粘性流体的模糊免疫控制策略
带式输送机的软启动装置

谢方伟，侯有富 ，徐志鹏 ，赵睿

摘要： 考虑到液体粘性软启动控制（HVSS）传送带装置的困难，于是模糊免疫控制就出现了。因此设计了一种基于免疫反馈规则和自适应性的模糊免疫PID控制器。利用Matlab软件，我们模拟控制器和HVSS装置与常规相比，比较传统的PID控制器和模糊PID控制器。仿真结果表明，该控制器不仅是非常可靠的PID控制器，鲁棒性和只需要很短的调整时间的模糊控制，但也具有全局优化能力的免疫算法。为了验证我们的理论分析和仿真结果，发展了一个高压软起动装置。实验结果证明了模糊免疫PID控制器管理启动带式输送机轻轻遵循S形曲线而输出速度正确地遵循预设的速度，只有小的速度波动。

关键词：模糊免疫；粘性流体；软启动；控制策略；带式输送机；PID

1 装置介绍

在液压和液压动力出现后，于20世纪70年代介绍了液体粘性传动（HVD），作为第三液体驱动技术。它是基于牛顿的摩擦定律，HVD利用液压粘性或油膜剪切传动功率。液体粘性软启动装置（HVSS）特别适用于皮带输送机、风机、水泵和其他高功率和重型机器，因为理论上它可以传输同步功率：减少操作过程中对机器的破坏并且延长其使用寿命。

目前，HVSS装置的控制部分是比例电液系统。 传统的PID控制在控制策略中比模糊PID控制更经常地应用。 对于常规PID来说，在S形曲线之后实现软启动是非常困难的，因为受外部因素，摩擦片的变形和磨损影响的HVSS装置的控制系统的特征在于非线性，时间变化和大惯性 。 作为思维语言控制器的模糊控制器是鲁棒的，强非线性的并且呈现时间变化。 然而，它很容易陷入局部最优。基于生物免疫系统的反馈原理，我们设计了一个模糊免疫PID控制器，将生物免疫调节机制与常规和模糊PID控制相结合。

2生物免疫反馈原理系统

免疫系统是抵抗生物干扰的身体的防御系统。该系统能够产生相应的抗体作为抵抗外部抗原的防御。 抗原和抗体结合后，一系列反应发生，抗原通过吞噬作用或特殊酶消除。

图1中给出了示意性免疫系统。 如图1所示，由淋巴细胞和抗体分子组成。淋巴细胞的组分是由胸腺产生的T细胞和由骨髓产生的B细胞。 T细胞由辅助T细胞和抑制T细胞组成。 在侵入抗原已经被分布在整个身体中的抗原呈递细胞（例如巨噬细胞）吸收和消化之后，信息被提交到T细胞，然后刺激B细胞。通过它们的B细胞的表面受体接收所有刺激，之后抗原被体内产生的抗体消除。

图1免疫系统

体内的抗原越多，辅助性T细胞和抑制性T细胞越少，导致B细胞越多。 减少抗原数量导致抑制性T细胞数量的增加，而辅助性T细胞的产生被抑制并且B细胞数量减少。 一段时间后，免疫反馈系统达到平衡。 通过稳定的免疫系统完成抑制和主要反馈机制之间的合作，并且免疫反馈机制对抗原侵入快速响应。 对于免疫应答的过程，T细胞的调节作用如表1。

表1免疫系统中T细胞的功能

免疫反应的过程	抗原浓度	抗体浓度	T细胞的功能
抗原侵入	高	低
免疫前期	高	低	促进
免疫后期	低	高	抑制
免疫末期	非常低	高

3 HVSS设备控制系统

HVSS装置的速度控制系统可以通过改变比例电液压阀的输出压力来调节其输出速度，以便调节气缸的位移和摩擦板之间的距离。在图2中描述了HVSS装置的控制系统的典型结构。

图2控制系统结构图

在图2中，是预设速度，是输出速度。HVSS通过摩擦片之间的油膜实现，油膜的厚度可以通过调节比例电液阀的压力来调节。 以这种方式，可以调节系统的输出速度和扭矩。通过根据启动负载的要求设计的控制器完成比例电液压阀的压力调节。 因此，控制器是控制系统的关键部分。

