矿井通风机倒机过程自适应PID抗饱和控制器设计.pdf

第45卷 第3期 2019年3月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 3 Mar. 2019 文 章 编 号 671-251X 201903-0090-05 D O I1 0 . 13272/j. issn . 1671-251x. 2018100013 矿井通风机倒机过程自适应P ID抗饱和控制器设计 孙涛S 夏 振 兴 王 前 进3 1.云 南 省 能 源 投 资 集 团 有 限 公 司 ， 云 南 昆 明650228; 2.中 国 矿 业 大 学 信 息 制 工 程 学 院 ， 江 苏 徐 州2 2 1 1 1 6 3.盐 城 工 学 院 电 气 工 程 学 院 ， 江 苏 盐 城224051 摘 要 针对矿井通风机倒机过程中存在的执行器饱和问题， 将 变 结 构PID抗饱和控制与非线性自适应 控制相结合， 设计了自适应PID抗饱和控制器。基于带死区的投影算法建立矿井通风机倒机过程线性和非 线性模型； 针 对这2个模型， 分别设计一个变结构PID抗饱和控制器； 计算线性和非线性自适应PID抗饱和 控制器在不同状态下的运行评价指标，选择评价指标值较小的控制器用于该状态下的矿井通风机倒机过程 控制。仿真结果表明， 自适应PID抗饱和控制器能够保证井下传输风量的平稳， 很好地解决了执行器饱和 问题。 关 键 词 矿井通风机； 通风机倒机过程；自适应PID抗饱和控制器；变结构PID抗饱和控制；非线性自 适应控制 中 图 分 类 号T D 6 3 5 文 献 标 志 码A 网 络 出 版 地 址F ttp //kns. cn k i. net/kcm s/detail/32. 1 6 2 7 . T P . 20190227. 1 7 1 6 . 0 0 3 . h tm l Design of adaptive PID anti-saturation controller in switchover process of mine ventilator S U N T ao1， X IA Z h en xin g2， W A N G Q ia n jin 3 1. Y u n n a n P ro v in cia l E n erg y In vestm en t G ro u p C o . , Ltd.，K u n m in g 650228, C h in a ; 2 . S ch o o l of In fo rm a tio n a n d C o n tro l E n gin eerin g， C h in a U n iversity o f M in in g a n d T ech n ology， X u zh o u 221116, C h in a ; 3. S ch o o l of E lectrica l E n gin eerin g，Y an ch en g In stitu te o f T ech n ology，Y an ch en g 224051, C h in a 扫码移动阅读 Abstract In view of actuator saturation problem in switchover process of mine ventiliator, an adaptive PID anti-saturation controller was designed based on combination of variable structure PID anti-saturation control and nonlinear adaptive control. Based on the projection algorithm of dead zone， the linear and nonlinear models of switchover process of mine ventilator were established. A variable structure PID anti saturation controller was designed respectively for the two models. The operation uation inds of linear and nonlinear adaptive PID anti-saturation controller in different states were calculated， and the controller with smaller uation index value was selected for the switchover process control of mine ventilator in this state. The simulation results show that the adaptive PID anti-saturation controller can ensure smooth transmission of underground air volume and solve the problem of actuator saturation. Key words mine ventilator; switchover process of mine ventilator; adaptive PID anti-saturation controller; variable structure PID anti-saturation control; nonlinear adaptive control 收稿日期2018-10-10;修回日期2019-01-26;责任编辑 胡娴’ 基金项目江苏省重点研发计划资金项目（BE2016046;江苏省普通高校研究生创新计划项目（KYLX16_0533。 