基于Fuzzy-PID算法的礦井局部降溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

梁海龍,趙耀芳

(1.中北大學(xué)(朔州校區(qū)),山西朔州 036000;2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司,山西朔州 036000)

基于Fuzzy-PID算法的礦井局部降溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

梁海龍1,趙耀芳2

(1.中北大學(xué)(朔州校區(qū)),山西朔州 036000;2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司,山西朔州 036000)

礦井高溫是影響生產(chǎn)安全的重要因素之一,針對(duì)礦井內(nèi)部熱量不穩(wěn)定,且控制模型不易得到,設(shè)計(jì)了模糊PID控制器,并用Simulink軟件模擬仿真模糊PID控制器。結(jié)合礦井局部降溫工藝流程,應(yīng)用S7-200PLC加觸摸屏的控制方案,建立結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的控制系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室模擬礦井溫度環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明模糊PID控制器動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)于常規(guī)PID控制器。

礦井局部降溫;模糊PID控制;Simulink仿真

0 引 言

隨著礦井進(jìn)入深部開采,礦井高溫現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,礦井高溫已成為影響生產(chǎn)安全的重要因素之一。礦井熱源有地表季節(jié)性氣溫、低溫,空氣壓縮熱,機(jī)電設(shè)備散熱,圍巖散熱,煤炭和矸石的運(yùn)輸散熱以及氧化散熱[1]等。由于礦井內(nèi)部溫度熱量不穩(wěn)定,且溫度控制系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型不易得到,而模糊控制不需精確的數(shù)學(xué)模型,PID控制控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高[2-3],且根據(jù)我國《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定:“生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過28℃[4]?！币虼?為保證煤礦生產(chǎn)質(zhì)量和工作人員人身安全,本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊自適應(yīng)PID的礦井局部降溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 PID參數(shù)模糊自整定控制器設(shè)計(jì)

在經(jīng)典PID控制中,給定值與測量值進(jìn)行比較,得出偏差e(t),并依據(jù)偏差情況,給出控制作用u (t)。對(duì)連續(xù)時(shí)間類型,PID控制方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為:

式中:t為采樣時(shí)間;KP為控制器的比例增益;TI為控制器的積分時(shí)間常數(shù);TD為控制器的微分時(shí)間常其中:KI為積分系數(shù),KD為微分系數(shù)。數(shù)[2]。

模糊自校正PID控制器將誤差e和誤差變化率ec作為輸入?yún)?shù),其控制規(guī)則為:

If(eis…)and(ecis…)then(ΔKpis…)(ΔKIis…) (ΔKDis…),系統(tǒng)采用的控制方案如圖1所示。

圖1 Fuzzy-PID控制框圖

1.1 輸入輸出變量和相關(guān)參數(shù)及模糊控制規(guī)則

模糊控制是通過模糊邏輯和近似推理方法,讓計(jì)算機(jī)把人的經(jīng)驗(yàn)形式化、模型化,根據(jù)所取得的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理,給出模糊輸出判決,并將其轉(zhuǎn)化為精確量,作為反饋送到被控對(duì)象(或過程)的控制作用[7]。控制器以實(shí)時(shí)溫度的偏差值e和偏差變化率ec作為輸入量,經(jīng)過模糊運(yùn)算,不斷的進(jìn)行PID三個(gè)參數(shù)的整定,最后獲得整個(gè)系統(tǒng)的良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

本文輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)。其它參數(shù)如表1所示。

表1 變量及相關(guān)參數(shù)

在PID控制中,KP、KI、KD三個(gè)控制參數(shù)起著不同的控制作用,這三個(gè)參數(shù)在同一控制系統(tǒng)中必須同時(shí)考慮自己的自身作用及其相互之間的互聯(lián)關(guān)系。KP、KI、KD三參數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間域性能指標(biāo)之間的關(guān)系如表2所示。

表2 PID參數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間域性能指標(biāo)之間的關(guān)系

根據(jù)上述內(nèi)容、相關(guān)控制原理及煤礦局部降溫控制系統(tǒng)的工藝要求,制定出KP、KI、KD的模糊控制規(guī)則如表3所示。

表3 模糊控制規(guī)則表

其中P、N、Z分別為正、負(fù)、零;S、M、B分別為小、中、大。

1.2 調(diào)整PID參數(shù)

根據(jù)溫度反饋值與設(shè)定的值對(duì)比得到溫度偏差和偏差變化率,經(jīng)過模糊推理得到PID三參數(shù)的偏差值,結(jié)合隸屬度、加權(quán)平均法,確定這三個(gè)偏差值的確定值,運(yùn)用下列公式計(jì)算得到三個(gè)參數(shù)調(diào)整后的值

將調(diào)整好后的值送入PID程序中,進(jìn)行PID運(yùn)算,根據(jù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行水泵的控制,實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。

2 使用Simulink對(duì)Fuzzy-PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真

本文使用Matlab的Simulink模塊進(jìn)行模擬仿真,在Simulink中建立如圖2所示的仿真框圖。輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào),溫度設(shè)定初值為25℃;時(shí)間延遲設(shè)定為20 s;初始PID的三個(gè)參數(shù)值設(shè)定為KP= 0.15,KI=0.001,KD=1.7;在FIS編輯器中設(shè)定隸屬度函數(shù)為trimf,變量、量化論域和模糊子集按照表1所示設(shè)置,模糊控制規(guī)則按照表3進(jìn)行設(shè)置;然后輸出到工作空間,最后由文件名完成調(diào)用。仿真結(jié)果與傳統(tǒng)PID控制結(jié)果對(duì)比如圖3、圖4所示。

