PID控制在礦井乳化液配比系統中的應用

衛 強

（山西潞安左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 032600）

0 引 言

乳化液在煤礦生產中發揮著十分重要的作用。作為煤機產品液壓傳動的工作介質，尤其是作為煤礦采煤工作面液壓支架和液壓支柱的工作介質在煤礦井下得了廣泛的應用，被稱之為煤礦支護設備的血液[1]。乳化液作為液壓支護設備的傳動介質，其濃度適當與否直接影響到液壓支架的工作壽命和成本。濃度過低，液壓支架元件受到水的侵蝕而生銹，會影響其工作壽命，甚至導致支架失去支承能力而引起重大的惡性事故。反之，若濃度過高，乳化油用量增加，會增加生產成本[2]。為了保護液壓系統元件并延長其使用壽命，避免因濃度過高而增加生產成本，因而必須嚴格控制乳化液的濃度。為此，我們研制了一種新型乳化液配比系統，以自動控制乳化液濃度使其趨于合理的配比濃度范圍。

1 乳化液自動配比系統工作原理

圖1 乳化液自動制比系統原理簡圖

圖1為一種可調式乳化液配比系統液壓原理。該系統以PLC為控制核心，以變頻器、電磁閥和齒輪泵為執行機構，以流量傳感器、液位傳感器為反饋裝置。其工作原理為：以電磁閥來控制水源的通斷。流量傳感器對乳化液流量進行實時檢測，不同的流量值經過傳感器后，輸出相應的電信號，電信號經A/D轉換器轉換成數字信號以后，送入PLC進行處理。在PLC控制下，系統把輸入值代入濃度計算子程序進行計算，得出的濃度值與事先給定系統的濃度值（2%和5%）進行比較，如果濃度值小于2%，PLC向變頻器輸出信號，通過變頻器控制電動機來調節齒輪泵的轉速使其增大，這樣也就使得乳化油的進油量增大。由于清水流量保持不變，乳化油的流量增大會使乳化液濃度增大。同理，如果經比較，乳化液的濃度大于5%，那么，PLC輸出信號，通過變頻器控制電動機從而來調節齒輪泵使其轉速減小，降低乳化油的進油量，從而使乳化液的濃度降低。如此循環檢測、比較、控制、調節，使乳化液濃度穩定在給定的2%～5%范圍內。

該系統主要由乳化油箱、乳化油和水配比系統、電控系統三部分組成。可對乳化液箱和乳化油箱的液位進行自動控制，有效地避免了油箱和液箱的吸空或乳化液外溢。當乳化液達到高液位時，乳化液箱液位傳感器發出電信號，PLC接收信號，使電磁閥失電、齒輪泵停止工作，配比工作停止；當乳化液用至低液面時，乳化液箱液位傳感器又發出電信號，PLC接收信號，使電磁閥得電、齒輪泵開始工作，配比工作開始，向乳化液箱補充乳化液。當乳化油箱乳化油短缺時，乳化油箱液位傳感器就會發出信號給系統，提醒工作人員加油。

2 乳化液自動配比系統PID控制

對于礦井乳化液配比系統的閉環控制系統，需要實際流量快速響應理論流量的變化，且要求實際流量變化的輸出保持在穩態值，使系統達到穩態的輸出與給定值之間“無靜差”。本控制系統輸出調節采用比例加積分調節，即PI算法。系統的控制原理框圖如圖2所示。

圖2 乳化液自動配比系統控制原理框圖

2.1 系統參數的選擇

PID控制器結構確定后，即可開始選擇參數。參數的選擇，要根據受控對象的具體特性和對控制系統的性能要求進行[3]。工程上，一般要求整個閉環系統是穩定的，對給定量的變化能迅速響應并平滑跟蹤，超調量??；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當環境參數發生變化時，整個系統能保持穩定等等。這些要求，對控制系統自身性能來說，有些是矛盾的，我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當地折衷處理。PID控制器的參數整定，可以不依賴于受控對象的數學模型。工程上，PID控制器的參數常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經驗公式來確定。

在PID控制中，采樣周期過短，前后兩次采樣的數值之差可能很小，這就減弱了調節的作用。而且，在用積分部分消除靜差的過程中，如果采樣周期太短，會導致積分部分的增益值過低，且當誤差e(t)小到一定值時，就有受到計算機精度限制的可能，而使其始終為零，這樣積分部分就不能繼續起到消除殘差的作用，這部分殘差就無法消除。因此T的選擇必須大到使由計算機精度造成的“積分殘差”減小到可以容忍的程度[4]。

所以，在實驗中對PID控制設定了兩組試驗參數：

第一組：Kc=0.6，Ti=0.04 min；Td=0 min；

第二組：Kc=1.0，Ti=1.0 min；Td=0 min.

