楊 麗

(呼和浩特職業(yè)學(xué)院計算機信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

基于模糊PID自適應(yīng)算法的重介質(zhì)洗選煤控制系統(tǒng)研究

楊 麗

(呼和浩特職業(yè)學(xué)院計算機信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

在重介分選過程中，重介質(zhì)懸浮液的密度控制效果直接決定重介分選的產(chǎn)品質(zhì)量。本文針對重介質(zhì)洗選煤過程中使用介質(zhì)懸浮液密度和介質(zhì)桶液位變化存在的時變、非線性等特征，采用模糊PID自適應(yīng)算法，建立了重介質(zhì)洗選煤過程控制模型。該模型由模態(tài)識別器和模糊PID自適應(yīng)控制器組成，協(xié)同對主選分流執(zhí)行閥、加介分流執(zhí)行閥和清水閥進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對介質(zhì)懸浮液密度和介質(zhì)桶液位的控制，并進行工業(yè)運行試驗。結(jié)果表明: 采用模糊PID自適應(yīng)算法的重介質(zhì)洗選煤控制系統(tǒng)，對介質(zhì)懸浮液密度和介質(zhì)桶液位控制相對于常規(guī)PID控制調(diào)節(jié)，具有精度較高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，滿足洗選煤過程控制要求。

重介質(zhì)選煤；模糊PID自適應(yīng)；懸浮液密度；介質(zhì)桶液位

在重介質(zhì)洗選煤過程中，對重介質(zhì)懸浮液的密度控制程度將直接影響重介分選的產(chǎn)品質(zhì)量，所以對其密度的控制條件非?？量?，不僅要保證重介質(zhì)的密度實時穩(wěn)定于規(guī)定密度值區(qū)間內(nèi)，而且還要確?？刂葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)介質(zhì)懸浮液密度的響應(yīng)速度要快，以去除各種調(diào)節(jié)滯后成分的影響[1]?，F(xiàn)階段對重介質(zhì)懸浮液的密度控制主要采用PID控制，當隨著生產(chǎn)的進行，合介桶中的液位越來越低，一旦系統(tǒng)受到隨機干擾時，系統(tǒng)的動態(tài)性能會變差，并且在進行介質(zhì)桶內(nèi)重介質(zhì)密度調(diào)整時，由于加料閥和加料泵的動作的遲滯性，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)很難得到理想的控制效果，同時由于工作介質(zhì)回流密度和流量、循環(huán)水的密度和流量、注入重介質(zhì)的密度和流量，流出介質(zhì)桶的密度和流量等物理量之間是一個非線性的耦合關(guān)系。因此單純的PID調(diào)節(jié)滿足不了現(xiàn)場的需要，不能做到真正的自動調(diào)節(jié)。通過閱讀大量相關(guān)文獻，得知模糊理論是解決在控制過程中各種信號量不易定量表示的有效途徑，可運用模糊推理實現(xiàn)對PID控制參數(shù)的最佳調(diào)整。以此提出基于模糊PID控制器的重介質(zhì)洗選煤控制系統(tǒng)，將模糊控制技術(shù)與傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)結(jié)合起來共同應(yīng)用于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)當中，有效地解決誤差不穩(wěn)定、動態(tài)特性不理想的問題，保證了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)在生產(chǎn)過程中不斷調(diào)整介質(zhì)懸浮液密度與介質(zhì)桶液位，實時保證其規(guī)定范圍內(nèi)?？s減選煤廠生產(chǎn)準備時間以及提升選煤廠的生產(chǎn)效率及質(zhì)量。

1 介質(zhì)懸浮液的基本控制原理與控制模型構(gòu)成

1.1 基本控制原理

選煤廠運用重介旋流器實現(xiàn)原煤分選，其工藝流程見圖1，其中原煤與循環(huán)介質(zhì)同步輸送至混料桶，隨之經(jīng)二產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器完成分選，然后再實現(xiàn)其底流及溢流的脫介、脫水及相關(guān)處理，最終獲得精煤、中煤以及矸石產(chǎn)品，然而其介質(zhì)就經(jīng)過介質(zhì)系統(tǒng)完成其回收以及濃縮，以實現(xiàn)其循環(huán)利用[2]。

