基于模糊PID控制算法的振...筛智能气囊系统的设计及应用_叶光森.pdf

基于模糊 PID 控制算法的振动筛智能气囊系统的设计及应用叶光森，郑鹏博(陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林719000)摘要:介绍了对传统空气弹簧的改造方法，利用新型的空气弹簧以及模糊 PID 控制技术相结合设计了智能气囊系统。实验结果表明，该智能气囊系统大幅度降低了生产过程中物料对振动筛的冲击，保证了振动筛安全可靠运行，降低了维护维修成本。关键词:橡胶空气弹簧;智能气囊系统;振动筛;模糊 PID 控制中图分类号:TD452文献标识码:A文章编号:1005-8397(2023)02-0043-04Design and application of intelligent air bag system of vibrating screenbased on fuzzy PID control algorithmYE Guangsen，ZHENG Pengbo(SHCCIG Yubei Coal Industry Co.，Ltd，Yulin，Shaanxi 719000，China)Abstract:In this paper，introduces the transformation method of traditional air spring，a new type of air spring and fuzzy PIDcontrol technology are combined to design an intelligent air bag system.The experimental results show that，which greatly reduces theimpact of materials on the vibrating screen in the production process，protects the safe and reliable operation of the vibrating screen，and reduces maintenance and repair costsKeywords:rubber air spring;intelligent airbag system;vibrating screen;fuzzy PID control收稿日期:2022-05-21DOI:10.16200/ki.112627/td.2023.02.012作者简介:叶光森(1986)，男，江西高安人，2009 年毕业于西安科技大学机械设计制造及其自动化专业，工学学士，陕西陕煤榆北煤业有限公司榆林选煤分公司副总经理，工程师。引用格式:叶光森，郑鹏博 基于模糊 PID 控制算法的振动筛智能气囊系统的设计及应用 J 煤炭加工与综合利用，2023(2):4346橡胶空气弹簧技术广泛应用于各类工业设备中，比如压缩机、离心机等，特别适用于振动筛、车辆悬挂装置1。随着工业的发展和大型煤矿的生产需要，振动筛的应用越来越广泛，对振动筛的大型化和可靠性有了更高的要求。振动筛在整个服役期间经历长周期疲劳循环，筛体结构上的微小改变就会对振动筛的疲劳寿命产生较大的影响。振动筛的给料量、激振力等均随时间变化，工作环境极其恶劣，其在工作过程中不仅要受到物料的冲击，还受到煤泥水和介质液体等的侵蚀，这些因素均会导致振动筛的使用寿命降低23。利用新型的空气弹簧以及模糊 PID 控制技术相结合设计的智能气囊系统，能够大大降低生产过程中物料对振动筛的冲击，保护振动筛安全可靠运行，降低维护维修成本。1传统空气弹簧的改造传统的方法是用实心橡胶弹簧和刚性弹簧(图 1)，这 2 种弹簧在使用过程中产生机械疲劳，实心橡胶容易老化，失去原有弹性，减震效果大大降低，使得物料对振动筛的冲击增大，给设备带来极大隐患。另外，钢性弹簧如断一根，必须更换相应 2 组，否则新旧钢簧受力不一致。