基于MATLAB的矿井通风机优化控制仿真

时间:2022-08-10 11:32:52

基于MATLAB的矿井通风机优化控制仿真

[摘 要] 本文设计了一种新型的矿井通风机的模糊PID控制器,分析了矿井通风机控制系统的数学模型和模糊PID控制器的结构、工作原理和作用,并运用Matlab/Simulink对模糊PID控制器和常规控制器分别在矿井通风机控制中进行仿真,结果表明模糊PID控制器设计合理,控制效果良好,具有更好的控制特性。

[关键词] 通风机; Matlab; 模糊PID

[中图分类号] TP272

Abstract: A new type of the mine ventilator fuzzy PID controller is designed in this paper , which analysed the mathematical model of the mine ventilator control system, the constructure of the fuzzy PID controller and working principle and effect. The mine ventilator controlling of fuzzy PID controller and the common controller is simulated respectively by applying Matlab/simulink. The result shows that the fuzzy PID controller design is reasonable and controllable.

Keywords: mine ventilator; fuzzy-PID; Matlab

引言

通风机广泛应用于矿山、电厂、冶金、地铁等部门。其性能如何关系到工作人员的人身安全和运行是否经济,尤其是用在煤矿上的通风机,它被称为“矿井肺脏”,担负着向井下输送足够数量的新鲜空气,以冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘,保证井下工作条件的安全、可靠和良好[1]。矿井主要通风机的风量易受到通风网络空气动力参数、风机性能曲线、矿井瓦斯浓度、人员数量等参量变化的影响[2],为使矿用主要通风机能安全、高效地运行,必须对风机风量进行各参量变化的自适应调节,以满足煤矿安全生产对煤矿通风条件的要求。随着矿井通风机控制的设计应用领域的不断扩大,要求控制系统简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短,建立矿井通风机控制系统的仿真模型,可以充分利用计算机仿真的优越性,人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化,以便考察系统在不同结构和不同工况下的动态特性[3]。本文在分析矿井通风机控制数学模型的基础上,对通常的运动控制系统仿真模型进行了改进,并借助于Matlab/Simulink强大的仿真建模能力,建立了矿井通风机控制系统的计算机仿真模型。

1 通风机控制系统原理

在通风网络中,当矿井总风量不足或过剩时,为满足安全和经济两大原则的要求,需要对主要通风机的供风量进行调节,即矿井总风量调节。常用的方法有改变主要通风机的工作特性和矿井总风阻值。随着工业计算机控制技术和变频器技术的日趋成熟,目前,常采用改变主要通风机工作特性的方法来实现对风机供风量的调节。而改变主要通风机工作特性一般是通过改变通风机转速或叶片安装角来实现。

2 模糊PID控制器的数学模型

模糊PID参数自整定的设计思想是先找出PID三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系[4],为使被控对象具有良好的动、静态性能,在系统控制过程中,通过不断检测偏差e和偏差变化率ec,在线校正参数Kp、Ki和Kd,从而满足不同偏差e和偏差变化率ec对控制器参数的不同要求。模糊PID控制器通过偏差e和偏差变化率ec作为输入,在线对PID参数进行校正,从而可以实现不同时刻偏差和偏差变化率对PID参数自整定的要求。

2.1 模糊PID控制器的组成

模糊PID矿井通风量控制是运用模糊控制理论及传统PID控制理论来实现对电机转速进行控制的装置,其基本组成如图1所示。

图1中:H0为通风量的给定值;H为通风量的实际值。矿井通风机模糊控制器采用双入单出结构。两个输入变量分别为:通风量的偏差e和通风量偏差的变化量ec。输出控制量U控制变频器的输出频率,以改变电动机转速达到控制通风机风量的目的。

2.2 参数PID模糊控制规则

模糊PID控制器输入变量为e(系统给定值H0与实际输出值H之间的偏差)和ec(偏差变化率),经模糊控制器后输出语言变量E,偏差变化率Ec,不断校正PID参数Kp,Ki和Kd。可以选取PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB作为偏差语言变量E,偏差e的离散论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3},偏差E的隶属函数选用三角函数。选取PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB作为偏差变化率语言变量Ec,偏差变化率ec的离散论域为{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3},偏差变化率的隶属函数也选三角形函数。根据PID控制的基本原理,比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度,提高系统调节精度;积分系数Ki的作用在于消除系统的稳态误差;微分系数Kd的作用在于改善系统的动态特性。根据以上控制规则设计矿井通风机控制回路的PID参数模糊控制规则表,如表1~表3所示。

采用加权平均法进行反模糊化[4],将模糊推理结果转化为精确值。本文中通过模糊PID控制器,得到模糊控制量所对应的PID参数Kp,Ki和Kd的控制增量?驻Kp,?驻Ki,?驻Kd。最后,采用增量式的PID控制算法计算控制系统当前控制增量?驻Ui,将?驻Ui附加在前一时刻的控制量?驻Ui-1上,即可得到当前时刻的输出控制量Ui。 3 仿真结果

在Matlab/Simulink中根据上文PID参数模糊控制规则对矿井通风量控制系统进行了仿真,结果如图3所示,为了方便比较对常规PID控制系统也进行了仿真,仿真曲线如图2所示,比较结果表明模糊PID控制器的超调量较小,稳态误差较小,响应速度快。

4 结论

本文矿井通风量控制采用模糊PID控制原理,在线地对三个参数进行了调整。模糊PID控制器采用二维输入量,即偏差e和偏差变化ec,从仿真结果看,具有较好的控制性能,既达到了较快的响应速度,又抑制了超调量,达到了优化PID控制器和模糊控制器的目的,为矿井通风量控制系统的设计提供了一定的参考价值。

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