DOI:10.13436/j.mkjx.2011.09.022 第 32 2011 卷第 年 09 09 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32No.09 Sep. 2011 模糊自整定 控制器的设计与应用 PID 窦新宇 ， 唐山学院 宋凤娟 河北 唐山 ， 姜 波 （ ， 063000） ， ： 摘 要 制的基础上 行仿真研究 器高精度的特点 期的动静态特性 ， ， 。 PID 控制器仅能在离线状态进行参数自整定的问题 针对经典 设计了用于步进式加热炉温度控制系统的模糊自整定 与经典 在 控制器 此种控制器能迅速消除系统余差 温度控制系统相比 PID ， PID ， 又具有模糊控制器适应性强 反应迅速的优点 、 。 ， 从而保证了此 PID 并用 。 同时具有 MATLAB 控制和模糊控 进 控制 控制器具有预 PID PID 关键词 ： PID 中图分类号 控制器 ； ： TP273.4 模糊控制 参数自整定 ； 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1003 － 0794（2011）09 － 0034 － 03 Design and Application of PID Controller with Fuzzy Self-adjusting Parameter DOU Xin-yu， SONG Feng-juan， JIANG Bo （Tangshan College， Tangshan 063000， China） Abstract: Aiming at the problem that conventional PID controller can not adjust parameters itself on line, a method of PID-control with fuzzy self-adjusting parameter is proposed based on fuzzy control technique. The result of simulation in fuzzy logic tool box of MATLAB proves that the controller can e- laminate steady state error of system and improves the performance of ordinary fuzzy controller. It possesses both the precise character of PID controller and the flexible advantage of fuzzy controller, and can guarantee that the regulation system has good dynamic and static quality. Key words: fuzzy control; PID regulator; self-adjusting parameter 模糊自整定 模糊自整定 控制原理 PID 1 PID 控制器 之 所 以 在 工 程 上 得 到 这是由于此种控制器改变了经 固 定不变 的 控 制 方 控 Kp、Ki、Kd PID 设计了基于动态扫描误差信号进而调整 广泛的研究与应用 典 法 控制器 中参数 ， ， PID （ 1） 制器各参数的策略 ， 应用范围进一步扩大 。 的输入一般选用偏差 满足 器 最终实现控制效果得以改善和 在实际工程应用中模糊控制 这样可以 和偏差变化率 控制 参数在线进 ec， 模糊自整定 是通过模糊控制规则对 自整定参数的要求 PID 见图 PID 。 e PID !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ［2］H. Orbanic, M. Junkar. Analysis of striation formation mechanism in 1 2 3 4 5 6 7 图 水管 6 4. 7. 钻杆结构 钻杆头 钻杆尾 5. 水管固定环 钻杆体 6. ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［J］. . , , ， ， ， 等 等 康勇 磨料射流割缝技术防突机理及应用 磨料射流钻割一体钻头研制及切割特 ，2010,33(7)：86-90. 李文霞 煤矿机械 abrasive water jet cutting［J］. Wear, 2008, 265(5-6):821-830. 