煤矿空压机模糊PID控制系统设计

菅栋梁

煤矿空压机模糊PID控制系统设计

菅栋梁

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 河曲 036500）

为解决空压机系统延迟性高、稳定性差的问题，采用基于模糊PID控制技术应用到空压机控制系统。搭建包括上位机监测软件、可编程控制器PLC、数据采集传感器和空压机电气控制部分在内的控制系统。系统可以根据空压机的实时运行状态，动态控制空压机的出口压力，有效提高系统的稳定性、可靠性，并可以达到很好的节能效果。

模糊PID；空压机；PLC；自动控制

煤矿企业在安全生产采煤作业的过程中，会大批量使用以风能为动力的机械工具，而风动机械工具需要空气压缩机（简称空压机）提供风能作为动力来源。为了保证煤矿企业生产工作的顺利开展，确保煤矿企业的经济效益，需要空压机具有高度的可靠性和绝对的安全性。

各煤矿企业在空压机的自动控制系统方面进行了技术改造，使大部分的空压机具备自动控制与无人值守功能。但传统的空压机系统具有高延迟的缺点，空压机系统的稳定性也不是很高，不能够实现精准控制，传统的PID控制方式已不能够完成目前对空压机控制系统的要求。如果将传统的PID控制方式同模糊控制方式结合在一起，集二者之长，即在空压机控制系统中加入模糊控制理论，利用模糊控制理论对空压机控制系统进行调整，通过分析空压机系统的行为及特点，实现对PID控制器的实时调节，使控制系统能够有效提高系统对外界环境变化的自动适应，从而使系统达到理想的控制效果。本文根据煤矿企业对煤矿安全生产的实际需要，设计了一种以模糊PID控制为理论依据的空压机控制系统，可以完成空压机供气压力的智能化调控。

1 PID控制器设计

作为在智能控制研究领域里成果最为丰硕的技术之一，模糊PID控制技术在现今乃至未来都占有极其重要的位置。但在工业控制领域里，占据统治地位的控制技术仍旧是传统PID类型的。以模糊控制理论作为理论依据，以传统PID控制理论作为基础，集二者之长，构建符合煤矿空压机需要的模糊PID控制器，其结构如图1所示。

基于模糊PID控制技术的煤矿空压机控制系统能够实现控制器参数自动调节功能[1]，从图1可以看出，控制器的输入量有2个，其一是供气压力偏差，其二是供气压力偏差变化率△，由此便可以得到所需要的论域={-3,-2,-1,0,1,2,3}，={-3,-2,-1,0,1,2,3}。在经过控制器模糊加工处理后，获取到3个输出参数：P、I、D，把获取到的参数P、I、D传递给PID控制器，经过PID控制器的运算，转变为控制变频器的频率输出，进而控制电动机的转速，电动机带动空压机对储气罐内的气体做功，改变供气压力大小，可以完成对供气压力的实时调节功能。

图1 模糊PID控制器结构图

针对不同E和EC的情况下，被控过程对P、I的自整定要求，整理出P、I具有下面一些自整定规律。

当控制系统具有比较大的偏差时，为达到缩短系统响应时间的目的，需要快速清除掉系统偏差，这时K的取值应当较大些；与此同时，为了预防P的取值过大而导致系统响应出现超调，引发积分饱和现象，这时K的取值应当较小些。

当控制系统具有比较小的偏差时，为达到持续清除系统偏差的目的，同时预防因超调而引发振荡的发生，P的取值需要降低，同时I的取值也相应需要较低。

当控制系统的偏差本来就很小的时候，为达到清除系统余差（又称静差）并防止系统响应超调的目的，让系统快速趋于稳定状态，这时K的取值应当要继续降低，与之相反I的取值应当较大。

当所期望的调控时间小于系统所需要的调控时间，同时二者之差又不是特别大时，P的取值要先调高些，而I的取值应调低些；当系统需要的调控时间特别大时，I的取值要先调低些，而P的取值要调高些。根据上述要求得到P、I的模糊控制规律表[5]。

表1 Kp的模糊控制规律表

表2 KI的模糊控制规律表

2 硬件设计

系统硬件设计由温度传感器、振动传感器、电流传感器以及气体压力传感器组成，硬件组成如图2所示。

图2 硬件组成

系统所使用到的具体传感器信息如表3所示。

空压机控制系统的控制器是以西门子S7-200 PLC为核心，综合运用温度、振动、电流、压力4种传感器及变频器与接触器，系统能够有效地完成对输出气压的调控，有效解决传统控制系统存在的稳定性差的缺点[2]。以模糊PID控制为理论依据的煤矿空压机控制系统可以对供气压力进行连续不间断地调控，使气体的压力基本上维持在一个恒定的理想状态下，从而使供气的质量得到最佳的保证。

表3 传感器表

煤矿空压机控制系统由S7-200 PLC来控制电动机、变频器、空压机等的启动停止工作，以此实现对控制系统的封闭式、自动化操控，用户仅仅需要设定压力值，并启动控制系统就可以完成对压力的控制工作。同时工作的有2组空压机群，一组为变速机群，另一组为恒速机群，S7-200 PLC通过对传感器信号的分析，实时对变速机群和恒速机群进行调整，从而完成控制系统气体的恒压调节工作[3]。

