模糊控制在矿井风机风量控制中的应用.pdf

第 2 2 卷 第 1 期 2 0 0 8 年 1 月 湖南T业大学学报 J o u rn a l o f Hu n a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y VOl - 2 2 NO． 1 J a n． 2 00 8 模糊控制在矿井风机风量控制中的应用 肖爱武 ，廖平，罗智勇，吴亮辉 中南大学，湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 摘 要 针对矿井风量 的非线性 ，时变及 滞后 的特点 ，介 绍一种适 用于 P L C的模糊控 制 系统 ，通过 P L C查 表 方式实现模糊控制 的设计 方法。给 出 了P L C程序设 计的算 法流程 图及输 入量量化程序 、模糊控制表 查询程序 等关键 步骤 的梯形 图。 关键词 矿 井风机 ；P L C；模糊控 制 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4；T P 8 9 文献标识码 A 文章编号1 6 7 3 - 9 8 3 3 2 0 0 8 0 1 - 0 0 8 5 - 0 3 Ap p l i c a t i o n o f Fu z z y Co n t r o l i n M i n e Ai r F l o wr a t e Co n t r o l Xi a o Ai wu，Li a o P i n g， Lu o Zh i y o n g，W u Li a n g h u i Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e mi n e a i r flo wr a t e ’S c h a r a c t e r i s t i c s o f n o n - l i n e a r i t y， a n d t h e l a g ， o n e k i n d f u z z y c o n t r o l s y s t e m wh i c h i s s u i t a b l e f o r t h e P LC i s i n t r o d u c e d a n d a d e s i g n i n g me t h o d wh i c h c a n r e a l i z e f u z z y c o n t r o l t h o ug h l o o kin g u p t h e t a b l e i s a l s o g i v e n ． At t h e s a me t i me ， i t p r o v i d e d t h e P LC p r o g r a mme a l g o rit h m flo w c h a r t a n d t h e t r a p e z o i d al c h a r t o f t h e k e y s t e p for t he i n p u t v a l u e q u a n t i fic a t i o n p r o c e d u r e ， f u z z i l y c o n tro l s s c h e d ul i n g i n q u i r y p r o c e d u r e ． Ke y wor d s mi n e f a n ；P LC；f u z z y c o n t r ol 可编程逻辑控制器有可靠性高 、抗干扰能力强 、 功 能丰 富 等优 势 ，已成 为 自动 化领 域 的 主流 控 制 系 统。 ⋯ 但 P L C大都只承担如顺序控制 、数据采集和P I D 反馈控制等最基本的控制功能 ，P I D算法控制对于一 些 复杂控 制 系统仍很 难满 足控制 要求 多年来 ，人们在瓦斯 的监测 预防方 面做 了大量工 作 ，但 已有 的监测预 防系统 ，只在采 掘 T作 面安装瓦 斯 风电闭锁装 置 ，当瓦斯超 限时报警或 断 电，不能实 现 对瓦斯浓度 的连续调节 ，这 不适 应 目前矿井生 产 的 自动 化需要 模糊 控制 是一种智 能控制方 法 ，不需建 立被控对象的数学模型，且构成的系统鲁捧性强 ，易 于实现 超智能控制 ，近年来 在 T业 过程 和家用 电器领 域广 泛应用 [ 1 本文 以模 糊控 制技术 和 P LC技术 为基 础，针对煤矿生产安全性要求 ，设计 了一种模糊风机 风量控制器 ，以实现矿 井风机 风量 的智 能调节 。 1 硬 件 结构 1 ． 1工作原 理 系统的被控对象是风机风量 ，被控参数为瓦斯含 量。瓦斯传感器检测到的实时 、连续的模拟信号，经 过 放大 、模数转换 后送入 P L C，控制 器根据实际瓦斯 浓 度值与 瓦斯设定 值 的偏差 变化率 大小 ，利用模糊控 制算法，经数模转换后得到控制电机转速的级数，当 瓦 斯 浓度 值 超 过 调节 范 围时 ，系统 及 时 发 出报警 信 号 ，同时实 现风 电闭锁 ，防止事故 发生。