参考文献[1]和[15]中给出的比例电液控制和摩擦片传动的传递函数如下：

== （1）

（2）

其中是比例电液阀（PEHV）的压力输出增量，是PEHV的输入信号增量。是PEHV的放大倍数，=63640。是PEHV的时间常数，=0.15。是输出转速增量，J为负载惯性矩。J=15。是转矩压力的增益，=3.85。是负载系数，=1。是速度和转矩的增益，=0.85。因此，传递函数（1）和（2）等于：

= ， = （3）

4 模糊免疫PID控制器设计

4.1模糊免疫PID控制算法

免疫系统对抗原具有很强的适应能力，尽管它非常复杂[14]。 生物信息系统的智能行为提供了理论参考和建议在科学和项目应用领域的技术方法。 基于这些免疫反馈原则设计PID免疫控制器。假设第k代生成抗原的数目为，由抗原刺激辅助T细胞的输出为，抑制T细胞影响的B细胞的数量为。因此，总的B细胞的刺激如下：

S（k）= （4）

其中，=，)，是刺激因子，是抑制因子。如果抗原数目)被认为是误差e（k）和刺激B细胞作为控制输入u （k），则Delta;S（k）等于Delta;u（k）。则反馈控制规则由以下公式定义：

(k),(k))= (5)

其中是稳定控制效应，K是反应速度，其中K=和f(·)是选定的非线性函数，表示细胞抑制刺激的能力。

实际上，控制器基于免疫反馈原理，是一个非线性P控制器; 其比例系数随控制器的输出而变化，K也是系统的增益。免疫PID控制器的输出具有以下表达式：

u(k)=u（k-1） (k)-e(k-1)) (k) (e(k)-2e(k-1) e(k-2)) (6)

4.2模糊免疫PID控制器

将模糊控制与免疫PID控制组合的控制器的特征在于可靠性，它是稳健的，并且仅需要很短的时间来调整模糊控制。 全球最优化的自身免疫算法的能力，允许HVSS设备的系统快速反应并正确跟踪预期输出。 免疫控制器是基于模糊逻辑推理实现的。 模糊免疫PID控制器的结构图如图3所示。

图3 模糊免疫PID控制器的结构图

比例系数通过模糊免疫算法进行调整。 通过使用模糊控制原理及时修正的因子和可以满足控制参数的各种误差e和误差变化de的条件，结果是受控装置是鲁棒的并且响应快速 。 因此，控制器具有很强的适应能力。

免疫PID控制器的非线性函数f(·)是难以选择的。 为了获得正确的函数f(·)，我们引入了一个基于模糊规则的二维模糊控制器（FC），它可以逼近任何非线性函数：每个输入变量已经被两个模糊集合模糊化，正（P）和负（N）集合，每个输出变量由三个模糊集合，正（P），零（Z）和负（N）集合组成。 FC的输入是免疫控制器的输出u（k）和输出变量Delta;u（k）的模糊日期集合。FC的输出是一个非线性函数f(·)的模糊化。

根据“更多的细胞刺激，更少的抑制能力”和“更少的细胞刺激，更强的抑制能力”的原则，我们引入以下四个模糊规则：

1. 如果u是PB且du是PB，那么f是NB（1）；
2. 如果u是PB且du是NB，那么f是Z（1）；
3. 如果u是NB且du是PB，那么f是Z（1）；
4. 如果u是NB且du是NB，那么f是PB（1）；

每个规则使用“Zadeh”模糊逻辑“AND”运算和“Mamdani”模糊推理; 通过“质心”的去模糊化方法描述模糊控制器的输出f(·)。 输入和输出变量的成员函数如图4所示。

（a） 输入变量u和du

（b）输出变量f(·)

图4 输入和输出变量的成员函数

5模拟和实验

5.1模拟

5.1.1数学模型

用于HVSS装置的控制系统的数学模型可以简化为比例电液和摩擦片的传递函数：

G== (7)