圖2 Simulink仿真框圖

圖3 常規(guī)PID

圖4 模糊自適應(yīng)PID

從結(jié)果看,Fuzzy-PID的超調(diào)量小,響應(yīng)時(shí)間短,比傳統(tǒng)PID有更好的動(dòng)靜態(tài)性能,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工藝流程及硬件方案

系統(tǒng)采用S7-200PLC結(jié)合觸摸屏的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的搭建。應(yīng)用威綸通MT6100i觸摸屏作為上位機(jī),實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定、相關(guān)PID參數(shù)的手動(dòng)調(diào)節(jié)、溫度和相關(guān)參數(shù)的監(jiān)控以及報(bào)警等功能。用EM231等遠(yuǎn)程模塊和S7-200PLC結(jié)合溫度及壓力等傳感器作為下位機(jī),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度的獲得和水泵等得自動(dòng)控制。

系統(tǒng)控制工藝流程如圖5所示。礦井環(huán)境中的熱量通過蒸發(fā)器被吸收到傳熱介質(zhì)中,傳熱介質(zhì)在壓縮機(jī)中被壓縮,變成高溫高壓介質(zhì),然后在冷凝器中發(fā)生熱交換后變成冷介質(zhì),再次進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行工作,實(shí)現(xiàn)熱量的循環(huán)傳遞。而外界的冷卻水儲(chǔ)在水箱中,在水泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入冷凝器,吸收熱量后,流入水倉中,在泵的驅(qū)動(dòng)下排放到外界,實(shí)現(xiàn)熱量的排放。

圖5 局部降溫工藝流程圖

3.2 軟件系統(tǒng)

通過STEP7編程軟件對(duì)PLC主程序及模糊控制程序進(jìn)行編制、應(yīng)用其自帶的向?qū)Чδ軐?shí)現(xiàn)PID子程序的設(shè)計(jì)。應(yīng)用EB8000軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)。PLC控制流程如圖6所示,模糊PID控制流程如圖7所示。

圖6 模糊PID控制流程

圖7 PLC控制流程

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,模擬礦井內(nèi)部環(huán)境溫度場結(jié)構(gòu),搭建S7-200PLC加觸摸屏的實(shí)驗(yàn)裝置,采用常規(guī)PID控制和模糊PID控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣記錄,繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如圖8和圖9所示。從圖中看出,模糊PID控制波動(dòng)較小,控制效果良好。

圖8 常規(guī)PID控制

圖9 模糊PID控制

4 結(jié) 語

溫度控制因其控制過程精確模型不易得到,且礦井局部溫度不穩(wěn)定,熱量來源多樣,因此結(jié)合常規(guī)PID和模糊控制,設(shè)計(jì)了Fuzzy-PID控制器,通過仿真結(jié)果看出,模糊PID控制器控制效果良好。本文搭建的礦井局部降溫自動(dòng)控制系統(tǒng),控制流程簡單,操作方便,運(yùn)行穩(wěn)定,對(duì)礦井工作面局部降溫及深井掘進(jìn)局部降溫的自動(dòng)控制有一定的參考價(jià)值。

[1]何國家,楊 壯.我國煤礦高溫?zé)岷ΜF(xiàn)狀及防治技術(shù)措施.第七次煤炭科學(xué)技術(shù)大會(huì)文集(下冊(cè))[C].北京:煤炭工業(yè)出版社,2011.

[2]楊益興,崔大連,周愛軍.模糊自適應(yīng)PID控制器及Simulink仿真實(shí)現(xiàn)[J].船艦電子工程,2010(4):127-130.

[3]付會(huì)龍,孫學(xué)峰,辛 嵩.局部降溫系統(tǒng)在深井掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2012(2):99-101.

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Design of Automatic Control System of M ine Local Cooling Based on the Fuzzy-PID Algorithm

LIANG Hai-long1,ZHAO Yao-fang2
(1.North University ofChina,Shuozhou Shanxi036000,China; 2.Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co.,Ltd,Shuozhou Shanxi036000,China)

The high temperature ofmine is one of the important factors thatwoulds influence the production safety.In this paper,according to the instability heat in the internalmine and the controlmodel is not easy to get,the fuzzy PID controller is designed,and the fuzzy PID controller is simulated by the Simulink software.Combined with the technological process ofmine local cooling,the control system which has simple structure and stable performance is established with the application of the control plan of the S7-200PLC touch screen,then experimentof simulatingmine temperature environment in the laboratory is operated.The results show that the dynamic and static performance of fuzzy PID controller is superior to the conventional PID controller.

mine local cooling;fuzzy PID control;Simulink simulation

TD727

A

1007-4414(2015)06-0176-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.068

2015-11-02

梁海龍(1987-),男,山西忻州人,助教,研究方向:煤礦機(jī)械設(shè)備研究及機(jī)械結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化設(shè)計(jì)。