基于PID 的礦用通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)應(yīng)用研究

倪雁君

（汾西正幫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

引言

礦用通風(fēng)機(jī)是井下的重要通風(fēng)設(shè)備，對(duì)保障井下作業(yè)環(huán)境、空氣質(zhì)量起到了非常重要的作用，但是一個(gè)礦井就布置了許多臺(tái)通風(fēng)機(jī)，因此若讓通風(fēng)機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，不僅浪費(fèi)了較多的電能，同時(shí)還極大地降低了設(shè)備的使用壽命。通風(fēng)機(jī)在實(shí)際使用中并不需要一直運(yùn)行，可根據(jù)井下的空氣質(zhì)量對(duì)通風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻控制，在風(fēng)量需求小的情況下降低通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率，從而有效節(jié)約電能。在礦井通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用控制系統(tǒng)，并通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)，建立一套功能完善、安全可靠的通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制系統(tǒng)對(duì)降低能耗具有重要意義。

1 模糊控制方法

模糊控制其本質(zhì)上屬于一種非線性控制，屬于智能控制范疇，模糊控制方法發(fā)展到現(xiàn)在既有完善的理論也有比較多的實(shí)際工程應(yīng)用，體現(xiàn)了模糊控制的重要地位。模糊控制的基本思想是在難以出現(xiàn)一個(gè)精準(zhǔn)的控制決策的時(shí)候，可以根據(jù)相鄰的狀態(tài)參數(shù)對(duì)未知的參數(shù)進(jìn)行推演。一般用于量化比較困難或者變量太多的情況，無法建立起一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，此時(shí)就需要近似的簡(jiǎn)化處理。日常生活中有非常多的例子需要用到模糊控制理論，以便解決復(fù)雜的問題[1-2]。

模糊控制是利用計(jì)算機(jī)來模糊人的模糊化的控制經(jīng)驗(yàn)，模糊控制的主要過程包括：模糊控制的輸入值，然后經(jīng)過函數(shù)模糊化處理，再進(jìn)行模糊化推力，求解模糊函數(shù)得到模糊推理值，然后與被控對(duì)象進(jìn)行對(duì)比，如果收斂則模糊推力有效，若函數(shù)不收斂則重復(fù)進(jìn)行推理運(yùn)算。模糊控制的核心就是采用模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量移架模糊邏輯推理為基本要素，構(gòu)建起模糊推理的基本框架，由此構(gòu)成模糊控制的推理結(jié)構(gòu)。

2 自適應(yīng)控制方法

自適應(yīng)控制法（adaptive control method）是一種指數(shù)平滑預(yù)測(cè)方法，算法可根據(jù)計(jì)算結(jié)果自主增加輸入?yún)?shù)，響應(yīng)迅速，在多次迭代后自主最優(yōu)控制系統(tǒng)可找到并輸出處于極值狀態(tài)的最優(yōu)解。自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是一種按行為科學(xué)進(jìn)行處理的控制系統(tǒng)，是目前比較常用且性能穩(wěn)定的控制系統(tǒng)[3]。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較固定，按控制算法中模塊結(jié)構(gòu)的不同，可將其劃分為前饋型、反饋型、自我校正型等類型。本套通風(fēng)量控制系統(tǒng)參考的是反饋型參數(shù)控制模型，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中保持被控對(duì)象的特性與模型動(dòng)態(tài)特性保持一致。如圖1 所示，為控制參考的自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該模型中輸出結(jié)果根據(jù)所設(shè)定的規(guī)則自我修正得到一個(gè)輔助輸出信號(hào)，在所獲得的運(yùn)行過程中的參數(shù)基礎(chǔ)上，優(yōu)化準(zhǔn)則近一步對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)調(diào)整至最優(yōu)的控制狀態(tài)。

圖1 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)

3 PID 控制原理

經(jīng)典控制理論在實(shí)際控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用就是PID 控制器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PID 控制技術(shù)也得到了越來越多的應(yīng)用，其控制的性能也得到了極大優(yōu)化。PID 控制器能夠得到廣泛應(yīng)用的幾點(diǎn)重要原因有：控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性和適應(yīng)性較強(qiáng)；對(duì)系統(tǒng)具體的模型特征依賴較小；適應(yīng)性強(qiáng)，可進(jìn)行后期應(yīng)用和拓展。自適應(yīng)PID 控制器通過不斷修改PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到自適應(yīng)調(diào)整被控對(duì)象狀態(tài)參數(shù)的目的。通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)器的控制結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示[4]。

圖2 PID 控制結(jié)構(gòu)

通過模糊理論推導(dǎo)得到各參數(shù)之間的關(guān)系，如通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制系統(tǒng)中主要涉及給定值和輸出值的差值e 以及差值變化率ec之間的模糊關(guān)系。根據(jù)控制器不斷推導(dǎo)得到的參數(shù)，滿足被控對(duì)象處于良好的動(dòng)靜狀態(tài)。已知PID 控制的一般表達(dá)式為[5]：

