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模糊PID控制在礦井通風機監控系統中的應用

時間：2013-03-12 15:53:49來源：張強

導語：?實際運行結果表明，該種控制系統控制效果良好，為煤礦的安全生產和通風機的高效運行提供了可靠保障

摘要：煤礦礦井通風機風量調節系統影響因素多、數學模型難以建立，常規控制無法獲得滿意的控制效果，針對這些問題提出一種基于模糊PID通風機風量控制方案，對風量進行自動調節，將其應用于主通風機變頻調速系統。實際運行結果表明，該種控制系統控制效果良好，為煤礦的安全生產和通風機的高效運行提供了可靠保障。

關鍵詞：模糊控制；PID控制；PLC；通風機

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A

ApplicationofFuzzyPIDcontrolinMineFanMonitoringSystem

ZhangQiang

(SchoolofAutomationandElectronicEngineering，QingdaoUniversityofScienceandTechnology，Qingdao，Shandong266042，China)

Abstract:FortheCoalminefanair-flowsystemhastoomanyfactorsandit’sdifficulttoestablishthemathematicalmodel,theconventionalcontrolcannotobtainasatisfactorycontrolperformancefortheseproblems.Tosolvetheseproblems,weproposeasolutionbasedonfuzzyPIDcontrolwhichcontrolsminefanandautomaticallyadjustsairvolume,itwillbeappliedtomainfanvariablespeedsystem.Thepracticalresultshowsthatthekindofcontrolsystemhasgoodcontroleffectandprovidesareliableguaranteeforthecoalmineproductionsafetyandtheefficientoperationofventilator.

KeyWords:FuzzyControl;PIDControl;PLC;MineFan

1概述

有“礦井肺腑”之稱的主通風機是煤礦的四大固定設備之一,它擔負著向井下輸送新鮮空氣、排出粉塵和污濁氣流的重任。由于井下工作現場條件惡劣,主通風機一旦發生故障,將會對整個礦區生產和安全造成重大影響,故而有必要建立一套功能完善的自動監控系統。原先的風機控制系統過于簡單,關鍵參數還處于人工監測，實時動態性能差，導致精度較低,監測內容不全面,并未與調度中心信息系統通信。同時，在風機運行過程中,由于啟動柜故障停電或機械故障,都將造成主通風機停機。遇到這種情況基本上都是人工手動操作,切換風機或重新啟動。由于人工手動操作慢或發現事故不及時,造成礦井停風時間長,給礦井帶來致命的安全隱患,易造成安全事故。因此擬采用先進、可靠的傳感器、計算機技術及智能控制理論實現礦井主通風機性能及狀態的在線實時監測監控,以便在生產過程中及時掌握主通風機運行參數和狀態,并實現故障預警，及時檢修與處理。

煤礦主通風機系統按照行業標準必須配置2組風機，其運行方式為一組工作，另一組備用。目前一組風機系統普遍裝備2臺電機，風量需求小時只啟動一臺電機，風量需求大時2臺電機以對旋方式同時運行。本監控系統以PLC為核心,主要由信號監測裝置、傳感(變送)器、PLC、通信裝置、上位機及其它設備組成,可分為風機變電站監控系統和風機本體流量、負壓和振動參數等的監控系統。

2控制系統的結構

由通風機的運行特性可知：風量Q與電動機轉速n在一定時段內可以認為成正比關系。因此，系統在風量的閉環控制中，采用通風機電動機的轉速作為反饋量來進行風量的調節。控制原理圖如圖1所示。

給定的電機速度減去測量所得的實際速度n得到誤差e,誤差的變化率?e=e(n)-e(n-1)。PID控制器和模糊控制器對誤差和誤差變化率進行分析處理。模糊控制器根據模糊推理和運算得到PID所需參數。PID控制器輸出控制量u，輸出直接控制變頻器的輸出，變頻器輸出相應的速度控制電機運行，得到相應的風量。

圖1控制原理圖

模糊PID控制器由PLC編程實現，其中控制算法如式(1)所示。

(1)

式中：

3 模糊PID的設計

圖2e及?e的隸屬度函數

由上述規則可以得到模糊控制規則表，如表1、2、3所示。

?e e	NB	NS	ZE	PS	PB
NB	PB	PB	PS	PS	NS
NS	PB	PS	ZE	NS	NB
ZE	PS	ZE	ZE	ZE	PS
PS	NB	NS	ZE	PS	PB
PB	ZS	PS	PS	PB	PB

?e e	NB	NS	ZE	PS	PB
NB	NB	NB	NS	NS	ZE
NS	NB	NS	NS	ZE	PS
ZE	PB	PS	ZE	PS	PB
PS	PS	ZE	NS	NS	NB
PB	ZE	NS	NS	NB	NB

?e e	NB	NS	ZE	PS	PB
NB	NB	NB	NS	NB	NB
NS	NB	PS	PS	PS	NB
ZE	NS	PS	PB	PS	NS
PS	NB	PS	PS	PS	NB
PB	NB	NB	NS	NB	NB

Matlab提供fuzzy可視化模糊參數編輯器，將上述模糊參數置入模糊參數編輯器中，得到相應的模糊參數結果如圖3所示。使用Simulink對模糊PID控制器進行離線仿真，系統啟動后在t=15s處加入幅值為1的干擾信號，仿真結果如圖4所示。由圖4可知，模糊PID控制器作用下的系統具備良好的動態性能和穩態特性，能夠滿足礦井通風機監控系統的要求。

圖3 模糊規則圖示

圖4 基于模糊PID控制器的礦井通風系統Simulink仿真結果

4 PLC實現

圖5 PLC算法流程圖

5 結語

本文所述的煤礦礦井通風機監控系統已在山東濟寧某煤礦投入運行。其中通風機風量控制設計采用了一種模糊PID控制系統，并運用西門子S7-200系列PLC實現。從實際運行結果來看，不僅響應快、超調小，而且控制精度高，風機運行平穩，取得了良好的控制效果。通風機監控系統的應用減少了操作人員的勞動強度，降低了通風機系統對煤礦生產的影響，取得了良好的經濟效益和社會效益，在實際應用中有很好的發展前景。

參考文獻

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【作者簡介】

張強（1987—），男，漢族，碩士研究生，研究方向為智能控制在電力電子中的應用。

E-mail:602399885@qq.com.

聯系地址：山東省青島市青島科技大學鄭州路53號自動化學院76信箱