参数自调整煤矿供水模糊控制系统

2005/11/1 17:13:36

　摘要　分析了目前煤矿供水系统存在的问题之后，提出了一种新的复合控制方法，即Fuzzy-PID控制。介绍了Fuzzy-PID控制原理及其实现过程。
　　主题词　煤矿　供水　自动调节　模糊数学

Parameters Self-adaptive Fuzzy Control System for Coal Mine Water Supply

Fu Hua
Liaoning Engineering and Technological University(Fuxin 123000)

　　Abstract　The author first analyzes existing problems in coal mine water supply system,then puts forward a new compound control method,i.e Fuzzy-PID control. The author also introduces control principle implementation of Fuzzy-PID.
　　Key words　coal mine　water supply　automatic regulation　fuzzy mathematics

1　前言

　　水是煤矿不可缺少的重要组成部分。多年来，由于受供水设备和输送管路的限制，在用水高峰期间，水的供给量常常低于需求量，出现了水供不应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、电机启动频繁、耗电多、水压不稳等缺点，而且生活用水容易受到二次污染，设备维护也存在困难。
　　近两年来，调速泵与恒速泵并联的恒压控制供水系统的出现，使供水系统的品质有了改善。但这种供水系统的反馈控制方式仍是采用传统的压力闭环PID控制。在系统运行过程中，PID参数调整困难，且在不同的运行条件下，如流量、压力、转速等参数不同时，对PID控制参数的要求也不同。由于煤矿供水系统是一个复杂的、时变的系统，其许多环节，如水泵、管道等，不仅存在着非线性和多变量，且各变量之间还存在着交叉耦合，不容易建立精确的数学模型，因此也很难找到合适的PID参数。为此，我们设计了参数自调整的Fuzzy-PID控制系统。

2　系统的工作原理及主要功能

2.1　Fuzzy-PID控制器结构
　　模糊控制与PID控制是两种截然不同的控制方法。PID控制是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种调节方法。模糊控制则是处理不确定对象的一个有效的方法，这种控制方式不受过程内部具体结构的影响。和常规PID控制器相比，模糊控制具有相同的、甚至是更好的效果。特别是模糊控制器对水压精度和动态快速响应要求不高的供水系统，适应性强，即具有鲁棒性强的优点。但模糊控制也存在固有的缺点：在处理确定值与模糊量变换时，模糊化的量化因子与判决时的比例因子在整个过程中是固定不变的，因而限制了其控制性能的提高。
　　Fuzzy-PID控制器是将动态响应特性好的Fuzzy控制与稳态响应特性好的PID控制相结合，利用Fuzzy参数寻优技术，根据供水系统的控制要求及目标函数，对PID控制器的3个参数K_p(比例增益)、T_i(积分时间常数)、T_d(微分时间常数)进行在线调整，从而实现最佳控制的目的。图1为能够实现参数自调整的Fuzzy-PID控制器结构框图。

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图1　Fuzzy-PID控制器结构框图

2.2　供水系统工作原理
　　供水系统工作原理：8098单片机每隔一个采样周期采样一次供水电压值，经A/D转换并和用户给定的水压进行比较后求出偏差，通过Fuzzy-PID控制器得出控制输出数字量，再经D/A转换成模拟电压量，送至变频器或电器柜，去控制拖动水泵运转的电机的转速及水泵开动的台数，以减小水压的偏差，实现恒压供水控制。煤矿供水系统工作原理如图2所示。

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图2　煤矿供水系统工作原理框图

2.3　供水系统主要功能
　　(1)多台水泵软启动的自动切换，消除了起动冲击电流，省去了常用的降压启动装置。
　　(2)自来水欠压时，系统自行启动并升速，使水压达到设定值；自来水满压时，系统自行减速并停转。
　　(3)当缓冲水箱有水时，系统自行启动并升速到设定压力。当水箱装满时，系统自动关闭水箱水源开关，防止水箱溢水。而当水箱无水时，系统自行减速并停转，避免电机空转。
　　(4)在供水系统中，调速泵与恒速泵并联，为使流量能从零到机组总流量全程调节，本系统采用打开或关闭恒速泵的办法进行流量控制。
　　(5)系统具有故障报警、状态显示、打印数据及多种保护功能。

3　系统硬件设计

　　利用单片机控制煤矿供水系统可以获得较高的性能/价格比。本系统采用INTEL公司生产的8098单片机作为核心控制部件。8098本身具有4路10位A/D转换器，当晶振频率为12MHz时，其转换时间约为22μs。10位A/D的分辨率为0.0009，4路A/D转换基本上能满足测量输入的需要。
　　8098单片机内部资源远远不能满足实际需要，本系统通过P₃口、P₄口及WR、RD等引脚，扩展了存贮器、键盘、显示器、打印机、报警器等。系统硬件结构如图3所示。

