PID控制在礦井乳化液配比系統(tǒng)中的應(yīng)用

衛(wèi) 強(qiáng)

（山西潞安左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600）

0 引 言

乳化液在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著十分重要的作用。作為煤機(jī)產(chǎn)品液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)，尤其是作為煤礦采煤工作面液壓支架和液壓支柱的工作介質(zhì)在煤礦井下得了廣泛的應(yīng)用，被稱之為煤礦支護(hù)設(shè)備的血液[1]。乳化液作為液壓支護(hù)設(shè)備的傳動(dòng)介質(zhì)，其濃度適當(dāng)與否直接影響到液壓支架的工作壽命和成本。濃度過低，液壓支架元件受到水的侵蝕而生銹，會(huì)影響其工作壽命，甚至導(dǎo)致支架失去支承能力而引起重大的惡性事故。反之，若濃度過高，乳化油用量增加，會(huì)增加生產(chǎn)成本[2]。為了保護(hù)液壓系統(tǒng)元件并延長其使用壽命，避免因濃度過高而增加生產(chǎn)成本，因而必須嚴(yán)格控制乳化液的濃度。為此，我們研制了一種新型乳化液配比系統(tǒng)，以自動(dòng)控制乳化液濃度使其趨于合理的配比濃度范圍。

1 乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)工作原理

圖1 乳化液自動(dòng)制比系統(tǒng)原理簡圖

圖1為一種可調(diào)式乳化液配比系統(tǒng)液壓原理。該系統(tǒng)以PLC為控制核心，以變頻器、電磁閥和齒輪泵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以流量傳感器、液位傳感器為反饋裝置。其工作原理為：以電磁閥來控制水源的通斷。流量傳感器對(duì)乳化液流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，不同的流量值經(jīng)過傳感器后，輸出相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以后，送入PLC進(jìn)行處理。在PLC控制下，系統(tǒng)把輸入值代入濃度計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算，得出的濃度值與事先給定系統(tǒng)的濃度值（2%和5%）進(jìn)行比較，如果濃度值小于2%，PLC向變頻器輸出信號(hào)，通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)齒輪泵的轉(zhuǎn)速使其增大，這樣也就使得乳化油的進(jìn)油量增大。由于清水流量保持不變，乳化油的流量增大會(huì)使乳化液濃度增大。同理，如果經(jīng)比較，乳化液的濃度大于5%，那么，PLC輸出信號(hào)，通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)從而來調(diào)節(jié)齒輪泵使其轉(zhuǎn)速減小，降低乳化油的進(jìn)油量，從而使乳化液的濃度降低。如此循環(huán)檢測(cè)、比較、控制、調(diào)節(jié)，使乳化液濃度穩(wěn)定在給定的2%～5%范圍內(nèi)。

該系統(tǒng)主要由乳化油箱、乳化油和水配比系統(tǒng)、電控系統(tǒng)三部分組成?？蓪?duì)乳化液箱和乳化油箱的液位進(jìn)行自動(dòng)控制，有效地避免了油箱和液箱的吸空或乳化液外溢。當(dāng)乳化液達(dá)到高液位時(shí)，乳化液箱液位傳感器發(fā)出電信號(hào)，PLC接收信號(hào)，使電磁閥失電、齒輪泵停止工作，配比工作停止；當(dāng)乳化液用至低液面時(shí)，乳化液箱液位傳感器又發(fā)出電信號(hào)，PLC接收信號(hào)，使電磁閥得電、齒輪泵開始工作，配比工作開始，向乳化液箱補(bǔ)充乳化液。當(dāng)乳化油箱乳化油短缺時(shí)，乳化油箱液位傳感器就會(huì)發(fā)出信號(hào)給系統(tǒng)，提醒工作人員加油。

2 乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)PID控制

對(duì)于礦井乳化液配比系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要實(shí)際流量快速響應(yīng)理論流量的變化，且要求實(shí)際流量變化的輸出保持在穩(wěn)態(tài)值，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的輸出與給定值之間“無靜差”。本控制系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)采用比例加積分調(diào)節(jié)，即PI算法。系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示。

圖2 乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)控制原理框圖

2.1 系統(tǒng)參數(shù)的選擇

PID控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對(duì)象的具體特性和對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行[3]。工程上，一般要求整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對(duì)給定量的變化能迅速響應(yīng)并平滑跟蹤，超調(diào)量??；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能保持穩(wěn)定等等。這些要求，對(duì)控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的，我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當(dāng)?shù)卣壑蕴幚?。PID控制器的參數(shù)整定，可以不依賴于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過實(shí)驗(yàn)來確定，通過試湊，或者通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式來確定。

在PID控制中，采樣周期過短，前后兩次采樣的數(shù)值之差可能很小，這就減弱了調(diào)節(jié)的作用。而且，在用積分部分消除靜差的過程中，如果采樣周期太短，會(huì)導(dǎo)致積分部分的增益值過低，且當(dāng)誤差e(t)小到一定值時(shí)，就有受到計(jì)算機(jī)精度限制的可能，而使其始終為零，這樣積分部分就不能繼續(xù)起到消除殘差的作用，這部分殘差就無法消除。因此T的選擇必須大到使由計(jì)算機(jī)精度造成的“積分殘差”減小到可以容忍的程度[4]。

所以，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)PID控制設(shè)定了兩組試驗(yàn)參數(shù)：

第一組：Kc=0.6，Ti=0.04 min；Td=0 min；

第二組：Kc=1.0，Ti=1.0 min；Td=0 min.