圖1 重介質(zhì)選煤工藝流程圖

由圖1可以看出，重介質(zhì)懸浮液的密度控制實際為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其主要是執(zhí)行主選分流執(zhí)行閥、加介分流執(zhí)行閥以及清水閥以完成對密度的控制，經(jīng)過密度計來反饋密度值，從而完成對合介桶中懸浮液密度的閉環(huán)控制。如果檢測密度比較低，那么就增加高濃介質(zhì)入料閥門的開度；如果檢測到密度比較高，那么就增加清水閥門的開度。通過這樣的操作能夠得出，不管是放入高濃介質(zhì)還是清水，在更改密度的同時，都將會對液位的穩(wěn)定產(chǎn)生影響[3]。所以應(yīng)該兼顧考慮介質(zhì)桶的液位與介質(zhì)懸浮液密度控制，即若密度偏低的同時液位也過低，則要采取加入高濃度的介質(zhì)措施；若密度偏高液位過低，則要采取加入清水措施；若液位超過最高限值，則要采取打開分流閥措施以降低液位再然后再執(zhí)行下一步調(diào)節(jié)等。

1.2 介質(zhì)懸浮液控制模型構(gòu)成

根據(jù)重介質(zhì)懸浮液基本控制原理，本文針對重介質(zhì)選煤過程重新構(gòu)建了基于自適應(yīng)PID技術(shù)的模糊控制模型[5]，其基本控制模型結(jié)構(gòu)見圖2。據(jù)圖2所示，模型主要由模糊自適應(yīng)PID控制器和模態(tài)識別器兩部分組成，其中模態(tài)識別器根據(jù)合格介質(zhì)桶的液位高低變化，選擇介質(zhì)懸浮液密度模糊自適應(yīng)PID控制器對主選分流執(zhí)行閥、加介分流執(zhí)行閥以及清水閥的控制，把介質(zhì)懸浮液密度控制在規(guī)定值區(qū)間內(nèi)的同時要兼顧確保液位也在規(guī)定區(qū)間內(nèi)[6]。

圖2 重介質(zhì)選煤過程模糊控制模型

1.3 模態(tài)識別器的設(shè)計

根據(jù)洗選煤控制的要求，洗選過程中對介質(zhì)桶中液位控制分3種狀態(tài)，分別為正常、高位和低位，因此模態(tài)識別器也分別對應(yīng)3種判斷狀態(tài)，具體控制策略為：當介質(zhì)桶液位在高位時，選擇模糊自適應(yīng)PID控制器對分流執(zhí)行閥進行控制，使液位達到正常值；當介質(zhì)桶液位位于正常值時，根據(jù)密度偏差控制相應(yīng)的執(zhí)行閥，如密度值偏低，控制加介分流執(zhí)行閥調(diào)整懸浮液密度，反之，控制清水發(fā)調(diào)整懸浮液密度；當介質(zhì)桶液位在地位是，根據(jù)介質(zhì)桶懸浮液密度控制相應(yīng)執(zhí)行閥，調(diào)整介質(zhì)桶液位與懸浮液密度[8]。

2 模糊PID控制器的設(shè)計

本控制結(jié)構(gòu)在設(shè)計之初，出于對懸浮液密度控制結(jié)果必須滿足要求的目的，其控制器采用兩維輸入、三維輸出結(jié)構(gòu)。其中，二維輸入分別為把懸浮液密度設(shè)定密度與懸浮液實際密度之差e和變化率ec；三維輸出分別為PID控制的三個調(diào)節(jié)參數(shù)變化值ΔkP、ΔkI、ΔkD。通過PID控制的ΔkP、ΔkI、ΔkD與e和ec的模糊關(guān)系，進而通過模糊自適應(yīng)PID控制器對采集的信息和記憶信息不斷檢測并重新計算e和ec的值，然后根據(jù)模糊關(guān)系分別對ΔkP、ΔkI、ΔkD進行自適應(yīng)調(diào)整。

