基于PID控制的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

曹帥+劉混舉

摘??要：礦井通風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。通過(guò)結(jié)合煤礦生產(chǎn)的需要和礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出了以PLC和組態(tài)技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)，并引入了二自由度的PID控制理論。通過(guò)Matlab/Simulink動(dòng)態(tài)仿真對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并讀取通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)量、電流和溫度等參數(shù)，且具有良好的預(yù)警功能，對(duì)企業(yè)實(shí)時(shí)掌握風(fēng)機(jī)工況有重要的意義。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)機(jī);監(jiān)控系統(tǒng);PID;Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：TD441;TP277???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.008

礦井通風(fēng)機(jī)是煤礦井下通風(fēng)必不可少的安全設(shè)備之一，在煤礦安全生產(chǎn)中扮演著重要角色，有煤礦“肺臟”之稱(chēng)。其主要作用是向礦井內(nèi)輸送新鮮空氣，同時(shí)，將煤礦內(nèi)瓦斯、粉塵等有害氣體排出。因此，礦井提升機(jī)的安全、可靠運(yùn)行對(duì)提高煤礦的生產(chǎn)效率有重要意義。本文在總結(jié)以往礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于PID控制的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)仿真工作。

1??礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1??自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)利用了微機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、可控制理論技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸通訊技術(shù)，監(jiān)測(cè)參數(shù)項(xiàng)目較全，且基于生產(chǎn)部門(mén)的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由西門(mén)子PLCS7-200PLC為核心的控制系統(tǒng)、MCGS組態(tài)操作軟件、PID控制、PID參數(shù)整定和操作人員控制模塊等部分組成。

1.2??自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)方案

礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)礦井相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可有效監(jiān)控礦井內(nèi)、外的實(shí)際工作。該系統(tǒng)將礦井監(jiān)測(cè)與礦井控制兩部分的功能有機(jī)結(jié)合，整體結(jié)構(gòu)采用上、下位機(jī)分布式結(jié)構(gòu)。上位機(jī)為工業(yè)計(jì)算機(jī)，應(yīng)用軟件采用冗余組態(tài)軟件技術(shù)，從而使系統(tǒng)更加安全、可靠;下位機(jī)部分由傳感器、A/D模塊和PLCS7-200PLC組成。上、下位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，測(cè)控功能更加網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化，且依據(jù)不同礦井的需求，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置。

該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、控制效果好、實(shí)時(shí)性高、安全性高、人機(jī)交互性強(qiáng)和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖1??礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2??礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)圖

2??基于PID控制的系統(tǒng)模型

由于傳統(tǒng)的PID控制器只能在跟蹤設(shè)定值或抑制擾動(dòng)中選擇一種設(shè)計(jì)，很難獲得最佳的控制效果。本文依據(jù)?str?m和Panagopoulos?等學(xué)者的PID控制思想，通過(guò)分析非線性魯棒控制器（Tornambe?Controller，TC）的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)得出了PID的等價(jià)形式。通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期動(dòng)力學(xué)方程系統(tǒng)，將本文所采用的控制方式反映至控制器參數(shù)中，同時(shí)，提出一種二自由度PID預(yù)期動(dòng)態(tài)法（Desired?Dynamic?Equation，DDE）。在該方法中，在不具備精確模型的前提下，也可通過(guò)在線整定適應(yīng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的未建模動(dòng)態(tài)過(guò)程，具有較強(qiáng)的魯棒性。因此，采用二自由度PID結(jié)構(gòu)確定了閉環(huán)系統(tǒng)的最大靈敏度，并優(yōu)化了整定PID/PI參數(shù)。對(duì)于單輸入、單輸出系統(tǒng)（SISO）而言，被控對(duì)象可近似表示為：

. ????（1）

式（1）中：Gp'（s）為被控對(duì)象的近似值;H為高頻增益;b為方程系數(shù)，未知數(shù);n為極點(diǎn)數(shù)量;r為階次;a為方程系數(shù)，未知數(shù)。