更换钢簧费时费力，会增加不必要的维修成本。将新型的橡胶空气弹簧(图 1)应用于振动筛的设计，该空气弹簧钢性随着载荷和空气压力而改变4，因在任何载荷下自振频率几乎不变，减轻了振动筛结构的冲击力，可有效保护筛体，延34煤炭加工与综合利用No.2，2023COAL POCESSING COMPEHENSIVE UTILIZATION长主机使用寿命。橡胶空气弹簧同时承受轴向和径向载荷，也能传递扭矩，通过内压力调整可以得到不同的承载能力，能承受多重负荷要求。橡胶空气弹簧能吸收高频振动，并且能避开和设备共振，保证生产过程的安全。图 1实心橡胶弹簧、刚性弹簧和橡胶空气弹簧结构2智能气囊系统的设计智能气囊系统由橡胶空气弹簧、压力表、分流阀组、储气风包、压力传感器、智能控制器等部分组成(图 2)。智能气囊系统在工作过程中，内腔充入压缩空气，形成压缩空气柱，利用空气的可压缩性，随着振动载荷的变化，弹簧的高度和内腔容积随之改变，达到非线性有弹性作用，实现振动载荷的平稳、柔性传递，完成振幅与震动载荷的高效控制5。橡胶空气弹簧由上下夹板压紧密封组成，上下夹板设有充气阀或快速接头以便充气，上下夹板可根据用户要求设计定位与主机设备连接。压缩空气经主气管线、三通分流为 4 组，每组依次进入电磁阀、智能压力表、压力传感器然后流入气囊6。智能控制器的加入使该气囊系统增加了如下功能:(1)能够在线监测各个气囊内部气压值，通过设定预警上下限值，气压超过预警限值，自动发出警示(包括 3 种警示:现场声音警示、控制柜上触摸屏界面警示报警、远程监控 APP 警示)，操作人员可以根据警示采取安全措施，避免产生安全事故(图 3)。(2)能够采集振动筛实时带料重量数据，通过分析该数据，能够判断整个系统是否正常运行，如重量超出正常值，则表明整个系统某个环节出现设备故障，可以停机排查，避免产生安全事故。另外，智能控制器可以生成统计报表，分图 2智能气囊系统组成图 3气压超限警示功能析振动筛每天、每月带料重量，为生产部门安排工艺流程提供数据支持。(3)实时控制阀组的开度，降低智能气囊系44煤炭加工与综合利用2023 年第 2 期统的共振值。由于气囊系统的振动情况复杂，很难建立精确的数学模型，所以，适用模糊 PID 控制算法，它不需要建立起精确的数学模型就可以进行高精度的系统控制，同时兼有模糊控制算法的快速性和 PID 算法的精确性7。3模糊 PID 控制算法设计模糊控制是针对偏差的控制。其偏差量为8:e(t)=r(t)y(t)(1)式(1)中:e(t)为偏差值;r(t)为给定值;y(t)实际输出值。模糊控制的控制规律为:u(k)=Kpe(k)+Kikj=0e(j)+Kdec(k)(2)式(2)中:k 为采样序列，k=0，1，2.;u(k)为第 k 次采样时刻控制器的输出值;e(k)为第 k 次采样时刻输入的偏差值;ec(k)为第 k 次采样时刻输入偏差的变化值;Kp为比例系数;Kp为积分系数;Kd为微分系数。模糊 PID 控制是建立在常规控制基础之上的二元连续函数关系，它应用了模糊集合理论。其二次元连续函数关系为910:Kp=f1(e，ec)Ki=f2(e，ec)Kd=f3(e，ec)(3)式(3)中:e 为偏差绝对值;ec 为偏差变化绝对值。输入其论域与模糊规则语句，并选择相应的隶属度函数。图 3 为模糊 PID 控制的 3 个参量(Kp，Ti，Td)的模糊控制规则1113。利用 Matlab 中的 Simulink 软件，根据积累的实测数据，设计智能气囊系统的振动数据仿真模型，仿真步长设定 0.2 s，观察其仿真结果。其步骤如下:步骤 1:利用 Simulink 软件中的 PID 控制器相关组件，搭建 PID 控制器。步骤 2:根 据 所 设 计 的 模 糊 规 则 打 开MATLAB 中 FUZZY 进行模糊规则语句的编写与模糊控制器的搭建。步骤 3:对 e 和 ec 分别设置阈值，根据e 和 ec 数据的特点将整个控制过程分成三段，图 4模糊控制规则分别为启动段、运行段、停机段。