液压振动给煤机自适应模糊PID控制的研究
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摘要
在煤炭销售、运输领域越来越要求高效、快捷、精确的装车系统的今天,煤炭的装运水平是煤炭工业现代化程度的重要标志之一。给煤机的控制系统是煤炭装车系统中极其重要的一环,闸门控制系统又是给煤机控制系统的重要组成部分,良好的闸门控制系统可以通过控制煤炭输出量、输出时间、输出方式等保证煤炭输送效率。本文具体针对郑州大学与新乡四达公司联合设计的液压振动给煤机的扇形闸门控制系统展开分析研究。
论文从推导液控扇形闸门系统的动态数学模型入手,建立了由信号放大器、液压控制系统、检测系统等组成的闭环传递函数,并基于MATLAB数学分析软件分析了液控扇形闸门系统的稳定性。文章系统地讨论了常规PID控制和模糊控制,重点结合给煤机对扇形闸门控制的要求,通过分析得出PID控制参数与扇形闸门转角和设定值的偏差及偏差变化率之间的关系,将其编制成模糊控制规则并设计了液控扇形闸门自适应模糊PID控制器。自适应模糊PID控制器的模糊控制部分根据不同时刻的偏差及偏差变化率对PID控制参数进行实时的调整；PID控制部分依据实时的控制参数对偏差进行运算并将运算结果输送至被控对象进行调节,自适应模糊PID能够使二者发挥各自的特点从而使被控对象具有较为理想的动、静态性能。文中根据被控对象的传递函数,在MATLAB/Simulink中完成了液控扇形闸门系统模型的搭建及其液控扇形闸门常规PID、自适应模糊PID控制系统的设计并详细阐述了液控扇形自适应模糊PID的设计过程。通过对比仿真结果得出自适应模糊PID能够使扇形闸门快速、精确地实现预定角度。
论文研究了以西门子可编程控制器S7-200为控制核心的模糊控制器的设计方法并完成了程序的设计工作,即预先将量化因子、比例因子、离散区间及模糊控制规则输入到S7-200的数据块中,然后通过程序(梯形图)对输入的偏差进行模／数转换、离散化、模糊化、模糊查询、清晰化及PID控制。
最后对本文在该课题中完成的研究工作进行了总结,针对在研究过程中的所存在的问题进行了归纳并对可能的改进给予了展望。
In coal marketing and transportation demand more and more efficient, fast and accurate loading system of today, coal shipment is one of the important marks of the coal industry modernization. The controlling system of coal feeder is extremely important in the coal loading system; The gate control system is an important part of controlling system of the coal feeder. A good gate controlling system can ensure the efficiency of coal transportation through controlling the coal output, the output time and output way etc. This article specifically takes the control system of the fan gate of the hydraulic vibration coal feeder designed by Zhengzhou University and Xinxiang Sida Company.
This paper deduces from the dynamic mathematical model derivation of the hydraulic controlling system of fan gate, Establishing closed loop transfer function by the signal amplifier, hydraulic systems, detection systems, and analyzes the hydraulic controlled the gate system stability based on mathematical analysis software MATLAB. Next, this paper systematically studying the general PID control and fuzzy control of their own characteristics, focused combining with the fan gate of coal feeder controlling requirements, through the analysis of the relationship between the PID control parameters and the deviation and the deviation of change of the fan and the set obtaining fuzzy control rules, and design the adaptive fuzzy PID controller of hydraulic control fan gate. The Fuzzy Control of adaptive fuzzy control of fuzzy PID controller adjusts the PID control parameters in real time according to the different moments of the deviation and the deviation of change; The PID control part of adaptive fuzzy control computes the deviation and transmits to the controlled object based on the real-time control parameters.Adaptive Fuzzy PID can let both of them play their own characteristics so that the controlled object obtains desirable dynamic and static performance.According to the transfer function of the controlled system, this paper completes the structure of the system model and its the general PID and adaptive fuzzy PID controller design in MATLAB/Simulink and elaborates on the simulation design process of the adaptive fuzzy PID. Adaptive fuzzy PID can make the fan gate quickly and accurately to reach the predetermined angle by comparing the simulation results obtained.
This paper introduces the fuzzy controller design methods and completes the design of the program, which uses a Siemens programmable controller S7-200as the core of controlling systems.Pre-input quantization factor, scale factor, discrete interval and fuzzy control rules to the S7-200data blocks, and conduct D/A transformation, discrete, blur, fuzzy inquiry, prioritize and PID control by the program (ladder diagram) to inputing deviation.
