DOI:10.13436/j.mkjx.2013.08.031 第 34 2013 卷第 年 08 08 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.34 No.08 Aug. 2013 煤炭装车系统中溜槽升降的模糊控制研究 张世懂 陈寇忠 魏 免 ， ， 中国矿业大学 信息与电气工程学院 （ 江苏 徐州 ， 221008） ： 结合煤矿装车系统自动化改造的项目，分析现有装车过程中溜槽升降控制方式，利用 摘 要 模糊控制优势，提出了采用 PLC 和模糊控制实现溜槽升降控制的理论及方式。 实践表明，该控制方 式达到了均匀装车的目的，提高了煤炭装车的自动化水平。 关键词 中图分类号 ： 煤炭装车； 溜槽升降； PLC； 模糊控制 文献标志码 文章编号 ： TD562 ： 1003 － 0794（2013）08 － 0069 － 03 Control of Chute Lifting Based on Fuzzy Control in Coal Loading ： A System ZHANG Shi-dong， CHEN Kou-zhong， WEI Mian (School of Information and Electrical Engineering ,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China) Abstract: Combining the reform project of coal loading system，the lifting control of chute based on PLC and fuzzy control was put forward. The existing mode of chute control was analyzed and the advantage of fuzzy control was used. Practice shows that the control mode realized the purpose of loading uniformity and improved the automation level of the coal loading. Key words: coal loading; chute lifting; PLC; fuzzy control 引言 煤炭装车外运是煤矿生产过程的重要环节 0 。 ， 即要求车厢前后物料均匀平衡 车厢的装载不仅要控制装载的重量 装车 时调整溜槽的角度 ， 高度和溜槽角度之间无法建立精确的数学模型 以实现自动化控制 在实际装车过程中 但是 。 ， 。 对 还要实现均匀 这就需要随 煤位 难 ， ， 。 ， 模糊控制最 大的特点是 不 需 建 立 控 制 对 象 精 只需将操作人员实践经验加以总结 功能的不断提高和广 模糊控制器的 研究成 和模糊控制思想实现均匀装车成 确的数学模型 描述成计算机语言即可 泛应用 以及大量基于 果 为可能 使得采用 。 PLC PLC PLC ， ， 。 1 PLC 模糊控制器的设计 目前煤炭装车过程中 主要凭借操作人员工作 ， ， ， 依据车 厢型号和载 重量 调节溜 槽角度来控 经验 仅凭人工操作严重影响了装车 制煤位高度 。 的效率和精度 采 ， 用模糊控制的方法实现车厢煤位高度的均匀控制 其控制系统方框图如图 但是 不能满足自动化的需要 鉴于此 所示 ， ， 。 。 1 。 模糊 控制器 PLC 高度 上位机 设定值 ＋ － 偏差 偏差 变化率 模糊 控制器 绞吊电机 和溜槽 操纵 变量 溜槽 （ 角度 ） 车厢 被控变量 煤位高度 （ ） 模拟量 PLC 输入模块 雷达料位计 图 控制系统方框图 中 图 处理和 输出控制 收 间来间 接控制溜槽 角度 1 模糊控制器的主要任务是数据接 通 过控制绞 吊电机的运 行时 超声波 车厢为 被控对象 ，PLC 1 、 ， ； ； !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! uniform cubic B -splines ［J］. Optimal Control Applications & 3 结语 利用 。 ， ， 4 B B 五次均匀 通过仿真验证 样条函 数具有 样条曲 线相 样条反算法求五次均匀 B 计算量较小 比传统的德布尔递推方法简单易懂 ， 阶 连续导 并且验证了五次均匀 数 样条在关节空间中 插值规划的工业机器人轨迹平滑且易于实时控制 ， 加加 速度平 滑 过 关 节速度和 关节加速度 变化小 渡 该 方 ， 法为轨迹规划又找出了一种切实有效的新方法 参考文献 刘水利 , 动力学仿真分析 能有效地 减少机器 人运行时的 机械振动 的液压支架焊接机器人 ： 薛力猛 煤矿机械 毛清华 ADAMS 基于 ［1］ B 等 ， ， 。 ， , . ［J］. ,2009,30(8):85-87. ［2］Yao -Chon Chen, Soliving robot trajectory planning problems with Methods,1991（12）：247-262. ［3］A. Gasparetto, V. Zanotto, A new method for smooth trajectory planning of robot manipulators［J］. Mechanism and Machine Theory, 吴文 祥 具 有 运 动 时 间 约 束 的 机 械 手 最 优 平 滑 ，2009,13(6):888-902. 基础与工程范例教程 北京 清华大学社 . ADAMS 张 铁 崔敏其 ,2005. 基于五次多项式过渡的机器人轨迹规划的 ［K］. : 朱世强 2007（42）：455-471. 刘松国 ， 轨迹规划 石傅强 ［J］. ， . 电机与控制学报 陈伟华 研究 , ［J］. , . 煤矿机械 作 者 简 介 机械系统动力学 ： 勾 治 践 机械 、 ,2011,32（12）：49-50. （1958- ）， 吉 林 长 春 人 博 士 ， ， 教 授 ， CAD/CAE， ：0431-85716229， 电 话 研 究 方 电 子 信 ：wangcheng_812@163.com. 责任编辑 ： 卢盛春 收稿日期 ：2013－03－15 ［4］ ［5］ ［6］ ： 向 箱 69 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤炭装车系统中溜槽升降的模糊控制研究 张世懂 等 ， ——— 第 34 卷第 08 期 Vol.34No.08 料位计为检测变送环节 号的形式传至 厢对应的高度期望值进行比较 环控制 PLC， ， ， 将检测高度值以标准电信 与上位机接收到的不同型号车 实现煤炭高度的闭 由于二维模 糊控制器能 够 较 严 格 地 反 映 受 控 易 双输入单输 其 输入选用受 控变量和给 定输入的偏 过程中输入变量的动态特性 于理解 出 差 控制器 和偏差变化率 采用工程中普遍使用的 且满足工程需要 在此 ， ， ， ， 。 “ ” e ec。 。 1.1 PLC 模糊控制器的基本结构 模糊控制器的基本结构如图 PLC 位高度差 入 ， e 和高度差变化率 以绞吊电机的运行时间 所示 以煤 作为模糊控制器的输 2 。 ec 作为控制器的输出 。 u 知识库 模糊化 模糊推理 去模糊化 u e ec e ec d/dt ke kec 图 L0 L0. NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。 于目标高度 极 高 偏低 L0 很低 ：“ 极低 为 分别表示测量高度 偏 高 很 高 ”，“ ”，“ 相对 零 ”， Lx ”，“ ， 实 运行角度可在 而实际控 运行时间约 12 设绞吊电机的运 论域 当 角 度 增 加 U， U ［-20，20］。 “ ”，“ ”，“ 设误差变化率 ”； 的实际测量范围为 ② ec Ec， 则高度误差采样值的变化量为 其语言变量为 论域为 1，0，1，2，3，4，5，6｝， 语言集为 分别表示测量高度 PM，PB}。 为 慢降低 快速升高 降低 ：“ ”，“ 升高 ”，“ 快速降低 ec（k）=e（k）-e（k-1）， Ec=｛-6，-5，-4，-3，-2，- {NB，NM，NS，ZO，PS， 相对于目标高度 Lx 缓慢升 高 不变 ”，“ ”，“ L0 缓 ”，“ 控制系统的输出是绞吊电机的运行时间 ”，“ ”； ③ 际中溜槽的绞吊速度为 v=0.17 m/s， 变化 对应的运行时间约为 0～90° 制中溜槽的角度变化控制在 ， 18.5 s。 0~60°， ［-12 s，12 s］。 其语言变量为 U=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝。 则时间变化范围为 s， 行时间为系统输出控制量 为 为 正 时 表 示 绞 吊 电 机 正 转 的时间为 下 降 当 角 度 减 小 |U|， U u， （ ， ） 为负时表示绞吊电机反转 的 时 间 为 溜 槽 上 升 |U| 。 （ ， ） 溜槽 相 应 的 语 言 集 为 分别表示绞吊电机运 较 长 长 时间反转 长 时 间 正 ”，“ ”， “ 很长 时间反转 {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}， 行时间为 时 间 反 转 转 停 止 很长时间正转 ”， “ ”， “ ：“ ”，“ ”，“ ”。 较 长 时 间 正 转 。 ， 各模糊变量的隶属度函数类型确定 （2） 论域是离散的 因此选用离散量化的隶属度函 隶属度函数在很大程度上由操作人员的经验给 数 常用的隶属度函数有三角形函数和高斯函数 出 ， 在此选用较为简单的三角形隶属度函数 在现场操 作人员的经 验和类似系 统的模糊变 量隶 属 度 函 数 的基础上 确定了本 系统各模糊 变量的 隶 属 度 函 数 模糊集合的隶属度函数如图 所示 。 。 ， 3 。 。 NB NM NS Z PS PM PBNB NM NS Z PS PM PBNB NM NS Z PS PM PB 1.0 0.5 0 -6 1.0 0.5 0 1.0 0.5 0 -4 -2 0 2 4 6 -6 -4 -2 0 2 4 6 -6 -4 -2 0 2 4 6 偏差 （a） E 图 偏差变化率 （b） （c） 模糊集合的隶属度函数 Ec 控制量 U 3 模糊控制规则的建立 （3） 合适 、 有效的 模糊控制规 则 ， 一般来说 能够 保 证 模 糊 器 模糊器控制规则 控制量应 尽可能快地 减 ， 的控制性能达到最佳 的原则为 当 误差较大 时 。 ： ， e′ ′ ec 模 糊 化 E Ec 查 询 表 U 精 确 化 U′ u ku 绞吊电 机溜槽 车厢 Lx 模糊控制基本结构 2 PLC Lx. 煤位高度设定值 煤位高度测量值 输入偏差量化因子 ke. 输入偏差变化的量化因子 输出量的量化因子 （ ku. Ec 通过计算推理 即将 E 取得 一个模糊控 制表 kec. 模糊控制器采用 为克服实时计算量大的缺点 ， 组合计算出相 查表法 和 。 并将控 制表作为数 应输出 ） 据块放在 只需根 据 采样得到的 误差和误差 变化率的 量化值找 出 当 并转化为实际控制量达到 前被控量的输出量化值 最终的输出控制 输出清 晰化 进行模糊控制时 即输入模糊化 存储器中 模糊推理 PLC ， ， 。 ， ， 。 ， 。 1.2 模糊控制器的建立 模糊控制器 的建立主要 是 从 输 入 到 输 出 的 一 计 本文利用 个模糊控制表的查询的构建 算生成查询表 。 具体步骤如下 Matlab 7 。 （1） 变量模糊化 系统设定的煤位高度为 ： L0， 常 用 车 厢 高 度 的 范 围 为 通常根据操作人员装车经验 为车厢高度基础上增加 ① 高 度 为 L0 Lx， 2 000 mm］。 高度 到均匀装车的效果 其偏差最大值为 差大于零 ， 因此 。 Lx 2 200 mm。 且不允许有较大偏差 的实际测量范围为 实际检测的煤位 ［1 500 mm， 煤位期望 方可达 ， 100～200 mm， 的范围为 实际的装车过程中 ［0,2 200 mm］， 偏 则煤位高度误差 ， 。 ［-200 mm，1 000 mm］， e=L0-Lx 语言变量为 E。 依据模糊控制原理 取 ， E 的论域为 ：E=｛-6，-5， 相应语言集为 -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝， {NB， 70 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤炭装车系统中溜槽升降的模糊控制研究 张世懂 等 ， ——— Vol.34No.08 中进行模糊控制系统的辅助设计 。 模糊控制器的实现 （GUI） 2 PLC 选用西门子公司的 型 采用 S7-300 PLC。 STEP7 ， 所以对装 车参数 作为软件编程环境 利用模块化的方法进行编程 。 实际装车中每列火车包括多种类型的车厢 对应的 ， 高度期望值也不同 车型 车号 、 载重等 首先把对应 的期望高 度值置 入 将采集 到 的实际 测量误差和 误差变化率 输入到查 询 子 程 序 中 计算便可 得到 被控过程的实际控制量 ， 进行配置时 ） 存储器 然后在每个控制周期中 其实现流程图如图 程序进行比较 经过编制的 所示 PLC PLC ， ， ， ， （ 、 、 。 4 。 开始 将期望高度 置入 L0 PLC 将量化因子 ke、kec、ku 置入 PLC 否 是 采样时间到 ？ 