模糊PID 在煤礦空壓機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

石曉濤

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

0 引言

礦用空壓機(jī)作為煤礦高壓氣體供給設(shè)備，主要通過低壓氣體壓縮為井下氣動(dòng)設(shè)備及冷卻設(shè)備提供動(dòng)力，是煤礦核心設(shè)備之一?？諌簷C(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非線性、延遲較大的高階系統(tǒng)，傳統(tǒng)空壓機(jī)控制系統(tǒng)采用較為簡單的邏輯控制器+繼電器控制結(jié)構(gòu)[1-3]，由于氣動(dòng)設(shè)備動(dòng)力需求變化量較大，使得在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下空壓機(jī)的出口壓力值穩(wěn)定性較差，且與目標(biāo)值偏差較大，造成較大能源浪費(fèi)。因此通過改進(jìn)空壓機(jī)工藝流程及控制策略，提高空壓機(jī)工作效率、降低能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，對(duì)于綠色環(huán)保煤礦的建設(shè)具有重要研究意義。

為了實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，本文從空壓機(jī)工藝流程改進(jìn)及空壓機(jī)控制系統(tǒng)及策略改造兩方面入手，首先對(duì)空壓機(jī)工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，在原流程基礎(chǔ)上對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣端增加氣體除濕及降溫環(huán)節(jié)，降低空壓機(jī)加熱器帶來的功率消耗，同時(shí)為輸氣管路增加旁通管減小氣體流通阻力，進(jìn)一步達(dá)到降低能耗的目的。在控制系統(tǒng)改造方面，為提高傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)的魯棒性及抗干擾能力，引入模糊控制技術(shù)進(jìn)行控制策略改進(jìn)，通過模糊控制規(guī)則進(jìn)一步提高系統(tǒng)控制精度及魯棒性，降低系統(tǒng)超調(diào)量[4-5]，從而減少因控制系統(tǒng)滯后及控制效果差所造成的能耗量大的問題。

1 礦用空壓機(jī)工藝流程分析及改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

1.1 礦用空壓機(jī)工藝流程

礦用空壓機(jī)系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)包括壓縮機(jī)組、干濕式過濾器、多級(jí)冷卻器、油箱等設(shè)備，如圖1 所示。低壓空氣在進(jìn)入壓縮機(jī)組進(jìn)行壓縮前，首先需通過過濾器進(jìn)行灰塵、雜質(zhì)的濾除，為保證過濾效果，通常采用干濕串聯(lián)式過濾器進(jìn)行過濾。過濾后的空氣進(jìn)入壓縮機(jī)組中通過葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)、擴(kuò)壓器升壓使得空氣被逐級(jí)壓縮，壓力值不斷升高。在這一過程中，壓縮后的高壓氣體溫度劇增，為了避免熱量引起的損耗，需通過多級(jí)冷卻器對(duì)高壓氣體進(jìn)行冷卻，最終輸出可供其他設(shè)備使用的高壓冷卻氣體。

圖1 礦用空壓機(jī)系統(tǒng)的主要組成

通過對(duì)空壓機(jī)工藝流程分析可以看出，空壓機(jī)運(yùn)行能量損耗主要集中于壓縮高壓氣體所產(chǎn)生的高熱量帶來的熱交換損耗以及多級(jí)冷卻器除濕冷卻所需的功耗。同時(shí)高壓氣體經(jīng)過主管路時(shí)除熱交換外還存在風(fēng)阻損耗，使得能量損耗進(jìn)一步增大，在對(duì)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)時(shí)可從上述兩方面入手分析。

1.2 空壓機(jī)工藝流程節(jié)能改進(jìn)方案及效果

1.2.1 改進(jìn)方案

根據(jù)上一小節(jié)對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)工藝流程及主要能量損耗點(diǎn)的分析，本文從空壓機(jī)進(jìn)出口氣體溫度控制及減小主管路阻力系數(shù)兩方面對(duì)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)改善壓縮機(jī)工作環(huán)境的同時(shí)減小主要機(jī)構(gòu)功耗及氣體能量損失，具體工藝流程改進(jìn)方案如下：

1）在空壓機(jī)進(jìn)氣口空氣過濾器之前增設(shè)水冷器。將工藝流程中的冷卻環(huán)節(jié)提前至前端，在空氣進(jìn)入過濾器前通過水冷器將空壓機(jī)進(jìn)氣口氣體溫度降低，冷卻后的低壓氣體在進(jìn)入壓縮機(jī)組后可有效減小葉輪做功，同時(shí)進(jìn)排氣口溫度降低可有效改善壓縮空氣流量及出口壓力穩(wěn)定度。

2）在空壓機(jī)工藝流程前端增設(shè)除濕器。將多級(jí)冷卻器的除濕功能提前至工藝前端，在低壓空氣進(jìn)入過濾器前完成氣體的除濕干燥，可有效降低末端冷卻器能耗，起到節(jié)能作用。

3）在氣體流通主管路側(cè)增設(shè)旁通管。增設(shè)旁通管的目的是進(jìn)一步增大管道流通面積，從而降低管路整體阻力系數(shù)，有效減小因風(fēng)阻所帶來的能量損耗。

1.2.2 改進(jìn)效果

通過上述工藝流程改進(jìn)措施，可有效降低壓縮機(jī)組葉輪、末端冷卻器等主要機(jī)構(gòu)功耗，降低進(jìn)排氣口氣體溫度，減小管路阻力系數(shù)，從而減小氣體因熱交換及風(fēng)阻所產(chǎn)生的能耗，并有效提高排氣口流量及壓力值穩(wěn)定性。改進(jìn)后的工藝流程如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后空壓機(jī)工藝流程示意圖

