基于Fuzzy-PID算法的礦井局部降溫控制系統設計*

梁海龍,趙耀芳

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

基于Fuzzy-PID算法的礦井局部降溫控制系統設計*

梁海龍1,趙耀芳2

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

礦井高溫是影響生產安全的重要因素之一,針對礦井內部熱量不穩定,且控制模型不易得到,設計了模糊PID控制器,并用Simulink軟件模擬仿真模糊PID控制器。結合礦井局部降溫工藝流程,應用S7-200PLC加觸摸屏的控制方案,建立結構簡單、性能穩定的控制系統,在實驗室模擬礦井溫度環境進行實驗,結果表明模糊PID控制器動靜態性能優于常規PID控制器。

礦井局部降溫;模糊PID控制;Simulink仿真

0 引 言

隨著礦井進入深部開采,礦井高溫現象越來越嚴重,礦井高溫已成為影響生產安全的重要因素之一。礦井熱源有地表季節性氣溫、低溫,空氣壓縮熱,機電設備散熱,圍巖散熱,煤炭和矸石的運輸散熱以及氧化散熱[1]等。由于礦井內部溫度熱量不穩定,且溫度控制系統精確的數學模型不易得到,而模糊控制不需精確的數學模型,PID控制控制系統穩定性高[2-3],且根據我國《煤礦安全規程》的規定:“生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過28℃[4]。”因此,為保證煤礦生產質量和工作人員人身安全,本文設計了一種基于模糊自適應PID的礦井局部降溫自動控制系統。

1 PID參數模糊自整定控制器設計

在經典PID控制中,給定值與測量值進行比較,得出偏差e(t),并依據偏差情況,給出控制作用u (t)。對連續時間類型,PID控制方程的標準形式為:

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

模糊自校正PID控制器將誤差e和誤差變化率ec作為輸入參數,其控制規則為:

If(eis…)and(ecis…)then(ΔKpis…)(ΔKIis…) (ΔKDis…),系統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參數及模糊控制規則

模糊控制是通過模糊邏輯和近似推理方法,讓計算機把人的經驗形式化、模型化,根據所取得的語言控制規則進行模糊推理,給出模糊輸出判決,并將其轉化為精確量,作為反饋送到被控對象(或過程)的控制作用[7]。控制器以實時溫度的偏差值e和偏差變化率ec作為輸入量,經過模糊運算,不斷的進行PID三個參數的整定,最后獲得整個系統的良好的動靜態性能。

本文輸入輸出變量的隸屬度函數均采用三角函數。其它參數如表1所示。

表1 變量及相關參數

在PID控制中,KP、KI、KD三個控制參數起著不同的控制作用,這三個參數在同一控制系統中必須同時考慮自己的自身作用及其相互之間的互聯關系。KP、KI、KD三參數與系統時間域性能指標之間的關系如表2所示。

表2 PID參數與系統時間域性能指標之間的關系

根據上述內容、相關控制原理及煤礦局部降溫控制系統的工藝要求,制定出KP、KI、KD的模糊控制規則如表3所示。

表3 模糊控制規則表

其中P、N、Z分別為正、負、零;S、M、B分別為小、中、大。

1.2 調整PID參數

根據溫度反饋值與設定的值對比得到溫度偏差和偏差變化率,經過模糊推理得到PID三參數的偏差值,結合隸屬度、加權平均法,確定這三個偏差值的確定值,運用下列公式計算得到三個參數調整后的值

將調整好后的值送入PID程序中,進行PID運算,根據運算結果進行水泵的控制,實現PID參數的實時整定。

2 使用Simulink對Fuzzy-PID控制系統進行仿真

本文使用Matlab的Simulink模塊進行模擬仿真,在Simulink中建立如圖2所示的仿真框圖。輸入信號為單位階躍信號,溫度設定初值為25℃;時間延遲設定為20 s;初始PID的三個參數值設定為KP= 0.15,KI=0.001,KD=1.7;在FIS編輯器中設定隸屬度函數為trimf,變量、量化論域和模糊子集按照表1所示設置,模糊控制規則按照表3進行設置;然后輸出到工作空間,最后由文件名完成調用。仿真結果與傳統PID控制結果對比如圖3、圖4所示。

圖2 Simulink仿真框圖

圖3 常規PID

圖4 模糊自適應PID

從結果看,Fuzzy-PID的超調量小,響應時間短,比傳統PID有更好的動靜態性能,對環境的適應能力強。

3 系統設計

3.1 系統工藝流程及硬件方案

系統采用S7-200PLC結合觸摸屏的方式實現整個控制系統的搭建。應用威綸通MT6100i觸摸屏作為上位機,實現溫度的設定、相關PID參數的手動調節、溫度和相關參數的監控以及報警等功能。用EM231等遠程模塊和S7-200PLC結合溫度及壓力等傳感器作為下位機,實現實時溫度的獲得和水泵等得自動控制。

系統控制工藝流程如圖5所示。礦井環境中的熱量通過蒸發器被吸收到傳熱介質中,傳熱介質在壓縮機中被壓縮,變成高溫高壓介質,然后在冷凝器中發生熱交換后變成冷介質,再次進入蒸發器進行工作,實現熱量的循環傳遞。而外界的冷卻水儲在水箱中,在水泵的驅動下進入冷凝器,吸收熱量后,流入水倉中,在泵的驅動下排放到外界,實現熱量的排放。

圖5 局部降溫工藝流程圖

3.2 軟件系統

通過STEP7編程軟件對PLC主程序及模糊控制程序進行編制、應用其自帶的向導功能實現PID子程序的設計。應用EB8000軟件對觸摸屏進行設計。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 實驗結果

在實驗室環境下,模擬礦井內部環境溫度場結構,搭建S7-200PLC加觸摸屏的實驗裝置,采用常規PID控制和模糊PID控制進行實驗。然后對實驗數據進行采樣記錄,繪制實驗結果圖如圖8和圖9所示。從圖中看出,模糊PID控制波動較小,控制效果良好。

圖8 常規PID控制

圖9 模糊PID控制

4 結 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定,熱量來源多樣,因此結合常規PID和模糊控制,設計了Fuzzy-PID控制器,通過仿真結果看出,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控制系統,控制流程簡單,操作方便,運行穩定,對礦井工作面局部降溫及深井掘進局部降溫的自動控制有一定的參考價值。

[1]何國家,楊 壯.我國煤礦高溫熱害現狀及防治技術措施.第七次煤炭科學技術大會文集(下冊)[C].北京:煤炭工業出版社,2011.

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[3]付會龍,孫學峰,辛 嵩.局部降溫系統在深井掘進中的應用[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:煤礦機械設備研究及機械結構部件優化設計。