这样 既可节 约风 机 南于 长期恒速 运转造成 的能源浪 费 ，同时也 自 动将 井下 的 瓦斯 浓度 严格控 制在 安令 范围 内。 1 ． 2结构原 理 ． 该控制器结构见 图 1 ，以三菱公 司 F X z N 为核心，它 具有程式执行更快 、控制功能更灵活等特点 。利用 P L C 可 存放 系统 的初始 化程 序和监控程 序 ，完 成现场采集 收稿 日期 2 0 0 7 - 1 1 - 0 7 作者简介肖爱武 1 9 6 8 - ，女， 湖南株洲人，湖南化工职业技术学院副教授．中南大学硕士生，主要从事机电一 一 体化技术研究； 廖平 1 9 6 5 一 ， 男， 江西樟树人， 中南大学教授，硕士生导师．主要从事机电一体化技术研究． 维普资讯 8 6 湖南工业大学学报 2 0 0 8 正 数据的快速处理和存储，并输出相应的控制信号，驱 动报警电路和执行机构。检测电路包括信号采集和 A ， D转换电路；执行电路主要由D／ A转换器、电机 、风 机组成 ；用户通过触摸屏输入 、修改控制参数，设定 运行参数，显示当前值；当瓦斯浓度超限或系统出现 故障时，启动报警系统并进行机电闭锁故障处理。 圈 1 风机模 糊控 制器 结构简 图 F i g ．1 Ai r b l o we r f u z z y c o n t r o l l e r s t r u c t u r e 2 模糊控 制系统的设计 2 ． 1 模糊控制系统算法的确定 一 维模糊控制器，只能选定瓦斯浓度的输入偏差 为输入变量 ，不能很好地反映瓦斯变化过程的特性 ； 二维模糊控制器，可选定瓦斯浓度的偏差及其变化率 为输 入变量 ，结构 相对简单 ，能够较严 格地反 映瓦斯 变化及其输出变量的动态特性 ；三维模糊控制，结 构较复杂，推理运算时间长 ，不能满足实现快速控制 的要求；因此，本控制系统选用二维模糊控制器。该 二维模糊控制器的输入变量为瓦斯浓度实测值与期望 值的偏差 e 及偏差变化率 e ；输出变量 U为电机运转 级数的控制量 。通过改变电机运转级数达到控制风机 的 目的。 、 、 。 分别 为输入量 e 、e 和输 出量 u的 量化因子。e 和e 经过 、 量化后变为论域值E、 ， 查模糊控制表得到 u，再经过 。 ． 量化后得到精确的控 制量 “ 。模糊控制系统原理框图如图 2 所示。 圈 2 模糊控制系统原理框图 Fi g ． 2 F u z z y c o n t r o l s y s t e m p r i n c i pl e 2 ． 2 模糊规 则 表的建立 精确量模糊化 模糊化的主要作用是将输入的 精确量转化为模糊量。其模糊变量分别为E、E 、u 每个模糊变量分为 5个模糊状态 负大 J V 、负小 Ⅳ s 、零{ Z o 、 i E I P 、正大 P ，论域量化为 5 级 { 一2 ，一 1 ，0 ， 1 ， 2 } 。隶属度函数取为 角形分布， 量化值经模糊语言变量隶属度函数得到模糊量。 确定控制规则 模糊控制规则是模糊控制的核 心 ，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力 ，其实 质是总结控制经验 ，进而得出模糊条件语句 ，使系统 输出响应的动态特性和静态特性都达到最佳。例如 当偏差 E为负大 J V ，偏差的变化 E 也为负大 J V 时， 为 了消除 偏差 就要 加大 风量 ，控 制量 u 就应 取正 大 P 。即控制规则为 I F E A ND E N B T H E N U 。 模糊推理 隶属函数为三角形隶属函数，通过 隶属函数可方便地求得输入语言变量的赋值表 ，结合 现场实际情况和人的经验对控制表进行微调。实际应 用的模糊控制 表如表 1所示 。 表 1模糊 推理控 制表 Ta b l e 1 F u z z y r e a s o n i n g c o n t r o l l i s t 模糊量清晰化 输出清晰化即去模糊 ，本设计 采用加权平均法进行清晰化计算 ，既突出了主要信息 也兼顾了其它信息，符合最优输出要求。但每次采样 经模糊 计算得到 的这一 控制量不 能直接控 制对象 ，还 必须将其转换到控制对象所能接受的实际论域中，为 此引入比例因子 ． ，控制量乘 E 它即得到最终的实际 控制量，并将它送给执行机构 ，对被控对象进行第 1 步控制，然后中断等待第 2次采样 进行第 2步控制。 3 基于 P L C的模糊控神实规 、 ● ● 3 ． 1 程序 设计流 程 图 本方案采用的P L C以三菱公司的F X 2 u P L C作为控制 器。其模糊控制算法流程如图 3 所示首先将模糊化过 程的量化因子 、 和 参数置入P L C保持寄存器中， 变量偏差 e ，偏差变化率 e 置入寄存器的 D n 和D ，先 经过 限幅处理 ，再按 给定量 化因子量 化并对应 到模糊 集论域中的相应元素，将 e和 e 在模糊论域中所对应 的元素置入 D， 和 D ，由此查询模糊 控制量表 。根据离 线计算好的模糊控制量表，可得到控制输出量 u，再乘 以相应量化因子即可得到当前控制量的实际值 u。 