多皮带机节能群控系统模糊Petri网建模

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传统的皮带运输机启动后电动机恒速运行 ，由于是恒转矩负载，负载功率正比于转速，因此无论物料多少、甚至空载时皮带机都输出相同的功率 ，能源浪费严重。各皮带运输机独立运行 ，手动控制，无法联网，也无法远程监控和管理，出现故障不能及时察觉。各皮带机独立驱动，不能根据各皮带机所运物料的多少自动协同，多段皮带之间没有协同控制。在使用多段皮带运输的应用场所，这种互不联系的传送方式会造成较大的能源浪费。在采用变频调速和远程智能群控相结合的技术对原皮带运输机进行智能化改造的项目中，遇到了多皮带机节能群控系统建模困难的问题，这直接影响了后序的程序编制。采用模糊Petri网作为系统建模工具，较好的解决了问题，为项目的成功实施奠定了基础，发挥了重要作用。

2模糊 Petri网的知识表示2.1 Petri网简介Petri网是离散事件系统理论建模的有效经典工具之-，是20世纪 6O年代由卡尔·A·佩特里发明的，已经成功应用在柔性制造、计算机网络、教育等多个领域。Petri网适合于描述异步并发现象，是对离散并行系统的数学表示，网中每-个节点(个体)可以拥有自己的独立时序，只要条件满足，就可以发生，即个体具有 自发性和自治性。利用 Petri网技术来解决多 Agent系统决策时的冲突也是-个有效的方法。Petri网在知识表示中所表现出的特点非常适合于多皮带机节能群控系统的建模。

2.2模糊 Petri网基本规则模型用七元组 Ⅳ(P，T，，0，r(t)，F(t)，MO(P))来表示模糊 Petri网Il，其中：来稿日期：2012-04-19基金项目：北京市属高等学校人才强教计划资助项目(PHR201107149)；中青年骨干教师资助计划项目(PHR201008318)作者简介：杜明芳，女，江苏，副教授，在读博士研究生，主要研究方向：智能控制、智能机器人；方建军，男，湖北，教授 ，博士，主要研究方向：机器视觉、智能机器人84 杜明芳等：多皮带机节能群控系统模糊 Petri网建模 第2期P是模糊库所的有限集合； 是模糊变迁的有限集合：，是PxT L的-个模糊关系，表示库所结点到变迁结点的连接情况和连接线上的额定输人量i、连接强度 Ol以及输入强度计算函数 S( ，Ot)；0是 TxP上的-个模糊关系，表示变迁结点到库所结点的连接情况和连接线上的额定输出量 o、连接强度口以及托肯增量计算函数R(o，13)；7-( )是定义在变迁集 上的-个值域为正实数的函数 ，表示变迁结点的启动阂值；F( )是定义在变迁集 上的- 个映像 ，称为结点 t的状态转移控制函数；Mo(P)表示库所结点在运行开始时的初始托肯状态，亦称初始标识(2-3]。在基于模糊 Petri网表示的知识处理系统中，使库所 8(i1，2，，n)和 Q代表模糊谓词 ，，J.， ，， 是模糊规则的前提条件，Q是模糊结论。变迁( I，2，，n)代表模糊规则的执行。输入连接强度 ( l，2，，， )代表权系数，∑ 1，反映 在前提中的重要程度。输出连接强度代表规则的确信度，0≤ ≤l。变迁启动阈值 tt( )( 1，2，，n)代表规则的可应用阂值。

模糊规则的基本形式为 ：(O/ × cqxP2 OL xP， )xTxt(t)-Q( )对应的产生式规则表示为：IF尸l( .，T。)and ( ， )andand ( )THEN Q(f1)；对应的模型，如图 1所示。

PQ图 1模糊 Petri网基本规则的模型Fig.1 Model of the Basic Rule of Fuzzy Petri Net其它两种常见规则是：axPxT--Q。( ) Qz(/3：) 八Q (/3， ) (1)对应的产生式规则表示为：IFP(a，T)THENQ )andQ ( )and and Q， ( )；对应的模型，如图 2所示。

OL，xP，xTlXTlVot2xP2xT2xr2( )V VOL， XPoxT， ×-吁， (t)Q(f1) (2)对应的产生式规则表示为：IFPl(Ot。，T.， r.)or ( ， ，tr(t))or ( ，T， )THENQ(f1)；埘应的模 ，如图3所示。

图 2常见规则 1的模型Fig.2 Model of the Common Rule 1P图3常见规则 2的模型Fig.3 Model of the Common Rule 22.3模糊 Petri网的适用性分析模糊 Petri网在六元组描述的基础上增加了变迁结点的启动阈值的概念，这-点非常适合描述皮带机变频节能控制时电机所保持的底速。另外，模糊 Petri网还提供了权系数”和规则的确信度”这两个具有-定灵活度的知识表示方法，这仪常适合于以节能为约束条件的多皮带机系统描述。 此选择模糊 Petri网作为多皮带机节能群空系统的描述工具。在以上常见类型规则的基础上 ，对实际系统的工艺流程进行抽象和简化，就可综合得出具有实际意义的系统模型。