其中：Kc為比例增益；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

2.2 PID參數(shù)調(diào)節(jié)及試驗(yàn)分析

采用力控6.0建立數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用力控組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并測(cè)試出乳化油實(shí)際流量和設(shè)定油流量及控制輸出頻率之間的關(guān)系曲線，根據(jù)選取的Kc，Ti，Td值，給系統(tǒng)一個(gè)乳化油流量變化，觀察理論乳化油量，以及實(shí)際乳化油流量，記錄出完成自調(diào)節(jié)的時(shí)間。

第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：Kc=0.6，Ti=0.04min；Td=0 min.

當(dāng)乳化液流量瞬時(shí)變小時(shí)（如圖3），此時(shí)瞬時(shí)調(diào)整出乳化液配比系統(tǒng)理論所需的乳化油量。設(shè)置油流量理論調(diào)整時(shí)間是4 s，設(shè)定實(shí)際的乳化油流量滯后1 s，最終以36 s完成了自調(diào)節(jié)，控制輸出36 s完成自調(diào)節(jié)。

圖3 乳化油流量變小時(shí)的曲線

當(dāng)乳化液流量瞬時(shí)變大時(shí)（如圖4），此時(shí)瞬時(shí)調(diào)整出乳化液配比系統(tǒng)理論的所需乳化油量。設(shè)置油流量理論調(diào)整時(shí)間是2 s，設(shè)定實(shí)際的乳化油流量滯后1 s，最終以32 s完成了自調(diào)節(jié)，控制輸出27 s完成自調(diào)節(jié)。

圖4 乳化油流量變大時(shí)的曲線

分析比較可以得出在油流量瞬時(shí)變化頻率較高的情況下，對(duì)實(shí)際的乳化油流量和其控制輸出影響比較大。

第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：Kc=1.0，Ti=1.0 min；Td=0 min

運(yùn)用力控軟件對(duì)乳化液系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的曲線如下。

圖5為系統(tǒng)乳化液流量瞬時(shí)變大時(shí)的情況，此時(shí)瞬時(shí)調(diào)整出乳化液配比系統(tǒng)理論的所需乳化油量。設(shè)置油流量理論調(diào)整時(shí)間是2 s，設(shè)定實(shí)際的乳化油流量滯后2 s，最終以19 s完成了自調(diào)節(jié)，控制輸出21 s完成自調(diào)節(jié)。

圖5 乳化油流量變大時(shí)的曲線

圖6 乳化油流量變小時(shí)的曲線

圖6為系統(tǒng)乳化液流量瞬時(shí)變大時(shí)的情況，此時(shí)瞬時(shí)調(diào)整出乳化液配比系統(tǒng)理論的所需乳化油量。設(shè)置油流量理論調(diào)整時(shí)間是2 s，設(shè)定實(shí)際的乳化油流量滯后2 s，最終以17 s完成了自調(diào)節(jié)，控制輸出19 s完成自調(diào)節(jié)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

從兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在PI控制系統(tǒng)中，比例增益Kc越大，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)越快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短；積分時(shí)間常數(shù)Ti越大，調(diào)節(jié)輸出的波動(dòng)狀態(tài)時(shí)間短，保證了乳化液配比系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出與給定值之間的“無靜差”。比例增益 Kc和積分時(shí)間常數(shù)Ti均增大后，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間短。因此，在礦井乳化液配比系統(tǒng)中，將其比例增益和積分時(shí)間常數(shù)均增大會(huì)增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有效地保證乳化液配比系統(tǒng)中乳化液的濃度處于穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)語

文中所研究的乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)前煤礦生產(chǎn)要求開發(fā)設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)等，并內(nèi)設(shè)建立PID控制算法，不僅可實(shí)現(xiàn)乳化液的自動(dòng)配液,在線檢測(cè)乳化液的濃度,保證乳化液濃度的精確度以及配液的實(shí)時(shí)性，而且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了礦用液壓支架和液壓支柱等設(shè)備的良好運(yùn)行，提高生產(chǎn)率，為煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、自動(dòng)化生產(chǎn)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1] 柴光遠(yuǎn),王曉麗.基于模糊控制的乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2004(6):73-74.

[2] 宋理敏,寇子明,楊貴元.乳化液濃度的自動(dòng)配比和在線檢測(cè)[J].機(jī)械管理開發(fā),2006(1):13-14.

[3] 姬翠翠,朱華,江煒.礦用乳化液濃度自動(dòng)檢測(cè)與配比技術(shù)比較研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007(11):87-90.

[4] 王曉麗,柴光遠(yuǎn),徐尚龍.乳化液濃度的檢測(cè)與自動(dòng)配比[J].煤礦機(jī)械,2002(7):45-46.