作者筒介孙 涛 （1961-， 男 ， 四 川 苍 溪 人 ， 高 级 工 程 师 ， 主 要 研 究 方 向 为 矿 山 机 电 设 备 设 计 与 安 装 、 矿 井 自 动 化 监 控 等 ，E-mailtumt 126. com。 引用格式孙 涛 ， 夏振兴， 王前进.矿井通风机倒机过程自适应PID抗 饱 和 控 制 器 设 计 工 矿 自 动 化 ，2019，453 0-94. SUN Tao, XIA Zhenxing，WANG Qianjin. Design of adaptive PID anti-saturation controller in switchover process of m ine ventilator [J]. Industry and MineAutomation，2019,45 3 90-94. 2 0 1 9 年 第 3 期孙 涛 等 矿 井 通 风 机 倒 机 过 程 自 适 应 P ID 抗 饱 和 控 制 器 设 计 91 〇 引言 矿井通风机对煤矿井下作业和安全生产至关重 要 ， 煤矿 配备成对的通风机， 采用一备一用的工 作模式。在矿 风机倒机过程中， 极易发生 f 。为了解决 问题， 众多研究 意 力集中 风机倒机控制上[13]。通风机倒机过程 制 主要分为2 类 ① 基 的控制 。 文献[ ] 根据电路理论和通风机特性曲线 1井下 风 风阻的静态模型， 并在此基础上设计了顺序 制策略， 实 风量的连续和平稳输送。文 献 风 机 倒 机 过 程 非 线 性 约 束 规 划 的基础上， 通过数值求解 要的风 ， 达到 制 风 定的目的。上述 都 制 ， 无 风 动及时稳定输送风量， 在倒 机期间， 不能保 警戒线。②基于智 能的控制 。文献[6]利用专家 ， 通过模糊控 制算法对 风量进 制 ， 但该算法论域的设置 主要依赖于人工经验， 导致算 一定主观性和 随意性％ 取 人满意的 。此外， 述研究没 矿 风机倒机过程中存在的执 行器饱和问题。 器饱和问题在工业现场非常普遍， 通常会 恶化系统特性， 甚至导致闭环系 稳定。在矿井 风机倒机过程中， 执行器饱和 风 物理条 件限制 和非线性特性。 和发生时， 会 剧风 承的损伤， 甚至引 风机故障。 ， 有必要采取 改变风 的饱和线 性特性， 延长风门工作寿命。基 述原因， 本文设 计 PID 和控制器， 通过合理的 t策 略在线性控制器和非线性控制器 ， 保 传输风量的平稳和 作业的 可靠。 1通风机倒机过程离散化模型 由于矿井通风机倒机过程的建模与倒机的次序 无关， 为论述统一， 假设倒机次序为2 号通风机切换 1 号通风机上， 切换过程如图1 所示。 出风 口和进风口位 很小， 可 略不计％ 风机 倒机过程的进风口和出风口在同一平 ， 可 f 其合并为一点。为 理解和分析 过 程 ， 利用 网络拓扑 [7]简 风结构， 将通风机倒机 过程简化为如图2 所示的网络拓扑。图 2 中， 11,和 见。 分为1 号通风机水平风门、 垂直风门的风阻， 沁,和沁。 分 为 2 号通风机水平风门和垂直风门的 风阻， 私 代 风 阻 ，M1 和M2 分为1 号和 2 号通风机。 Fig.1 图1矿井通风机倒机过程 Switchover process of mine ventilator 图2矿井通风机倒机过程网络拓扑 Fig. 2 Network topology of switchover process of mine ventilator 根据图2 和流量平衡方程[8]， 建 立 1一5 网络分 支的风道动态方程 眷 f | C 5 | Ci F * ⑴ 式中 为风道号， 1， 2,，为第‘ 风道的输 送风量;F ， -和 分 别 为 输 送 过 程 中 的 惯 性 系 数 、 空气阻尼系数和压降。 根 风机输送过程中涉及的压力平衡方程， 构建风力传输数学 Hpm Hp* RpmQpm . 1 ， （ 2 式中 *.m和分为P 号主要通风机的压降和 压头； ， pm 和 Qpm分为P 号主要通风机的风阻和 风。 