根据该数学模型，以该顺序模拟常规PID控制，模糊PID控制和模糊免疫PID控制。类似于常规PID控制的参数，模糊PID控制的初始值是,

,。输入变量（e，ec）和输出辩论（，，）由｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝这七个模糊子集来描述。I / O变量由三角形描述，S形函数给出模糊逻辑推理规则。 模糊免疫PID控制的参数为K=0.3，=0.8，，。

5.1.2模拟结果

前面提到的三种控制方法是用MATLAB软件模拟的。 使用方波作为输入信号，系统的预期输出应该与输入信号相同。 三种控制方法的响应曲线如图1所示。 其中曲线1代表系统的预期输出，曲线2代表传统的PID控制，曲线3代表模糊PID控制，曲线4代表模糊免疫PID控制。 从图5a可以看出，模糊免疫PID控制的响应速度最快，跟踪能力最好，而传统PID控制的响应速度最差。 模糊PID控制的跟踪能力落在两者之间。

1. 不加干扰情况下

1. 加干扰情况下

图5 三种控制方法的响应曲线

在上述模拟曲线中，在5秒后具有0.5的增加的干扰信号，在图5b中示出。 可以看出，模糊免疫PID控制的特点是波动小，调整时间短，抗干扰能力强。 因此，模糊免疫控制的抗干扰能力是最好的。

5.2 实验

我们开发了HVSS测试床以验证我们的理论分析和模拟。 通过使用PLC软件，我们对常规PID，模糊PID和模糊免疫PID控制进行了实验。 速度传感器的安装位置如图1所示。 图6， 图7示出了三个控制器的输入和输出速度曲线，其基本上开始为S形曲线。 然而，由于流量脉动，负载变化和液压滞后，在测量曲线中存在一些波动和滞后。

图6 速度传感器的安装位置

我们的实验结果表明，模糊免疫PID控制器可以使带式输送机按照S形曲线轻轻启动。 输出速度遵循预设速度，速度波动小，这证明我们的理论分析和模拟是正确的。

1. 传统PID控制

1. 模糊PID控制

1. 模糊免疫PID控制

图7 三个控制器的速度曲线

6 结论

我们设计了一个模糊免疫PID控制器，结合良好的鲁棒性和模糊控制的短调整时间与自己的免疫算法的全局优化。 使用控制器，在带式输送机的HVSS装置上进行模拟和实验研究。 仿真结果表明，控制器的特点是井跟踪性能好，调节时间短，抗干扰能力强。 为了验证我们的理论分析和模拟，开发了HVSS试验台。 实验结果表明，模糊免疫PID控制器可以管理皮带输送机软启动并遵循S形曲线，同时输出速度以小的速度波动正确跟随预设速度。 因此，模糊免疫PID控制器在工业应用中具有相当大的价值。

致谢

作者衷心感谢张永忠教授提供的帮助和宝贵建议。 我们还要感谢徐州五阳公司

参考文献

[1] Wei C G, Zhang J X.采用水力粘度驱动技术，北京：国防工业出版社，1996。(中文版)

[2] Zhang Y D, Zhang Q X.水力粘性传动开始行为的研究。 北京航空航天大学学报，2002，28（5）：578-580。 （中文版）

[3] Hou Y F，Meng Q R.输送带的动态特性。 中国矿业大学学报，2008，18（4）：629-633。

[4] Meng Q R，Hou Y F.输送带水力粘性驱动软启动器的最优模糊控制研究。中国矿业杂志，2007，16（8）：63-65。 （中文版）

[5] Cheng N，Qiu M Y.水振粘性驱动软启动性能研究。 中国机械工程，2005,16（16）：1471-1473。 （中文版）

[6] Meng Q R，Hou Y F.水力粘性软启动带式输送机的机理。 中国矿业大学学报，2008，18（3）：459-564。

[7] Dong H Y.智能控制理论与应用。 北京：中国铁道出版社，2006。(中文版)

[8] Wang B J, Li C H, Xiang Y.电动牵引力模糊控制系统的调速特性模拟。 中国煤炭学报，2007,32（7）：778-780。 （中文版）

[9] Wang X S, Cheng Y H, Sun W. 基于加强学习的自适应PID控制器的建议。 中国矿业大学学报，2007,17（1）：1-5。

全文共10032字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[145842]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word