基于PID控制的矿井通风机自动监控系统研究

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摘  要：矿井通风机是煤矿通风系统的主要设备之一。通过结合煤矿生产的需要和矿井通风机自动监控系统的结构，提出了以PLC和组态技术为核心的控制系统，并引入了二自由度的PID控制理论。通过Matlab/Simulink动态仿真对矿井通风机自动控制系统进行参数控制，可实时监测并读取通风机的风速、风量、电流和温度等参数，且具有良好的预警功能，对企业实时掌握风机工况有重要的意义。

关键词：矿井通风机;监控系统;PID;Simulink

中图分类号：TD441;TP277       文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.008

矿井通风机是煤矿井下通风必不可少的安全设备之一，在煤矿安全生产中扮演着重要角色，有煤矿“肺脏”之称。其主要作用是向矿井内输送新鲜空气，同时，将煤矿内瓦斯、粉尘等有害气体排出。因此，矿井提升机的安全、可靠运行对提高煤矿的生产效率有重要意义。本文在总结以往矿井通风机自动监控检测系统研究的基础上，进行了基于PID控制的矿井通风机监控系统的设计和试验仿真工作。

1  矿井通风机自动监控系统

1.1  自动监控系统的结构

矿井通风机自动监控系统利用了微机技术、传感器技术、可控制理论技术和网络传输通讯技术，监测参数项目较全，且基于生产部门的计算机通信网络，可实时监测矿井通风机的运行参数。矿井通风机自动监控系统的结构如图1所示，主要由西门子PLCS7-200PLC为核心的控制系统、MCGS组态操作软件、PID控制、PID参数整定和操作人员控制模块等部分组成。

1.2  自动监控系统的现场设计方案

矿井通风机自动监控系统可实现矿井相关参数的实时监控，并可有效监控矿井内、外的实际工作。该系统将矿井监测与矿井控制两部分的功能有机结合，整体结构采用上、下位机分布式结构。上位机为工业计算机，应用软件采用冗余组态软件技术，从而使系统更加安全、可靠;下位机部分由传感器、A/D模块和PLCS7-200PLC组成。上、下位机通过工业以太网交换数据，测控功能更加网络化、实时化，且依据不同矿井的需求，可实现系统的灵活配置。

该自动监控系统具有运行稳定、控制效果好、实时性高、安全性高、人机交互性强和操作方便等优点。矿井通风机自动监控系统的现场设计图如图2所示。

图1  矿井通风机自动监控系统的结构

图2  矿井通风机自动监控系统的现场设计图

2  基于PID控制的系统模型

由于传统的PID控制器只能在跟踪设定值或抑制扰动中选择一种设计，很难获得最佳的控制效果。本文依据Åström和Panagopoulos 等学者的PID控制思想，通过分析非线性鲁棒控制器（Tornambe Controller，TC）的结构，推导得出了PID的等价形式。通过设计预期动力学方程系统，将本文所采用的控制方式反映至控制器参数中，同时，提出一种二自由度PID预期动态法（Desired Dynamic Equation，DDE）。在该方法中，在不具备精确模型的前提下，也可通过在线整定适应监测对象的未建模动态过程，具有较强的鲁棒性。因此，采用二自由度PID结构确定了闭环系统的最大灵敏度，并优化了整定PID/PI参数。对于单输入、单输出系统（SISO）而言，被控对象可近似表示为：

.     （1）

式（1）中：Gp"（s）为被控对象的近似值;H为高频增益;b为方程系数，未知数;n为极点数量;r为阶次;a为方程系数，未知数。

根据式（1）设计了一种新型的PID控制器，设A，B，C为系统的最小能控，可采取如下变换：

.          （2）

式（2）中：zi为扩变量;wi为扩变量。

通过一系列的转换后，最终得到二自由度PID的控制率：

.    （3）

.            （4）

式（3）（4）中：u为扩变量;kp为二自由度控制的参数;y与yr的比值为系统的动态特性;ki为二自由度控制的参数;kd为二自由度控制的参数;b 为二自由度控制的参数;h0为为动态特性方程的变量;h1为为动态特性方程的变量;l为动态特性方程的变量;k为观测器参数。

3  机遇Matlab/Simulink的仿真实验

3.1  自动监控系统仿真模型的建立

在矿井通风机自动监控系统中，风量、风压是2个大惯性、大时滞的参数。根据矿井实际的工况分析和总结，结合上述PID整定后的控制方程，我们将系统简化为惯性环节和时滞环节串联数学模型，自动控制系统闭环传递函数的计算公式为：

.               （5）

式（5）中：K为观测器参数;Ts为调试参数;e-τs为调试参数。

根据相关文献中通风机监控系统的调试数据，在模拟实验中选定T=60 s，k=5，τ=60 s，采样周期为 10 s。

在Matlab/Simulink交互式动态系统模块中，转换推倒出的基于PID控制的矿井通风机控制模型，在Simulink仿真环境编制仿真模型后，开展实时数据测试仿真，仿真模型如图3所示。其中，PID控制器的各参数值为Kp=0.3、Ki=0.005、Kd=0.5.

图3  PID控制的simulink模型

3.2  仿真结果分析

仿真结果如图4和图5所示。

图4  自动控制系统动态特性仿真曲线

图5  自动控制系统动态特性仿真稳定和滞后曲线

通过对比动态特性曲线发现，对矿井通风机自动监控系统进行PID参数整定后，比传统PID控制的矿井通风机自动监控系统在超调量和响应时间方面均有较好的改变。传统PID控制的超调量较大，而PID参数整定后减小了矿井通风机自动监控系统超调，且响应时间也略有缩短。具体如表1所示。

表1  数据对比

方案

超调量/%

响应时间/s

传统PID控制

20.5

405

二自由度PID控制

1.2

391

研究结果表明，本文所进行的PID参数整定已达到预期目标，获得了系统最优PID参数整定下的Kp，Ki，Kd. 通过运用先进的传感器技术、高可靠性的PLC和计算机控制技术，可实时监测矿井通风机的性能和指标，切实提高了矿井通风机自动化管理水平，并对提高矿井自动化和智能化水平更具有实际意义。

参考文献

[1]王利华，王小松，魏广金.矿井通风机自动监控系统的设计[J].煤炭工程，2007（05）：84-86.

[2]李曼，郭聪敏，杨锋荣.基于智能PID的通风机自动监控系统[J].煤矿机械，2012（10）：227-229.

[3]玄兆燕，蔡培.矿井通风机在线监测系统总体设计[J].学术交流，2013（11）：17-18.

[4]刘朴，付胜.嵌入式矿井通风机在线监测与故障诊断系统设计[J].工矿自动化，2013，39（12）：103-106.

〔编辑：张思楠〕

Mine Fan Automatic Monitoring System Based on PID Control

Cao Shuai， Liu Hunju

Abstract： This is one of the main mine fan equipment mine ventilation system. By combining the structure of coal production and mine fan needs automatic monitoring system is proposed in order to configure the PLC and technology as the core control system， and the introduction of two degrees of freedom PID control theory. By Matlab/Simulink Dynamic Simulation for mine fan automatic control system parameter control， real-time monitoring and reading wind speed， wind， current， and temperature and other parameters fan， and has a good early warning capabilities， real-time control of business conditions fan there are important.

Key words： mine fan; monitoring system; PID; Simulink