根據(jù)式（1）設(shè)計(jì)了一種新型的PID控制器，設(shè)A，B，C為系統(tǒng)的最小能控，可采取如下變換：

. ?????????（2）

式（2）中：zi為擴(kuò)變量;wi為擴(kuò)變量。

通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換后，最終得到二自由度PID的控制率：

.????（3）

.????????????（4）

式（3）（4）中：u為擴(kuò)變量;kp為二自由度控制的參數(shù);y與yr的比值為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性;ki為二自由度控制的參數(shù);kd為二自由度控制的參數(shù);b?為二自由度控制的參數(shù);h0為為動(dòng)態(tài)特性方程的變量;h1為為動(dòng)態(tài)特性方程的變量;l為動(dòng)態(tài)特性方程的變量;k為觀測(cè)器參數(shù)。

3??機(jī)遇Matlab/Simulink的仿真實(shí)驗(yàn)

3.1??自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)仿真模型的建立

在礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，風(fēng)量、風(fēng)壓是2個(gè)大慣性、大時(shí)滯的參數(shù)。根據(jù)礦井實(shí)際的工況分析和總結(jié)，結(jié)合上述PID整定后的控制方程，我們將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為慣性環(huán)節(jié)和時(shí)滯環(huán)節(jié)串聯(lián)數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的計(jì)算公式為：

.???????????????（5）

式（5）中：K為觀測(cè)器參數(shù);Ts為調(diào)試參數(shù);e-τs為調(diào)試參數(shù)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試數(shù)據(jù)，在模擬實(shí)驗(yàn)中選定T=60?s，k=5，τ=60?s，采樣周期為?10?s。

在Matlab/Simulink交互式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模塊中，轉(zhuǎn)換推倒出的基于PID控制的礦井通風(fēng)機(jī)控制模型，在Simulink仿真環(huán)境編制仿真模型后，開(kāi)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試仿真，仿真模型如圖3所示。其中，PID控制器的各參數(shù)值為Kp=0.3、Ki=0.005、Kd=0.5.

圖3??PID控制的simulink模型

3.2??仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4??自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真曲線

圖5??自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真穩(wěn)定和滯后曲線

通過(guò)對(duì)比動(dòng)態(tài)特性曲線發(fā)現(xiàn)，對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)整定后，比傳統(tǒng)PID控制的礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間方面均有較好的改變。傳統(tǒng)PID控制的超調(diào)量較大，而PID參數(shù)整定后減小了礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)超調(diào)，且響應(yīng)時(shí)間也略有縮短。具體如表1所示。

表1??數(shù)據(jù)對(duì)比

方案

超調(diào)量/%

響應(yīng)時(shí)間/s

傳統(tǒng)PID控制

20.5

405

二自由度PID控制

1.2

391

研究結(jié)果表明，本文所進(jìn)行的PID參數(shù)整定已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，獲得了系統(tǒng)最優(yōu)PID參數(shù)整定下的Kp，Ki，Kd.?通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、高可靠性的PLC和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井通風(fēng)機(jī)的性能和指標(biāo)，切實(shí)提高了礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化管理水平，并對(duì)提高礦井自動(dòng)化和智能化水平更具有實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Mine?Fan?Automatic?Monitoring?System?Based?on?PID?Control

Cao?Shuai，?Liu?Hunju

Abstract：?This?is?one?of?the?main?mine?fan?equipment?mine?ventilation?system.?By?combining?the?structure?of?coal?production?and?mine?fan?needs?automatic?monitoring?system?is?proposed?in?order?to?configure?the?PLC?and?technology?as?the?core?control?system，?and?the?introduction?of?two?degrees?of?freedom?PID?control?theory.?By?Matlab/Simulink?Dynamic?Simulation?for?mine?fan?automatic?control?system?parameter?control，?real-time?monitoring?and?reading?wind?speed，?wind，?current，?and?temperature?and?other?parameters?fan，?and?has?a?good?early?warning?capabilities，?real-time?control?of?business?conditions?fan?there?are?important.

Key?words：?mine?fan;?monitoring?system;?PID;?Simulink