深海集矿机的模糊控制系统

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1、深海集矿机的模糊控制系统 3 王爱武 (长沙矿山研究院, 湖南 长沙 410012) 摘 要:深海集矿机在采矿工作中,多因素扰动使集矿机偏离预定的行走线路。这些扰动量对 于集矿机来讲具有非线性、 时变随机性,传统的控制方式无法建立精确的数学函数来真实地描 述集矿机的变化过程。利用模糊控制系统无须建立被控对象的数学模型,只需解被控对象的 输入量对输出量产生什么样的影响,模仿人的思维和经验,用人的语言(模糊控制规了则) 建立了深海集矿机模糊控制系统,最终使集矿机始终保持正确的采矿路线。 关键词:集矿机;模糊控制;隶属函数;模糊推理 集矿机是工作在6000 m深海底的采矿设备,其 在按照预定路线采掘

2、矿石的工作中,会受到海底地 质条件变化、 海流冲击、 输送管道和电缆线的拉动等 诸多因素影响而偏离预定的行走线路。对于已知的 影响因素,可以采取各种措施加以消除,但来自海底 采集区域的接地比压、 表面软硬度、 平滑度等地质情 况无法预知。由于集矿机两条驱动履带相距5 m, 如果其中一条履带的地质状态突变,就会打破集矿 机原有的平衡状态,使前进方向出现误差。这些扰 动量对于集矿机这一被控对象来讲具有非线性、 时 变随机性和不确定性。在这种情况下,通常的控制 理论,如经典的调解原理与现代控制理论都无法对 其实施有效的控制,基于模糊集理论的模糊控制,完 全模仿人的思维和经验,无须了解被控对象的数学

3、模型,只需了解被控对象的输入量对输出量产生什 么样的影响,用人的语言(模糊控制规则)来控制复 杂的对象。因此,对深海集矿机这样的采掘过程控 制采用模糊控制是十分必要和恰当的。 1 深海集矿机模糊控制系统结构 集矿机由两条履带驱动,左右履带的间隔约5 m,其工作方式是在海底按规定的采集路线,以01 m /s的速度,边直线行走边采矿。需要调整方向时, 依靠改变左右履带的速度差来实现。 当集矿机在采矿过程中受扰动影响出现误差 时,集矿机模糊控制系统会根据具体的环境情况,利 用传感器把集矿机行驶状态的物理变量信息检测出 来并进行离散化分段评估计算,使其模糊化;再根据 专家的知识和操作经验模仿人的语言制

4、定出模糊规 则进行推理;根据所激活的规则进行解模糊判决,以 决定最适当的方式调整集矿机左右履带速度,最终 使集矿机始终保持正确的采矿路线。集矿机模糊控 制系统结构见图1。 图1 集矿机模糊控制系统结构 2 模糊控制系统变量的确定 在模糊控制器中,凡是对被控对象造成影响的 量都被称为变量,根据输入和输出变量的个数,可确 定模糊控制规则的最大数目N: N=nout (n levbel) n in (1) 这里nin是输入变量的个数, nout是输出变量的 个数, nlevbel是输入与输出模糊划分的数目。 影响集矿机方向的因素很多,但不能把所有的 ISS N 1671 - 2900 CN 43 -

5、 1347/T D 采矿技术 第9卷 第3期 Mining Technology, Vol . 9,No. 3 2009年5月 May 2009 3基金项目:国家“ 十五” 攻关项目(DY105 - 03 - 02 - 06). 影响因素都检测出来,由(1)式可知,输入变量与输 出变量交集的多少将对模糊控制器造成影响。太多 会使系统软件推理空间不足和计算繁复影响响应速 度,太少会漏掉影响因素而使系统控制品质欠佳。 经分析,只要抓住本质,两个输入变量和一个输 出变量就可以很完整地描述集矿机这一被控对象的 特征。 (1)方向偏差输入变量。被控制量的测量值与 期望值的偏差X作为一个输入变量: X=-

6、0(2) 式中,期望值 即集矿机在采矿过程中给定的航向 角;实际的航向角 0,由高精度罗经传感器实时检 测出来。根据实际使用情况,确定X为- 5, +5间的连续变化量。 (2)集矿机姿态过程状态输入变量(地质变 化)。海底地质变化是影响集矿机方向的主要因 素。但由于地质情况的多变性,如岩石的软硬度变 化、 一侧或两侧出现压陷,或出现较高岩石等,似乎 难于检测,但根据实际情况分析可知,对集矿机方向 造成影响的是当单侧突然出现硬度变化、 坑陷、 突起 时,会引起履带单侧下陷或上翘,从而破坏整机的原 有平衡状态,引起方向误差,而当双侧同时上坡或下 坡时,对航向并无影响。这样可以采用姿态传感器 测量出

7、水平倾斜角,用Y代表另一个输入变量来表 示地质变化的情况。Y为- 20,+ 20间的连续 变化量。 (3)输出变量。集矿机方向控制是靠调节两侧 履带的速度来实现方向的调整,因此集矿机的履带 速度为输出变量,用U来表示, U为- 1 m /s, + 1 m /s间的连续变化量。对输入、 输出变量做一个规 定,负代表左,正代表右,这样规定的目的是为了减 少输入输出变量的个数。 3 集矿机模糊控制系统精确变量的模糊化 输入变量的来源是通过传感器把集矿机的状态 物理量变成连续的数字电量,需转换成离散的模糊 控制器可以理解并操作的模糊集合论域0, 1 的隶 属函数。两个输入变量和一个输出变量,集矿机输

