PID控制在乳化炸藥井下裝藥車上的應(yīng)用

沈言夫

（湖南金能科技股份有限公司，湖南 長沙 410006）

乳化炸藥井下裝藥車作為地下礦山開采現(xiàn)場混制裝填乳化炸藥的生產(chǎn)設(shè)備，其有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高、能適應(yīng)40m以上全方位炮孔、機(jī)械化作業(yè)、人工勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)。是地下礦山爆破作業(yè)設(shè)備的最佳選擇，代表了其發(fā)展方向。

PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢。

裝填炸藥時(shí)，裝填過多則炸藥返料、裝藥管堵塞。裝填過少造成爆破效果差。采用PID控制，將退管速度與裝藥速度做閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定裝藥。

1 PID基本原理

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出構(gòu)成控制偏差。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其控制原理如圖1。

圖1 控制原理

PID控制的傳遞函數(shù)為：

簡單來說，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控作用，以減少偏差。

（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率）、并能在偏差信號變得過大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

2 系統(tǒng)硬件組成

乳化炸藥井下裝藥車的設(shè)備采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓元件采用美國丹佛斯比例多路閥進(jìn)行收放管的控制，比例控制為0～10V的電壓信號。

電控系統(tǒng)采用西門子300PLC，編程軟件采用西門子STEP7-5.5。其組態(tài)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)組態(tài)

送/退輸藥管的速度，通過卷筒軸芯上的高速計(jì)數(shù)接近開關(guān)，測量卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)，最終計(jì)算得出。

裝藥柱塞泵的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，通過柱塞泵上的接近開關(guān)，可測量裝藥柱塞泵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)。

3 控制思路

采用PID控制時(shí)，需要得到SP_INT和PV_IN，即目標(biāo)值與實(shí)際值。此處我們需要算出退管速度的目標(biāo)值與退管的實(shí)際速度值。

測量每次掃描周期內(nèi)裝藥泵的運(yùn)動(dòng)次數(shù)，通過炮孔半徑，裝藥泵每次運(yùn)動(dòng)輸出的裝藥量，可計(jì)算出掃描周期內(nèi)退管速度，即為PID的目標(biāo)退管速度。其計(jì)算公式為：

其中C為單次掃描周期內(nèi)泵的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。T為掃描周期時(shí)間，此處掃描時(shí)間設(shè)置為1S。N為基質(zhì)泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次的裝藥容積。R為裝藥孔半徑。L為掃描周期（1S）時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)退管速度。則目標(biāo)退管速度公式：

測量退管速度，通過每次掃描周期內(nèi)退管卷筒的脈沖次數(shù)，每個(gè)脈沖的間距長度，測量出退管實(shí)際速度，其計(jì)算公式為：

其中C為每次掃描周期內(nèi)退管卷筒的脈沖次數(shù)。T為掃描周期時(shí)間，此處掃描時(shí)間設(shè)置為1S。M為每個(gè)脈沖的間距長度。S為掃描周期（1S）時(shí)間內(nèi)的實(shí)際退管速度。

由于西門子300的PID中，SP_INT和PV_IN是為-100和 +100 %間的浮點(diǎn)格式值。則需要通過公式將其轉(zhuǎn)換：

4 程序的編寫

根據(jù)公式，可將程序進(jìn)行編寫。

目標(biāo)退管速度編寫：

PID的編寫：調(diào)用西門子300標(biāo)準(zhǔn)庫中的FB41功能塊，進(jìn)行連續(xù)控制。將目標(biāo)速度與實(shí)際速度填入SP_INT和PV_IN。

其中COM_RST為自動(dòng)執(zhí)行的初始化程序。GAIN為"比例值"輸入指定控制器增益。TI為"復(fù)位時(shí)間"輸入決定積分器的時(shí)間響應(yīng)。TD為"微分時(shí)間"輸入決定微分單元的時(shí)間響應(yīng)，此項(xiàng)目未使用微分。LMN_HLM為"操作值上限"輸入指定上限。LMN_LLM為"操作值下限"輸入指定下限。輸出參數(shù)LMN為"操作值"輸出處的浮點(diǎn)格式輸出。

其中CAIN和TI，需要在實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試設(shè)定。根據(jù)輸出的震蕩情況和響應(yīng)時(shí)間關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到最終的設(shè)定值。

圖3 PID塊調(diào)用

5 實(shí)際應(yīng)用

乳化炸藥井下裝藥車在青海慶華礦業(yè)肯德可克鐵礦的實(shí)際使用中，原先采用傳統(tǒng)的固定速度退管，常因?yàn)檠b藥裝填過多造成炸藥返料、裝藥管堵塞。裝填過少造成爆破效果差。后經(jīng)過改進(jìn)，采用PID進(jìn)行裝藥退管速度匹配，裝藥返料、裝藥管堵塞現(xiàn)象極大減少，且爆破效果好，爆破塊度小。獲得了公司和客戶的一致好評。

6 結(jié)語

本文介紹了PID控制在乳化炸藥井下裝藥車中的應(yīng)用，介紹了原理，得到了運(yùn)算公式，編寫了程序，并以實(shí)際使用得到驗(yàn)證。以此得出結(jié)論：在井下裝藥時(shí)，使用PID控制，可有效提高爆破效率和爆破效果。