Finally, a summary of the paper on this subject has been completed and possible improvements have been expected.
论文从推导液控扇形闸门系统的动态数学模型入手,建立了由信号放大器、液压控制系统、检测系统等组成的闭环传递函数,并基于MATLAB数学分析软件分析了液控扇形闸门系统的稳定性。文章系统地讨论了常规PID控制和模糊控制,重点结合给煤机对扇形闸门控制的要求,通过分析得出PID控制参数与扇形闸门转角和设定值的偏差及偏差变化率之间的关系,将其编制成模糊控制规则并设计了液控扇形闸门自适应模糊PID控制器。自适应模糊PID控制器的模糊控制部分根据不同时刻的偏差及偏差变化率对PID控制参数进行实时的调整；PID控制部分依据实时的控制参数对偏差进行运算并将运算结果输送至被控对象进行调节,自适应模糊PID能够使二者发挥各自的特点从而使被控对象具有较为理想的动、静态性能。文中根据被控对象的传递函数,在MATLAB/Simulink中完成了液控扇形闸门系统模型的搭建及其液控扇形闸门常规PID、自适应模糊PID控制系统的设计并详细阐述了液控扇形自适应模糊PID的设计过程。通过对比仿真结果得出自适应模糊PID能够使扇形闸门快速、精确地实现预定角度。
论文研究了以西门子可编程控制器S7-200为控制核心的模糊控制器的设计方法并完成了程序的设计工作,即预先将量化因子、比例因子、离散区间及模糊控制规则输入到S7-200的数据块中,然后通过程序(梯形图)对输入的偏差进行模／数转换、离散化、模糊化、模糊查询、清晰化及PID控制。
最后对本文在该课题中完成的研究工作进行了总结,针对在研究过程中的所存在的问题进行了归纳并对可能的改进给予了展望。
In coal marketing and transportation demand more and more efficient, fast and accurate loading system of today, coal shipment is one of the important marks of the coal industry modernization. The controlling system of coal feeder is extremely important in the coal loading system; The gate control system is an important part of controlling system of the coal feeder. A good gate controlling system can ensure the efficiency of coal transportation through controlling the coal output, the output time and output way etc. This article specifically takes the control system of the fan gate of the hydraulic vibration coal feeder designed by Zhengzhou University and Xinxiang Sida Company.
This paper deduces from the dynamic mathematical model derivation of the hydraulic controlling system of fan gate, Establishing closed loop transfer function by the signal amplifier, hydraulic systems, detection systems, and analyzes the hydraulic controlled the gate system stability based on mathematical analysis software MATLAB. Next, this paper systematically studying the general PID control and fuzzy control of their own characteristics, focused combining with the fan gate of coal feeder controlling requirements, through the analysis of the relationship between the PID control parameters and the deviation and the deviation of change of the fan and the set obtaining fuzzy control rules, and design the adaptive fuzzy PID controller of hydraulic control fan gate. The Fuzzy Control of adaptive fuzzy control of fuzzy PID controller adjusts the PID control parameters in real time according to the different moments of the deviation and the deviation of change; The PID control part of adaptive fuzzy control computes the deviation and transmits to the controlled object based on the real-time control parameters.Adaptive Fuzzy PID can let both of them play their own characteristics so that the controlled object obtains desirable dynamic and static performance.According to the transfer function of the controlled system, this paper completes the structure of the system model and its the general PID and adaptive fuzzy PID controller design in MATLAB/Simulink and elaborates on the simulation design process of the adaptive fuzzy PID. Adaptive fuzzy PID can make the fan gate quickly and accurately to reach the predetermined angle by comparing the simulation results obtained.
This paper introduces the fuzzy controller design methods and completes the design of the program, which uses a Siemens programmable controller S7-200as the core of controlling systems.Pre-input quantization factor, scale factor, discrete interval and fuzzy control rules to the S7-200data blocks, and conduct D/A transformation, discrete, blur, fuzzy inquiry, prioritize and PID control by the program (ladder diagram) to inputing deviation.
Finally, a summary of the paper on this subject has been completed and possible improvements have been expected.
引文
[1]尹红.浅议我国煤炭装车方式[J].铁道运输与经济,1989(7)：37-39.
[2]关达.浅议铁路煤炭运输改革[J].科技创新导报,2010(13)：241.
