大洋富钴结壳开采控制系统的参数模糊自整定PID设计.pdf

I S S N l o o 52 7 6 3 C N 4 31 2 1 5 ／ T D 矿业研 究与开发 第 2 6卷 第4期 MI NI NG R D，Vo 1 ． 2 6， No ． 4 2 0 0 6年 8月 Au g ． 2 0 0 6 大 洋 富 钴 结 壳 开 采 控 制 系 统 的 参 数 模 糊 自整 定 P I D设 计 李爱强， 何清华 ， 邹湘伏 中南大学 机电工程学院智 能机械研究所 ， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘要 设计了一套能够适应大洋富钴结壳微地形的采矿机 构的控制 系统， 该系统由液压单元、 地貌探测和处理单元、 通 讯单元、 控制和显示单元以及数据存储单元等组成。并针对 该控制系统进行 了参数模糊 自整定 P I D设计。仿真结果表 明， 与常规数字 P I D控制器相比， 参数模糊 自整定 P I D控制 器阶跃响应超调量、 调节时问明显减少， 具有较好 的动静态 特性 ， 表现出较强的 自适应能力。 关键词 深海采矿 ； 富钴结壳； 控制系统； 模糊 自整定 P I D控 制 器 中图分类 号 T P 2 7 3 ． 4， T D 8 0 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 52 7 6 3 2 0 0 6 0 4 0 0 5 5 0 3 D e s i g n o f P a r a me t e rF u z z y S e l f a d j u s t i n gP I D Co n t r o l l e r of t h e Co n t r o l S y s t e m f o r Oc e a n Co b a l t Ri c h Cr u s t s Ex p l o i t a t i o n L ／ A i q i a n g， H e Q i n g h u a ， Z o u X i a n g ] u I n t e l l i g e n t m e c h a n i c a l I n s t i t u t e ； C o l l e g e o f m e c h a n i c al an d E l e c t r o n i c En g i n e e r i n g，C e n t r al S o u t h Un i v e r s i t y ， C h ang s h a ，H u n a n 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a c o n t r o l s y s t e m of a mi n i n g d e v i c e ， wh i c h c a n a d a p t t o t h e t i n y t e r r a i n of o c e a n c o b alt ric h c r u s t s ，i s d e s i g n e d ．T h e c o n t r o l s y s t e m c o n s i s t s of fi v e u n i t s h y d r a u l i c u n i t ，t e r r a i n d e t e c t i n g un i t ， c o mmu nic a t i o n u nit ，c o n t ml a n d d i s p l a y u nit ，a n d d a t a s t o r a g e u n i t ． A p a r a me t e r f u z z y s e l f a d j u s t i n g P I D c o n t r o l l e r f o r t h e c o n t ml s y s t e m i s als o s t u d i e d ．S i mu l a t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e o v e rsh o o t a n d s e t t i n g t i me of s t e p r e s p o n s e o f p ar a m e t e r f u z zy s e l f a d j u s t i n g P I D c o n t r o ll e r a r e o b v i o u s l y l o w e r t h a n t h a t o f t h e n o r mal d i st al P I D c o n t r o l l e r ，an d i t i s of b e t t e r d y n a mi c an d s t a t i c p r o p e r t i e s an d s t r o n g s e l f a p p r o a c h i n g a b i l i t y ． Ke y W o r d s D e e p s e a Mi n i n g ， C o b altric h c r u s t s ，C o n t r o l s y s t e m， F u z zy S e l f a d j u s t i n g P I D c o n t r o ll e r 大洋富钴结壳厚度和其表层微地形 a m级 变 化较大。日 本的 Y a m a z a k i 等通过对中太平洋的海 山拍摄立体照片、 视频数据处理、 图像分析等得出 在 3 m x 4 m的观察范围内， 其微地表起伏从几厘米 到几米不等 J 。美国 J o h n s o n - 2 等人将富钴结壳微 地形 分为 6类 ， J o h n P ．