模糊PID 在煤礦空壓機節能控制系統中的應用

石曉濤

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

0 引言

礦用空壓機作為煤礦高壓氣體供給設備，主要通過低壓氣體壓縮為井下氣動設備及冷卻設備提供動力，是煤礦核心設備之一。空壓機系統是一個非線性、延遲較大的高階系統，傳統空壓機控制系統采用較為簡單的邏輯控制器+繼電器控制結構[1-3]，由于氣動設備動力需求變化量較大，使得在傳統控制系統下空壓機的出口壓力值穩定性較差，且與目標值偏差較大，造成較大能源浪費。因此通過改進空壓機工藝流程及控制策略，提高空壓機工作效率、降低能量損耗，從而實現空壓機的節能運行，對于綠色環保煤礦的建設具有重要研究意義。

為了實現空壓機的節能運行，本文從空壓機工藝流程改進及空壓機控制系統及策略改造兩方面入手，首先對空壓機工藝流程進行了詳細分析，在原流程基礎上對空壓機進氣端增加氣體除濕及降溫環節，降低空壓機加熱器帶來的功率消耗，同時為輸氣管路增加旁通管減小氣體流通阻力，進一步達到降低能耗的目的。在控制系統改造方面，為提高傳統PID 控制系統的魯棒性及抗干擾能力，引入模糊控制技術進行控制策略改進，通過模糊控制規則進一步提高系統控制精度及魯棒性，降低系統超調量[4-5]，從而減少因控制系統滯后及控制效果差所造成的能耗量大的問題。

1 礦用空壓機工藝流程分析及改進方案設計

1.1 礦用空壓機工藝流程

礦用空壓機系統的主要組成結構包括壓縮機組、干濕式過濾器、多級冷卻器、油箱等設備，如圖1 所示。低壓空氣在進入壓縮機組進行壓縮前，首先需通過過濾器進行灰塵、雜質的濾除，為保證過濾效果，通常采用干濕串聯式過濾器進行過濾。過濾后的空氣進入壓縮機組中通過葉輪轉動、擴壓器升壓使得空氣被逐級壓縮，壓力值不斷升高。在這一過程中，壓縮后的高壓氣體溫度劇增，為了避免熱量引起的損耗，需通過多級冷卻器對高壓氣體進行冷卻，最終輸出可供其他設備使用的高壓冷卻氣體。

圖1 礦用空壓機系統的主要組成

通過對空壓機工藝流程分析可以看出，空壓機運行能量損耗主要集中于壓縮高壓氣體所產生的高熱量帶來的熱交換損耗以及多級冷卻器除濕冷卻所需的功耗。同時高壓氣體經過主管路時除熱交換外還存在風阻損耗，使得能量損耗進一步增大，在對工藝流程進行改進時可從上述兩方面入手分析。

1.2 空壓機工藝流程節能改進方案及效果

1.2.1 改進方案

根據上一小節對空壓機系統工藝流程及主要能量損耗點的分析，本文從空壓機進出口氣體溫度控制及減小主管路阻力系數兩方面對工藝流程進行改進，實現改善壓縮機工作環境的同時減小主要機構功耗及氣體能量損失，具體工藝流程改進方案如下：

1）在空壓機進氣口空氣過濾器之前增設水冷器。將工藝流程中的冷卻環節提前至前端，在空氣進入過濾器前通過水冷器將空壓機進氣口氣體溫度降低，冷卻后的低壓氣體在進入壓縮機組后可有效減小葉輪做功，同時進排氣口溫度降低可有效改善壓縮空氣流量及出口壓力穩定度。

2）在空壓機工藝流程前端增設除濕器。將多級冷卻器的除濕功能提前至工藝前端，在低壓空氣進入過濾器前完成氣體的除濕干燥，可有效降低末端冷卻器能耗，起到節能作用。

3）在氣體流通主管路側增設旁通管。增設旁通管的目的是進一步增大管道流通面積，從而降低管路整體阻力系數，有效減小因風阻所帶來的能量損耗。

1.2.2 改進效果

通過上述工藝流程改進措施，可有效降低壓縮機組葉輪、末端冷卻器等主要機構功耗，降低進排氣口氣體溫度，減小管路阻力系數，從而減小氣體因熱交換及風阻所產生的能耗，并有效提高排氣口流量及壓力值穩定性。改進后的工藝流程如圖2 所示。

