基于模糊PID控制的矿井恒压供水系统设计

基于模糊PID控制的矿井恒压供水系统设计
周建波;陈培国;张风军;王宝华;张迪威
【摘要】针对煤矿井下供水系统的供水压力存在不稳定的问题,设计了基于模糊PID控制的矿井恒压供水系统.介绍了恒压供水系统的基本原理、主要硬件设计和软件实现方法,在触摸屏上开发了人机交互界面,设计了参数自整定模糊PID控制器.试验证明:该系统比传统PID控制动静态性能好,可以满足井下工作面用水需求.【期刊名称】《煤矿机电》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】4页(P22-24,27)
【关键词】恒压供水;模糊控制(PID控制);变频器;人机交互界面
【作者】周建波;陈培国;张风军;王宝华;张迪威
【作者单位】山东新巨龙能源有限责任公司,山东菏泽274900;山东新巨龙能源有限责任公司,山东菏泽274900;山东新巨龙能源有限责任公司,山东菏泽274900;山东新巨龙能源有限责任公司,山东菏泽274900;山东新巨龙能源有限责任公司,山东菏泽274900
【正文语种】中文
【中图分类】TP273+.4
煤矿井下供水系统是一个连通的管网，由于井下地势水平差异较大，工作面用水需求变化大，供水系统复杂，造成供水压力的不稳定，不仅影响井下工作面的正常作业，而且还可能造成安全隐患。

目前煤矿井下供水系统中多采用PID控制的恒压
供水［1-2］，然而在实际应用中发现:供水管路的水压是一个过程变量，存在着滞后性，供水过程中水泵的切换会使控制系统存在时变性，采用PID控制的恒压供
水系统的控制效果并不理想［3-4］。

针对以上煤矿井下供水系统存在的问题，设计了一种基于模糊PID控制的恒压供
水系统，可以有效解决传统恒压供水系统中控制性能差的问题，系统的控制精度高，鲁棒性和自适应能力强。

1.1 系统组成
恒压供水系统主要由可编程控制器(PLC)、变频器、水泵机组、触摸屏、压力传感器、流量传感器、超声波液位计及出水电动阀等部分组成，系统的组成结构如图1所示。

1.2 基本原理
供水管道上的压力传感器检测到供水压力，通过模拟量模块采集后送入到PLC中，与设定压力值作差比较，经过模糊PID控制器运算之后输出模拟量来控制变频器
的频率调节，从而实现对水泵转速的控制。

系统设计采用了1台变频器，2台水泵。

若供水压力较小时，采用变频器来拖动1台水泵工作在变频状态;若供水压力较大时，1台泵工作在工频状态，另1台泵工
作在变频状态。

系统的主电路图如图2所示。

主电路为三相交流电，通过控制交
流接触器KM1、KM2或者KM3、KM4实现电动机工频和变频状态的切换。

采用热继电器FR1、FR2作为电动机过载保护，熔断器FU1、FU2作为短路保护。

恒压供水系统需要采集出水管的压力、水池液位、2台泵的电动机温度、电流、电压、2路出水流量共8路模拟量信号，同时需要1路模拟量输出信号控制变频器
的频率。

由于PLC本身不具备模拟量模块，需扩展模拟量模块DVP06XA-E2、DVP04ADE2。

人机交互界面选用DOP-B074S10触摸屏，与PLC之间采用RS-232通信方式连接。

变频器采用美国ABB公司的ASC系列变频器。

水池水位采用
西门子7ML5221-1BA11型号超声波液位计，非接触式测量安装方便，测量范围
为0.25～12 m，测量精度为6 mm。

供水管道的水压采用压力变送器测量，测量范围为0～5 MPa。

为统计各工作面的用水量，在各工作面出水管道上加装流量传感器，通过PLC实现流量的统计，并显示在触摸屏界面上。

井下恒压供水系统是一个具有时变性、滞后性特点的控制系统。

传统的PID控制
对模型时变被控对象的控制效果并不理想。

模糊控制是一种不依赖数学模型的控制方法，通过模糊推理得到模糊规则可实现对时滞性、时变性控制对象的控制。

本文采用模糊PID控制系统来实现对恒压供水系统的控制，一方面利用了模糊控制对
模型精度要求不高的优点，另一方面又利用了PID控制动静态性能好的优点，使
整个控制系统具有鲁棒性好、控制精度高、响应速度快、稳定性高的优点。