根据文献[9]， 利用基尔霍夫风压、 风量定律， 得 描述通风机 制过程的状态方程 t Acx2 cut Ac a x2 3 2,〇 rB cxt rC cd 3 4“ 0 “ ⑷ 式中 x“ [1 2 3 4]T， 是过程控制系统 的状态， 1， 2， 3， 4 分 别 为 通 过 1 号通风机水平 垂直风门的风量和2 号通风机垂 水平风门的 风量;Ac 1C 1 EbcF a 1， EQ c 为 平衡 程相关的 矩 阵 ， Fc diagF1 F 2 F3 F ， Fa F “， F1 F “ 分 对 应 1 号通风机水平与垂直 风门、 2 号通风机垂 水平风门和 分支的 性系数； c D diag12 22 32 42u t [，1 , 2 , 3 ，4]T， 是过程控制输入， 其 中 ,1 1 , 2 ， ,3 ,2c，,4 m ,2s; AC a m 1 c6 Q c 6qc1c6 Qc Fa 1Fa C c 1 1 6 C F 16qc 1 ； BC K 1 6 Q F QcKMq。 ， 为回路电压方程相关的 t 92 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 矩阵；_V “ 是 控 制 系 统 的 输 出，c eye 4 ; d [*1d *1* *2* * 2 * 7 。 设定采样时间为0. 000 1 s，对上述动态方程离 散化， 得到非线性自回归滑动平均模型 1 Az1yk -\Bz1uk u{k v[x ] 5 式中AZz h A Z -1和5 Z -1为非线性自回归平 均模型的系数矩阵v[xk]为一个未知的连续可微的矢量值非 ak | | ek|| 4A 其他 12 式 中 0 [ A， 一 A ， ， 一， B。 ， 从 ， ， B„b]T， 0 k 为 k 时 刻 0基 于 模 型 的 估 计 值 ； k [yTk， ， yE k wa 1， uE k ， ， uTk M b]T，a和 Mb为系统阶数M 为给定常量。 在线性估计模型中，ek为 ek yk y1k yk Tk 1k 1 13 线性 。 矿井通风机倒机过程线性模型为 y1 k 1 一A z 1 y k ; z 1 uk B zuk 6 矿 风机倒机过程非线性 为 y2 k 1 A z 1 y2 k B z 1 uk B z 1uk v[x k] 7 0自适应PID控制器抗饱和设计 建立带有未建模动态补偿器的增量式PID 控 制器， 其结构为 在非线性估计模型中， ek为 ek yk y k yk “ T k 1“k 17[0k 1] 14 式中 y k和 yk分别为线性模型和非线性模型 的输出估计值;70 1]为神经网络估计值。 线性 和 制器的 式为 u k u k 1 KP[ek e k 1 ] KD[ek 2ek 2 ek 1] KIKa ,us 一uk 一H .z 1u .k “15 uk uk 1 KP [ek ek 一 1] K e k KD [ek 2ek 1 ek 一 2] 一 Hz-1u .kKz-1vlx .k] 8 式中 Kp、 Ki和 K 为对角 矩 阵 ， 各对角元素为常 量 ， 分别对应于控制器的比例、 积分、 微分环节的系 数;ek rkyk,其 中 rk为系统参考输人; S z 1用于控制器的解耦补偿玄-1提供未建模 动态补 。 为便于后续分析， 将控制器各环节增益参数重 新 定 义 为 如 下 形 式 Kp A G1 2 GZ ; Ki AG0G G 2; z-1 1 z-1 A-1 z-1 Bz q K z 。 1 z ”否 一 1 z 1;Kd AG2。 参数间的关系满足式（ 9 det {HCz A z [J A 1z 1Bz 1] zA z 1} 0 |z |1 9 式中 J 为单位矩阵A 为常系数。 向控制器中添加反馈抗饱和增益来抑制饱和输 出， 改善后的PID控制器结构如下 uk uk 一 1 KP[ek 一 e.k 一 1 ] KD -ek ek ek 1 ] K Kfus uk 10 式中 Kf为反馈抗饱和增益;us satuk。 当系统模型参数未知时， 将带死区的投影算 法[10 11]加人其中 0 k 0 k 1 akk 1 eTk 1 “ Tk 1 “ k 1 “11 非线性 和 制器的 式为 u k 一 u k 一 1 KP[e k 一 e k 一 1 ] KD [e k 2e k 2 e k 1 ] KKa us 一uk 一Hz 1uk 一 JL z17[x k] 16 线性 和 制器和非线性 和控制器之间的切换策略 利 用 入 （ k |1， 权衡线 性 PID 和 制 器 和 非 线 性 PID 抗饱和控制器在不同状态下的运行评价指标， 将二 者进行对比， 选择评价指标值较小的控制器用于该 状态下的矿井倒机过程控制。 J,k计算公式为 T k V a, * I I e, * | | 2________I 21 “ T*1 “ 1 k h 1 a, p | | e, * | | 2 17 * k A H - 1 式中 N 为正 整 数 r“ lm 3/s 19. 027 5-18. 027 5 X sin 050 s 1 50 s 18 2r I m 3/s 4r I m 3/s 18. 027 5Xsin 1 0设计了 线性自适应抗饱和控制器和非线性自适应抗饱和控 制器及其切换策略。仿真结果表明， 自适应PID抗 饱和控制器能够保证井下风量的平稳， 很好地解决 了执行器饱和问题。 参 考 文 献 （ References -1 .于励民， 马小平， 任中华， 等.矿井主通风机不停风倒 机控制的研究与实现[J].