卢义玉 周东平 重庆大学学报 陆海龙 王欣 性研究 陈凤官 效率的分析 张尚先 验研究 刘新福 ， ， 矿山机械 磨料射流喷嘴直径与切割能力关系的仿真及实 射流喷嘴流量系数及射流功率转换 ，2010,38(23)：20-22. ，2009，30(2)：60-62. ［J］. 张于贤 液压与气动 綦耀光 ［J］. 等 ， ， ， . ． . [J]． ，2009(11):18-21. 挡圈 1. 2. 格莱圈 3. 结语 4 （1） 钻割一体机风水双路钻杆能够满足钻孔和 实现了钻进 改善 瓦 割缝在同一个钻孔周期内完成的要求 和割缝设备 的复合 斯治理效果 可有 效缩短施 工时间 提高掘进速度 、 ， ， 、 ； 双喷嘴设计形成了方向相反的 使运行稳定 2 股旋转射 不致于 ， ， （2） 流 可打击一个直径较大的面 ， 因射流反作用力而使联接脱开 参考文献 。 ： ［1］Jacek Sobczyk. The influence of sorption processes on gas stresses leading to the coal and gas outburst in the laboratory conditions ［J］. Fuel, 2011, 90(3):1 018-1 023. ［7］Wanjie Huang, Xin Gong, Xiaolei Guo, etc. Study of the pressure drop of dense phase gas -solid flow through nozzle ［J］. Powder 旋转射流提高煤层瓦斯抽排效果的 试 验 ［8］ ［9］ . , 王海刚 Technology，2009，189(1)：82-86. 郭仁宁 矿机械 李德玉 煤炭学报 梁 延 辉 ，2010，35(4)：686-690. 王 立 亚 ，2007，28(10)：54-56. 吴海进 王春利 曹 杰 , , . ［10］ ， 中国煤炭 ， . 煤 ［J］. ［J］. 煤层水力割缝喷 嘴 特 性 的 数 值 研 究 大 断 面 突 出 煤 层 快速 掘 进 技 术 的 创 新 ［J］. 作者简介 ，2010，31(4)：201-202. 大 学 流 体 机 械 专 业 孟凡茂 ： （1977- ）， 年 毕 业 ， 2010 河南焦作人 研 究 方 向 为 流 体 机 械 讲师 ， ， 硕士 河南理工 ， 电 子 信 箱 ， ： meng_fanmao@163.com. 责任编辑 王海英 收稿日期 ： ：2011－05－04 34 

期 模糊自整定 PID 控制器的设计与应用 窦新宇 等 ， ——— 。 3 第 卷第 32 09 行修正构成的 。 e ， ， ， 1 PID 可知 从图 个参数 ec。 PID 偏差 经典 同构成了模糊控制规则 为一个模糊控制器 差 和偏差变化率 了找到 PID 2 某种模糊关系 变化率 修正 对象的动态和稳态性能得到改善 体设计步骤 控制规则表 控制和模糊推理过程共 其中模糊推理过程的本质 此时模糊控制器的输入就是偏 模糊自整定的本质是为 存在 ec 及偏差 个参数实现在线 同时使被控 模糊控制器的具 设 计建立模糊 及偏差变化率 通过连续地扫描检测偏差 模糊化处理 语言变量 ： 选定隶属度函数 最终使 参数整定的 适应性增强 利用模糊控制规则对 清晰化模糊变量 ec， 3 ， ， ， ， 。 、 e e 、 、 模糊推理 Kp Ki Kd PID 调节器 error + - de dt 被控对象 yout 图 模糊自整定 利用经典的 增量式控 制 算 法 得 到 模糊控制系统原理图 控制算法 PID 1 2 通过计算得出系统当前时刻偏差 的 初 始 和偏差 模糊控制规则被利用进行模糊推 参数实现在线 PID e ， ec。 其次 ， 通过查询模糊规则矩阵表对 经典 PID PID 控制器作用描述见式 （1）。 ， 首先 值 变化率 理 ， 修正 。 u（k）=Kpe（k）+Ki Σe（j）+Kd［e（k）－e（k－1）］ （1） k j = 0 式中 ； 比例系数 积分系数 ； 微分系数 Kp——— Ki——— Kd——— 输入量偏差 （1） 因为模糊控制器输入 e 。 和偏差变化率 模糊化 ec 模糊推理是针对模糊量进行的 们进行模糊化处理 设计模糊 出变量时 语言值均为 。 PID 个语言值 ， 隶属度函数采用高灵敏度的三角函数 7 、 输出变量都是精确量 而 所以控制器要对它 输 控制器输入 ， ， 、 {NB,NM,NS,Z,PS, 同 提高隶属度函数的分辨 以上各变量的模 ， 其模糊化集合的 。 ， 在 PM,PB}， 时为了增强系统的鲁棒性 率 糊化分别为 论域为 0 ， 附近的函数形状更陡一些 E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd； {-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}； 参数整定规则的确定 （2） 结合参数整定的方法和现场工程人员实际操作 模糊推理 整定规则如表 列出参数 所示 Z 1 模糊推理法 。 参数 经验 过程中选用 ， ， ΔKp、ΔKi、 Mamdani 的模糊判决值采用重心法 。 ΔKd 输出量的清晰化 （3） 经过模糊推理后 模糊 个修正量要进行清晰化处理 ， 自整定控制器的 PID 3 取得精确量用以计算 ， 35 Vol.32No.09 从而得到 （2）， （2） 输出控制量 模糊判决后的清晰量 。 。 本文采用加权平均法式 n Σμc（z）zi i = 1 n z= Σμc（zi） i = 1 是模糊自整定 图 2 控制算法程序图 。 PID 入口 e（k），ec（k） 模糊化 取当前采样值 模糊整定 ΔKp，ΔKi，ΔKd e（k）=r（k）－y（k） ec（k）=e（k）－e（k－1） e（k）=e（k－1） 计算当前 Kp，Ki，Kd 控制器输出 PID 返回 图 2 控制算法流程图 在步进式加热炉温度控制仿真研究中的应用 仿真模型的建立 受控对象抽象化为具有滞后的一阶惯性环节 （1） 将步进式加热 炉 温 度 作 为 控 制 系 统 的 被 控 对 其 延迟环节反应 象 中惯性环节反应加热炉的静态特性 加热炉的动态特性 该传递函数数学模型为 ， ， ： 。 G（S）＝ Ke-τs Ts+1 本文仿真过程具体参数设置 此类型被控对象多为纯滞后型 根据工程设计的实际技术需要 最大升温速度 ， ：K=3，T=200 s，τ= 通常情况假设 温 系 ≥45 ℃/min， ， 20 s。 采样周期等于 度控制精度 统超调量 τ。 ≤10 ℃， ≤25%。 仿真结果分析 是 对 经 典 控 制 与 模 糊 自 整 定 3 PID 算法控制的步进式加热炉温度控制实验仿真图的 比较 PID （2） 图 。 ℃ / 度 温 出 输 1.3 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 图 1 2 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 时间 /s 3 PID 与模糊自整定 控制比较 PID ： 控制 1. PID 控制 从仿真可以看出 较小和调节时间较短 稳态特性 自适应能力较强 况下偏差 模糊自整定 2. PID 模糊自整定 控制超调量 具有较好的动态响应特性和 此方法的 这是由于它具有根据实际工作情 参 和偏差变化率 它优于经典的 在线进行 控制 其次 PID PID ， ， 。 ， ， ec（k） PID e（k） 

第 32 2011 卷第 年 09 09 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32No.09 Sep. 2011 试验 研究 · 煤矿用提升机盘形制动器闸瓦摩擦因数数学模型研究 史志远 ， 为寻求导致矿用提升安全事故的深层次原因 （ 安标国家矿用产品安全标志中心 北京 利用 100013） 摘 要 ： 展无石棉闸瓦材料与 进行非线性拟合 验表明所建模型具有数学上的严密性 钢对磨的摩擦试验 得到了摩擦因数的数学模型 16Mn ， ； 与实际情况相符 F 。 摩擦因数 数学模型 提升机 ； ， 闸瓦 ； ； 文献标志码 关键词 中图分类号 ： , 开 ， 运用多项式逼近与数理分析方法将大量试验数据 ； 利用 检 检验方法对数学模型的显著性进行检验 型调压变速摩擦试验机 X-DM ， ： 1003 － 0794（2011）09 － 0036 － 03 Research on Mathematical Model of Friction Factor of Brake Shoe for ： TH117.1 ： A 文章编号 Coal Mine Winder Disc Brake SHI Zhi-yuan （Mining Products Safety Approval and Certification Center, Beijing 100013, China） Abstract: In order to seek for deep reasons resulting in mine hoisting fatal accident, friction experiment of asbestos-free brake shoe material against 16Mn steel friction disc was conducted using X-DM friction