用P L C编程时，因为 P L C对无符号数的处理比对 有符号数的处理要简单得多，本文在量化后的论域元 素上 再加一 个偏 移量 2，这样 不仅 量化后 的论域 元 素 存放方便，同时也便于模糊控制表的实现。这样模糊 控制查 询表 中的控制结 果按 由上 到下 ， 由左到 右 的顺 序置入寄存器 D ～ D 。 维普资讯 第 1 期 肖爱武，廖平，罗智勇，吴亮辉 模糊控制在矿井风机风量控制中的应用 8 7 查 模 糊 控 制 奄U 将 输 入 量 分 别 量 化 输 入 语 言 变 量 的 模 糊 论 域 询表，得 到 ， I 。 l卜2 ， 一 1 ． 0 ．1 ， 2 } 中对应元素， 并置入D 与 中 丁 卜 _ _ 圈 3 模糊控制算法流程圈 F i g ． 3 F u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m flo w 3 ． 2 关键步骤梯形图程序设计 在模 糊控制 算法 中 ，模糊 控制 量表 的查询 是程 序 设 计 的关键 ，本 文采用基址 偏 移地址寻址 的设 计方 法，由于控制结果按 由上到下，由左到右的顺序依次 置入D 开始的数据寄存器，控制量的基址就是 3 0 0 ， 其偏移地址为 E 5 E ，所以根据 E与 E最终得到的 控制量地 址 3 0 0 E 5 E，图 4给 出了寻址 方式模糊 控制的查表梯形图，其中的 MOV D， ． D． 为间接寻址 指令，它将 ． 的内容 即控制量的地址 3 o o e 5 E 作为被传递单元的地址 ，将这个指定单元的内容 即 控制量 传递给中间单元D． ，再通过解模糊运算得 U 。 例如 当瓦斯尝试偏差为正小 P S ，偏 差变化率为负大 时 ，E l_ 1 ，巨 一 2 ，转换为 E 3 ，E O 。偏移地址 为 E ，控制量 的地址 为 c 5 E 0 5 3 3 3 0 0 E 5 E 3 0 3 ，通过间接寻址指令将 D 中的内容 1 传给 中间单 元 D ，再通过解 模糊运 算得 出控 制量 “ 。 H Ⅱ 工习 }- - q 卜 一 _ [ 工互巫] 工互正 ] - [ ]互习 图 4 模糊控 制量查 表梯形 图 F ． g 4 F l I z c o n t r o l q u a n t i t y t a b l e o f t r a p e z o i d a l c h a r t 4 实 验 验 证 与 结 果 分 析 为验证系统 的软硬件功能，在充分研究现场状况 后，针对系统现场工作条件下可能出现的情况做了模 拟实验 ，现场综合控制器实验板如图 5所示。现场控 制器的主要作用是监测掘进巷道 3处的瓦斯浓度和局 部通风系统电气子系统的故障信号，通过控制通风机 电机的转速来实现风量的变换 【 4 ，通过控制断电器的 通断来实现风电闭锁 、瓦斯电闭锁。远传的传感器信 号一般为4 ～ 2 0 mA的电流信号 ，实验中通过电位器 模拟转换后的 2路电流信号作为瓦斯传感器的电流信 号，其中 1 号信号表示进风巷采集的瓦斯浓度信号，2 号表示工作面采集的瓦斯浓度信号。 l一 1号电 2 2 号 电 33号 电 4 4号 电 圈 5风量 调整 实验结 果 2级风输 出 F i g ． 5 Amo u n t o f wi n d a d j u s t me n t e x p e r i me n t r e s u l t 根据 通风 系统功 能与运 行状态将 实验 分为 3种情 形 风机 风量控 制 、瓦斯 超 限闭锁与报警 、系统 故障 报警与诊断，在此主要介绍风机风量调节实验。该实 验主要验证掘进工作面瓦斯浓度或 回风口瓦斯超报警 浓度条件下风量 自动控制，结果 见图5 。当调整2号电 位器使输入瓦斯浓度超过 1 ． 0％，表示 1 二 作面的瓦斯浓 度大 ，这时电动机的转速达最大 ，为 1 4 4 0 r ／ mi n 左右 ， 与 预期结 果一 致 ，说 明风机 风量控 制功 能达 到要求 。 5 结语 本 智 能风机控 制器 能根据 瓦斯浓度 决定风 机输 出 风量 ，控制 瓦斯浓度 ，实现 风机风最 的智能 调节 该 风机接 线简单 ，容 易检修 ，且 ． 可在 不断 电的情 况下检 修开关 ；1 台工作，1 台热备，在 [ 作风机出现问题时， 备用风机可 自动投入工作；同时实现对电机过载、断 相 、短路 、漏电闭锁和风电时等保护功能；具备各种 故障显示 和远程通 讯功 能 。本风机控制 器 已拟 } { 1 湘潭 平安 电机 有 限公司投 入生 产 参 考 文献 【 1 】 高钦和． 可编程控制器虚用技术与设计【 M】 ． 北京人民邮 电出版社 ，2 0 0 5 ． 【 2 】 孙增． 智 能控制理论与技 术【 M】 ． 北 褒 清华大学出版} 十 ． 2 0 H D 3． 【 3 】 杨纶标．高英仪． 模糊数学原理与应用【 M】 ． 广州华南理 工大学出版礼 ．2 0 0 1 ． 【 4 】 王福泉，郝启旺． 变频技术在空压机 勺 应用【 J ] ． 电机技 术，2 0 0 2 3 3 5 3 6 ． 【 5 】 刘振华，何将i．廖平．等． 机械电子学【 M】 ． 长沙国 防科技大学出版礼．1 9 9 9 ． 责任编辑 廖友媛 维普资讯