羅 杰，李 巖，司呈鑫

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭煤層氣測試研究所，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830008)

煤炭質量的檢測對后續(xù)的加工生產(chǎn)有著非常重要的意義。一般的檢測方式是采樣、化學浮選、清洗煤樣以及最后的檢測[1]。在這個過程中，煤樣清洗的干凈與否對于后續(xù)的檢測結果有著很大的影響。而目前多數(shù)采用的方法依然為人工清洗煤樣，這種憑經(jīng)驗判斷是否清洗干凈的方式制約著檢測行業(yè)的發(fā)展，因此自動化的煤樣清洗設備就起到了重要的作用。

自動化的煤樣清洗即通過機器設備對化學浮選過后的煤樣進行高溫蒸餾水的清洗，在此過程中產(chǎn)生的氯化物浮于液體表面，對此反應物的多次排出以及通過濁度計的檢測確定清洗過程是否完成。在清洗的過程中需要對水位進行控制以確保浮沫能夠順利排出，傳統(tǒng)的液位控制方法是通過PID調節(jié)水位的高度，為了保證控制效果的精確性，一般是通過固定的幾種方法對PID參數(shù)進行離線調整。但是由于實際環(huán)境復雜，設備形狀以及注水過程的影響，水位控制具有非線性、滯后性等特點，傳統(tǒng)PID對此類控制效果不佳，而模糊控制[2-4]對于非線性系統(tǒng)有著較優(yōu)的控制效果。西南交通大學的張文娟[5]等人針對鋁桿連鑄連軋生產(chǎn)過程中結晶器鋁水液位波動影響鑄坯質量的問題對結晶器液位進行模糊PID控制，仿真結果顯示模糊PID相比于傳統(tǒng)PID對于結晶器的液位控制更有優(yōu)越性。林寶全[6]等使用模糊PID算法對液位控制進行分析，結果表明模糊PID比傳統(tǒng)PID控制效果好。因此，考慮到模糊控制的優(yōu)越性，本文結合模糊控制與PID控制，運用模糊控制對PID參數(shù)進行實時調整，實現(xiàn)煤樣清洗設備水位的自動控制。

1 控制系統(tǒng)總體結構

該系統(tǒng)由PLC、模擬量輸入模塊、上位機、液位傳感器等部分組成。PLC選用的是西門子S7-200[7]系列CPU，該CUP自帶模擬量輸入模塊，滿足設計要求。系統(tǒng)的工作過程如圖1所示。首先在上位機上設定水位后，系統(tǒng)開始工作。S7-200CUP通過模擬量輸入模塊讀取箱體內液位的高度，通過與設定的液位進行比較，實時對電磁閥門進行調節(jié)，改變其進水量，進而實現(xiàn)液位控制。

圖1 控制系統(tǒng)結構

2 煤樣設備水位模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制一般包括3個環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)以及微分環(huán)節(jié)。通過對比例參數(shù)KP，積分參數(shù)KI以及微分參數(shù)Kd3個參數(shù)的調整，來實現(xiàn)整個控制過程。對這3個參數(shù)調節(jié)的結果直接影響著控制系統(tǒng)的響應情況以及穩(wěn)定性。數(shù)學公式如(1)所示，其中u(t)代表著系統(tǒng)輸出，e(t)表示為偏差。

PID控制是工業(yè)控制中使用最為頻繁的控制算法，以魯棒性強，可靠性高，結構簡單等優(yōu)勢著稱，它的結構如圖2所示。PID控制在線性系統(tǒng)中控制效果比較好，但由于實際對象通常具有非線性、時變不確定性、強干擾等特性，再只使用PID進行控制就很難達到理想的效果。

圖2 PID控制結構

煤樣清洗設備水位控制過程具有一定的非線性和滯后性，實際情況又會有很多其他的干擾因素，傳統(tǒng)PID很難達到精確的控制。而且PID參數(shù)的調整無法實時應用，需要離線對因外部環(huán)境變化而引起的不精確的控制進行調整。模糊控制具有不依賴被控對象模型以及較強的魯棒性等優(yōu)勢，而且對于非線性系統(tǒng)具有較優(yōu)的控制效果。因此，在使用PID控制的基礎上結合模糊控制算法，提出了基于模糊PID的煤樣清洗設備液位控制算法。算法原理如圖3所示。

圖3 煤樣清洗液位模糊PID控制算法原理

當系統(tǒng)采集到設備實時水位后，通過運算得到與設定水位誤差以及誤差變化率，并將其輸入到模糊控制器中，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，進而獲得ΔKP，ΔKI和ΔKd3者的模糊控制表，通過模糊控制表中3個參數(shù)的具體數(shù)值，利用公式(2)所建立的關系進一步得到已更新過的新的PID控制器參數(shù)KP，KI，KD。

