（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊pid控制的煤矿风量调节系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 煤炭是我国的基础能源，占我国一次能源消费7 0 以上，在国民经济中发 挥着重要作用。而通风是煤矿开采过程中最重要的环节，良好的通风系统可以 有效地降低矿井中瓦斯浓度，防止瓦斯事故的发生，但通风又是复杂且消耗电 能的过程。通风系统的工作状况直接影响着煤矿的生产效率和安全，为了节能 减耗，必须使通风系统安全高效地运行，实现矿井风量自动调节。 由于影响矿井通风的轴流式风机风量调节系统因素多，数学模型难以建立， 常规控制无法获得满意效果，本论文采用了一种p w m 输出的模糊p i d 控制技 术对风量进行自动调节，并应用可编程控制器加以实现。 风量调节模糊p i d 控制系统结构主要由参数可调整p i d 和模糊控制系统两 部分组成。被控对象为轴流式风机，采用同步电动机拖动，风量的调节是通过 调整风叶角度加以实现。采用二维模糊控制器，其输入一为风量误差，即风机 风量的期望值( 或给定值) 与风机输出的风量实际值( 或反馈值) 之差，二为风量误 差的变化率；输出为控制量，控制风机风叶角度。 针对p i d 控制器参数整定不易的局限，将模糊控制和p i d 控制结合起来， 构造了一个参数自整定模糊p i d 控制器，通过模糊控制规则在线调整p i d 控制 器的参数，并在m a t l a b 下实现该控制器的计算机仿真。仿真结果表明：参数 自整定模糊p i d 控制器比传统p i d 控制器的动态响应曲线好、响应时间短、超 调量小，稳态精度高，动静态性能好。 实验证明，本文所提出的模糊p i d 控制策略，不需要被控对象的精确数学 模型，在大滞后、参数不确定和惯性大的风量调节控制系统中工作稳定、可靠 性高、适应性好、鲁棒性强。同时这种方法对其它的大滞后，特性参数不确定 等控制对象的控制问题都有很好的参考价值。 关键词：模糊p i d 控制器，可编程控制器，m a t l a b 仿真，风量调节 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 l ec o a li sp l a y i n gav i t a lr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m i ci nt h eb a s a le n e r g y s o u r c eo fo a rc o u n t r y , w h i c ho c c u p i e so v e r7 0 e n e r g ys o u r c e sc o n s u m p t i o i l v e n t i l a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h ep l o c e s 8o f t h ec o a lm i n ee x p l o i t a t i o n ，i t 咖r e d u c et h eg a sd e n s i t yo fm m ee f l 矗z t i v e l ya n da v o i d i n gt h eg a sa c c i d e n t s o c c u r r e n c e b u tv e n t i l a t i o ni sac o m p l e xp r o c e s sa n di tc o n s u m e se l e c t r i c i t y n ” w o r k i n gs t a t u so f v e n t i l a t i o ns y s t e mi n f l u e n c e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n ds a f e t y i no r d e rt os a v ee n e r g y , t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mm u s tb ek e e p e dr u nw i t hs a f e t ya n d h i g l le f f i c i e n c ya u t o m a t i c a l l y c 0 a li n i n ew i n dr a t em g u l a t i o ns y s t e mb a s e do nf u z z yp i dc o n t r o lh a sb e e n p r e s e n t e di nt h ep a p e rw i t hp w mo m p u ta n di m p l e m e n t i n gi tw i t hp l cu n d e rt h e c i r c u m s t a n c eo f m a n yi n f l u e n c ef a c t o r s ，w h i c he x i s ti nt h ea x i a l - f l o wf a n sw i n dr a t e r e g u l a