基于PLC的瓦斯移动抽排模糊PID控制系统

论文导读：根据《煤矿生产安全规程》规定，必须坚持“先抽后采”的原则，而阀门的调节又不可能立即到位，其相对于执行机构来说具有很大的滞后性，因此很难建立精确的数学模型，如果只用模糊控制或PID控制就不能得到很好的控制效果，而模糊PID控制刚好又能够解决这个问题，因为只要调节好模糊PID中各个参数就能使系统得到很好的稳定性和准确性，并且在系统运行时，根据控制系统的实际响应情况，实时自动地调节PID参数，使其达到最佳。PLC采用的是西门子S7-200，其具有编程方法简单易学、功能强，性价比高、体积小，能耗低、具有很的强抗干扰能力且可靠性高等优点，因此非常适用于煤矿等恶劣环境下运行，并且能够很方便地用软件实现模糊PID控制器的数学模型。并且测量速度比较慢，对系统的控制不利，具有很大的滞后性，为了提高矿井下安全性，我采用了GJG4/100-H型红外甲烷传感器，它可以将测得的井下甲烷浓度连续自动地转换成频率信号输送给控制系统。该系统针对瓦斯移动抽排过程中具有的滞后性，干扰多，环境复杂，非线性等问题，设计了基于PLC的模糊PID控制系统和在线实时监控，实现了瓦斯抽排的自动控制，解决了当前煤矿井下瓦斯移动抽排存在的问题，大大降低了事故发生的机率，此系统具有很强的抗干扰性能、结构简单、调试方便、鲁棒性好等特点。
关键词：模糊PID控制，瓦斯抽排，红外甲烷传感器，PLC
 

0引言

针对当前国内大多数煤矿都是高瓦斯的情况，为了更好地保证煤矿职工的生命安全，防止煤矿的井工开采频繁发生诸如瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等重特大事故的发生和推动煤炭工业的可持续发展。根据《煤矿生产安全规程》规定，必须坚持“先抽后采”的原则，而阀门的调节又不可能立即到位，其相对于执行机构来说具有很大的滞后性，因此很难建立精确的数学模型，如果只用模糊控制或PID控制就不能得到很好的控制效果，而模糊PID控制刚好又能够解决这个问题，因为只要调节好模糊PID中各个参数就能使系统得到很好的稳定性和准确性，并且在系统运行时，根据控制系统的实际响应情况，实时自动地调节PID参数，使其达到最佳。PLC采用的是西门子S7-200，其具有编程方法简单易学、功能强，性价比高、体积小，能耗低、具有很的强抗干扰能力且可靠性高等优点，因此非常适用于煤矿等恶劣环境下运行，并且能够很方便地用软件实现模糊PID控制器的数学模型。

1系统构成及工作原理

系统主要由PLC、模糊PID控制器、红外甲烷浓度传感器、电动球阀等组成。免费论文网。如图1所示。

首先，在抽排泵停止状态下检测阀门是否通电，若通电，将闸阀和电动球阀F1打开，电动球阀F2关闭，开启抽排泵工作。系统运行时，红外甲烷传感器将采集到的回风大巷内的瓦斯浓度（模拟量）送给PLC，经内部A/D转换后，与先前设定的瓦斯浓度进行比较，然后将其差值信号送入模糊自适应整定PID控制器，通过PLC内部程序能很快计算出浓度误差变化率；再经控制器模糊推理运算后，对，，进行在线修改，以达到实时满足不同e和ec时对控制参数的要求，从而实现对电动球阀F2的控制。免费论文网。

2模糊自适应整定PID控制器

由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各信号量及评价指标不易定量表示，专家PID方法受到局限，虽然模糊理论可以解决这一问题，但是模糊控制的静态性能较差，而PID控制刚好又能改善系统的静态特性，并且具有改善系统动态特性和降低系统的稳态误差，另外自适应整定又能很好地调整PID参数，因此把PID控制和模糊自适应整定控制结合，组成模糊自适应整定PID控制，并且把模糊控制规则和相关信息作为知识存入PLC存储模块中，然后PLC根据该控制系统的实际响应情况，进行模糊推理，即可自动调整PID参数，使其达到最佳。

