PID控制在矿井乳化液配比系统中的应用

卫 强

（山西潞安左权五里堠煤业有限公司，山西 晋中 032600）

0 引 言

乳化液在煤矿生产中发挥着十分重要的作用。作为煤机产品液压传动的工作介质，尤其是作为煤矿采煤工作面液压支架和液压支柱的工作介质在煤矿井下得了广泛的应用，被称之为煤矿支护设备的血液[1]。乳化液作为液压支护设备的传动介质，其浓度适当与否直接影响到液压支架的工作寿命和成本。浓度过低，液压支架元件受到水的侵蚀而生锈，会影响其工作寿命，甚至导致支架失去支承能力而引起重大的恶性事故。反之，若浓度过高，乳化油用量增加，会增加生产成本[2]。为了保护液压系统元件并延长其使用寿命，避免因浓度过高而增加生产成本，因而必须严格控制乳化液的浓度。为此，我们研制了一种新型乳化液配比系统，以自动控制乳化液浓度使其趋于合理的配比浓度范围。

1 乳化液自动配比系统工作原理

图1 乳化液自动制比系统原理简图

图1为一种可调式乳化液配比系统液压原理。该系统以PLC为控制核心，以变频器、电磁阀和齿轮泵为执行机构，以流量传感器、液位传感器为反馈装置。其工作原理为：以电磁阀来控制水源的通断。流量传感器对乳化液流量进行实时检测，不同的流量值经过传感器后，输出相应的电信号，电信号经A/D转换器转换成数字信号以后，送入PLC进行处理。在PLC控制下，系统把输入值代入浓度计算子程序进行计算，得出的浓度值与事先给定系统的浓度值（2%和5%）进行比较，如果浓度值小于2%，PLC向变频器输出信号，通过变频器控制电动机来调节齿轮泵的转速使其增大，这样也就使得乳化油的进油量增大。由于清水流量保持不变，乳化油的流量增大会使乳化液浓度增大。同理，如果经比较，乳化液的浓度大于5%，那么，PLC输出信号，通过变频器控制电动机从而来调节齿轮泵使其转速减小，降低乳化油的进油量，从而使乳化液的浓度降低。如此循环检测、比较、控制、调节，使乳化液浓度稳定在给定的2%～5%范围内。

该系统主要由乳化油箱、乳化油和水配比系统、电控系统三部分组成。可对乳化液箱和乳化油箱的液位进行自动控制，有效地避免了油箱和液箱的吸空或乳化液外溢。当乳化液达到高液位时，乳化液箱液位传感器发出电信号，PLC接收信号，使电磁阀失电、齿轮泵停止工作，配比工作停止；当乳化液用至低液面时，乳化液箱液位传感器又发出电信号，PLC接收信号，使电磁阀得电、齿轮泵开始工作，配比工作开始，向乳化液箱补充乳化液。当乳化油箱乳化油短缺时，乳化油箱液位传感器就会发出信号给系统，提醒工作人员加油。

2 乳化液自动配比系统PID控制

对于矿井乳化液配比系统的闭环控制系统，需要实际流量快速响应理论流量的变化，且要求实际流量变化的输出保持在稳态值，使系统达到稳态的输出与给定值之间“无静差”。本控制系统输出调节采用比例加积分调节，即PI算法。系统的控制原理框图如图2所示。

图2 乳化液自动配比系统控制原理框图

2.1 系统参数的选择

PID控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行[3]。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的，我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。

在PID控制中，采样周期过短，前后两次采样的数值之差可能很小，这就减弱了调节的作用。而且，在用积分部分消除静差的过程中，如果采样周期太短，会导致积分部分的增益值过低，且当误差e(t)小到一定值时，就有受到计算机精度限制的可能，而使其始终为零，这样积分部分就不能继续起到消除残差的作用，这部分残差就无法消除。因此T的选择必须大到使由计算机精度造成的“积分残差”减小到可以容忍的程度[4]。

所以，在实验中对PID控制设定了两组试验参数：

第一组：Kc=0.6，Ti=0.04 min；Td=0 min；

第二组：Kc=1.0，Ti=1.0 min；Td=0 min.

