菅棟梁

煤礦空壓機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計

菅棟梁

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

為解決空壓機(jī)系統(tǒng)延遲性高、穩(wěn)定性差的問題，采用基于模糊PID控制技術(shù)應(yīng)用到空壓機(jī)控制系統(tǒng)。搭建包括上位機(jī)監(jiān)測軟件、可編程控制器PLC、數(shù)據(jù)采集傳感器和空壓機(jī)電氣控制部分在內(nèi)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)空壓機(jī)的實時運行狀態(tài)，動態(tài)控制空壓機(jī)的出口壓力，有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。

模糊PID；空壓機(jī)；PLC；自動控制

煤礦企業(yè)在安全生產(chǎn)采煤作業(yè)的過程中，會大批量使用以風(fēng)能為動力的機(jī)械工具，而風(fēng)動機(jī)械工具需要空氣壓縮機(jī)（簡稱空壓機(jī)）提供風(fēng)能作為動力來源。為了保證煤礦企業(yè)生產(chǎn)工作的順利開展，確保煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，需要空壓機(jī)具有高度的可靠性和絕對的安全性。

各煤礦企業(yè)在空壓機(jī)的自動控制系統(tǒng)方面進(jìn)行了技術(shù)改造，使大部分的空壓機(jī)具備自動控制與無人值守功能。但傳統(tǒng)的空壓機(jī)系統(tǒng)具有高延遲的缺點，空壓機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不是很高，不能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制，傳統(tǒng)的PID控制方式已不能夠完成目前對空壓機(jī)控制系統(tǒng)的要求。如果將傳統(tǒng)的PID控制方式同模糊控制方式結(jié)合在一起，集二者之長，即在空壓機(jī)控制系統(tǒng)中加入模糊控制理論，利用模糊控制理論對空壓機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，通過分析空壓機(jī)系統(tǒng)的行為及特點，實現(xiàn)對PID控制器的實時調(diào)節(jié)，使控制系統(tǒng)能夠有效提高系統(tǒng)對外界環(huán)境變化的自動適應(yīng)，從而使系統(tǒng)達(dá)到理想的控制效果。本文根據(jù)煤礦企業(yè)對煤礦安全生產(chǎn)的實際需要，設(shè)計了一種以模糊PID控制為理論依據(jù)的空壓機(jī)控制系統(tǒng)，可以完成空壓機(jī)供氣壓力的智能化調(diào)控。

1 PID控制器設(shè)計

作為在智能控制研究領(lǐng)域里成果最為豐碩的技術(shù)之一，模糊PID控制技術(shù)在現(xiàn)今乃至未來都占有極其重要的位置。但在工業(yè)控制領(lǐng)域里，占據(jù)統(tǒng)治地位的控制技術(shù)仍舊是傳統(tǒng)PID類型的。以模糊控制理論作為理論依據(jù)，以傳統(tǒng)PID控制理論作為基礎(chǔ)，集二者之長，構(gòu)建符合煤礦空壓機(jī)需要的模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于模糊PID控制技術(shù)的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制器參數(shù)自動調(diào)節(jié)功能[1]，從圖1可以看出，控制器的輸入量有2個，其一是供氣壓力偏差，其二是供氣壓力偏差變化率△，由此便可以得到所需要的論域={-3,-2,-1,0,1,2,3}，={-3,-2,-1,0,1,2,3}。在經(jīng)過控制器模糊加工處理后，獲取到3個輸出參數(shù)：P、I、D，把獲取到的參數(shù)P、I、D傳遞給PID控制器，經(jīng)過PID控制器的運算，轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂谱冾l器的頻率輸出，進(jìn)而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)帶動空壓機(jī)對儲氣罐內(nèi)的氣體做功，改變供氣壓力大小，可以完成對供氣壓力的實時調(diào)節(jié)功能。

圖1 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

針對不同E和EC的情況下，被控過程對P、I的自整定要求，整理出P、I具有下面一些自整定規(guī)律。

當(dāng)控制系統(tǒng)具有比較大的偏差時，為達(dá)到縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間的目的，需要快速清除掉系統(tǒng)偏差，這時K的取值應(yīng)當(dāng)較大些；與此同時，為了預(yù)防P的取值過大而導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，引發(fā)積分飽和現(xiàn)象，這時K的取值應(yīng)當(dāng)較小些。