[3]马胜钢,张建立,马泳涛,等.全自动煤仓卸料系统：
[4]张建立,张志强,马胜钢.基于PLC与组态王的远控给煤机的设计与应用[J].煤矿机械,2010(1)：11-13.
[5]李士勇,等.模糊控制和智能控制理论与应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1990.
[6]须田信英,等.PID控制理论与实务[M].台北：全华科技图书股份有限公司,1992.
[7]王伟,张晶涛,柴天佑.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报,2000(3)：347-355.
[8]吴宏鑫,解永春,李智斌,等.基于对象特征模型描述的智能控制[J].自动化学报,1999(1)：12-20.
[9]吴宏鑫,刘一武,刘忠汉,等.特征建模与挠性结构的控制[J].中国科学E辑：技术科学,2001(2)：137-149.
[10]吴宏鑫,沈少萍.PID控制的应用与理论依据[J].控制工程,2003(1)：37-42.
[11]SB. The past of PID controllers [J]. Annual Reviews in control,2001,25:43-53.
[12]Wendell S R. take control of PID tuning[J]. Plant Engineering,2005,59(9):57-60.
[13]Ziegler J G, Nichols N B. Optimum_Settings_for_Automatic_Controllers[J]. IEEE Trans on ASME,1942,65:759-768.
[14]王鹏.模糊控制及其在喷浆机器人中的应用[D].山东科技大学,2007.
[15]林浩.模糊PID控制器仿真研究[D].贵州大学,2006.
[16]Zadeh. Fuzzy Sets[J].1965,8:304-321.
[17]刘曙光,巍俊民,竺志超.模糊控制技术[M].北京：中国纺织出版社,2001.
[18]彭成,何为民.模糊控制理论的特点及其发展趋势[J].新疆师范大学学报(自然科学版),1995(2)：41-43.
[19]李楠,张德强.基于S7-200PLC的模糊控制研究[J].辽宁工学院学报,2006(6)：403-405.
[20]刘育.国内煤矿振动给料设备的现状及发展[J].煤矿机械,2003(4)：3-4.
[21]张建立,王栋,马胜钢,等.液压振动给煤机的研制与应用[J].液压与气动,2008(9)：56-58.
[22]李磷.彻底解决煤仓堵仓的途径[J].中州煤炭,1993(1)：41-42.
[23]李树文.煤仓防堵的有效措施[J].煤矿开采,1994(3)：21-22.
[24]殷鹏.解决煤仓蓬仓问题的探索[J].煤炭科技,2007(3)：38-40.
[25]王晋才.受煤坑蓬仓问题的探讨[J].煤炭技术,2010(8)：218-219.
[26]章宏甲,黄谊,王积伟.液压与气压传动[M].第一版.机械工业出版社,2004.
[27]陈自卫.液压摆缸机构的计算机设计[J].工程机械,1985(12)：23-27.
[28]孙鲁安.弧门开度与启闭机行程的函数关系推导[J].水利电力机械,2006(11)：41-42.
[29]欧阳明松,徐连民.基于MATLAB的试验数据拟合[J].南昌工程学院学报,2010(4)：24-28.
[30]刘振全,杨世凤.MATLAB语言与控制系统仿真实训教程[M].第1版.北京：化学工业出版 社,2009.
[31]沈瑜,高晓丁,王筠.基于数字控制器的电液比例控制系统设计[J].液压与气动,2006(11)：17-19.
[32]路甬祥,胡大紘.电液比例控制技术[M].第一版.北京：机械工业出版社,1988.
[33]卢长耿,李金良.液压控制系统的分析与设计[M].北京：煤炭工业出版社,1991.
[34]陈卿.大型风力机组独立液压变桨距系统研究[D].中南大学,2010.
[35]王春行.液压控制系统[M].第一版.北京：机械工业出版社,2007.
[36]蒋莼秋.煤仓贮料设计压力问题[J].煤矿设计,1991(7)：8-17.
[37]吉英年.元筒煤仓的煤压[J].煤矿设计,1978(6)：4-7.
[38]武嘉MATLAB7辅助控制系统设计与仿真[M].第一版.电子工业出版社,2005.
[39]杨叔子,杨克冲.机械工程控制基础[M].第四版.湖北：华中科技大学出版社,2002.
[40]解丽华.PID过程控制及其参数整定[J].科技情报开发与经济,2006(5)：169-170.
[41]刘金锟.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].第三版.北京：电子工业出版社,2011.
[42]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].第二版.北京：机械工业出版社,1998.