t i o ns y s t e md u r i n gt h ep r o c e s so fm i n ev e n t i l a t i o na n da 托d i m c u l tt oe s t a b l i s h t h em a t h e m a t i cm o d e lt oo b t a i nt h es a t i s f i e dr e s u l ti nn o r m a lc o n t r o lw a y s 1 1 圮s t r u c t u r eo f 、i n dr a t er e g u l a t i o ns y s t e mb a s e do nf u z z yp i dc o n t r o lm a i n l y i n c l u d e sa d j u s t a b l ep i da n df u z z yc o n t r o ls y s t e m t h ew i n dr a t er e g u l a t i o ni s r e a l i z e db ya d j u s t i n gt h ea n g l eo f t h ev e n t i l a t o r sv a n ec o n t r o l l e db ys y n c h r o n i z a t i o n e l e c t r o m o t o r 1 r t 忙s y s t e mu st w od i m e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e rw h i c hh a st w oi n p u t v a l u ea n do n eo u t p u t o r ei n p u ti sw i n dr a t ee r r o r , w h i c hi st h em a r g i nb e t w e e nt h e g - v e nv a l n ea n df e e d b a c kv a l u e t h eo t h e ri n p u ti st h e 、啊n dr a t ee r r o r sc h a n g er a t e ： t h eo u t p u ti sac o n t r o lq u a n t i t ya n di su s e dt oc o u t r o lt h ea i rb l o w e rw i n dl e a fa n g l e f o rt h ed i f f i e u l t yo fp i dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r sa d j u s t i n g , t h ec o m b i n a t i o no f p i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lw a sp u tf o r w a r da n daf u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i d c o n t r o l l e rh a sb e e nb u i i t t h r o u g ht h er u l e so ff u z z yc o n t r o lt h et h r e ep a r a m e t e r so f p i dc o n t r o l l e rc a nb ea d j u s t e d a d a p t i v e l yo nl i n e t h e l lt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n m e t h o do ft h i sc o n t r o l l e rw a sd e s c r i b e dw i t hd e t a i l n 培r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w t h a tt h ef u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rh a sg o o dd y n a m i cr e s p o n s ec u r v ys h o r t r e s p o n s et i m es m a l lo v e rm o d u l a t i o nh i g hs t e a d ys t a t ep r e c i s i o ng o o dd y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c eb yc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r 1 1 圮e x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a tt h ec o n t w lg y s t e mw i t hf u z z yp i dc o n t r o