为了满足不同时刻的e和ec对PID参数自适应整定的调整，所以将误差e和误差变化率ec作为模糊自适应整定PID控制的输入。免费论文网。根据煤矿下面瓦斯浓度变化的实际情况和操作人员的实践经验，总结模糊控制规则表。见表1-表3：

表2 的模糊规则表 表1 的模糊规则表   ec NB NM NS ZO PS PM PB   e NB NM NS ZO PS PM PB PB PB PM PM PS ZO ZO PB PB PM PS ZO ZO NS PM PM PS ZO ZO NS NM PM PS ZO ZO NS NM NM PS ZO ZO NS NS NM NM ZO ZO NS NM NM NM NB ZO NS NS NM NM NB NB                   ec NB NM NS ZO PS PM PB   e NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NM NM NS ZO ZO NB NB NM NS NS ZO ZO NM NM NS NS ZO PS PS NM NS NS ZO PS PS PM NS NS ZO PS PS PM PM ZO ZO PS PS PM PB PB ZO ZO PS PM PM PB PB                   表2 的模糊规则表 将e={-5,-4-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}   ec={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5} ec NB NM NS ZO PS PM PB   e NB NM NS ZO PS PM PB PM PS PS ZO PS PM PB NM NS NS NS ZO NS PM NB NM NM NS ZO PS PM NB NB NM NS ZO PS PM NB NM NM NS ZO PS PS NM NM NS NS ZO PS PS PS NS ZO ZO ZO PB PB                   作为系统误差e和误差变化ec变化范围在模糊集上的论域，并设其模糊子集为e=ec={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} 其中NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。又因为e,ec和，，，均服从正态分布，从而得到各模糊子集的隶属函数，由此可以得到各论域内元素的隶属度。再利用各参数模糊控制模型和各模糊子集的隶属度赋值表，通过PLC根据模糊推理查出修正参数代入下式： 就可以得到，，。PLC内的控制系统在系统运行过程中通过对模糊规则的结果处理、查表和运算，实时对PID参数的进行在线自校正。 3红外甲烷传感器 在实际应用中，以前多用热导式瓦斯传感器和热效式瓦斯传感器来测量矿井下的瓦斯浓度，但是由于它们都存在很大的缺点，前者特别在测定低浓度瓦斯时，误差特别大；而后者在测量时，易受外界干扰且寿命断；并且测量速度比较慢，对系统的控制不利，具有很大的滞后性，为了提高矿井下安全性，我采用了GJG4/100-H型红外甲烷传感器，它可以将测得的井下甲烷浓度连续自动地转换成频率信号输送给控制系统。传感器本身可显示甲烷浓度、可设定报警值、甲烷浓度超限时自动声光报警等。红外甲烷传感器是利用甲烷体对特定的红外光吸收原理，测的空气中瓦斯的浓度，它还具有测量范围宽，响应时间快，对甲烷气体选择性好，寿命长，自动校零，无需调校等突出的优点。 4 模糊PID算法的PLC实现和上位机监控 此系统选用的PLC是西门子S7-200，首先将模糊化过程的量化因子送入PLC，然后利用PLC内部的A/D转换模块将输入量采集到它的数据区，经过内部处理后，再通过内部程序查找存于PLC中的模糊控制量表，从而得到模糊输出量，经PLC内部运算后来控制电动球阀。 上位机采用亚控6.0的组态王实现在线模拟实时监控，其具有动态效果好，模拟现场逼真，可以随时查看以前的数据。 5 结语 该系统针对瓦斯移动抽排过程中具有的滞后性，干扰多，环境复杂，非线性等问题，设计了基于PLC的模糊PID控制系统和在线实时监控，实现了瓦斯抽排的自动控制，解决了当前煤矿井下瓦斯移动抽排存在的问题，大大降低了事故发生的机率，此系统具有很强的抗干扰性能、结构简单、调试方便、鲁棒性好等特点。 参考文献 [1]吴新财,张明旭,王娜.PLC模糊控制器在煤泥水处理中的应用[J].工矿自动化,2007（5）:12-14. [2]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社,2000. [3]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社，2002.9 [4]王建南.刘德君．基于模糊自适应PID控制的吊车防摆定位系统[J]．微计算机信息， 2007(8)：36—38． [5]张增科.模糊数学在自动化技术中的应用[M].北京:清华大学出版社,1999.