3 软件设计

煤矿空压机控制系统的软件设计包括上位机监控软件程序设计和PLC程序设计。

3.1 上位机监控软件程序设计

服务器主机操作系统为Windows7 32位专业版，组态软件采用西门子专业的WINCC6.0版本。根据空压机系统控制工艺要求，按照实际管路布置情况，设计人机交互界面，通过此界面操作员可实时监测和控制整个系统的运行。监测软件界面采用动态显示形式，包括工艺参数显示、电气设备的手动/自动切换控制、参数报警、历史数据查询以及日常报表打印功能。利用OPC数据服务器完成对各种监测控制信号的数据交互。

3.2 PLC程序设计

PLC程序开发采用西门子的STEP 7-MicroWIN SMART V2.1进行编写，实现了模糊PID控制器的算法，如图3所示。PLC程序采用模块化设计，分别完成不同的功能。程序主要包括监控信号采集部分、手动控制部分和自动运行部分。在PLC内部，完成对工艺信号的转换，并且传回给OPC服务器。在自动模式下，程序按照要求的控制逻辑，通过判断现场的采集信号参数，完成自动运行状态下的系统控制[4]。在程序内部的手动/自动切换是通过接收服务器软件发送的转换标志来进行区分的。在信号采集程序块中，会对重要的工艺参数信号做滤波处理，使信号更加准确，提高控制系统可靠性。PID模块的使用需要在main中通过SM0.0调用生成的PID子程序PID1_CTRL来初始化PID控制过程中使用的所有变量。PLC程序按照组态周期来不断地调用中断程序PID_EXE，在PID_EXE中执行PID运算。PID1_CTRL的第一个输入PV_I对应的EM0_输入0是INT型的过程变量即压力反馈，Setpoint_R对应的输入是实数设定值（SP）。CPU_输入0对应的Auto_Manual的值为1时，PID回路工作在闭环自动模式，反之工作在手动模式。Manualoutput作为手动模式下实数输入值（0.00 ~ 1.00）。Output对应的EM0_输出0是PID控制器的整型输出。BOOL变量HighAlarm和LowAlarm分别对应上限报警输出和下限报警输出。通过中断程序PID_EXE和子程序PID1_CTRL完成对压力控制的PID自动整定。

图3 PID子程序

图4为常规PID与模糊PID在阶跃输入下的响应曲线对比。曲线1指示常规PID，曲线2指示模糊PID。与常规PID相比，模糊PID控制器能更好地完成对系统压力的调节任务。系统能够在短时间快速跟踪并达到给定值。由于系统通过变频器进行调节，所以应尽量避免超调，模糊PID控制更能满足这一点。程序调试运行后实现了对供气压力持续的调节，能够使气压维持在一个恒定的状态，有效解决了传统控制系统存在的稳定性差、延迟性高的问题，完成了煤矿空压机控制系统的智能化调控。

1.常规PID；2.模糊PID

4 结束语

设计了一套基于模糊PID控制技术的煤矿空压机控制系统，以S7-200 PLC为核心，综合利用网络通信技术，实现了对煤矿空压机控制系统的自动化、智能化管理控制。本系统已在山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司煤矿空压机控制系统中得到实际应用，经现场实际应用证明，系统满足空压机工艺流程的控制要求，运行稳定可靠，降低了系统能耗，提高了自动化水平，有效地解决了传统空压机系统存在的高延迟、不稳定的缺点。

[1] 吴振顺, 姚建均, 岳东海. 模糊自整定PID控制器的设计及其应用[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2004, 36(1): 1578-1580.

[2] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子WinCC6.0[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004.

[3] 林砺宗, 张晋勇, 钱志勤. 基于组态软件的空压机集群监控系统[J]. 制造业自动化, 2007, 29(4): 56-59.

[4] 廖子庭, 潘荣果. 基于PLC变频调速的空压机控制原理与节能研究[J]. 节能, 2006(6): 17-19.

[5] 吕红丽, 郭秀英. 暖通空调系统的新型模糊自调节PID控制[J]. 石家庄铁道大学学报, 2010(4): 61-66.

责任编校：孙 林

Fuzzy PID Control System Design of Coal Mine Air Compressor

JIAN Dong-liang

（Shanxi Hequ Jinshen Ciyao Ditch Coal Industry Co., Ltd, Hequ 036500, China）

In order to solve the problem of high delay and poor stability of mine air compressor system, the technology based on fuzzy PID control is applied to mine air compressor control system. The whole control system including host computer monitoring software, program flow design of PLC, data acquisition instrument and air compressor electrical control part are built. The system can effectively improve the stability and reliability of the system and achieve a good energy-saving effect according to the real-time operating state of the mine air compressor and dynamic control of the mine air compressor outlet pressure.

fuzzy PID; air compressor; PLC; automatic control

10.15916/j.issn1674-3261.2017.06.005

TP273+.4

A

1674-3261(2017)06-0365-03

2017-09-14

菅栋梁(1986-)，男，山西河曲人，助理工程师。