l s t r a t e g yd o e sn o tn e e dt h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o l l e dm o d e la n d c a no p e r a t ew i t hs t a b i l i z a t i o nh j 咄r e l i a b i | i t ya n dh a sg o o df l e x i b i l i t ya n d o p e r a t i o n a lc a p a b i l i t ya n dh i g hr o b u s t n e s si nt h ev a l u eo f w i n dr e g u l a t i n gc o n t r o l l i n g s y s t e mw i t ht h eb i gl a g ，t h ei n d e f i n i t ep a r a m e t e ro rg r e a ti n e r t i a a tt h es a m et i m e ， t h em e t h o dh a sv e r yg o o dr e f e f e n c ev a l u ef o rt h e s ec o n t r o lq u e s t i o n sw i t hb i gl a g s ， i n s t a b l ee h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：f u z z yp i dc o n t r o l l e r ，p l c ，m a t l a bs i m u l a t i o n ， 研n dr a t e r e g u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明，所里交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：删 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：邀导师签名必 期：坐坠一 武汉理工大学硕士学位论文 l 。1 课题研究的背景 第1 章绪论 煤炭是我国的基础能源，在国民经济中发挥了重要作用。建国5 0 多年来， 煤炭在我国一次能源消费结构中一直占7 0 0 4 以上，是左右我国经济和政治稳定 的重要因素。目前我国已探明的煤炭储量为9 0 0 0 亿吨。如按2 0 0 0 年的开采强 度，我国煤炭可持续开采6 0 0 年。因此无论是现在还是将来，煤炭工业都是我 国的支柱产业。根据资源条件和国民经济发展趋势，在可以预见的时期内，我 国以煤为主的一次能源结构不会发生根本性变化。2 0 0 3 年产量超过1 7 亿吨， 创历史最高水平，居世界第一位。我国正处在工业化中期和新一轮经济周期的 上升阶段，能源消耗强度较大。据有关专家预测，到2 0 2 0 年，国内煤炭需求在 2 0 亿吨以上，今后几年乃至更长一段时间内，煤炭工业必将有一个较大的发展。 2 0 0 4 年，全国煤矿发生事故3 5 8 5 起、死亡6 1 4 9 人：河南大平煤矿的“1 0 2 0 ” 特大瓦斯爆炸事故死亡1 4 8 人；陕西陈家山煤矿的“l l 2 8 ”特大瓦斯爆炸事故死 亡1 6 6 人；2 0 0 5 年2 月1 4 日辽宁孙家湾煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，死亡人 数更高达2 1 4 人；加上随后不长时间内相继发生了3 起死亡百人以上特别重大 煤矿事故，充分显示了我国安全形势的严峻程度。因而引起国内外广泛关注， 特别引起党和国家的高度重视。如何实现煤矿安全的根本性好转，关系到我国 的国际形象与建设“和谐社会”的伟大工程。煤矿重特大事故的发生原因复杂多 变，但导致重特大事故的最主要的起因则是瓦斯、煤尘爆炸。煤矿安全生产的 整改方向在于瓦斯灾害治理。国家已经做出了一系列重大决策，以确保打好瓦 斯治理攻坚战，搞好煤矿安全生产。 安全合理的通风技术不仅是解决高瓦斯矿井瓦斯超限和易自燃煤层自然发 火问题的主要途径，也是矿井发生重大灾害后防止灾变扩大的重要保障，因此 矿井通风技术是解决矿井瓦斯爆炸、煤层自燃灾害的主要手段，是高瓦斯矿井 的生命线。但是，在我国煤炭行业快速发展的最近几年里，采矿技术在井田勘 探、开采方法、机电装备、煤化工与综合利用等方面有了较大幅度发展，而安 全保障技术的进步却远远不能满足，也很难保证矿井安全生产。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的意义 从煤壁、采空区涌出的瓦斯是造成矿井瓦斯灾害的根源，由于煤矿生产要 持续进行，所以这种瓦斯连续涌出是不可避免的。研究表明，由于我国煤层低 压、低渗、低饱和等煤层气地质条件复杂的特点导致抽放困难。其中煤层的渗 透性是影响煤层气抽放最为主要的因素。由于瓦斯抽放效果和抽放投资收益的 不确定性，采用瓦斯抽放消除煤矿瓦斯隐患的推广及应用效果并不理想，通风 仍是消除瓦斯积聚危险的主要手段。 通风系统是矿井安全管理的重心，首先在于通风对于瓦斯管理的重要作用， 而且通风构成了整个矿井生产的安全基础，对矿井的稳产高产、防灾抗灾有着 重大的影响。