[43]金奇,邓志杰.PID控制原理及参数整定方法[J].重庆工学院学报(自然科学版),2008(5)：91-94.
[44]邱丽,曾贵娥,朱学峰,等.几种PID控制器参数整定方法的比较研究[J].自动化技术与应用,2005(11)：31-34.
[45]张栓记,胡敏.调节器的PID参数整定[J].洛阳师范学院学报,2005(5)：34-36.
[46]李士勇.工程模糊数学及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2004.
[47]张国良.模糊控制及其MATLAB应用[M].第一版.西安：西安交通大学出版社.
[48]李国勇.神经模糊控制理论及应用[M].第一版.北京：电子工业出版社,2009.
[49]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].第一版.北京：电子工业出版社,2006.
[50]求是科技MATLAB 7.0从入门到精通[M].第一版.北京：人民邮电出版社出版,2006.
[51]夏玮,李朝晖,常春藤.MATLAB控制系统仿真与实例详解[M].第一版.北京：人民邮电出版社,2008.
[52]黄永安,马路,刘慧敏MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].第一版.北京：清华大学出版社,2005.
[53]吴晓莉,林哲辉,等.MATLAB辅助模糊系统设计[M].第一版.西安：西安电子科技大学出版社,2002.
[54]黄友锐,曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].第一版.北京：科学出版社,2010.
[55]王立新.模糊系统与模糊控制教程[M].第一版.北京：清华大学出版社,2003.
[56]程子华.PLC原理与编程实例分析[M].第一版.北京：国防工业出版社,2007.
[57]汪晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航[M].第一版.北京：人民邮电出版社,2004.
[58]胡学林.可编程控制器教程(基础篇)[M].第一版.北京：电子工业出版社,2003.
[59]张运刚,宋小春,郭武强.从入门到精通一西门子57—200PLC技术与应用[M].第一版.北京：人民邮电出版社,2007.
[60]有限公司自动化与驱动集团西门子中国.S7-200PLC《深入浅出西门子S7-200PLC第二版》[M].2003.北京：北京航空航天大学,2003.
[61]操建华,秦付军.基于PLC的模糊控制研究[J].仪器仪表标准化与计量,2007(4)：36-37.
[2]关达.浅议铁路煤炭运输改革[J].科技创新导报,2010(13)：241.
[3]马胜钢,张建立,马泳涛,等.全自动煤仓卸料系统：
[4]张建立,张志强,马胜钢.基于PLC与组态王的远控给煤机的设计与应用[J].煤矿机械,2010(1)：11-13.
[5]李士勇,等.模糊控制和智能控制理论与应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1990.
[6]须田信英,等.PID控制理论与实务[M].台北：全华科技图书股份有限公司,1992.
[7]王伟,张晶涛,柴天佑.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报,2000(3)：347-355.
[8]吴宏鑫,解永春,李智斌,等.基于对象特征模型描述的智能控制[J].自动化学报,1999(1)：12-20.
[9]吴宏鑫,刘一武,刘忠汉,等.特征建模与挠性结构的控制[J].中国科学E辑：技术科学,2001(2)：137-149.
[10]吴宏鑫,沈少萍.PID控制的应用与理论依据[J].控制工程,2003(1)：37-42.
[11]SB. The past of PID controllers [J]. Annual Reviews in control,2001,25:43-53.
[12]Wendell S R. take control of PID tuning[J]. Plant Engineering,2005,59(9):57-60.
[13]Ziegler J G, Nichols N B. Optimum_Settings_for_Automatic_Controllers[J]. IEEE Trans on ASME,1942,65:759-768.
[14]王鹏.模糊控制及其在喷浆机器人中的应用[D].山东科技大学,2007.
[15]林浩.模糊PID控制器仿真研究[D].贵州大学,2006.
[16]Zadeh. Fuzzy Sets[J].1965,8:304-321.
[17]刘曙光,巍俊民,竺志超.模糊控制技术[M].北京：中国纺织出版社,2001.
[18]彭成,何为民.模糊控制理论的特点及其发展趋势[J].新疆师范大学学报(自然科学版),1995(2)：41-43.
[19]李楠,张德强.基于S7-200PLC的模糊控制研究[J].辽宁工学院学报,2006(6)：403-405.
[20]刘育.国内煤矿振动给料设备的现状及发展[J].煤矿机械,2003(4)：3-4.
[21]张建立,王栋,马胜钢,等.液压振动给煤机的研制与应用[J].液压与气动,2008(9)：56-58.