L a t i me r 认 为只有类型 A 微地形起伏平均不超过 5 0 a m 与类型 F 微地形 平均起伏小于 5 c m 是 目前可采的类型。中国大洋 矿产资源研究开发协会在中太平洋海山区进行 的多 波速全覆盖地形测量结果表 明， 富钴结壳厚度和微 地形随采样 区域变化较 大- 4 J 。因此设计一套 能够 适应富钴结壳厚度和微地形的机构及其控制系统是 开采富钴结壳的关键。 1 富钴结壳开采控制系统简介 富钴结壳开采控制系统的主要控制对象之一为 滚筒式采矿头， 如图 1 所示。控制系统包括 液压系 统单元 、 地貌探测 和处理单 元、 通讯单元、 控制和显 示单元以及数据存储单元。系统组成如图2 所示。 图 1 滚筒式采矿头 图2 富钴结壳开采控制系统 收稿 日期 2 0 0 5 0 9 0 2 基金项 目 中国大洋矿产资源研究开发协会深海项 目 D Y1 0 5 0 3一 o 2 ； 国家 自然科学基金项 目 5 0 3 7 4 0 7 1 ． 作者简介 李爱强 1 9 8 0一 ， 男， 山东菏泽人， 硕士， 研究方向为机电液集成与控制技术． 维普资讯 5 6 矿 业 研 究 与 开 发 液压 系统单元包括液压泵 、 电液比例阀、 直线位 移油缸和偏 摆油缸 马达 以及位移 、 角度传感 器 等。液压单元和控制单元组合构成电液比例控制系 统 。地貌探测和处理单元由一系列的超声波探测器 和一专用处理器构成； 超声波探测器扫描滚筒采矿 头前方一定范围内富钴结壳的微地貌， 并将数据传 输到处理器， 处理器绘出富钴结壳厚度剖面图和微 地貌 ， 以确定采矿头的最佳切削位姿 ， 然后将切削位 姿数据传给控制器， 控制器执行相应的调节动作。 通讯单元包括控制器和显示器之间的 C A N通讯 、 微 地貌探测信号与显示器之间的串口通讯 R S 4 8 5转 R S 2 3 2 以及数据存储需要的 R S 2 3 2通讯。数据存 储由专用的数据存储记录软件 还可 以进行在线故 障诊断等 实现。 2 基于模糊控制的参数 自整定 P I D设计 本控制 系统的执行元件多为液压元件 ， 由其组 成的液压系统具有非线性、 时变不确定性， 如果直接 应用数字 P I D控制效果将不太理想 。而模糊控制不 需建立精确的数学模型 ， 对于外界环境的变化不敏 感 ， 具有结构简单 、 容易学习、 适应性强 、 易于用微处 理器实现、 可靠性高等特点 ， 因此广泛应用于过程控 制 、 家电以及汽车和交通领域等。结合本控制系统 的特点 ， 设计了一种基于模糊控制 的参数模糊 自整 定 P I D控制器 ， 以利用模糊控制规则在线对 P I D参 数进行修改， 提高其动静态特性。图 3为大洋富钴 结壳开采控制系统参数模糊 自整定 P I D控制器的结 构图。 ． 图3 参数模糊 自整定 P I D控制器方框图 2 ． 1 清晰量模糊化 控制系统选定为双输人三输出的模糊控制器， 输入语言变量为位移的偏差 e及其变化率 e c ； 输出 语言变量为 P I D控制器 的参数 、 和 。 偏差e 的 基本论域为[ 一 5 m m， 5 m m ] ， 选定其离散论域为{ _ 6 ，一 5， ⋯， 0， 1 ， ⋯5 ， 6} ， 得 e 的量化因子 k 。6 ／ 5 1 ． 2 ； 其语言值选取为 N S ， N M， N B， Z， P S ， 肼和 P B 。 设偏差变化率的基本论域为[ 一5 ， 5 ] ， 选定其离 散论域为 { 一6 ，一5 ， ⋯ ， 0 ， l ， ⋯5 ， 6 } ， 得 e c 的量化因 子 k 6 ／ 51 ． 2 ； 其语言值选取为 N S ， N M， N B， z，P S ， P 和 P B。 同理 ， 设 K、 和 的基本论域 分别为[ 一3 O ， 3 O ] 、 [ 一1 ． 2 ， 1 ． 2 ] 、 [ 一3 ， 3 ] ， 离散论 域为{ 一6 ， 一5 ， ⋯， 0 ， 1 ， ⋯5 ， 6 } ， 其语言值选取为 N S ， N M， N B， Z， P S ， P 和 P B。 图4从左至右分别 为 e 、 e c 、 K 的隶属函数图， 根据隶属 函数图可以建立 语言变量的赋值表。 图4 偏差 P 、 偏差变化率P c 、 的隶属函数图 2 ． 2 模糊控制规则的确定 根据专家的经验和P I D自 整定方法确定模糊控 制规则。表 I 一表 3为 P I D参数 Ak Ak 和 Ak 的 模糊控制规则表。 2 ． 3 模糊控制表的生成 选用合 成推理 的查表 法获取模 糊控制 表⋯ 。 模糊控制规则表 2 包含的每一条模糊条件语言都决 定一个模糊关系， 分别记为 、 ⋯、 、 ∞。其中 R [ 』 7、 7 ￡ c ] N M ； 表 1 Ak p的模糊规则表 EC NB PM P B P B PM P S Z Z NM PM P B P B P S P S Z NS N S P M P M PM P S Z NS NS P S PM PM PM PM NS NM NM P M P S PM PM P B NM NM NB P B PM PB PB PB NM NB NB NS NM NB Z PS PM PB R [ M ⅣS c ] M △ ； E z z № 维普资讯 李爱强， 等 大洋富钴结壳开采控制系统的参数模糊 自整定 P I D设计 5 7 R [ P B P B c ] P B 表2 Ak 的模糊规则表 控制规则总的模糊关系为 R R】V R 2 V ⋯ V 尺4 q 又已知输入模糊量 E 、 E c ， l ， 2 ⋯1 3 ， 通过模 糊合成运算即可求得模糊输出量 C C A 。 B o 尺 然后以重心法进行清晰化计算， 可得到精确的输出值。 3 仿真分析 被控对象传递函数为 卜 1 0 O 0 4 s 1 s ． 取零阶保持器传递函数 f s 、 S 取位移传感器增益 0 ． 0 4 m A ／ m m， 采样时 间 T0 ． 0 3 s ， 得系统广义对象的z传递函数 H G z Z [ H s G s ] 0 ． 0 8 5z 一 0． 01 8 z 一 0． 