傳遞函數(shù)為：

在傳遞函數(shù)中，控制器主要通過對(duì)Kp、Ki、Kd的加權(quán)運(yùn)輸，可以得到控制性的輸出信號(hào)，從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行有效調(diào)控。

4 PID 控制的風(fēng)量調(diào)節(jié)仿真

4.1 PID 控制器的設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)的控制原理也比較簡(jiǎn)單，首先是對(duì)通風(fēng)機(jī)給定一個(gè)激勵(lì)信號(hào)即輸入值，然后計(jì)算出輸入值與輸出值的差值，通過比例法、微分法或者積分法，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l器的輸入值，從而改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，起到調(diào)節(jié)風(fēng)量的作用?？刂葡到y(tǒng)在通風(fēng)機(jī)風(fēng)量輸出端設(shè)置有風(fēng)量傳感器，由此形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

基于Matlab simulink 建立PID 控制器的仿真模型，其simulink 仿真框圖如圖3 所示，設(shè)定風(fēng)量為10 500min/m3，且此時(shí)Pk=0.0001、Ik=0.0001、Dk=0.001[6]。

圖3 PID 控制器仿真框圖

4.2 自適應(yīng)PID 控制器設(shè)計(jì)

同理建立起模糊控制器的輸入與輸出差值e 與差值變化率ec和輸出量u 之間的關(guān)系，系統(tǒng)在simulink 中建立的系統(tǒng)框圖如圖4 所示。同樣設(shè)置模型的輸入?yún)?shù)，給定的初始額定通風(fēng)量為10 500 min/m3，并設(shè)定延遲時(shí)間為1 s 時(shí)，ke為0.000 6，kec等于0.003 5，ku為14.68；延時(shí)10 s 時(shí)，設(shè)定的模型參數(shù)為：ke為0.000 3，kec為0.001 2，ku為15.78。最后分別對(duì)兩種控制模型的仿真效果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 自適應(yīng)PID 控制器仿真框圖

5 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證常規(guī)的PID 控制器與自適應(yīng)PID 控制器的性能，分別基于兩種控制器建立通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量反饋控制系統(tǒng)，并施加相同激勵(lì)，觀察兩種控制器的控制能力，根據(jù)仿真得到的結(jié)果，分別提取了延時(shí)1 s與延時(shí)10 s 的仿真結(jié)果，下面對(duì)兩種控制器仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖5 中為兩種控制器仿真結(jié)果，其中PID 控制器延時(shí)1 s 的仿真結(jié)果顯示風(fēng)量在15.3 s 左右達(dá)到穩(wěn)定，無超調(diào)；而在10 s 的延時(shí)仿真結(jié)果中，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量在27 s 左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且此時(shí)超調(diào)量約為20%，仿真結(jié)果顯示PID 控制器穩(wěn)定性好，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制一般滯后性較??；當(dāng)控制系統(tǒng)的延時(shí)越大時(shí)，超調(diào)量就越大，不穩(wěn)定性增加。

圖5 兩種控制器仿真結(jié)果對(duì)比

自適應(yīng)模糊PID 控制器的仿真結(jié)果如圖中標(biāo)注所示，在11 s 時(shí)風(fēng)量控制即達(dá)到了平衡狀態(tài)，且延時(shí)10 s 的仿真結(jié)果顯示通風(fēng)機(jī)在15 s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且不超量。仿真結(jié)果表明，在相同的延時(shí)以及擾動(dòng)情況下自適應(yīng)模糊PID 控制器的控制調(diào)節(jié)效果更優(yōu)，穩(wěn)定且超調(diào)量更小，系統(tǒng)控制性能優(yōu)越，對(duì)于通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究具有重要參考意義。

6 結(jié)語(yǔ)

堅(jiān)持綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低高耗能行業(yè)的能源消耗量是目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要發(fā)展方向。為了有效減低能耗、提高設(shè)備使用壽命，以通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)為研究對(duì)象，研究并設(shè)計(jì)采用PID 控制器以及自適應(yīng)PID 控制器來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)控。首先對(duì)模糊控制、自適應(yīng)PID 控制等相關(guān)理論做了簡(jiǎn)要介紹。基于MATLAB 軟件中simulink 建立兩種控制器的仿真模型，運(yùn)用PID 控制、模糊控制器分析在同樣激勵(lì)作用下兩種控制器的差別。最后得到仿真結(jié)果表明在相同的延時(shí)以及擾動(dòng)情況下自適應(yīng)模糊PID 控制器的控制調(diào)節(jié)效果更優(yōu)，穩(wěn)定且超調(diào)量更小，系統(tǒng)控制性能優(yōu)越，對(duì)于通風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究具有重要參考意義。