基于模糊免疫PID的煤礦超高水充填料漿控制

王桂梅，宗巖

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲056038)

超高水充填采煤法要求充填料漿中A料(添加AA小料)與B料(添加BB小料)的配比為嚴(yán)格的1:1。目前超高水充填站只對(duì)A/B料漿的流量進(jìn)行檢測(cè)與控制，但對(duì)料漿的濃度沒(méi)有監(jiān)控。當(dāng)由于稱重與計(jì)量誤差產(chǎn)生料漿濃度變化時(shí)，會(huì)對(duì)充填效果產(chǎn)生不利影響。本文在充填管路上加裝料漿濃度傳感器并采用一種新型的模糊免疫非線性PID控制算法來(lái)控制料漿濃度，使得物料配比更加精細(xì)，充填效果更加良好。

1 超高水充填站工藝分析

如圖1所示，在超高水充填工藝中，首先A/B料、AA/BB料與水經(jīng)各自的稱量斗稱重之后添加至攪拌機(jī)攪拌，然后將攪拌后的成品料漿存儲(chǔ)在緩沖斗中，緩沖斗中的料漿經(jīng)過(guò)充填管路自流至井下充填工作面［1］。由于物料在存儲(chǔ)過(guò)程中干濕情況不同，在稱重過(guò)程中由于螺旋給料機(jī)、水泵、卸料蝶閥的響應(yīng)速度不同，都會(huì)造成物料配比的偏差。其偏差往往是隨機(jī)不確定的［2］。

我們?cè)贏料漿與B料漿的兩條輸送管路上都安裝超聲波料漿濃度計(jì)，安裝位置如圖2所示，其可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)0.2%至60%的污泥和懸浮物濃度的變化并實(shí)現(xiàn)相關(guān)工藝過(guò)程自動(dòng)控制［3］。此料漿濃度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的4～20 mA電流輸出，可以用于遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制。

2 優(yōu)化控制理論

免疫系統(tǒng)是一種在不確定性環(huán)境和大量干擾時(shí)具有很強(qiáng)自適應(yīng)性和魯棒性的系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)體內(nèi)有抗原性異物進(jìn)入，機(jī)體能快速識(shí)別“非己”和“自己”，并發(fā)生一系列的機(jī)體反應(yīng)以排除抗原性的非己物質(zhì)［4－6］，如圖3所示。本文借鑒生物免疫反饋?lái)憫?yīng)過(guò)程的調(diào)節(jié)作用并結(jié)合模糊控制和常規(guī)PID控制的優(yōu)點(diǎn)提出了一種新型的模糊免疫PID控制算法，將其應(yīng)用于超高水充填A(yù)/B料漿控制系統(tǒng)［7－8］。

定義在第k代的抗原數(shù)目為ε(k)，由抗原刺激的TH細(xì)胞的輸出為TH(k)，Ts細(xì)胞對(duì)B細(xì)胞的影響為Ts(k)，則B細(xì)胞接收的總刺激為

式中TH(k)=k1ε(k);Ts(k)=k2f［ΔS(k)］ε;f［·］是一個(gè)選定的非線性函數(shù)。對(duì)于控制系統(tǒng)若將抗體的數(shù)量ε(k)作為偏差，B細(xì)胞接收的總刺激S(k)作為控制器輸出μ(k)，則有以下反饋控制規(guī)律

顯然，構(gòu)成了一個(gè)參數(shù)可調(diào)的比例調(diào)節(jié)器。

3 優(yōu)化方法與實(shí)現(xiàn)

在初次攪拌放漿時(shí)，設(shè)A/B料漿濃度的抗體群數(shù)目為一個(gè)在解空間Ω中的隨機(jī)參數(shù)［9］。A料漿濃度的抗體的基因?yàn)锳b=(KAP，KAi，KAd)，B料漿濃度的抗體基因?yàn)锽b=(KBP，KBi，KBd);A/B料漿濃度的抗體滿足

式中DAOi－A料漿濃度設(shè)定輸出;IAOi－A料漿濃度實(shí)際輸出;DBOi－B料漿濃度設(shè)定輸出;IBOi－B料漿濃度實(shí)際輸出。

3.1 抗原

A/B料漿濃度的抗原分別為

3.2 親和力和相似度

設(shè)定A料漿濃度的抗原與抗體親和力為(QAf)，B料漿濃度的抗原與抗體親和力(QBf)

式中k－敏感度因子。

3.3 引入模糊控制器

A/B料漿濃度的設(shè)定輸出值DAOi，DBOi與A料，B料的稱重值之間相關(guān)。為了保持控制穩(wěn)定，對(duì)A/B料的稱重值進(jìn)行正“P”和負(fù)“N”模糊集化［10－11］，如圖 4 所示。

3.4 實(shí)際測(cè)量與研究

觀測(cè)運(yùn)用PID控制算法超高水充填料漿控制系統(tǒng)中A/B料漿管路中料漿的濃度變化對(duì)比，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 PID控制料漿濃度檢測(cè)Tab.1 PID control slurry concentration detection

用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖5所示。

表1顯示，放漿初期A/B料漿濃度差為11%，在攪拌8次后A/B料漿濃度差為0%，由圖5PID控制料漿濃度擬合圖得出調(diào)節(jié)過(guò)程中A/B料漿曲線多次交叉、振蕩幅度較大、調(diào)節(jié)速度較慢、穩(wěn)定性差。

觀測(cè)運(yùn)用模糊免疫PID控制算法超高水充填料漿控制系統(tǒng)中A/B料漿管路中料漿的濃度變化對(duì)比，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2模糊免疫PID控制算法料漿濃度檢測(cè)Tab.2 The slurry concentration detection of fuzzy immune PID control algorithm

用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖6所示。

表2顯示，放漿初期 A/B料漿濃度差為11%，在攪拌4次后A/B料漿濃度差為0%，由圖6模擬免疫PID控制算法料漿濃度擬合圖得出調(diào)節(jié)過(guò)程中A/B料漿曲線交叉次數(shù)較少、振蕩幅度小、調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)定性高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出的濃度控制方法并結(jié)合超聲波料漿濃度計(jì)保障了超高水充填中A/B料漿可以嚴(yán)格為1:1，從而大大提高了充填效果與穩(wěn)定性。在控制方法上選用模糊免疫PID控制算法顯著優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，模糊免疫PID控制算法響應(yīng)更快、振蕩幅度更小、調(diào)節(jié)速度更快、穩(wěn)定性更高。

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