8、出速度,方向误差,水平姿态,其隶属函数均采用三 角形函数,分7个等级: NB (负大)、NM (负中) NS (负小)、 ZE( 正零)、 PS ( 正小)、PM (正中)、 PB ( 正 大 ) , 见图2 图4。 图2 集矿机输出速度模糊状态变量的隶属函数 图3 集矿机方向误差模糊状态变量的隶属函数 图4 集矿机水平姿态模糊状态变量的隶属函数 4 集矿机模糊控制系统的模糊控制规则 在集矿机工作过程中,根据熟练的集矿机操作 员的经验,用模糊表达语言可定出如下模糊控制 规则: (1)当集矿机前进方向出现向左大角度偏转, 那么较大地调整集矿机两履带的速度差,使其向右 偏转,回至原方向。 (2)当

9、集矿机前进方向出现向左中角度偏差, 那么中等地调整集矿机两履带的速度差,使其向右 偏转,回至原方向。 (3)当集矿机前进方向出现向左小角度偏差, 那么较小地调整集矿机两履带的速度差,使其向右 偏转,回至原方向。 (4)当集矿机左履带出现下陷,集矿机姿态水 平角大幅度向下倾斜,那么较大幅度地预调整集矿 机两履带的速度差,使其回至原方向。 (5)当集矿机左履带出现下陷,集矿机姿态水 平角中幅度向下倾斜,那么中等幅度地预调整集矿 机两履带的速度差,使其回至原方向。 (6)当集矿机左履带出现下陷,集矿机姿态水 平角小幅度向下倾斜,那么较小幅度地预调整集矿 机两履带的速度差,使其回至原方向。 (7)当集

10、矿机按正常方向行驶,没有出现偏差 等影响时,那么不必调整,保持现状。 (8)如果左履带下陷偏大,集矿机方向左偏且 大,那么加大向右转。 (9)如果左履带下陷偏中,且集矿机方向左偏 38 王爱武: 深海集矿机的模糊控制系统 且中度,那么中度右转纠偏。 (10)如果左履带下陷偏小,且集矿机方向偏转 为0,那么只略加向右转一点,预先纠偏。 为了使模糊控制系统能读懂这些规则,并存入 计算机,还须对它们进行形式化数学处理,其规则转 换成计算机条件语句。如规则8转换成: if X =NB AND Y =NB Then U =NB 5 集矿机模糊控制系统的模糊推理 模糊控制系统的模糊推理过程就是根据制定的

11、模糊控制规则,确定用状态估计模糊控制推理方法 进行模糊推理,并得到模糊输出量,及模糊输出隶属 函数。 5. 1 各个推理规则前件模糊状态的计算 第i号规则中第j个参量在连续变化时,其模糊 集合可表示为: Mij= vM ij(x) /x (3) 若在t时刻输入状态为x ( t) ,其隶属度为: Mij= vM ij(x ( t) ) (4) 若有j个不同参量(如倾角、 方向差等 ) , 根据所 测不同参量的输入值,求出第i号规则前件中各个 不同参量的隶属度mi1, mi2, mik后,对它们取逻 辑积 (即取小运算min ) , 分别得到各个模糊推理 规则前件的隶属度ri,即: ri=mi1m

12、i2mik=min j=1, k (m ij) (5) 5. 2 各个推理规则后件模糊输出的计算 用求得的各个模糊推理规则前件的隶属度ri与 后件的隶属函数相乘,得到加权后的后件模糊输出。 用这些模糊控制规则进行推理以得到输出与输 入之间的关系,把其关系用曲面的形式(见图 5) 描 记出来,这个曲面就反映了输入与输出之间的非线 性关系。 6 集矿机精确输出量的解模糊判决 模糊输出是不能直接去控制执行机构的,所以 还必须采用最大隶属度平均法对模糊输出进行解模 糊处理。在输出是离散值集合的情况下,控制作用 mij可以用下式表示: 图5 状态估计模糊控制输入与输出的关系曲面 mij= l j=1 W

13、 j L (6) 式中:W j是隶属函数达到最大值z(W j)的那些输出 值, L是这些输出值的个数。 用这种解模糊判决方法计算出此时输出给集矿 机实现纠偏的精确输出量。 7 集矿机模糊控制系统应用效果 利用计算机对集矿机方向模糊控制系统进行了 仿真计算,为了比较,同时用模糊控制算法与经典的 传递函数算法进行了仿真计算。结果表明,传统的 经典控制系统超调量较大,相同的响应时间条件下, 模糊控制系统显得很平稳。 集矿机模糊控制系统还进行了实验室实验,在 实验室的行驶轨迹表明,模糊控制效果达到了预期 目标。模糊控制首次应用在深海采矿设备中,并无 任何经验可以借鉴,这是一个大胆的尝试。相信今 后模糊

14、控制一定会在复杂控制系统中发挥巨大作 用,在深海采矿领域更是如此。 参考文献: 1 W. Zhang . ServoMotor Force Control . FI DE A pplicationNote 003 - 920814R . Walnut CA:Amptronix Inc. , 1992. 2 James C, Bezdek. Editorial fuzzy models - - - - - - what are they, and why? J . Fuzzy System, 1993, (1). 3 涂时亮,张友德,陈章龙.微机软件设计技术M .北京:科学 技术文献出版社, 1998. 4 王和平,王爱武.自行式海底作业车测控系统研究开发课题研 究报告R .长沙:长沙矿山研究院, 2002. 作者简介:王爱武(1957 - ) ,女,湖南长沙人,高级工程师, 主要从事自动控制系统研究。 (上接第69页) 4李征航,黄劲松. GPS测量与数据处理M .武汉:武汉大学出 版社, 2005. (收稿日期: 2008 - 10 - 15) 作者简介:胡远新(1974 - ) ,男,甘肃武威人,工程师,从事 基础测绘和工程测量工作, Email: hyx2017042163. com。 48 采矿技术 2009, 9(3)