图标说明：∞电动机；D皮带秤； 料斗；△起点和终点处的物料仓图4典型皮带机运输系统Fig.4 A Typical Belt Conveyer Transportation System在运输距离较长、提升高度较大的诚 ，-个皮带运输机-般采用双电机驱动；在运输距离较短、提升高度较小时-般采用单电机驱动即可[41。另外。在采用多皮带机运输物料的系统中，有些诚下各段皮带对应的物料仓中需要运输的物料量大小是随机的，如井下的输煤系统；而有些诚下物料量是人为给定的，可计量也可控制，如焦化厂的自动配煤系统。这两种情况实际上是有本质区别的，在采用Petfi网建模时可采用变迁结点的启动阈值”、权系数”及规则的确信度”取值不同加以约束和区分。在结合实际需求进行系统设计时，重点考虑了以下两个方面：(1)从系统决策层解决多皮带机共存于同-T作任务下接序运输时的协同控制方法。由决策中心根据当前每条皮带的负载情况综合评估、计算出每条皮带的驱动电机的最佳运行转速，最大化减少等待和空载时间，提高皮带运输机群的总体传输效率。

(2)对于单个皮带运输机，用皮带秤对其负载进行实时检测，并将检测值回送给控制器，作为控制器控制变频器进而控制电动机转速的重要依据，实现皮带驱动电动机的转速 自适应调节，即负载大时提高转速，负载小时降低转速，空载时保持在某- 恒定低速”。

No.2Feb.2013 机 械 设计 与 制造 854多皮带机系统的模糊 Petri网模型在分析实际系统工艺流程的基础上 ，为得出 Petri网的模糊控制规则，定义位置元素、变迁元素的符号表示，如表1所示。

表 1多皮带机系统模糊 Petri网符号定义Tab.1 Symbol Definition for the MultipleBelt Conveyers System位置元素符号及含义描述 变迁元素符号及含义描述权系数的取值范围为[0，1]区间上的任意数；规则确信度离散化为 10个等级，值域为：O，0.1.0.2，，1；变迁的启动阈值依实际情况选取，为正实数。

假设现有-个皮带机群工作系统，考虑被其他皮带机约束的情况下 ，其中的任-皮带机可用模糊 Petri网进行描述，如图5所示。(为简洁，输入、输出弧上没有标出全部数值)：P图5群中任-皮带机的模糊 Petri网模型Fig.5 Fuzzy Petri Net Model of a Belt Conveyer in the Group选取其中的几条模糊规则对该 Petri网的语法和语义进行解释。

4.1变频器发生故障时皮带机工频启动皮带机正常运行(P。：)情况下，假如变频器发生故障( )，则应进入准备工频启动(尸4)状态 ，此时若又满足首皮带机启动完毕( )条件，则进入工频启动(P2)状态，对皮带机进行工频启动。相应的模糊逻辑规则表达式为：尸 Pl2xTTxll (1)× 2Xl (2)4.2负荷增大时皮带机提速皮带机正常提速的逻辑表达式为：PsPl2× xl> 3XT(t) (3)其中：， 、f0，当负荷

的取值不仅考虑当前皮带机的提速要求，还要综合考虑前后皮带机的运转情况及物料流的流动均衡度。如果前后皮带机运行速度都较慢且物料流通到此还需要较长时问，则卢 的取值可适当小-些，即提速幅度小些；反之，可大幅提速。如何正确决策出所有皮带机的规则确信度是设计中的难点，也是智能性和节能程度的关键体现处，这需要综合分析物料重量、电机转速等大量数据实时计算得出。

4.3空载时皮带机维持底速运行皮带机维持底速运行的逻辑表达式为：Pl2×Z 1xl (5)表示皮带机空载时，无论其他条件如何，皮带机都将立即降至-个非常慢的所谓底速”并-直运行在此速度上，直到负荷增加执行提速命令。这也是节能的-个重要举措。

根据图5很容易写出所有逻辑表达式，但-些参数的确定是关键，需要综合考虑群体中其他皮带机的运行情况及最终的节能目的。整个系统的决策和计算中心需要获取所有逻辑表达式的值，综合权重后根据重要程度排队，进而对各皮带机发出具有优先级标识的控制指令。

5结束语我国电动机的装备容量超过5.8亿kW，占全国总消耗电能的(60～70)%，但 95%以上的电动机没有采用变频调速，更没有考虑群体协同控制，电动机传送系统的效率比发达国家低 20%。如果对这些系统进行节能开发改造，每年的节电潜力是 500亿 kW.h，到 2020年，可累计节电 1653亿 kW.h，节约电费7800亿元[41。

多皮带机节能群控系统中，各皮带机是并行运行的，相互间靠物料流建立联系，但每条皮带在运输物料时又具有随机性和独立性，-些科研人员曾在基于 Petri网的皮带机建模及 PLC程序设计方面有过探讨 ，但以追求多机协同优化控制进而节约能源为目的系统建模工作至今尚未有人做过。该模型应该是-个能够描述多皮带机节能群控过程的动态工作网络，能够反映网络中各驱动电机被控制的本质逻辑关系。根据系统实施经验，采用变频调速的多皮带机节能群控系统可节电(20～50)%。事实证明所选择的建模方法比较适合这类工艺流程的客观需求，能够为程序编制及系统设计提供强有力的支持，是-种值得推广的方法。