随着矿井集约化生产的发展，瓦斯涌出量明显增加，工作地点需 风量增大，对矿井通风系统的可靠性、稳定性要求增高。在相当多的矿井，由 于瓦斯抽放尚不能完全消除瓦斯超限，矿井的安全生产很大程度上取决于通风 技术应用的合理性。 矿井实现高产高效集约化生产的有效途径是一次采全高综采放顶煤开采， 但该采煤方法在高瓦斯工作面的应用受到很大制约。在高瓦斯和煤与瓦斯突出 矿井中，较为常用的u 型通风方式难以处理工作面上隅角瓦斯超限，而且工作 面风量难以提高到需要水平，因而有可能出现回风风流瓦斯超限，对安全生产 构成严重威胁。采取安全、经济、有效的方法将上隅角瓦斯降到安全浓度以下， 是亟待解决的问题。也正因为如此，国内外都在配合采煤工艺改革的基础上积 极探索和改进工作面通风方式，将传统的u 型通风方式改为u 型带尾巷、w 型、 y 型、z 型、双z 型等。各种通风方式因具体工作面的瓦斯涌出量、开采工作 条件和开采技术而各异，且各有其优缺点，但总的说来在高瓦斯和煤与瓦斯突 出的矿井中，以通风方式处理工作面采空区上隅角瓦斯积聚的问题始终没有得 到很好的解决。 目前国内大型矿井发展的趋势是利用国际先进水平的综放技术，实施矿井 “一井一面”高产高效格局，即一个矿井布置一个“大( 倾斜2 0 0 m 以上) ，长( 走向 1 5 0 0 m 3 0 0 0 m 以上) ，厚( 煤层厚度6 m 以上) ，高( 生产能力3 0 0 万讹以上) ”的 工作面，以高效率赢得高效益，以集约化生产保证安全开采。随着矿井开采规 模的扩大和开采深度加大，矿井瓦斯涌出量和瓦斯压力逐渐增大，大断面长距 离单巷掘进压入式通风技术的发展完善应用，成为矿井开拓准备的重大课题， 武汉理工大学硕士学位论文 关系到高产高效矿井建设【1 1 2 1 1 3 】【4 j 。 1 3 国内外相关研究动态及发展趋势 矿井通风技术是煤矿安全生产的重要基础。高瓦斯矿井通风技术研究一直 是我国煤矿生产技术研究的重要课题之一，很多专家学者和工程技术人员己经 对此进行了大量研究，取得不少成果。 从世晃先进采煤国家的通风技术发展水平来看，日本有的煤矿针对矿井的 集中化生产，采用现代化的通风技术，保证了矿井的合理供风。波兰煤矿己有 3 6 对矿井实现集中监测、计算、调控为一体的自动化通风系统，研制并使用了 s w i p 型监测矿井通风参数的微机系统，该系统能适时地对矿井大气中的瓦斯 浓度、主扇和局扇的运行状况及风门的开启和关闭状态进行测量、计算、调控。 同时，还能对矿井通风压能和风量分配进行测量，根据测量结果，计算机进行 通风网络的计算与分析，绘制出立体的矿井通风图。俄罗斯、德国及波兰等国 均开展了对高产高效工作面合理通风参数及优化通风系统的研究，并根据瓦斯、 粉尘、火灾等危险因素，采用可控制串级调速系统，降低主要扇风机的动力消 耗，提高通风系统的安全可靠性和抗灾能力。为了解决风机在运行过程中产生 摩擦火花问题，波兰等国使用具有阻燃、抗静电的碳纤维工程塑料制作风机叶 片；德国、日本和俄罗斯采用圃热涂层【5 】【6 】【7 】嘲。 我国矿井通风技术，也紧跟世界潮流，取得了众多引人注目的成果。例如， 为了检验和改进主要通风机的运转性能，研究了主要通风机性能测试装置及测 试方法。该装置在计算机控制下，通过风速、风压、大气参数、电参数及转速 等传感器，自动采集所有被测参数，且在自动存入全部数据的同时，在屏幕上 显示处理所有数据的计算结果。随后通过绘图仪输出风机性能曲线，实现了迅 速、准确、可靠地测定主要通风机性能的目的。为了及时调节和控制风量、分 析风流稳定性及优选通风设计方案，研制了电子计算机的各种计算、模拟软件。 这些软件为自动绘制矿井通风图和灾变时期救灾方案的选择提供了方便，起着 辅助决策作用。从总体来看，我国矿井通风的技术水平还处于相对的落后状态。 通风系统的可靠性还很低下，现有的轴流式风机效率低、电耗大。尤其是近年 来发展迅速的综采放顶采煤方法和高产高效工作面，具有开采强度大、经济效 益好，机械化程度高的特点，但导致了瓦斯涌出量大、工作面所需风量大，传 武汉理工大学硕士学位论文 统的通风技术及通风设备已不能适应这种生产方式。 在生产实际中，达到爆炸界限的瓦斯浓度，是矿井瓦斯涌出和井巷风量分 配二者共同作用的结果。高瓦斯矿井综放开采瓦斯涌出和煤巷掘进工作面瓦斯 涌出有其特殊性，其通风技术要求不同于一般。 为了保障通风系统及瓦斯涌出的安全程度，基于计算机技术的煤矿安全监 测监控系统日益得到普及，由于是综合了各种技术的组合系统，将会在传感器 技术、多媒体技术、网络技术、通信技术和软件分析系统等方面继续保持创新 研究，使矿井抗灾能力得到很大提高。在监控方面，k o r o l e v a 等利用计算机对 矿井通风网络系统进行非线性控制，统筹分析网络拓扑结构，通过优化计算来 调度井下工人，处理井下通风系统，消除各处的安全隐患。 根据回采工作面上隅角特殊的风流运动形式，也有采取专门的瓦斯抽排设 备处理上隅角瓦斯涌出，或者进行采空区的瓦斯抽放，采取均压通风技术防止 工作面瓦斯涌出过大或上隅角瓦斯积聚等的一些措施，具有一定的效果，不过 这些技术的可操作性不容易把握，影响了其广泛应用。 长距离通风普遍应用于铁路隧道、金属矿山井下巷道施工，在煤矿岩巷掘 进中有4 k m 以上的纪录，在国内高瓦斯矿井煤巷掘进中也有长距离通风1 3 0 0 m 的纪录。