tester. Mathematical model of friction factor was built through mathematical analysis and non-linearity fitting method of polynomial approximation. The results of ftest shows that mathematical model is refined and practical. Key words: friction factor; mathematical model; brake shoe; winder 引言 近年来 0 ） （ ， 比 如 滑 动 速 度 比 压 之间的关系 从定性角 度进行了一 些研究 国内外学者对盘形制动器闸瓦材料摩 温 度 擦 学 参 数 与 影 响 因 素 等 但各 参数与影响 因素之间的 定量关系 至今还没 有 适 用 这就使得人们在提升机制动器设计 的数学表达 、 闸瓦研制以 及在矿山 安全使用等 方面很难 找 到 可 靠的依据 、 、 ， ， 为了掌握闸 瓦与制动盘 对 磨 过 程 中 各 因 素 对 探讨各因素之间的定量 然后 闸瓦摩擦因数的影响规律 变化关系 本文开展大 量闸瓦材 料摩擦试验 ， 。 ， ， 。 将所得试验数据进行统计分析和拟合处理 线性建模的基本知识 各影响因素之间的数学经验模型 应用非 建立闸瓦材料的摩擦因数与 ， ， 1 ， 摩擦因数数学模型 大量试验数据以及理论研究表明 比压 和温度存 在着复杂的 关系 摩擦因数与 为非线 、 进行非线性模型拟合的主要方法有多项式 根据矿井提 升机盘形制 动器工作的 利用多项式法来拟合以上各工况下的摩 阶多项式来近似 滑动速度 性关系 法 实际工况 擦模型 表达这个未知的相关关系 个待定系数的 指数法等 用含 m+1 m 、 ， 。 ， ， ， 最后 数的自动整定 而且使 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 化时 实验过程中使用了 这样不仅为步进式加热炉温度控制 的鲁棒性强 自动调整 得被控制对象精度进一步提高 当实际工作情况发生突然变 控制 控制鲁棒性比经典 不仅增强了被控制对象的适应性 模糊自整定 软件 PID PID 。 ， ， ； 。 ， 。 表 1 ΔKp、ΔKi、ΔKd 参数整定规则 E NB NM NS Z PS PM PB 4 NB NM NS EC Z PB/NM/NB PB/NS/NM PM/NS/NM PB/NM/NB PB/NM/PS PM/NS/NM PS/NS/NS PB/NB/NS PB/NB/PS PM/NM/NS PM/NM/NS PB/NB/PS PB/NB/PS PM/NM/Z PM/NM/Z PS/NM/Z PS/Z/PB Z/Z/PB 结语 本文所设计的 方 法 使 经 典 PS/NS/Z Z/Z/PS Z/Z/PM NM/NM/PS NM/PM/PM NS/PS/PS NM/PS/PM Z/Z/NS NS/PS/Z Z/Z/Z PS PM PB PM/NS/NB PM/NS/NM Z/Z/NS NS/PS/NS NM/PS/Z NM/PM/PS NM/PM/PS PS/Z/NM Z/Z/NB PS/PS/NS NS/PM/NS NM/PM/Z NM/PB/PS NB/PB/PS Z/Z/PS Z/Z/Z NS/PS/Z NM/PM/Z NM/PB/Z NB/PB/PB NB/PB/PB 制的优势得到了充分发挥 统比较而言 PID 与经典 该方法实现了在线对 。 ， 控 制 和 模 糊 控 温度控制系 参数的整定 PID PID 。 ， MATLAB 系统设计与调试提供了一种新的途径及理论依据 ， 还可以避免因盲目进行的工程 实 验 而 造 成 的 经 济 损失 参考文献 ： 刘金琨 出版社 权国通 动调高系统研究 王勃群 蔺小林 ， 计与仿真 作者简介 基 于 模 糊 自 适 应 矿山机械 ，2010(15)：20-23. 参数自整定 ，2009(1)：31-34. 讲师 算 法 的 采 煤 机 液 压 自 自动化技术与应用 ，2003：67-81. 控 制 器 的 设 河北唐山人 电 子 工 业 控 制 及 其 工学硕士 ［J］. 汪宁 MATLAB 窦新宇 Matlab 仿 真 北 京 基于 周斌 先进 谭超 ［M］. ［J］. PID PID PID ［1］ ［2］ ［3］ ： ， ， ， . . . ： （1984- ）， ， ， 于内蒙古工业大学 研究方向为智能控制及故障诊断 毕业 电子信箱 ， ： ， ， douxinyu2007@163.com. 责任编辑 王海英 收稿日期 ： ：2011－04－26 36