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图3　矿供水系统硬件框图

4　Fuzzy-PID控制的实现过程

　　由于供水系统可以看作是随时间变化的动态过程，所以以时间t作为Fuzzy-PID控制器的一个输入变量，以第n个采样时刻供水系统的水压偏差e(nt)作为另一个输入量。将复合Fuzzy-PID控制器分为3个子模糊控制器，即K_p模糊控制器(K_pFC)、T_i模糊控制器(T_iFC)、T_d模糊控制器(T_dFC)。分别以｜e(nt)｜、｜e(nt)+e(n-1)t｜、｜e(nt)-e(n-1)t｜作为(K_pFC)、(T_iFC)、(T_dFC)的输入量，t作为它们共同的输入量，其输出量分别作为K_p、T_i、T_d的增量ΔK_p、ΔT_i、ΔT_d。
　　首先对时间变量进行模糊化处理。取时间t的模糊子集为PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB，论域量化等级为｛-3，-2，-1，0，+1，+2，+3｝，根据煤矿供水系统熟练操作人员的经验及专家知识，可确定各模糊子集的隶属度值，如表1所示。

表1　隶属度μ_T(t)

μ_T(t) T 　　等级	PB	PM	PS	ZO	NS	NM	NB
-3	0	0	0	0	0.2	0.8	1
-2	0	0	0	0.4	0.8	1	0.8
-1	0	0	0	0.8	1	0.4	0.2
0	0	0.2	0.7	1	0.4	0	0
+1	0.4	0.8	1	0.7	0	0	0
+2	0.8	1	0.8	0.2	0	0	0
+3	1	0.4	0.4	0	0	0	0

　　其次是K_p的自调整过程。在PID控制中，参数K_p的调整可以随时改变系统的静态和动态性能。K_p控制原理如图4所示。
　　根据供水系统控制中对过渡过程的要求，通常在控制起始阶段，把K_p放在较小的档次，以减小各物理量初始变化产生的冲击；在过程中期，适当加大K_p，以提高快速

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图4　K_p控制原理

　　性和动态精度，而在后期，则将K_p调小，使系统超调减小，提高静态稳定性。为此，取E的论域量化等级为｛1，2，3，4｝，ΔK_p的论域量化等级为｛-3，-2，-1，0，+1，+2，+3｝；将输入量｜e(t)｜模糊子集取为很大(VB)、大(B)、中(M)、小(S)，输出量ΔK_p的模糊子集取为PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB，从而得出模糊控制规则表，见表2。

表2　K_p控制规则

ΔK_p T E	PB	PM	PS	ZO	NS	NM	NB
VB	NB	NB	NB	NB	NB	NB	NB
B	NB	NB	NB	ZO	PS	PM	NM
M	NM	NM	NM	PS	PS	PB	ZO
S	NS	NS	NS	ZO	ZO	ZO	ZO

　　其控制规则的实际形式如下：
　　R_z:if E=A_i and T=B_j then ΔK_p=G_k
　　(i=1,2,3,4;j=1,2,…7;z=1,2,…，28)
　　ΔK_p所对应的模糊子集隶属度如表3所示。e(t)量化表及动态偏差绝对值｜e(t)｜各等级对应模糊子集的隶属度表略。

表3　隶属度μ(ΔK_p)

μ(ΔK_p)ΔK_p 等级	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3
PB	0	0	0	0	0	0.4	1
PM	0	0	0	0	0.4	1	0.4
PS	0	0	0	0.4	1	0.4	0
ZO	0	0	0.4	1	0.4	0	0
NS	0	0.4	1	0.4	0	0	0
NM	0.4	1	0.4	0	0	0	0
NB	1	0.4	0	0	0	0	0

　　定义模糊关系　R_E=A×G;R_Kp=B×G
则　U_Z=E*R_E∧T*R_Kp
　　其控制输出U为

　　由此可得到控制查询表，见表4，从而实现了参数ΔK_p的在线调整。
　　T_i和T_d控制的工作原理与ΔK_p控制的工作原理相同，控制的方法相似，由于篇幅所限，这里不再赘述。但有两点值得注意：

表4　ΔK_p查询表

ΔK_p T E	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3
1	0	0	0	0	0	-1	-1
2	0	3	1	1	0	-2	-2
3	-2	3	1	0	0	-3	-3
4	-3	-3	-3	-3	-3	-3	-3

　　(1)在PID控制中，积分的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大，甚至引起振荡。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。
　　(2)微分的作用主要是改善供水系统的动态性能。增大微分时间T_d，有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加，但抑制外扰能力下降。所以微分时间常数应该在供水系统控制要求的前提下而随机改变。即在调节过程初期，应加大微分的作用，以减小超调；在调节过程中、后期，应不断减小T_d，以增强系统的抗干扰能力，同时还可以缩短调节时间。

5　结语

　　实际运行结果表明，采用Fuzzy-PID控制技术对煤矿供水系统进行自动控制，具有实时性好、参数易于调整、操作灵活方便、控制精度高、节电节水效果好等优点，能在很大程度上改善供水系统的动态和静态特征。此控制方法还适用于矿井排水系统及煤矿其它系统的自动控制。

作者简介：付　华，女，36岁，硕士，讲师，1984年毕业于阜新矿业学院电气工程系，现从事电气自动化方面的教学和科研工作。已发表论文20篇，出版教材及指导书10余部。科研成果获煤炭部二等奖。

作者单位：付　华　辽宁工程技术大学　阜新 123000

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