在高瓦斯软煤层中长距离大断面单巷掘进通风中，现有的技术手段主 要是通过加强局部通风管理，以应用大功率局扇，提高单台风机效能和强化风 筒管理，提高风筒质量、风筒挂接质量等，但存在的主要问题仍然是：挂接风 筒多，弯道多，通风阻力大，不能从根本上增加掘进工作面的有效供风量；多 台局部通风机供风管理难度比较大，通风效能低，直接导致了掘进工作面的风 量达不到设计要求，引起工作面气候恶化，瓦斯浓度超限；高瓦斯掘进工作面 局扇通风无计划停电停风事故难以避免，容易造成瓦斯积聚，安全保障程度低， 影响掘进效率，甚至波及到整个矿井的安全。可见良好的通风是矿井安全生产 的前提和重要保障 9 1 1 1 0 1 【i l 】【1 2 】f 1 3 】。 1 4 模糊控制理论的发展及应用 早期的模糊控制器普遍采用m a m d a n i 的基于规则的控制器的结构。针对这 样的模糊控制系统，7 0 年代末出现了大量的研究成果，如模糊控制的算法结构、 模糊控制规则分析、模糊控制器的多值继电器模型、最优模糊控制概念、模糊 4 武汉理工大学硕士学位论文 控制器的代数模型及语言模型分析方法和自组织模糊控制器。此外，在模糊模 型辨识方面也进行了一些探索。进入8 0 年代，模糊控制器出现了多种改进形式， 如各种自适应模糊控制方法、模糊p i d 混合控制、模糊s m i t h 预估控制、预见 式模糊控制等。在原有的模糊控制系统稳定性研究结果的基础上，在能量稳定 性方面取得了新的进展。在此期间，基于规则的模糊模型、模糊关系模型和模 糊分段线性模型的辨识形成了成熟的方法。而对于模糊关系系统的同时辨识与 控制、以及针对反馈解耦和串联解耦进行了理论探索。这些工作为后来的模糊 关系理论研究和工程应用奠定了基础。 9 0 年代以来，在模糊控制技术大量的成功应用的促进下，模糊控制理论和 应用研究也进入了新阶段。人们试图在现有成果的基础上将自动控制学科中的 一些成熟的理论和方法引入模糊控制以建立其理论框架，并和精确域控制方法 以及其他智能化方法相结合形成了多种模糊控制新模式。理论成果有模糊控制 系统数学描述和分析、模糊控制系统的设计理论、自适应模糊控制、模糊建模 和基于模糊模型的控制等。在应用方面往往是将模糊控制或模糊推理的思想， 与其他相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，改善模糊控制 的不足，从而获得理想的控制效果。由于模糊控制和语言很容易被人们广泛接 受，加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现，所以这种结合展 现出强大的生命力和良好的控制效果。对模糊控制的改进方法可大致的分为模 糊复合控制，自适应控制和自学习模糊控制，以及模糊控制与智能化方法的结 合等四个方面【1 4 】【”】。 ( 1 ) 模糊复合控制 模糊一p i d 复合控制：即模糊一p i d 控制，通常是当误差较大时采用模糊控 制，而误差较小时采用p i d 控制，从而既保证动态响应效果，又能改善稳态控 制精度；一种简便有效的做法是模糊控制器和i 调解器共同合成控制作用。 模糊一线性复合控制：如模糊一前馈补偿控制等，实际利用了模糊控制是 变增益p i 控制器的特点，在实际系统的控制中取得了较好的效果。 s m i m 一模糊控制器：针对系统的纯滞后特性设计，用模糊控制器替代p i d 可以解决常规s m i t h - p i d 控制器对参数变化适应能力较弱的缺陷；此外模糊推 理和模糊规则的运用有利于在一定程度上适应时延的变化，在更复杂的情况下 对对象的纯滞后进行有效的补偿。 三维模糊控制器：一种是利用误差e ，误差变化e c 和误差变化速率e c c 武汉理工大学硕士学位论文 作为三维变量，可以解决传统二维模糊控制器的快速响应与稳定性要求之间的 矛盾；另一种方法是利用e ，e c 和误差的累积和e ，这相当于变增益的p i d 控制器，提高了模糊控制的稳态精度。 多变量模糊控制：一般采用结构分解和分层分级结构，利用多个简单的模 糊控制器进行组合，并兼顾多规则集之间的相互关系。 ( 2 ) 自适应和自学习模糊控制 自校正模糊控制器：修改控制规则的自校正模糊控制器，从响应性能指标 的评价出发，利用模糊集合平移或隶属函数参数的改变，来实现控制规则的部 分或全面修正，也可通过修正规则表或隶属函数本身进行调整；基于模糊模型 的自校正模糊控制器，包括利用模糊集理论辨识系统模型的语言化方法，基于 参考模糊集的系统模糊关系模型辨识方法，以及由i 0 数据建立模糊规则模型， 并以此作为自校正控制器设计的基础等。 参数自调整模糊控制：自调整比例因予的模糊控制，引入性能测量和比例 因子调整的功能，再线改变模糊控制器的参数，较大的增强了对环境变化的适 应能力；基于模糊推理的p i d 自整定控制，如参数自整定模糊p d 控制，以及 类似的p i 及p i d 控制等。 模型参考自适应模糊控制器：利用参考模型输出与控制作用下系统输出间 的偏差来调整模糊控制器的输出，包括比例因子、解模糊策略、模糊控制规则 等。 具有自学习功能的模糊控制：包括多种对外扰影响或重复任务的性能具有 自学习功能的模糊控制方法，以及自寻优模糊控制器等，其关键在于学习和寻 优算法的设计，尤其是提高其速度和效率。 自组织模糊控制器：将参考模型和自组织机制相结合的模糊模型参考学习 控制，及自适应阶段模糊控制等更高级的自组织形式具有很大的发展潜力。 ( 3 ) 专家模糊控制 专家系统能够表达和利用控制复杂过程和对象所需的启发式知识，重视知 识的多层次和分类的需要，弥补了模糊控制器结构过于简单、规则比较单一的 缺陷，赋予了模糊控制更高的智能；二者的结合还能够拥有过程控制复杂的知 识，并能够在更为复杂的情况下对这些知识加以利用。 ( 4 ) 基于神经网络的模糊控制 神经网络实现局部或全部的模糊逻辑控制功能，前者如利用神经网络实现 武汉理工大学硕士学位论文 模糊控制规则或模糊推理，后者通常要求网络层数多于三层；自适应神经网络 模糊控制，利用神经网络的学习功能作为模型辨识或直接用作控制器；基于模 糊神经网络的隶属函数及推理获取方法，具有模糊连接强度的模糊神经网等， 均在控制中有所应用。 此外，模糊预测控制，模糊变结构方法，模糊系统建模及参数辨识，模糊 模式识别等的研究，也都属于前沿的研究方向。 虽然模糊控制理论己经在工程上获得了许多成功的应用，但目前模糊系统 理论还有一些重要的理论课题还没有解决，其中两个重要的问题是；如何获得 模糊规则及隶属函数问题以及如何保证模糊系统的稳定性。大体来说，在模糊 控制理论和应用方面，众多学者研究的主要方面有 1 6 1 ： ( 1 ) 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法、稳定性评价体系、控 制器的鲁棒性分析、系统的可控性分析和可观测性分析。 ( 2 ) 模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法、量化 水平、采样周期的最优选择、规则的系数、最小实现以及规则和隶属函数参数 自动生成等问题，以进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。 ( 3 ) 模糊控制在非线性复杂系统中的模糊建模、模糊规则的建立和推理算法 的深入研究。 ( 4 ) 模糊控制器最优调整理论的确定以及修正推理规则的学习方式和推理 算法等。 ( 5 ) 常规模糊控制系统稳态性能的改善。 ( 6 ) 模糊动态模型的辨识方法。 ( 7 ) 模糊控制算法改进的研究，由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概 念和原则，然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数 不多，这方面的尝试有待深入研究。 ( 8 ) 最优模糊控制器设计的研究，依据恰当提出的性能指标，规范控制规 则的设计依据，并在某种意义上达到最优。 ( 9 ) 简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通 用模糊控制系统的开发和推广应用。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 本课题以煤矿单个主通风机为研究对象，采用模糊比例积分微分( p i d ) 控制 技术对风量进行自动调节，并用可编程控制器( p l c ) 实现对风机风量的模糊p i d 控制，依据风量误差e 和风量误差的变化率e c 的变化对p i d 控制的参数k p 、 k i 、k d 进行自整定，从而实现参数自整定模糊p i d 控制。结果表明模糊p i d 控 制算法适应性好、鲁棒性强，取得了非常好的控制效果。本文共分六章，内容 组织如下： 第一章简要介绍了课题研究的背景和意义以及其国内外相关研究动态、发 展趋势。同时叙述了近年国内外模糊控制技术的进展，以及今后模糊控制技术 的发展方向。 第二章介绍模糊p i d 控制风量调节系统的总体设计，主要包括调节系统方 案的确定和系统组成，并给出了模糊p i d 控制系统的总体结构图。 第三章介绍风量调节系统模糊p i d 控制器的设计，主要包括模拟p i d 数字 化及其在计算机的实现，模糊控制系统的组成、原理。详细论述了模糊p i d 控 制器的设计过程，模糊p i d 控制在煤矿风量调节系统中的实现方法。 第四章介绍模糊p i d 控制器仿真研究。应用m a t l a b 对设计的模糊p i d 控制器进行计算机仿真实验，并根据仿真结果对模糊控制规则进行了微调，通 过与常规p i d 算法的比较，证明了该算法的合理性、可行性和有效性。 第五章介绍模糊p i d 控制器p l c 程序设计。介绍了在可编程控制器中如何 设计p l c 程序实现查表法模糊p i d 控制。 最后，总结本论文的研究成果，并提出下一步研究工作的方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章模糊p i d 控制风量调节系统总体设计 2 1 煤矿通风机动叶调节概述 通风是煤矿开采过程中最重要的环节，同时又是复杂且耗能的过程。通风 系统的工作状况直接影响着煤矿的生产效率和安全生产。矿井通风网络的空气 动力参数、井下工作的工人数量、工作性质、风机的性能曲线、巷道的特性曲 线、通风机自身全压值偏差以及矿井瓦斯的变化等，都对通风机的风量产生影 响。为使通风机能够安全高效地运行，必须对风量进行自动调节以适应上述因 素的变化。 对于通风机的调节有以下几种方法：变换转速调节、改变前导器角度调节、 改变叶片安装角度调节等。 在上述调节方法中，轴流式通风机用的最多的是调节叶片的安装角度。但 目前在调节时一般还是采用机械调节方法，也就是在停机的情况下调节。