其中：Kc为比例增益；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

2.2 PID参数调节及试验分析

采用力控6.0建立数据库，运用力控组态软件对系统进行检测，并测试出乳化油实际流量和设定油流量及控制输出频率之间的关系曲线，根据选取的Kc，Ti，Td值，给系统一个乳化油流量变化，观察理论乳化油量，以及实际乳化油流量，记录出完成自调节的时间。

第一组实验数据：Kc=0.6，Ti=0.04min；Td=0 min.

当乳化液流量瞬时变小时（如图3），此时瞬时调整出乳化液配比系统理论所需的乳化油量。设置油流量理论调整时间是4 s，设定实际的乳化油流量滞后1 s，最终以36 s完成了自调节，控制输出36 s完成自调节。

图3 乳化油流量变小时的曲线

当乳化液流量瞬时变大时（如图4），此时瞬时调整出乳化液配比系统理论的所需乳化油量。设置油流量理论调整时间是2 s，设定实际的乳化油流量滞后1 s，最终以32 s完成了自调节，控制输出27 s完成自调节。

图4 乳化油流量变大时的曲线

分析比较可以得出在油流量瞬时变化频率较高的情况下，对实际的乳化油流量和其控制输出影响比较大。

第二组实验数据：Kc=1.0，Ti=1.0 min；Td=0 min

运用力控软件对乳化液系统进行检测的曲线如下。

图5为系统乳化液流量瞬时变大时的情况，此时瞬时调整出乳化液配比系统理论的所需乳化油量。设置油流量理论调整时间是2 s，设定实际的乳化油流量滞后2 s，最终以19 s完成了自调节，控制输出21 s完成自调节。

图5 乳化油流量变大时的曲线

图6 乳化油流量变小时的曲线

图6为系统乳化液流量瞬时变大时的情况，此时瞬时调整出乳化液配比系统理论的所需乳化油量。设置油流量理论调整时间是2 s，设定实际的乳化油流量滞后2 s，最终以17 s完成了自调节，控制输出19 s完成自调节。

2.3 试验结论

从两组试验数据中发现，在PI控制系统中，比例增益Kc越大，系统的输出响应越快，达到稳态的时间越短；积分时间常数Ti越大，调节输出的波动状态时间短，保证了乳化液配比系统的稳态输出与给定值之间的“无静差”。比例增益 Kc和积分时间常数Ti均增大后，系统响应迅速，达到稳态的时间短。因此，在矿井乳化液配比系统中，将其比例增益和积分时间常数均增大会增加系统的响应速度，有效地保证乳化液配比系统中乳化液的浓度处于稳态。

3 结语

文中所研究的乳化液自动配比系统是针对当前煤矿生产要求开发设计的，系统采用PLC控制技术、传感器技术和变频调速技术等，并内设建立PID控制算法，不仅可实现乳化液的自动配液,在线检测乳化液的浓度,保证乳化液浓度的精确度以及配液的实时性，而且结构简单，操作方便，大大降低了工人的劳动强度，保证了矿用液压支架和液压支柱等设备的良好运行，提高生产率，为煤矿企业实现现代化、自动化生产作出应有的贡献。

[1] 柴光远,王晓丽.基于模糊控制的乳化液自动配比系统[J].机床与液压,2004(6):73-74.

[2] 宋理敏,寇子明,杨贵元.乳化液浓度的自动配比和在线检测[J].机械管理开发,2006(1):13-14.

[3] 姬翠翠,朱华,江炜.矿用乳化液浓度自动检测与配比技术比较研究[J].煤炭科学技术,2007(11):87-90.

[4] 王晓丽,柴光远,徐尚龙.乳化液浓度的检测与自动配比[J].煤矿机械,2002(7):45-46.