恒压供水系统的控制结构图如图3所示。

控制系统由PID控制和模糊控制两部分
组成，PID控制实现对压力的直接控制，模糊控制根据控制系统的变化，实时自动整定PID的控制参数，以达到较好的控制效果。

模糊控制器对压力误差(设定值与实际值之差)的控制范围设定为－0.1～0.1 MPa。

模糊控制器的两个输入为压力误差e和压力误差变化率ec。

在实际的控制中，不
同的工作状态下，系统对e、ec的加权程度要求不同，引入了误差的比例因子Ke，误差变化率的比例因子Kec。

模糊控制器的三个输出分别为PID控制器的调整参数:ΔKp、ΔKi、ΔKd，Kjp、Kji、Kjd为调整参数的比例因子。

根据实际控制要求，将 e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊论域均选为［－3，3］，模糊子集选为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，隶属度函数选为三角函数。

模糊推理是一个复杂的数学运算过程，本文采用查表法。

模糊规则的选取直接决定着模糊控制的效果，根据恒压供水系统实际的控制效果，结合现场工人的实际经验，不断调整模糊规则表，最终确定最优的模糊规则如表1所示。

根据模糊规则表可
以写出ΔKp、ΔKi、ΔKd的调整规则，通过去模糊化处理之后，模糊量转化成了
实际值。

经过模糊控制器自调整之后的PID参数为:
Kp=Kp+ΔKP· Kjp;Ki=Ki+ΔKi· Kji;Kd=Kd+ ΔKd·Kjd。

4.1 PLC软件设计
恒压供水系统的PLC程序设计包括初始化子程序、故障处理子程序、模糊PID控
制子程序、增加泵子程序、减少泵子程序5个部分。

图4为PLC的软件控制流程图。

PLC上电之后先进行初始化操作，然后检测恒压供水系统中是否有故障，如有故
障则报警。

若用户设定自动控制方式，则根据当前水压与设定水压的比较结果执行相应操作。

当前水压小于设定水压时，一台水泵工作在变频状态下，模糊PID控
制器控制输出频率增加，频率达到设定上限50 Hz时，若水压还未达到设定值，
则该台水泵转为工频运行，第二台水泵变频启动。

当前水压低于设定水压时，模糊PID控制器控制输出频率减小，频率达到设定下限1 Hz时，若水压还低，则该台泵停机。

4.2 人机界面软件设计
为了使系统具有较好的人机交互功能，采用触摸屏开发软件DOPSoft设计了人机界面。

该界面由自动控制界面、手动控制界面、PID参数整定界面、故障报警界面组成。

自动控制界面实现对恒压供水系统的自动控制状态的监控，界面实时以动画形式显示水泵的运行状态、运行时间、变频器的频率、水池液位、出水压力、工作面用水量。

当系统工作在手动控制状态时，用户可以操作手动控制界面实现对水泵的启动、停机、运行状态的切换。

恒压供水系统的PID参数需要现场调试整定，通过PID
参数整定界面可以实时改变比例系数、积分时间、微分时间、采样时间、压力设定值等参数，通过压力与时间的曲线可以获得系统的动静态性能，以方便工作人员现
场调试。

当系统故障时监控系统会发出相应的报警提示工作人员处理，并将报警记录储存。

恒压供水系统采用PLC、变频器、触摸屏实现了变频恒压供水，将模糊PID的控制方法应用到了井下恒压供水系统中。

实际应用证明，该系统可以实现供水压力的稳定，取得了良好的效果。

【相关文献】
［1］谢志英.矿井工作面PLC自动恒压供液系统研究［J］.煤炭技术，2014，33(2):43-45. ［2］杨雪.基于PLC与变频器的节能控制系统应用探讨［J］.制造业自动化，2013(09):97-99. ［3］门顺治，郑欣，徐保国.基于S7-300 PLC的Fuzzy-PID控制恒压供水系统设计［J］.自动化与仪表，2014(5):26-30.
［4］黄金振，李泉溪，陈素霞.基于模糊PID控制器的恒压供水系统［J］.仪表技术与传感
器:2008(7):81-82，89.。