當(dāng)控制系統(tǒng)具有比較小的偏差時，為達(dá)到持續(xù)清除系統(tǒng)偏差的目的，同時預(yù)防因超調(diào)而引發(fā)振蕩的發(fā)生，P的取值需要降低，同時I的取值也相應(yīng)需要較低。

當(dāng)控制系統(tǒng)的偏差本來就很小的時候，為達(dá)到清除系統(tǒng)余差（又稱靜差）并防止系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)的目的，讓系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這時K的取值應(yīng)當(dāng)要繼續(xù)降低，與之相反I的取值應(yīng)當(dāng)較大。

當(dāng)所期望的調(diào)控時間小于系統(tǒng)所需要的調(diào)控時間，同時二者之差又不是特別大時，P的取值要先調(diào)高些，而I的取值應(yīng)調(diào)低些；當(dāng)系統(tǒng)需要的調(diào)控時間特別大時，I的取值要先調(diào)低些，而P的取值要調(diào)高些。根據(jù)上述要求得到P、I的模糊控制規(guī)律表[5]。

表1 Kp的模糊控制規(guī)律表

表2 KI的模糊控制規(guī)律表

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計由溫度傳感器、振動傳感器、電流傳感器以及氣體壓力傳感器組成，硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件組成

系統(tǒng)所使用到的具體傳感器信息如表3所示。

空壓機(jī)控制系統(tǒng)的控制器是以西門子S7-200 PLC為核心，綜合運用溫度、振動、電流、壓力4種傳感器及變頻器與接觸器，系統(tǒng)能夠有效地完成對輸出氣壓的調(diào)控，有效解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性差的缺點[2]。以模糊PID控制為理論依據(jù)的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)可以對供氣壓力進(jìn)行連續(xù)不間斷地調(diào)控，使氣體的壓力基本上維持在一個恒定的理想狀態(tài)下，從而使供氣的質(zhì)量得到最佳的保證。

表3 傳感器表

煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)由S7-200 PLC來控制電動機(jī)、變頻器、空壓機(jī)等的啟動停止工作，以此實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的封閉式、自動化操控，用戶僅僅需要設(shè)定壓力值，并啟動控制系統(tǒng)就可以完成對壓力的控制工作。同時工作的有2組空壓機(jī)群，一組為變速機(jī)群，另一組為恒速機(jī)群，S7-200 PLC通過對傳感器信號的分析，實時對變速機(jī)群和恒速機(jī)群進(jìn)行調(diào)整，從而完成控制系統(tǒng)氣體的恒壓調(diào)節(jié)工作[3]。

3 軟件設(shè)計

煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機(jī)監(jiān)控軟件程序設(shè)計和PLC程序設(shè)計。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件程序設(shè)計

服務(wù)器主機(jī)操作系統(tǒng)為Windows7 32位專業(yè)版，組態(tài)軟件采用西門子專業(yè)的WINCC6.0版本。根據(jù)空壓機(jī)系統(tǒng)控制工藝要求，按照實際管路布置情況，設(shè)計人機(jī)交互界面，通過此界面操作員可實時監(jiān)測和控制整個系統(tǒng)的運行。監(jiān)測軟件界面采用動態(tài)顯示形式，包括工藝參數(shù)顯示、電氣設(shè)備的手動/自動切換控制、參數(shù)報警、歷史數(shù)據(jù)查詢以及日常報表打印功能。利用OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器完成對各種監(jiān)測控制信號的數(shù)據(jù)交互。