2 基于模糊PID 的空壓機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)空壓機(jī)控制系統(tǒng)采用PID 控制策略，在PID控制中最重要的三個(gè)參數(shù)Kp（比例系數(shù)）、Ki（積分系數(shù)）、Kd（微分系數(shù)）的整定與控制結(jié)果密切相關(guān)。由于空壓機(jī)系統(tǒng)具有高階非線性的特點(diǎn)，加之運(yùn)行方式變換較大，因此無法獲取被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。采用傳統(tǒng)PID 控制法滯后性較大，無法獲得滿足需求的響應(yīng)速度及控制精度，系統(tǒng)控制性能較差，從而導(dǎo)致空壓機(jī)系統(tǒng)能耗增大，無法使空壓機(jī)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行效果。

為了有效提高系統(tǒng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，本文采用模糊控制技術(shù)對(duì)PID 控制環(huán)節(jié)進(jìn)行改良，通過對(duì)自適應(yīng)模糊PID 控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Kp、Ki、Kd系數(shù)進(jìn)入PID 控制器前對(duì)三個(gè)系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)模糊處理，最終通過建立模糊規(guī)則及推理算法對(duì)三個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而得到最佳控制效果，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)排氣口壓力的自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。自適應(yīng)模糊PID 控制器設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。

圖3 自適應(yīng)模糊PID 控制器原理示意圖

由圖3 可知，自適應(yīng)模糊PID 控制器的輸入?yún)?shù)為空壓機(jī)排氣口壓力誤差值e（t） 及誤差變化率de/dt，通過模糊規(guī)則及模糊推理算法輸出去模糊的PID 三參數(shù)修正量?Kp、?Ki、?Kd并輸入至PID 控制器中，對(duì)Kp、Ki、Kd進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)排氣口輸出壓力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

本文采用MATLAB 軟件Simulink 模塊庫中的Fuzzy Logic Toolbox 工具對(duì)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，誤差值e（t）及誤差變換率de/dt 的模糊集定義為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，其離散論域集定義為{-6，-4，-2，0，2，4，6}；模糊修正量?Kp、?Ki、?Kd的模糊集定義值與上述e（t）與de/dt 相同，三個(gè)修正參數(shù)離散論域分別為?Kp{-6，-4，-2，0，2，4，6}；?Ki{-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}；?Kd{-3，-2，-1，0，1，2，3}。上述五個(gè)參數(shù)的模糊集為負(fù)大、正大時(shí)其隸屬函數(shù)采用高斯函數(shù)，其余子集隸屬函數(shù)均采用三角函數(shù)，從而保證模糊控制器的控制精度及穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行及測試

本文從空壓機(jī)工藝流程改進(jìn)及控制系統(tǒng)優(yōu)化兩方面對(duì)空壓機(jī)節(jié)能運(yùn)行方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證本文所提出方法及系統(tǒng)的有效性，本節(jié)對(duì)基于自適應(yīng)模糊PID 的空壓機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行，并測得改進(jìn)后的空壓機(jī)系統(tǒng)總能耗與原系統(tǒng)能耗進(jìn)行實(shí)際對(duì)比，從而驗(yàn)證本方案節(jié)能效果。

原空壓機(jī)系統(tǒng)主要能耗來自于壓縮機(jī)組葉輪軸功耗、多級(jí)冷卻器能耗及冷水機(jī)組能耗三部分，該煤礦空壓機(jī)房共具備8 臺(tái)空壓機(jī)，單機(jī)排氣量為14.8 m3/min，排氣口絕對(duì)壓力值為0.65 MPa，8 組壓縮機(jī)組單級(jí)壓縮軸功耗W1為1 560 kWh，冷水機(jī)組用于冷卻空壓機(jī)所需的耗電量W2為264 kWh。由于壓縮機(jī)組采用二級(jí)壓縮，因此壓縮機(jī)組在壓縮過程中的總能耗W=2（W1+W2）=3 648 kWh。由于改進(jìn)系統(tǒng)將空氣冷卻及除濕環(huán)節(jié)放置于前端進(jìn)行，經(jīng)系統(tǒng)實(shí)際測量進(jìn)入壓縮機(jī)組后冷水機(jī)用于冷卻氣體所需冷量W2′為245 kWh，下降約7.1%，壓縮機(jī)組軸功W1′為1 478 kWh，下降約5.3%。原空壓機(jī)系統(tǒng)三級(jí)冷卻器可將90 ℃壓縮氣體平均降溫至35 ℃，其冷卻負(fù)荷耗電量WL為95 kWh。改進(jìn)后的系統(tǒng)由旁通管及前置冷卻裝置的作用降低了末端冷卻器的能耗，改良后系統(tǒng)冷卻器總能耗WL′為22.5 kWh。改造前后系統(tǒng)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 改造前后系統(tǒng)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，經(jīng)工藝流程及控制策略改良，空壓機(jī)系統(tǒng)總能耗下降了274.5 kWh，能耗減小約7.4%，節(jié)能效果較為顯著。

4 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)礦用空壓機(jī)控制系統(tǒng)存在的能耗較高問題，在工藝流程分析的基礎(chǔ)上通過增設(shè)前端冷卻除濕環(huán)節(jié)及旁通管有效降低了機(jī)組設(shè)備能耗，并提出了一種基于模糊PID 的自適應(yīng)空壓機(jī)控制系統(tǒng)，通過模糊修正量實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)排氣口壓力的實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。經(jīng)實(shí)際測試，系統(tǒng)改良前后總能耗降低274.5 kWh，節(jié)能效果較為顯著。