基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術研究

馬 亮

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120）

在生產和加工煤炭的過程中，選煤屬于不可缺少的重要環節，直接決定了煤炭的質量以及企業的生產效益[1]，煤炭經過各種工藝處理后，會產生大量的碎煤、煤粉和水煤漿等介質，這些介質的流動速度、液位和密度等參數都需要進行有效控制，以確保整個選煤系統的穩定性和安全性[2]。目前企業在選煤控制中主要存在自動化程度低和集中度低等問題，這些問題會降低煤炭生產和加工的質量，對煤炭企業的發展產生了嚴重的制約。為此，需要對選煤自動控制技術展開研究設計。

當前已有相關領域學者對選煤自動控制技術作出了設計研究。文獻[3]提出基于遺傳算法及SVM決策模型的選煤監控方法，首先分析了選煤設備的結構特征，在此基礎上建立選煤控制的通信方式、結構框架以及硬件，通過GA-SVM 判斷選煤過程的狀態，根據判斷結果展開相應的控制，該方法在選煤過程中無法精準、穩定地控制介質的密度與液位，存在控制精度低且穩定性差的問題。文獻[4]提出基于選煤信息模型的智能化選煤廠三維可視化系統，在選煤信息模型的基礎上通過大數據云平臺技術設計了選煤廠的可視化管理平臺，并制定了選煤的數據標準，對選煤廠的生產運維、施工和設計相關的生命周期數據展開監測，以此實現選煤控制，該方法選出的煤炭不滿足設定的灰分含量，存在選煤效果差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術。

1 液位與密度對選煤控制過程的影響分析

煤炭經過各種工藝處理后，會產生大量的碎煤、煤粉和水煤漿等介質，這些介質液位和密度等參數都需要進行有效控制，以確保整個選煤系統的穩定性和安全性。因此在選煤控制之前，需要考慮液位與密度對選煤控制過程的影響，通過構建選煤控制過程的數學模型，考慮選煤生產線的物理特性和信息輸出特性。利用PLC 技術[5-6]對選煤生產線的物理特性展開分析，PLC 技術可以通過控制主機對選煤過程中的流量數據展開調整，提高選煤控制的效率和穩定性[7]。PLC 架構由關聯輸入模塊、CPU、通用背板和存儲器構成。

選煤生產線由6 個PLC 控制站構成，分為4 個分站和2 個主站，2 個主站位于系統的動篩車間和裝車站。動篩車間下存在一條原煤到洗煤的工作線，所有車間在選煤生產線中都存在信息傳輸，具有緊密的聯系。不同車間在多條生產線中互相配合，提高了選煤生產線的工作效率。裝車站中PLC控制主站的主要作用是將選煤生產線產品倉與裝車站相連接，控制動篩車間輸出的產品直接通過裝車站輸出。通過PLC 技術設計的選煤生產線架構如圖1 所示。

圖1 選煤生產線架構Fig.1 Coal preparation production line architecture

利用PLC 技術在選煤生產線中布置控制站點，將主站與生產線中的分站相連接，對生產線下存在的車間展開控制[8-10]。根據煤生產線的物理特性和信息輸出特性，以原煤合格介質桶為例[11]，對介質液位和密度的動態特性展開分析[12-14]，建立選煤控制過程數學模型如圖2 所示。

圖2 選煤控制過程數學模型Fig.2 Mathematical model of coal preparation control process

根據圖2 可知，利用介質泵將密度和流量為ρ1、W1的介質輸入三產品旋流器中，采用脫介篩和弧形篩對輸入的介質展開脫介處理，通過分流器將脫介處理后的產物輸入原煤合格介質桶中，此時介質對應的密度和流量分別為ρ2、W2；對介質的密度展開檢測，如果密度較大，將水填入介質中，此時介質對應的密度和流量變為ρ3、W3；如果密度較小，將濃介質填入其中，此時介質對應的密度和流量變為ρ4、W4。

將介質桶的底面積設置為S，介質在桶內的密度和高度表示為ρ、h，不考慮選煤控制過程中存在的滯后因素，建立選煤控制模型的輸入輸出方程：式中：參數V=Sh。

介質在原煤合格介質桶內的質量變化率可通過下式計算得到：

結合上述公式，可得：

結合式（3）與式（1）建立介質的液位數學模型和密度數學模型：

根據上述模型可知，選煤控制效果直接受介質液位與密度的影響[15]。在之后利用模糊PID 控制技術進行選煤控制過程中，需要考慮該影響，對液位密度實現最優控制，以達到最佳選煤控制效果。

2 基于模糊PID 控制技術的選煤控制

設計如圖3 所示的模糊PID 控制器，對介質的液位和密度展開控制，以此實現選煤控制。

圖3 模糊PID 控制器Fig.3 Fuzzy PID controller

在模糊PID 控制器中輸入密度與液位的反饋值與對應目標值的誤差e 和誤差變化率ec，對PID控制器的參數展開模糊推理，獲得對應的KP、KI、KD，將參數應用在實際的PID 選煤控制過程中，實現對密度與液位的最優控制。