3.2 PLC程序設(shè)計

PLC程序開發(fā)采用西門子的STEP 7-MicroWIN SMART V2.1進(jìn)行編寫，實現(xiàn)了模糊PID控制器的算法，如圖3所示。PLC程序采用模塊化設(shè)計，分別完成不同的功能。程序主要包括監(jiān)控信號采集部分、手動控制部分和自動運行部分。在PLC內(nèi)部，完成對工藝信號的轉(zhuǎn)換，并且傳回給OPC服務(wù)器。在自動模式下，程序按照要求的控制邏輯，通過判斷現(xiàn)場的采集信號參數(shù)，完成自動運行狀態(tài)下的系統(tǒng)控制[4]。在程序內(nèi)部的手動/自動切換是通過接收服務(wù)器軟件發(fā)送的轉(zhuǎn)換標(biāo)志來進(jìn)行區(qū)分的。在信號采集程序塊中，會對重要的工藝參數(shù)信號做濾波處理，使信號更加準(zhǔn)確，提高控制系統(tǒng)可靠性。PID模塊的使用需要在main中通過SM0.0調(diào)用生成的PID子程序PID1_CTRL來初始化PID控制過程中使用的所有變量。PLC程序按照組態(tài)周期來不斷地調(diào)用中斷程序PID_EXE，在PID_EXE中執(zhí)行PID運算。PID1_CTRL的第一個輸入PV_I對應(yīng)的EM0_輸入0是INT型的過程變量即壓力反饋，Setpoint_R對應(yīng)的輸入是實數(shù)設(shè)定值（SP）。CPU_輸入0對應(yīng)的Auto_Manual的值為1時，PID回路工作在閉環(huán)自動模式，反之工作在手動模式。Manualoutput作為手動模式下實數(shù)輸入值（0.00 ~ 1.00）。Output對應(yīng)的EM0_輸出0是PID控制器的整型輸出。BOOL變量HighAlarm和LowAlarm分別對應(yīng)上限報警輸出和下限報警輸出。通過中斷程序PID_EXE和子程序PID1_CTRL完成對壓力控制的PID自動整定。

圖3 PID子程序

圖4為常規(guī)PID與模糊PID在階躍輸入下的響應(yīng)曲線對比。曲線1指示常規(guī)PID，曲線2指示模糊PID。與常規(guī)PID相比，模糊PID控制器能更好地完成對系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)任務(wù)。系統(tǒng)能夠在短時間快速跟蹤并達(dá)到給定值。由于系統(tǒng)通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以應(yīng)盡量避免超調(diào)，模糊PID控制更能滿足這一點。程序調(diào)試運行后實現(xiàn)了對供氣壓力持續(xù)的調(diào)節(jié)，能夠使氣壓維持在一個恒定的狀態(tài)，有效解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性差、延遲性高的問題，完成了煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的智能化調(diào)控。

1.常規(guī)PID；2.模糊PID

4 結(jié)束語

設(shè)計了一套基于模糊PID控制技術(shù)的煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)，以S7-200 PLC為核心，綜合利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)了對煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)的自動化、智能化管理控制。本系統(tǒng)已在山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司煤礦空壓機(jī)控制系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場實際應(yīng)用證明，系統(tǒng)滿足空壓機(jī)工藝流程的控制要求，運行穩(wěn)定可靠，降低了系統(tǒng)能耗，提高了自動化水平，有效地解決了傳統(tǒng)空壓機(jī)系統(tǒng)存在的高延遲、不穩(wěn)定的缺點。

[1] 吳振順, 姚建均, 岳東海. 模糊自整定PID控制器的設(shè)計及其應(yīng)用[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2004, 36(1): 1578-1580.

[2] 西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán). 深入淺出西門子WinCC6.0[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[3] 林礪宗, 張晉勇, 錢志勤. 基于組態(tài)軟件的空壓機(jī)集群監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動化, 2007, 29(4): 56-59.

[4] 廖子庭, 潘榮果. 基于PLC變頻調(diào)速的空壓機(jī)控制原理與節(jié)能研究[J]. 節(jié)能, 2006(6): 17-19.

[5] 呂紅麗, 郭秀英. 暖通空調(diào)系統(tǒng)的新型模糊自調(diào)節(jié)PID控制[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報, 2010(4): 61-66.

責(zé)任編校：孫 林

Fuzzy PID Control System Design of Coal Mine Air Compressor

JIAN Dong-liang

（Shanxi Hequ Jinshen Ciyao Ditch Coal Industry Co., Ltd, Hequ 036500, China）

In order to solve the problem of high delay and poor stability of mine air compressor system, the technology based on fuzzy PID control is applied to mine air compressor control system. The whole control system including host computer monitoring software, program flow design of PLC, data acquisition instrument and air compressor electrical control part are built. The system can effectively improve the stability and reliability of the system and achieve a good energy-saving effect according to the real-time operating state of the mine air compressor and dynamic control of the mine air compressor outlet pressure.

fuzzy PID; air compressor; PLC; automatic control

10.15916/j.issn1674-3261.2017.06.005

TP273+.4

A

1674-3261(2017)06-0365-03

2017-09-14

菅棟梁(1986-)，男，山西河曲人，助理工程師。