这种 调节方法实际能做的只是阶段调节，调节范围较窄，也不能及时的根据矿井中 实际风速和瓦斯浓度进行及时的调节。虽然部分用户已使用较为先进的，不需 要停机就能实现对风机叶片安装角度调节系统，但该系统没有把对叶片的调节 和矿井中相应检测有机的结合起来，也只是人工现场调节，不能实现自动检测 和自动控制的结合。针对以上情况，本课题结合了电液伺服控制技术和计算机 控制技术，用可编程控制器来控制通风机叶片角度的风量自动调节系统，实现 通风机叶片安装角度的自动调节以达到对矿井中通风的自动控制的目的，从而 实现自动检测和自动控制的结合。 2 1 1 动叶调节的原理 煤矿通风机动叶调节的原理是：过叶片叶柄轴线作垂直翼型骨线的平面， 分叶片为首尾两部分。此两部分各具重心。当叶轮旋转时，由各叶片首、尾两 部分的离心力中，可以分解出使叶片安装角缩小的力矩，称为闭合力矩。若在 叶柄上加装平衡锤，使其产生的大小相等方向相反的力矩，以抵消闭合力矩， 将使叶片调节自如。目前，许多经改造或更新换代的通风机都具有动叶可调装 武汉理工大学硕士学位论文 置，该装置是利用液压或机械系统完成动叶角度的同步调整。利用输入轴的位 移量控制叶片的角度，本系统采用电液伺服位置控制系统实现对叶片安装角度 自动调节。 2 1 2 电液伺服系统简介 液压伺服系统分为阀控系统、泵控系统和二次调节系统。阀控系统中关键 的控制量是兼作动力元件的控制阀或电液伺服阀的阀口节流面积a ，即主阀芯 位移x 或x ；泵控系统中关键的控制量是动力元件变量泵变量机构的变量参数 ao 【) ，即斜倾角a ( x ) 或偏心踞e 。在阀控和泵控系统中都可再分为位置控制系 统、速度控制系统和力或加速度控制系统，它们是由系统大闭环的反馈物理量 来区别的。 电液伺服系统主要分两类：一种是电液伺服阀兼作动力元件，提供液压能 量的阀控式电液伺服系统；以电液伺服阀控制、调节变量泵，提供液压能量的 泵控式电液伺服系统。还有一种是以电液伺服阀、调节变量液压马达，变化其 液压能的吸收和转换的二次调节式电液伺服系统。电液伺服系统方框图如图2 1 所示。 图2 1电液伺服系统方框图 电液伺服系统综合了电磁和液压两方面的优点，控制精度高、响应速度快、 信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑、重量轻和易于实现自动化等，应用极 广泛。 2 1 3 阀控电液伺服系统简介 目前应用较多的动叶可调通风机，其调节系统一般都是由液压系统构成， 角度的调节是由液压缸带动的。利用了液压缸缸体的左右移动带动大伞齿轮转 o 武汉理工大学硕士学位论文 动，大伞齿轮转动又带动叶片根部齿轮转动从而达到角度调节的目的。从原理 上可以看出液压缸的位置和叶片角度之间有一一对应的关系，对于叶片安装角 度的控制可以通过对液压缸缸体位置的控制来实现。论文中煤矿通风机的叶片 的控制是采用了阀控电液伺服系统来实现控制。 图2 2 阀控位置电液伺服系统方框图 电液伺服系统用电信号作为控制信号和反馈信号，灵活、快速、方便。用 液压元件作为执行机构，重量轻、惯性小、响应快、精度高。电液伺服阀体积 小，结构紧凑，功率放大率高，特性的直线性好、死区小、灵敏度高，动态性 能好。对整个系统来说，电液伺服阀是信号转换和功率放大元件；对系统液压 执行机构来说，电液伺服阀是控制元件。阀本身是个多级放大的闭环电液伺服 系统。 2 2 风量调节方法及风量调节系统方案确定 通风机的调节是为了改变通风机的流量，以满足实际工作的需要，故通风 机的调节又称流量调节。改变通风机的流量，即要改变工况点，而工况点是通 风机性能曲线与管网性能曲线的交点，所以无论是改变通风机的压力曲线或是 管网曲线都可以实现通风机的调节。 2 2 1 风量调节方法 ( 1 ) 改变通风机的转速 对于通风机来讲，转速改变时，性能的变化有如下关系 武汉理工大学硕士学位论文 风量鲁= n _ 啊l 风压= 鲁= ( 鲁) 2 ( 2 - 1 ) 功率鲁= c 斧3 在转速变化范围为士2 0 ，可以不考虑效率变化。 改变转速的方法很多，一般是对通风机异步电动机采用s p w m 变频调速技 术实现通风机转速的变化以达到调节风量的目的。 ( 2 ) 进口导流器调节 在叶轮进口前设置导流器，通过改变导流器叶片安装角，使之进入叶轮的 气流方向发生变化，从而使通风机性能曲线改变。通风机性能的变化是由于进 入叶轮气流方向的改变，即c 1 。的变化。有理论压头公式： 兄= p ( c 2 。一c 。u 1 ) ( 2 - 2 ) 可见，c l 。变小，压头p 血就增加，c l 。变小，压头p 血就随之下降。 ( 3 ) 轴流式通风机的动叶可调 对于轴流式通风机，当它的转速一定时，即圆周速度一定时，风叶角度能 使轴向速度及攻角变化，从而改变通风机的压力曲线。 根据叶轮理论有： 矗= q ( 2 3 ) 其中p 血理论压头：a c , = c 2 ，一c l 。 而又有： p = o 【+ b m q - 4 ) 阶眦g 电 其中：b a 一叶片安装角度； f l 一攻角； b m 一平均气流角。 ( 2 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 从以上3 式中可见，若改变叶片等安装角队，就引起攻角a 及平均气流角 p m 变化，从而引起q = c 2 。一c 1 。的变化，而使轴流式通风机的压力曲线发生 变化【1 7 1 。 