2.1 語言變量的模糊化設(shè)計

上述的e和ec通過模糊調(diào)整后變?yōu)镋、EC，其中輸入偏差e的基本論域為[-e,e]，E論域為[-3，-2,-1,0,1,2,3]，輸入偏差變化率ec基本論域為[-ec,ec]，EC論域為[-3,-2,-1,0,1,2,3]。

輸出ΔkP基本論域[-m，m]，量化論域ΔkP=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，而另外的ΔkI、ΔkD的模糊原理與ΔkP類似。

2.2 輸入輸出變量的模糊子集及其隸屬度函數(shù)確定

根據(jù)上述得到的輸入變量E和EC，以及三個輸出變量ΔkP、ΔkI、ΔkD，該五個參數(shù)構(gòu)成的模糊子集同為：[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]，其中NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。

這里采用隸屬函數(shù)的方式來對精確量進行模糊化處理。因此，本系統(tǒng)具體采用三角形隸屬函數(shù)，來處理E、EC、ΔkP、ΔkI、ΔkD的隸屬關(guān)系，其具體隸屬函數(shù)見圖4。

由圖4所示的隸屬函數(shù)，分別得到e、ec和ΔkP、ΔkI、ΔkD的隸屬函數(shù)，其具體關(guān)系見表1、表2。

圖4 三角形隸屬度函數(shù)

表1 e、ec隸屬函數(shù)表

ec、ePBPMPSZONSNMNB-3000000．51-200000．510．5-10000．510．500000．510．500100．510．500020．510．50000310．500000

表2 ΔkP、ΔkI、ΔkD隸屬函數(shù)表

2.3 模糊規(guī)則制定及模糊關(guān)系求解

通過總結(jié)現(xiàn)場工作人員的操作經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)知識，這里獲得了針對ΔkP、ΔkI、ΔkD參數(shù)的控制規(guī)則，其具體模糊控制表見表3。

這里使用Mamdani型推理規(guī)則中的條件語言，采用if…then…的具體方式進行模糊推理，根據(jù)表3可獲得三個參數(shù)變量對應(yīng)的49個模糊關(guān)系，隨后對這些模糊關(guān)系取“并”運算，即可得到由輸入e、ec到輸出ΔkP、ΔkI、ΔkD的模糊關(guān)系R，見式(1)。

表3 ΔkP、ΔkI、ΔkD模糊控制表

(1)

這里以ΔkP為例，其模糊推理公式見式(2)～(3)。

ΔkP=(E×EC)oRP

(2)

R1=(NBE×PBΔkP)×(NBEC×PBΔkP)

(3)

根據(jù)控制系統(tǒng)得到的實際誤差量e和其誤差變化ec，得出控制量ΔkP1見式(4)。

ΔkP1=eo(NBE×PBΔkP)×eco(NBEC×PBΔkP)

(4)

同理，再求得另外48個控制量ΔkP2，ΔkP3，…ΔkP49，并以模糊集合ΔkP表示，見式(5)。

ΔkP=ΔkP1+ΔkP2+…+ΔkP49

(5)

為了得到精確地控制量，這里采用平均最大隸屬度法進行判決得到ΔkP的模糊控制查詢表，見表4。依此類推得到ΔkI、ΔkD的模糊控制查詢表。

表4 ΔkP模糊控制查詢表

2.4 模糊PID參數(shù)計算

井下采煤機在實際工作時，其內(nèi)部控制器通過連續(xù)運算，隨時記錄下e和ec的偏差，并對其模糊化處理，再通過查詢模糊控制表以獲得ΔkP、ΔkI、ΔkD的值，最后為實現(xiàn)對PID控制器參數(shù)的調(diào)整，將上述參數(shù)帶入下列調(diào)整公式，從而獲得最佳的PID參數(shù)值，見式(6)～(8)。

(6)

(7)

(8)