工矿自动化， 2010,36 9 133-137. YU Limin， MA Xiaoping， REN Zhonghua， et al. Research of switching ventilator control without blowing-out of main ventilator of mine and its implementation-J] . Industry and Mine Automation， 2010,369 33-137. [2 ]王前进， 马小平， 张守田.PLC软冗余在通风机监控 系统中的应用-J] 工矿自动化， 2014， 401 9396. WANG Qianjin， MA XiaoPing， ZHANG Shoutian. Application of PLC sott redundancy in monitoring and control system for ventilator [J] . Industry and Mine Automation， 2014,401 3-96. [3 ]马小平， 吴新忠， 任子晖.基于移动互联的煤矿通风机 远程监控技术[J] 工矿自动化， 2016， 423 -12. MA Xiaoping，WU Xinzhong，REN Zihui. Ventilator remote monitoring technology of coal mine based on mobile Internet [J]. Industry and Mine Automation， 2016,423-12. [4 ] WU Xinzhong， MA Xiaoping， REN Zihui. Study on coal mine main fan automatic switchover aiming at ventilation unceasing and its numerical simulation [C ]//Proceedings of the 2nd International Asia Conference on Inatics in Control， Automation andRobotics， Wuhan， 2010. [5 ] GE Hengqing， MA Xiaoping， WU Xinzhong， et al. Study on mine main fan switchover aiming at invariant ventilation based on nonlinear constrained programming [ J]. International Journal of Digital Content Technology h Its Applications， 2012,617 496-505. [6 ] GE Hengqing， MA Xiaoping， WU Xinzhong， et al. Fuzzy PID control of mine main fan switchover aiming at invariant ventilation[C]//International Conference on Intelligence Science and Ination Engineering， 2011. [7 ] QIAO Zhi， XU Xinliang， WU Feng， et al. Urban ventilation network model A case study of the core zone of capital function in Beijing metropolitan area [J ]. Journal of Cleaner Production， 2017， 168 526-535. [8] HU Y， KOROLEVA O I，KRSTIC M. Nonlinear control of mine ventilation networks [J]. Systems h Control Letters， 2003， 494 39-254. [9 ] KOROLEVA O I， KRSTIC M. Averaging analysis of periodically forced fluid networks[J] . Automatica， 2005， 411 29-135. [1 0 ] 万峰， 孙优贤.基于模糊模型的非线性离散时间系统 辨识 算法与性能分析[J] 自动化学报， 2004， 306 844-853. WAN Feng， SUN Youxian. Nonlinear discrete-time system identifications based on fuzzy models algorithms and perance analyses [ J ]. Acta Automatica Sinica， 2004,306 844-853. [11] HODEL A S， HALL C E. Variable-structure PID control to prevent integrator windup [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2001， 482 442-451. 2 ._ 0