KP=KP0+ΔKP

KI=KI0+ΔKI

Kd=KD0+ΔKD

(2)

式中：KP0、KI0、KD0是PID控制器的初始參數(shù)，KP，KI，KD是更新后參數(shù)，ΔKP、ΔKI、ΔKD是模糊推理得到的增量。

3 程序設計

3.1 模糊PID控制算法設計

系統(tǒng)以PLC控制為基礎，基于PLC來實現(xiàn)的模糊PID算法程序設計。它主要包括3部分，對輸入量的模糊化，對離線式模糊控制查詢表的程序輸入以及對PID參數(shù)的程序輸出。圖4即為模糊PID控制程序流程。

圖4 模糊PID控制程序流程

(1)輸入量的模糊化程序設計。設定液位偏差“e”和液位偏差變化率“ec”的基本論域分別為[-1，1]和[-0.6，0.6]，模糊論域量化為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，模糊子集為{NB，NM，SN，ZO，PS，PM，PB}，它們分別代表負大、負中、負小、中性、正小、正中、正大。

(2)離線式查詢表輸入程序設計。利用MATLAB中模糊邏輯工具箱進行模糊推理，通過模糊推理可得到對于不同液位偏差e和液位偏差變化率ec下，ΔKP、ΔKI、ΔKD的3個離線模糊控制查詢表[8-10]。然后將獲得的數(shù)據(jù)依次輸入到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中。

(3) PID參數(shù)輸出程序設計。通過得到的ΔKP、ΔKI、ΔKD3個參數(shù)值，將其代入到公式(2)，即得到整定后的PID參數(shù)KP、KI、KD。

3.2 上位機程序設計

上位機采用組態(tài)王進行程序的編制，通過其軟件所具有的狀態(tài)檢測，遠程控制以及報警等功能實現(xiàn)煤樣清洗以及水位控制等監(jiān)控。該系統(tǒng)組態(tài)由液位控制模塊、濁度控制模塊、電機運轉控制模塊和報警模塊構成，監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖5所示。通過對液位控制系統(tǒng)相關模塊的控制可進一步實現(xiàn)對液位的控制，運用如圖6所示的報警界面可對液位高度進行監(jiān)控，保障設備運行穩(wěn)定。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖6 報警界面

4 仿真模型及分析

4.1 仿真模型的建立

通過對煤樣水位控制過程的分析建立其仿真模型，通過對仿真結果的分析進一步判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性好壞以及響應速度的快慢，仿真模型可以通過Matlab/Simulink軟件進行建立。一般控制系統(tǒng)的仿真主要包括建立數(shù)學模型，求取傳遞函數(shù)以及進行系統(tǒng)仿真等步驟，液位控制過程具有非線性的特點，可用一階慣性環(huán)節(jié)作為其數(shù)學模型，考慮到滯后性的影響，最終的數(shù)學模型表達式如(3)所示。

式中：K表示穩(wěn)態(tài)增益；T表示慣性常數(shù)；τ表示為滯后時間。

運用Simulink軟件搭建仿真模型，如圖7所示?？紤]到模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制效果不同，特對此進行了兩者的對比，便于獲得最直觀的效果。

圖7 Simulink仿真模型

4.2 仿真分析及結果

圖8表示的為最終的仿真結果，此仿真輸入信號為階躍信號，3種不同的線型分別代表單位階躍信號、PID的響應曲線以及模糊PID響應曲線。從圖8可以看出，傳統(tǒng)PID煤樣清洗液位控制系統(tǒng)階躍響應的調節(jié)時間相比于模糊PID煤樣清洗液位控制系統(tǒng)階躍響應的調節(jié)時間長了約33 ds，超調量比模糊PID的響應曲線高約為8.1%，上升時間比模糊PID響應曲線快約為6 s。由此可得，與傳統(tǒng)PID控制比較，模糊PID煤樣清洗液位控制系統(tǒng)超調量更小、調節(jié)時間更短，具有更加優(yōu)秀的控制效果。

圖8 仿真結果

5 結 語

(1)針對煤樣清洗液位控制具有多變性、非線性和滯后性等特點，以PLC硬件為基礎設計了基于模糊PID的煤樣清洗液位控制系統(tǒng)，并進行上位機等相關程序界面的設置，實現(xiàn)了對煤樣清洗過程中的液位的自動控制。

(2)對比傳統(tǒng)PID控制算法，模糊PID控制調節(jié)時間短、超調量小，效果更加明顯。