0 0 6 4 z 一 3 ． 0 1 0- 4 Z - 4 l 1 ． 0 6 z 0．1 0 3 z 一 一 0 ． 0 48 z 一 2 ． 6 4 1 0一 z一 所以离散系统的差分方程为 Y k 1 ． 0 6 y k1 一0 ． 1 0 3 y k一2 0 ． 0 4 8 y k一3 一2 ． 64 1 0 一 Y k一 4 0 ． 0 8 5 u k1 0 ． 0 1 8 u k一2 0 ． 0 0 6 4 u k一3 3 ． 01 0 一 “ k一4 常规 P I D参数取 5 0 ， K i0 ． 8 ， K d3。最后 绘出常规 P I D和模糊 自整定 P I D的阶跃响应曲线分 别如图7所示。 图7 常规 P I D和模糊 自整定 P I D的阶跃响应曲线 4 结 论 本文针对大洋富钴结壳开采控制系统进行了基 于模糊理论 的参数 自整定 P I D控制器设计 ， 仿真结 果表明 ， 与常规数字 P I D控制器相 比， 参数 自整定 P I D控制器超调量 、 调节时间明显减少 ， 具有较好的 动静态特性 ， 表现出较强的 自适应能力。 参考文献 [ 1 ] Y a m a z k i T ， S h a r m a R， T s u ms i K ． M i c rc to pog r a p h i c A n a l y s i s o f Co b a l t r i c h Ma n g a ne s e De p o s i t s o n a Mi d P a c i f i c S e a mo u n t [ J ] ．M a r i n e G L r e o u r c e s ＆G e o t e c h n o l o g y ， 1 9 9 4 ， 1 2 1 ． [ 2 ] J o h n s o n C J ， C l a r k A L ， O t t o ， e t a1． R e so u rc e A s s e s s m e n t o f C o b a h Ri c h F e r rcma n g a n e s e C r u s t s i n t h e Ha w a i i a n A rc h i p e l a g o [ R] ． H o n o l u l u H a w a i i R e s o u r c e S y s t e m s I n s t i t u t e ， E a s t w e s t Ce n t e r ， 1 9 8 5． [ 3 ] J o h n P L a t i m e r ， R a y m o n d K a u f m an．P r e l im i n a r y C o n s i d e r a ti o n s f o r t h e Desi g n o f Co b alt Cr u s t Mi n i n g S y s t e ms i n t h e U． S ．EE Z [ J ] ． O c e a n s N e w Y o r k ， 1 9 8 5 3 7 8 3 9 9 ． [ 4 ] 中国大洋矿产 资源勘察 一D Y 1 0 51 1航次现场总结报告 [ R ] ． 北京 中国大洋矿产资源研究开发协会， 2 0 0 0 ． [ 5 ] 郑江， 陈柏金． 电液比例位置控制系统的参数 自整定 F u z z y P I 控制 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 3 ， 5 3 3 ～ 3 5 ． [ 6 ] 吴振顺， 姚建均， 岳东海． 模糊 自整定 P I D控制器的设计及 其应用[ J ] ．哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 6 1 1 ． [ 7 ] 宋胜利， 左敦稳， 等．P I D参数模糊 自调整技术的应用研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 ， 1 1 5 7～ 1 5 9 ． [ 8 ] K w o k D P ， T a m P ， e t a1． A n a l y s i s a n d d e s i gn o f f u z z y P I D c o n tr o l s y s t e m s [ J ] ． I n t e rn a t i o n al C o n f e r e n c e o n C o n t r o l ， I E E E ， 1 9 9 1 ． [ 9 ]H u i Wang ， J u an L u ， e t a1 ． P WM p r e d i c t i v e c u r r e n t c o n t r o l s t r a t e g y b ase d o n s e l f a d a p t i v e i n t e l l i g e n t fu z z y P I D c o n t r o l l e r [ A] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 5 t h Wo r l d Co n g r e s s o n I n t e l l i g e n t Co n t r o l an d A u t o m a t i o n [ C ] ．I E E E ， 2 0 0 4 2 5 7 5 ～ 2 5 7 8 ． [ 1 O ] 张建民， 王涛， 等． 智能控制原理及应用[ M] ． 北京 冶金工 业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 1 1 ] 潘新民， 王燕芳． 微型计算机控制技术[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 1 ． 维普资讯