是 计算 e、ec 是否越界 e、ec 否 令越界变量 为上下限 将 分别量化至论域所 e、ec 对应的元素 E、Ec 查询控制表 求得 ， U 计算 u=ku×U 控制输出 结束 图 4 模糊控制器的实现 结语 针对煤炭装车溜槽控制中非线性 采用以 、 PLC 难以建立精 为控制器和经验 能够较简单地实现对溜槽 本系统具有良好的控 提高装 高效化 ， 、 ， ， 实际应用表明 能够满足装车系统均匀化 ， ， ： 。 。 。 ， 等 ［1］ 刘伟 马季萍 确数学模型对象控制 基础上的模糊控制系统 的模糊控制 制效果 车系统的智能化程度 参考文献 胡青松 自适应调整方法 刘群坡 王满利 衡模糊控制器研究 张增科 学出版社 张卫国 出版社 吴晓莉 子科技大学出版社 刘锴 天大学出版社 ［J］. 王成硕 ，1999. 杨向忠 . MATLAB 林哲辉 ，2002. ，1999. 周海 ［J］. ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ， ， ， ， ， . . . 基于模糊分析的液压支架故障诊断与 ，2012，33（7）：244-246. 的带式输送机多 机 功 率 平 . ， 煤矿机械 基于双 . 煤矿机械 PLC 模糊控制数学在自动化技术中的应用 ，2010，31（5）：150-152. 北京 ［M］. 清华大 ： 模糊控制理论与应用 ［M］. 西安 ： 西北工业大学 辅助模糊系统设计 ［M］. 西安 ： 西安电 第 卷第 期 ； 08 34 小误差 虑系统的稳定性 按照控制过程 ， 模糊控制规则表 当误差较小时 ， 除了消除误差外 还必须考 以求避免不需要的超调和振荡 ， 。 本系统依据操作人员实际经验得出 ， 如表 所示 1 。 模糊控制规则表 ， 表 1 U E Ec NB PB PB PB PB PM PS ZO NM PM PM PM PM PS ZO ZO NB NM NS ZO PS PM PB 用模糊语言变量表示为 NS PM PM PM ZO ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO ZO NM NM NM PM ZO ZO NS NM NM NM NM PB ZO NS NM NB NB NB NB IF E=NB and Ec=NB THEN U=PB IF E=NM and Ec=NM THEN U=PM …… 模糊推理算法的确定 （4） 模糊推理又称似然推理 和已确定的控制规则 过程 小推理方法 。 确定模糊关系 本文采用较为简单常用的 ， 是根据输入的模糊量 求解模糊关系获得控制量的 极 极大 ， Mandani - ， 。 模糊控制规 则表中的每 一 条 模 糊 条 件 语 句 都 决定一个模糊关系 R1＝［（NB）E×（NB）Ec］T×（PM）U R2＝［（NB）E×（NM）Ec］T×（PM）U … R49＝［（PB）E×（PB）Ec］T×（NB）U 可得到 模糊关系的 49 个模糊关系 运算 ” 采用最大 并 ， “ R2∨…R48∨R49。 - 。 Ri（i=1，2，…，49） 得 到 总 的 模 糊 关 系 R=R1∨ 最小合成法得控制输出 通过 个 49 3 其中 表示求直积 是合成算子 ，“○” 。 U=（E×Ec）○R， “×” 输出清晰化 （5） 模糊推理输出的是一个模糊集合 还需经过模糊 得到系统所能识别的实际控制量作为控制信号 。 ， 加权 判决 模糊判决法有多种 如最大隶属度法 中位数法 ， ， 、 、 49 49 Σ（ki，ui）/ Σki u*= 然后 再乘以输出 i = 1 i = 1 平均法等 。 本系统采用加权平均法 进行去模糊 化 量的量化因子 得到精确 控制量 ， 求得实际控制量 ， ku 。 查询表的建立 （6） 依照语言变量 合成推理的方法 的输出值 将 ， ， 便可获得模糊控制查询表 组合求出 E Ec 和 论域的量化等级及上述 计算出不同模糊变量输入值对应 实际应用中 ， 并保存在 为 本系统 在图形用户界面 制成控制查询表 。 。 ， Ec 在模糊决策时查表即可得到输出量值 U， ， ， PLC 模糊控制系统的设计方便性和计算准确性 利用 的模糊逻辑工具箱 E 和 中 MATLAB ， 深入浅出西门子 S7-300PLC［M］. 北京 ： 北京航空航 ，2004. 张世懂 作者简介 ： （1990- ）， 国矿业大学控制科学与工程专业 子信箱 ， ： zhangshidong2513@126.com. 责任编辑 ： 71 山东滕州 人 在 读 硕 士 ， 研究方向为计算机控制系统 ， 就 读 于 中 电 ， 卢盛春 收稿日期 ：2013－04－11 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net