根據選煤控制過程中密度與液位的e、ec，通過下述規則對PID 控制器的參數KP、KI、KD展開整定：

（1）在選煤控制的初始階段，密度與液位的誤差較大，為了提高選煤控制過程的響應速度，需要增大參數KP，減小參數KD，將參數KI設置為0，避免PID 控制器出現積分飽和的現象。

（2）在選煤控制中期，為了避免超調現象的發生，保障選煤自動控制過程的響應速度，參數KP、KI、KD的取值需適中；

（3）在選煤控制的后期，通過增大參數KP降低選煤控制過程的靜差，增大參數KI提高模糊PID 控制器的穩定性，為了避免選煤控制過程中出現振蕩現象，需要減小參數KD。

在模糊集合上將PID 控制器輸入量e、ec 的變化范圍設置為論域e，ec=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，模糊子集中將PID 控制器的參數KP、KI、KD設置為論域KP，KI，KD＝｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，上述論域與模糊子集｛負大（NB），負中（NM），負小（NS）、零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）｝相對應，通過三角隸屬函數描述密度、液位的e、ec 與PID 控制器KP、KI、KD的隸屬函數，如圖4 所示。

圖4 隸屬度函數Fig.4 Membership function

通過質心法對模糊PID 控制器的輸入組合展開解模糊化處理，獲得參數KP、KI、KD在選煤自動控制過程中的控制規則，通過模糊整定獲得模糊PID控制器的參數KP=1.834、KI=0.00233、KD=0.095，由式（4）所示的液位數學模型和密度數學模型可知，密度和液位變化在選煤控制過程中的滯后性相對較小，因此可忽略參數KI、KD，將KP=1.834 代入模糊PID 控制器中，完成液位與密度的控制，進而實現選煤自動控制。

3 實驗與分析

為了驗證基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術的整體有效性，需要對其展開測試。本次測試的實驗環境如圖5 所示。

圖5 實驗環境Fig.5 Experimental environment

在選煤控制過程中，為了確保選煤的質量，需要將液位控制在合理高度，如圖6 所示。

圖6 液位標準高度Fig.6 Liquid level standard height

在上述實驗環境下，設置選煤介質桶設備工藝參數如表1 所示。

表1 選煤介質桶設備工藝參數Tab.1 Process parameters of coal preparation medium barrel equipment

在上述實驗環境及實驗參數設置的基礎上，采用基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術（所提方法）、基于遺傳算法及SVM 決策模型的選煤監控方法（文獻[3]方法）和基于選煤信息模型的智能化選煤廠三維可視化系統（文獻[4]方法）對液位展開控制，結果如圖7 所示。

圖7 液位控制結果Fig.7 Liquid level control results

根據圖7 可知，采用所提方法展開液位控制時，獲得的液位變化曲線均控制在標準液位下方10 cm范圍內，而文獻[3]方法獲得液位過低，文獻[4]方法獲得的液位過高，由此可知，所提方法可合理地控制液位，因為所提方法建立了液位數學模型，在此基礎上展開控制，可提高液位的控制精度。

介質密度的控制精度直接影響著選煤質量，將介質密度值設置為1.40 g·cm-3，采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法展開密度控制，為了確保測試結果的公平性，采用每種方法展開3 組測試，結果如圖8 所示。

圖8 不同方法的密度控制結果Fig.8 Density control results of different methods

對圖8 中的數據展開分析，采用文獻[3]方法展開密度控制測試時，該方法在3 組測試過程中均出現了超調量，且密度控制結果的波動大，達到設定值所需的時間長，表明該方法存在密度控制精度低和穩定性差的問題。采用文獻[4]方法展開密度控制測試時，在控制前期該方法產生了較大的超調量，表明方法的密度控制精度低，但達到設定值后，該方法的密度控制結果保持穩定，表明控制穩定性良好。而采用所提方法展開密度控制測試時，在3 組測試中所提方法均可在50 s 內控制密度達到設定值，表明所提方法具有較高的控制效率，同時在控制過程中只有在第三組測試時所提方法產生了較小的超調量，其他2 組測試不存在超調量，表明所提方法具有較高的密度控制精度。

當精煤灰分含量為10%時表明選取的煤炭質量高，采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法展開選煤控制后，精煤的灰分含量如圖9 所示。

圖9 不同方法的精煤灰分含量控制結果Fig.9 Control results of clean coal ash content by different methods

分析圖9 可知，采用所提方法控制后，在50 s時精煤灰分含量達到要求，而文獻[3]方法和文獻[4]方法的控制耗時較長，且精煤灰分含量分別過低和過高，沒有達到控制標準，表明以上兩種方法的選煤質量低，控制效果差。

4 結語

針對目前選煤控制方法存在的油位、密度和灰分含量控制效果差的問題，提出基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術，該方法結合模糊PID 控制器實現選煤控制，經驗證，所提方法在選煤控制過程中可有效地控制密度和液位，選取的煤炭灰分含量高，表明所提方法具有較高的控制效果。