2 2 2 风量调节系统方案确定 对于面向工业过程控制，特别是化工工业过程控制的监控系统，从系统的 结构上来看，目前应用较为广泛的是集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) ，它把分散的、单回路的测量和控制系统用计算机进行统一管理，用各 种f o 板卡代替控制室的各种仪表，利用计算机的强大功能，完成对工业生产 过程集中进行实时检测、控制、参数调节、报警显示和存储历史数据等操作。 但是，在通信方式上，该系统现场仪表到控制站之间采用4 2 0 m a 标准模拟信 号进行传输通信。而在工业生产现场采集设备所占的比例最大，数据也最多， 这就使得布线方式相当复杂、安装费用增加、维护量加大。随着网络与通信技 术的发展，总线的出现，一种集计算机、通信和控制技术为一体的现场总线( f i e l d b u s ) 技术逐步成熟和发展起来，并己应用到工业过程控制领域，形成现场总线 控制系统( f c s ，f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 与d c s 相比，具有鲜明的技 术特点与无可比拟的优势。但是，由于现场总线控制系统( f c s ) 采用数字化信 号传输，需要与之相配合的现场级智能仪表的支持，其价格是十分昂贵的，系 统的成本要远高于d c s 控制系统，因此可以看出f c s 系统并不太适合于中小 控制系统采用1 1 8 1 。 考虑到系统的成本和以后的扩展需要，选用软件功能丰富，开发手段齐全 的组态软件作为上位控制层，主要负责生产过程参数的动态显示、存储和监督 控制工作。而由p l c 作为基本控制层，并结合现场仪表组成经济实用型集散控 制系统，构成上中下三级控制。 选择p l c 的具体产品及型号需要考虑很多方面，首先也是最重要的一点就 是工作点数。通常在设计系统之前要对控制对象进行仔细的研究，了解工作过 程，确定需要监控参数的点数，依此来确定p l c 的型号，i o 模块的个数，一 般选择比控制点数多1 0 3 0 的p l c ，这样做主要是为了以后扩展的需要， 以及防止计算错误或f o 口损坏等原因影响工作。其它需要考虑的方面还有很 多，比如p l c 是否在特殊环境中工作( 包括强磁场、低温、高温、电压不稳等) ， 武汉理工大学硕士学位论文 需要何种通讯方式，现在的网络技术越来越发达，p l c 入网也成为一项基本要 求，因此选择提供网络支持的p l c 也是选型时的一个重要指标。生产p l c 的 厂家有很多，提供的功能不尽相同，附带的编程软件使用的方便程度、功能也 不相同，好的软件为我们提供了许多编好的软件模块，使用非常方便省力。根 据前面提出的需要考虑的方面，本设计中选用s 匝m e n s 公司的$ 7 - 2 0 0p l c 。 s 7 2 0 0 是模块化的中小型p l c ，采用循环扫描的工作方式，其c p u 的程序存 储空间( 永久保存) 为4 0 9 6 字，数据存储块空间( 永久保存) 为2 5 6 0 字，2 5 6 个定时器和2 5 6 个计数器，最大数字量f o 为2 5 6 ，最大模拟量通道为i o 为 3 2 a j 和3 2 a o 。由于使用f l a s he p r o m ，c p u 断电后无需后备电池也可长时 间保存动态数据。除了具有功能强大，坚固耐用的特点外，还能够实现高效率 的组态和编程，从而大幅度地降低工程成本。此外，集成的高性能系统诊断功 能可保证控制器的更高可用性，显著提升生产率。 2 3 风量调节系统组成 2 3 1 风量调节系统结构 风量调节监控系统由两级计算机组成，上位机完成智能化的后台管理、系 统参数设定、控制及监视等功能；下位机主要完成系统中各种参数的检测、信 息处理和控制功能。 为使系统安全可靠，上位机采用了p c 总线的工业控制计算机0 p c ) ，实时 显示系统运行信息、故障信息和参数设定；下位机采用了西门子公司生产的 s 7 2 0 0 可编程控制器，配备了一个c p u 模块c p u 2 2 6 和一个模拟量输入模块 e m 2 3 1 。系统结构如图2 3 所示。两台计算机之间采用p c p p i 电缆连接，该电 缆实现了i p c 和s 7 2 0 0 c p u 问的信息传送，并兼有i p c 作编程器对可编程控制 器进行编程的功能。 工控机与p l c 之间的通信采用p c p p i 网络通讯方式。p p i 协议是一种主一 从协议。工控机的串口采用r s 2 3 2 协议，而p l c 采用r s 4 8 5 的接口，它们之 间要想实现实时通讯，必须进行电平转换，这种转换由带有隔离型的r s 2 3 2 ，4 8 5 转换装置实现的。即通过一条p c p p i 电缆组成网络，实现点对点的控制”9 1 2 0 1 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p l c l i p c 骨鼎刊亍 风机 图2 3 风量调节系统结构 上面所设计的风量调节系统只画出了为实现模糊p i d 控制所需的部分。当 然还有其它部分来实现对整个煤矿通风系统的监控，还需要智能仪表和控制设 备以及各种通讯模块来实现对矿井大气中的瓦斯浓度、主扇和局扇的运行状况 及风门的开启和关闭状态进行测量、计算、调控。同时，还能对矿井