其中：Kc為比例增益；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

2.2 PID參數調節及試驗分析

采用力控6.0建立數據庫，運用力控組態軟件對系統進行檢測，并測試出乳化油實際流量和設定油流量及控制輸出頻率之間的關系曲線，根據選取的Kc，Ti，Td值，給系統一個乳化油流量變化，觀察理論乳化油量，以及實際乳化油流量，記錄出完成自調節的時間。

第一組實驗數據：Kc=0.6，Ti=0.04min；Td=0 min.

當乳化液流量瞬時變小時（如圖3），此時瞬時調整出乳化液配比系統理論所需的乳化油量。設置油流量理論調整時間是4 s，設定實際的乳化油流量滯后1 s，最終以36 s完成了自調節，控制輸出36 s完成自調節。

圖3 乳化油流量變小時的曲線

當乳化液流量瞬時變大時（如圖4），此時瞬時調整出乳化液配比系統理論的所需乳化油量。設置油流量理論調整時間是2 s，設定實際的乳化油流量滯后1 s，最終以32 s完成了自調節，控制輸出27 s完成自調節。

圖4 乳化油流量變大時的曲線

分析比較可以得出在油流量瞬時變化頻率較高的情況下，對實際的乳化油流量和其控制輸出影響比較大。

第二組實驗數據：Kc=1.0，Ti=1.0 min；Td=0 min

運用力控軟件對乳化液系統進行檢測的曲線如下。

圖5為系統乳化液流量瞬時變大時的情況，此時瞬時調整出乳化液配比系統理論的所需乳化油量。設置油流量理論調整時間是2 s，設定實際的乳化油流量滯后2 s，最終以19 s完成了自調節，控制輸出21 s完成自調節。

圖5 乳化油流量變大時的曲線

圖6 乳化油流量變小時的曲線

圖6為系統乳化液流量瞬時變大時的情況，此時瞬時調整出乳化液配比系統理論的所需乳化油量。設置油流量理論調整時間是2 s，設定實際的乳化油流量滯后2 s，最終以17 s完成了自調節，控制輸出19 s完成自調節。

2.3 試驗結論

從兩組試驗數據中發現，在PI控制系統中，比例增益Kc越大，系統的輸出響應越快，達到穩態的時間越短；積分時間常數Ti越大，調節輸出的波動狀態時間短，保證了乳化液配比系統的穩態輸出與給定值之間的“無靜差”。比例增益 Kc和積分時間常數Ti均增大后，系統響應迅速，達到穩態的時間短。因此，在礦井乳化液配比系統中，將其比例增益和積分時間常數均增大會增加系統的響應速度，有效地保證乳化液配比系統中乳化液的濃度處于穩態。

3 結語

文中所研究的乳化液自動配比系統是針對當前煤礦生產要求開發設計的，系統采用PLC控制技術、傳感器技術和變頻調速技術等，并內設建立PID控制算法，不僅可實現乳化液的自動配液,在線檢測乳化液的濃度,保證乳化液濃度的精確度以及配液的實時性，而且結構簡單，操作方便，大大降低了工人的勞動強度，保證了礦用液壓支架和液壓支柱等設備的良好運行，提高生產率，為煤礦企業實現現代化、自動化生產作出應有的貢獻。

[1] 柴光遠,王曉麗.基于模糊控制的乳化液自動配比系統[J].機床與液壓,2004(6):73-74.

[2] 宋理敏,寇子明,楊貴元.乳化液濃度的自動配比和在線檢測[J].機械管理開發,2006(1):13-14.

[3] 姬翠翠,朱華,江煒.礦用乳化液濃度自動檢測與配比技術比較研究[J].煤炭科學技術,2007(11):87-90.

[4] 王曉麗,柴光遠,徐尚龍.乳化液濃度的檢測與自動配比[J].煤礦機械,2002(7):45-46.