢量控制，支持差分、UVW、旋转变压器等多种编码器，具备高启动转矩特性，支持电机过热、过流等多种保护功能。选用齿辊式破碎机，进料粒度小于40 mm，出料粒度控制在0～10 mm之间，生产能力为20 130 t/h。
2.2 算法实现
考虑到选煤厂破碎机运行过程中的非线性、大惯性、滞后性的特点，应用参数自整定模糊PID控制算法实现破碎机智能控制系统，以达到灵活性好、适应性强、控制精度高的目的[5-6]。该算法基于模糊推理实现破碎机智能控制系统参数Kp、Ki和Kd的初始化设置以及自适应调整，能够适应选煤厂破碎机运行时的非线性、大延时、强干扰的运行工况。该算法的输入信号为破碎电机运行过程中的速度误差E和误差变化率Ec，通过实时调整和无限逼近使得破碎机速度的响应较快、动静态性能较好。
基于参数自整定模糊PID的破碎机控制系统原理见图2所示，建立破碎机双闭环调速系统的模糊控制模型，其中转速环采用参数自调整模糊PI调节器，内环电流环采用PID控制。对于输入语言变量|E|的论域的最大值为Emax=0.05，即破碎机模糊控制器最大值，因选煤厂破碎机控制系统具有大惯性、大滞后性，因此，在设备启动瞬间有y=0，而e=r-y，因此有Emax=0.05。取值语言变量X={0，0.02,0.04,0.06}，Y={0,0.04,0.08,0.12}。
图2 选煤厂破碎机控制系统参数自整定模糊控制原理
对于选煤厂破碎机智能控制系统参数Kp和Ki，采用临界比例法进行参数自整定。临界比例度法是基于Ziegler和Nichols的整定方法原理[7-8]，它通过系统的两个特征参数(临界增益Ku和临界周期Tu)来计算PID调节器的参数。具体方法为：当系统控制器只有比例作用的时候，调节比例增益直至系统发生临界振荡为止，这时的比例增益为临界增益，振荡周期为临界周期。采用此整定方法现场测定得出，当Kp=5，Ki=1时为最佳的整定参考值。该整定方法的输入信号为|E|以及|EC|，隶属度函数曲线见图3中的(a)、(b)所示；
输出信号系数为Kp以及Ki，隶属度函数曲线见图3中的(c)、(d)所示。根据参数自整定原则，结合现场的实际情况，将输出语言变量分别定为Kp:Zp={0,2.5,5,7.5}，输出Ki:Zi={0,0.5,1,1.5}，综上所述，系统误差绝对值|E|：X={0，0.02,0.04,0.06}；
误差变化率绝对值|EC|：Y={0,0.04,0.08,0.12}；
输出Kp:Zp={0,2.5,5,7.5}；
输出Ki:Zi={0,0.5,1,1.5}。
图3 输入输出隶属函数曲线
输入语言变量|E|和|EC|的论域取值以及输出语言变量Kp和Ki的论域取值均为：“大”(B),“中”(M),“小”(S),“零”(Z)四种。
确定好破碎机模糊PID控制系统的输入输出的模糊量后，需寻找一组整定PID参数的模糊规则，根据以上两个参数的调整原则[9-10]，并结合选煤厂破碎机实际工况控制特点，可以得到Kp、Ki的调整规则表，见表1、2所列。
表1 Kp值调节规则表
表2 Ki值调节规则表
根据Kp、Ki模糊控制规则表进行模糊推理和模糊运算，并以if…then…条件语句形式表示。如表1Kp值调节规则表第一行、第一列的模糊规则可表示如下语句。
(1)if|E|=0 and |Ec|=0 thenKp=0；
隶属度可表示为：uKp1(ZP)=uZe(x)∧uZec(y)=uZe(0)∧uZec(0)。
(2)if|E|=0.02 and |Ec|=0 thenKp=7.5；
隶属度表示为：uKp2(ZP)=uSe(x)∧uZec(y)=uSe(0.75)∧uZec(0)。
(3)if|E|=0.04 and |Ec|=0 thenKp=5；
隶属度可表示为：uKp3(ZP)=uMe(x)∧uZec(y)=uMe(1.5)∧uZec(0)。
(4)if|E|=0.06 and |Ec|=0 thenKp=5.0；
隶属度表示为：uKp3(ZP)=uMe(x)∧uZec(y)=uMe(1.5)∧uZec(0)。
…………
按照上述方法，可将表1、2转换为条件描述语句并进行推理计算，得到Kp、Ki的精确值。
3.1 仿真测试
以阶跃信号为系统输入信号，验证选煤厂破碎机参数自整定模糊PID控制系统的响应特性。当给定系统阶跃输入信号后，破碎机智能控制系统全过程速度响应曲线见图4所示，其中曲线1为速度响应曲线，曲线2为速度给定曲线。由图4全过程速度响应曲线可知，基于文中提出的模糊控制方案速度响应快、超调量小，速度跟随性好。
图4 选煤厂破碎机智能控制系统全过程速度响应曲线
模拟选煤厂破碎机运行过程中负载突变时的工况，测试破碎机速度响应曲线和电枢电流曲线，见图5所示，其中曲线1为破碎电机速度响应曲线，曲线2为破碎电机电枢电流曲线。
图5 负载突变时智能控制系统特性曲线
由图5可知，采用模糊控制方案后，破碎电机运行过程中能够应对负载突变、强干扰条件时的速度稳定性控制，并无限趋近于给定值。在负载突变、强干扰条件时破碎电机电枢电流的过渡时间较短并能快速达到给定值，未出现电流失调、转速无法跟随给定值的情况。与传统算法相比，基于参数自整定的模糊PID控制算法使得选煤厂破碎机控制系统的鲁棒性更好。
3.2 应用测试
为验证智能控制系统的正确性和适用性，在某选煤厂进行为期三个月的实际应用测试。测试过程中发现，应用参数自整定模糊控制技术，可将破碎机的给料负荷控制在30%～90%之间，给料转速控制在300～400 r/min，大大减少了破碎机超载运行、超载启动以及空载运行时间；
原煤破碎量从2.7 Mt/a提升至3.6 Mt/a；
故障率减少约40%；
破碎相关作业人员从9人减少至5人；
减轻了作业工人的劳动强度；
提升了破碎机作业安全系数。
针对选煤厂破碎机控制系统存在的突出问题，提出了一种基于参数自整定的破碎机模糊控制系统设计方案。本控制系统在保证破碎安全、稳定、高效运行的前提下，能够提升破碎机控制系统的灵活性、自适应性。相较于传统破碎机控制系统，该控制系统大大减少了破碎机空载、超载运行时间，提升了原煤破碎量，提高了作业安全系数。
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