启动段的特点是 e 不大，但是 ec 为正向最大值，这时候利用模糊控制器的快速性，降低 ec，使系统尽快达到稳态;停机段 e 不大，但是 ec 为正负向最大值，这时候利用模糊控制器的快速性，提高ec，使系统平稳停机。步骤 4:运行段的特点是 e 和 ec 都比较稳定，这时候利用 PID 控制器的准确性，调整 PID参数 Kp，Kp，Kd，使控制器输出尽快达到稳态输出。步骤 5:观察仿真结果，通过微调步骤 3 和4 中的参数得出最佳的控制效果，生成相应的控制规则。4实验及结果分析将设计出的控制器用于智能气囊系统，运行振动筛，开展了 8 h 的实验，与传统的刚性弹簧进行了对比实验(图 5)。图 5振动筛实验现场运行共振值数据统计特性见表 1、表 2。542023 年第 2 期叶光森，等:基于模糊 PID 控制算法的振动筛智能气囊系统的设计及应用表 12204 号原煤分级香蕉筛刚性弹簧检测数据检测设备采集环境位置(距弹簧)刚性弹簧共振值/(mms1)启机过程空载运行带煤运行停机过程智能气囊共振值/(mms1)启机过程空载运行带煤运行停机过程1 号弹簧垂直 0.5 m 处6.53.96.45.82.10.62.31.9垂直 1 m 处4.72.84.53.70.60.22.00.52 号弹簧垂直 0.5 m 处4.33.14.13.91.50.32.01.3垂直 1 m 处2.61.72.52.10.30.10.30.33 号弹簧垂直 0.5 m 处3.92.53.73.41.20.21.31.0垂直 1 m 处2.41.12.42.10.50.11.00.34 号弹簧垂直 0.5 m 处3.42.03.23.00.60.20.70.4垂直 1 m 处1.61.01.71.60.10.10.20.1表 22205 号原煤分级香蕉筛刚性弹簧检测数据检测设备采集环境位置(距弹簧)刚性弹簧共振值/(mms1)启机过程空载运行带煤运行停机过程智能气囊共振值/(mms1)启机过程空载运行带煤运行停机过程1 号弹簧垂直 0.5 m 处5.12.64.94.82.50.62.82.3垂直 1 m 处3.01.12.82.51.30.41.51.12 号弹簧垂直 0.5 m 处4.62.44.54.30.90.81.10.8垂直 1 m 处2.51.02.31.80.20.20.40.23 号弹簧垂直 0.5 m 处3.72.13.53.41.10.21.50.9垂直 1 m 处2.41.12.41.70.30.20.80.34 号弹簧垂直 0.5 m 处3.11.32.82.60.60.21.00.7垂直 1 m 处1.71.02.01.60.10.10.40.1从表 1 和表 2 的统计数据可以看出，应用智能气囊系统之后，大大降低了生产过程中物料对振动筛的冲击，振动筛的运行振动值降低了一半以上，效果显著。5结语将设计的基于模糊 PID 的控制算法应用于新型空气弹簧智能气囊系统，并将该系统应用在振动筛试验中。试验结果表明，该智能气囊系统能够大幅度降低振动筛的运行共振值，减小生产过程中物料对振动筛的冲击，另外，增加了气压超限保护功能，保护振动筛安全可靠运行。参考文献 1赵亚敏，崔俊宁，邹丽敏，等 约束膜式空气弹簧的刚度建模与分析 J 振动与冲击，2022，41(1):6067 2徐伟，何琳，施亮 气囊隔振装置对中扰动控制研究 J 振动与冲击，2011，30(1):610 3陈英华，崔哲，郭永春，等 选煤柔性空气室跳汰机气囊有限元分析 J 选煤技术，2021(4):712 4成小霞，李宝仁，杨钢，等 囊式空气弹簧载荷建模与实验研究 J 振动与冲击，2014，33(17):8084 5李维翔 供氧型安全气囊在煤矿突出事故中的应用研究 D 贵州:贵州大学，2020 6王汉刚，帅长庚，郭伟，等 气囊隔振器垂向阻抗及其传递特性研究 J 噪声与振动控制，2010，30(6):192194 7罗杰，李岩，司呈鑫 煤样清洗模糊 PID 的控制系统设计 J 煤