[22]李磷.彻底解决煤仓堵仓的途径[J].中州煤炭,1993(1)：41-42.
[23]李树文.煤仓防堵的有效措施[J].煤矿开采,1994(3)：21-22.
[24]殷鹏.解决煤仓蓬仓问题的探索[J].煤炭科技,2007(3)：38-40.
[25]王晋才.受煤坑蓬仓问题的探讨[J].煤炭技术,2010(8)：218-219.
[26]章宏甲,黄谊,王积伟.液压与气压传动[M].第一版.机械工业出版社,2004.
[27]陈自卫.液压摆缸机构的计算机设计[J].工程机械,1985(12)：23-27.
[28]孙鲁安.弧门开度与启闭机行程的函数关系推导[J].水利电力机械,2006(11)：41-42.
[29]欧阳明松,徐连民.基于MATLAB的试验数据拟合[J].南昌工程学院学报,2010(4)：24-28.
[30]刘振全,杨世凤.MATLAB语言与控制系统仿真实训教程[M].第1版.北京：化学工业出版 社,2009.
[31]沈瑜,高晓丁,王筠.基于数字控制器的电液比例控制系统设计[J].液压与气动,2006(11)：17-19.
[32]路甬祥,胡大紘.电液比例控制技术[M].第一版.北京：机械工业出版社,1988.
[33]卢长耿,李金良.液压控制系统的分析与设计[M].北京：煤炭工业出版社,1991.
[34]陈卿.大型风力机组独立液压变桨距系统研究[D].中南大学,2010.
[35]王春行.液压控制系统[M].第一版.北京：机械工业出版社,2007.
[36]蒋莼秋.煤仓贮料设计压力问题[J].煤矿设计,1991(7)：8-17.
[37]吉英年.元筒煤仓的煤压[J].煤矿设计,1978(6)：4-7.
[38]武嘉MATLAB7辅助控制系统设计与仿真[M].第一版.电子工业出版社,2005.
[39]杨叔子,杨克冲.机械工程控制基础[M].第四版.湖北：华中科技大学出版社,2002.
[40]解丽华.PID过程控制及其参数整定[J].科技情报开发与经济,2006(5)：169-170.
[41]刘金锟.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].第三版.北京：电子工业出版社,2011.
[42]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].第二版.北京：机械工业出版社,1998.
[43]金奇,邓志杰.PID控制原理及参数整定方法[J].重庆工学院学报(自然科学版),2008(5)：91-94.
[44]邱丽,曾贵娥,朱学峰,等.几种PID控制器参数整定方法的比较研究[J].自动化技术与应用,2005(11)：31-34.
[45]张栓记,胡敏.调节器的PID参数整定[J].洛阳师范学院学报,2005(5)：34-36.
[46]李士勇.工程模糊数学及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2004.
[47]张国良.模糊控制及其MATLAB应用[M].第一版.西安：西安交通大学出版社.
[48]李国勇.神经模糊控制理论及应用[M].第一版.北京：电子工业出版社,2009.
[49]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].第一版.北京：电子工业出版社,2006.
[50]求是科技MATLAB 7.0从入门到精通[M].第一版.北京：人民邮电出版社出版,2006.
[51]夏玮,李朝晖,常春藤.MATLAB控制系统仿真与实例详解[M].第一版.北京：人民邮电出版社,2008.
[52]黄永安,马路,刘慧敏MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].第一版.北京：清华大学出版社,2005.
[53]吴晓莉,林哲辉,等.MATLAB辅助模糊系统设计[M].第一版.西安：西安电子科技大学出版社,2002.
[54]黄友锐,曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].第一版.北京：科学出版社,2010.
[55]王立新.模糊系统与模糊控制教程[M].第一版.北京：清华大学出版社,2003.
[56]程子华.PLC原理与编程实例分析[M].第一版.北京：国防工业出版社,2007.
[57]汪晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航[M].第一版.北京：人民邮电出版社,2004.
[58]胡学林.可编程控制器教程(基础篇)[M].第一版.北京：电子工业出版社,2003.
[59]张运刚,宋小春,郭武强.从入门到精通一西门子57—200PLC技术与应用[M].第一版.北京：人民邮电出版社,2007.
[60]有限公司自动化与驱动集团西门子中国.S7-200PLC《深入浅出西门子S7-200PLC第二版》[M].2003.北京：北京航空航天大学,2003.
[61]操建华,秦付军.基于PLC的模糊控制研究[J].仪器仪表标准化与计量,2007(4)：36-37.