圖2 改進后空壓機工藝流程示意圖

2 基于模糊PID 的空壓機控制方案設計

傳統空壓機控制系統采用PID 控制策略，在PID控制中最重要的三個參數Kp（比例系數）、Ki（積分系數）、Kd（微分系數）的整定與控制結果密切相關。由于空壓機系統具有高階非線性的特點，加之運行方式變換較大，因此無法獲取被控對象的精確數學模型。采用傳統PID 控制法滯后性較大，無法獲得滿足需求的響應速度及控制精度，系統控制性能較差，從而導致空壓機系統能耗增大，無法使空壓機達到節能運行效果。

為了有效提高系統的靜態及動態特性，本文采用模糊控制技術對PID 控制環節進行改良，通過對自適應模糊PID 控制器進行設計，在Kp、Ki、Kd系數進入PID 控制器前對三個系數進行自適應模糊處理，最終通過建立模糊規則及推理算法對三個重要參數進行實時修正，從而得到最佳控制效果，實現空壓機排氣口壓力的自適應實時調節。自適應模糊PID 控制器設計原理如圖3 所示。

圖3 自適應模糊PID 控制器原理示意圖

由圖3 可知，自適應模糊PID 控制器的輸入參數為空壓機排氣口壓力誤差值e（t） 及誤差變化率de/dt，通過模糊規則及模糊推理算法輸出去模糊的PID 三參數修正量?Kp、?Ki、?Kd并輸入至PID 控制器中，對Kp、Ki、Kd進行實時調整，從而實現空壓機排氣口輸出壓力的自適應調節。

本文采用MATLAB 軟件Simulink 模塊庫中的Fuzzy Logic Toolbox 工具對模糊控制器進行設計，誤差值e（t）及誤差變換率de/dt 的模糊集定義為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，其離散論域集定義為{-6，-4，-2，0，2，4，6}；模糊修正量?Kp、?Ki、?Kd的模糊集定義值與上述e（t）與de/dt 相同，三個修正參數離散論域分別為?Kp{-6，-4，-2，0，2，4，6}；?Ki{-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}；?Kd{-3，-2，-1，0，1，2，3}。上述五個參數的模糊集為負大、正大時其隸屬函數采用高斯函數，其余子集隸屬函數均采用三角函數，從而保證模糊控制器的控制精度及穩定性。

3 系統實際運行及測試

本文從空壓機工藝流程改進及控制系統優化兩方面對空壓機節能運行方案進行設計，為了驗證本文所提出方法及系統的有效性，本節對基于自適應模糊PID 的空壓機節能控制系統進行實際運行，并測得改進后的空壓機系統總能耗與原系統能耗進行實際對比，從而驗證本方案節能效果。

原空壓機系統主要能耗來自于壓縮機組葉輪軸功耗、多級冷卻器能耗及冷水機組能耗三部分，該煤礦空壓機房共具備8 臺空壓機，單機排氣量為14.8 m3/min，排氣口絕對壓力值為0.65 MPa，8 組壓縮機組單級壓縮軸功耗W1為1 560 kWh，冷水機組用于冷卻空壓機所需的耗電量W2為264 kWh。由于壓縮機組采用二級壓縮，因此壓縮機組在壓縮過程中的總能耗W=2（W1+W2）=3 648 kWh。由于改進系統將空氣冷卻及除濕環節放置于前端進行，經系統實際測量進入壓縮機組后冷水機用于冷卻氣體所需冷量W2′為245 kWh，下降約7.1%，壓縮機組軸功W1′為1 478 kWh，下降約5.3%。原空壓機系統三級冷卻器可將90 ℃壓縮氣體平均降溫至35 ℃，其冷卻負荷耗電量WL為95 kWh。改進后的系統由旁通管及前置冷卻裝置的作用降低了末端冷卻器的能耗，改良后系統冷卻器總能耗WL′為22.5 kWh。改造前后系統運行能耗數據如表1 所示。

表1 改造前后系統運行能耗數據

由實測數據可知，經工藝流程及控制策略改良，空壓機系統總能耗下降了274.5 kWh，能耗減小約7.4%，節能效果較為顯著。

4 結語

本文針對傳統礦用空壓機控制系統存在的能耗較高問題，在工藝流程分析的基礎上通過增設前端冷卻除濕環節及旁通管有效降低了機組設備能耗，并提出了一種基于模糊PID 的自適應空壓機控制系統，通過模糊修正量實現對空壓機排氣口壓力的實時自適應調節，進一步降低系統能耗。經實際測試，系統改良前后總能耗降低274.5 kWh，節能效果較為顯著。