3 PID控制算法仿真和分析

為了驗證模糊自適應(yīng)PID控制算法的準確程度，是否能夠有效的達到介質(zhì)懸浮液密度控制的效果，工業(yè)運行試驗采用3NWX1200/850型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，分別進行了高低液位下密度控制，以及在保證密度給定值不變的前提下其液位改變后的試驗，其效果見圖4。

圖4 常規(guī)PID與模糊PID控制重介質(zhì)密度曲線對比

其中圖4(a)為采用常規(guī)PID控制的重介質(zhì)密度曲線，其控制超調(diào)量ε=11%，控制穩(wěn)定時間為92s,溫度誤差為5%。圖4(b)為采用模糊PID控制的重介質(zhì)密度曲線，其控制超調(diào)量ε=5%，控制穩(wěn)定時間為31s,溫度誤差為1%。由此表明使用模糊自適應(yīng)PID控制算法的重介質(zhì)選煤控制系統(tǒng)，可以在保證液位在規(guī)定范圍之內(nèi)情況下快速、有效地將介質(zhì)懸浮液密度控制在設(shè)定值附近。從仿真結(jié)果可以看出模糊自適應(yīng)PID控制的優(yōu)勢。

1)模糊自適應(yīng)PID控制和常規(guī)PID控制相比，超調(diào)量有明顯減少，達到穩(wěn)定時期的調(diào)節(jié)時間也明顯減少了，幾乎沒有振蕩次數(shù)，能夠很平穩(wěn)的進入穩(wěn)態(tài)。

2)模糊自適應(yīng)PID控制比常規(guī)PID控制控制性能優(yōu)良而且動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度都有明顯提高。

3)由于模糊控制不需要精確度的數(shù)學(xué)系統(tǒng)模型，不僅可以克服非線性因素而且對變系統(tǒng)能進行實時控制，與PID控制相結(jié)合是一種非常有價值的控制方案。

4 結(jié)論

基于模糊自適應(yīng)PID控制算法的重介質(zhì)選煤控制系統(tǒng)，對具有非線性、時變性等特性的介質(zhì)懸浮液密度以及介質(zhì)桶液位控制產(chǎn)生了良好的控制效果。能夠有效的確保其控制精度、同時避免了各執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作，擁有很強的實用性。通過系統(tǒng)工業(yè)性試驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)的可行性，其控制結(jié)果滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。但是，其中涉及的模糊控制規(guī)則以及隸屬函數(shù)均是通過人為總結(jié)、實驗得出的，精確度無法得到較好的保障，建議在后續(xù)的研究中能夠采用引入遺傳算法，使其具備在線學(xué)習(xí)功能以實現(xiàn)模糊控制決策規(guī)則的在線調(diào)整，這將會更好地提升此控制方法的精確性。

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Research on the dense medium coal cleaning control system based on the fuzzy PID adaptive algorithm

YANG Li

(School of Computer and Information, Hohhot Vocational College，Hohhot 010051，China)

In dense medium separation process, the density control effect of heavy medium suspension directly decided to dense medium separation of product quality. This paper aim at dense medium coal cleaning process use medium suspension density and medium barrels of liquid level changes of time-varying, nonlinear and so on characteristics, using an adaptive fuzzy PID algorithm, dense medium coal cleaning process control model is established. The model consists of the modal recognizer and fuzzy PID adaptive controller, synergy to select executed valve, dielectric shunt valve and water regulating valve, in order to realize the control of the medium level slurry density and medium bucket, and the industrial operation test. Results show that using an adaptive fuzzy PID algorithm of dense medium coal cleaning control system, the suspension of medium density and dielectric barrel level control precision, and fast response speed, satisfies the requirement of coal cleaning process control.

dense medium coal preparation; the fuzzy adaptive pid; suspension density; medium level barrels

2016-04-15

楊麗(1972-)，女，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，副教授，研究方向為高等數(shù)學(xué)應(yīng)用、數(shù)學(xué)教學(xué)論、方法論。

TD94；TP273

A

1004-4051(2016)12-0117-04