基于MATLAB优化煤矿排水系统的模糊控制()

基于MATLAB软件的fuzzy-logic仿真技术优化煤矿排水系统的控制钱宏琦张大斌张慧慧贵州大学机械工程学院贵州贵阳550003摘要模糊控制技术适用于煤矿排水系统的非线性状态的控制。基于MATLAB软件的fuzzy-logic仿真技术，可优化排水系统参数，以获得较理想的控制效果。关键词煤矿排水MATLAB仿真模糊控制Imitateatruetechniqueaccordingtofuzzy-logicofMATLABsoftwareControlofsystemthatisexcellenttoturncoalminecatchmentQian-HongQi1HuangSong2Zhang-HuiHui1Yin-chenghong1UniversityofGuizhoucollegeofmechanicalengineeringGuiyang,Guizhou550003SummaryThemistycontroltechniqueisn'tapplicabletocoalminecatchmentsystemthecontroloflinestatus.Imitateatruetechniqueaccordingtothefuzzy-logicofMATLABsoftware,excellentturntodrainsystemofparametertoacquiremoreidealcontroleffect.keywordCoalminecatchmentMATLABImitatereallyIsmistytocontrol0引言煤矿井下的涌水量受开采方式、地表渗透水、季节等诸多因素影响，涌水量变化规律呈现非线性特征。模糊控制技术适用于这种非线性状态的控制。基于MATLAB软件的fuzzy-logic仿真技术，可优化煤矿排水系统参数，获得较理想的控制效果。模糊控制器水位检测水泵输入输出图1排水系统模糊控制框图图1排水系统控制框图Figure1Drainthesystemcontrolframediagram传统的煤矿排水自动控制系统需模拟井下集水井的各种可能出现的工作状态，做大量实验，才能确定工作参数。这种实验方法不仅占用时间长，实验费用高，受井下条件限制，实验效果还不理想。采用MATLAB软件的fuzzy-logic仿真技术，可减少实验次数，优化模糊排水控制系统的参数，获得较为理想的控制效果。采用MATLAB中所提供的fuzzy-logic仿真技术，利用PLC技术和先进的水位检测仪器，能方便的测出集水井的水位差和水位差变化率，按照PID控制结构，根据矿井涌水量的变化，按照运行效率最大化的原则，确定运行方案，使排水系统始终在最高效率区域运行，以获得最佳节能效果。我们对贵州省毕节大湾子煤矿排水系统，采用fuzzy-logic仿真技术进行了改造，得到了较为理想的效果。1排水系统模糊控制器设计图2fuzzy-logic控制图Thefigure2Fuzzies-logiccontrolsgraphics如图2所示，fuzzy-logic采用双输入单输出的形式。U为排水系统的输出模糊变量。输入信号为压力传感器采集集水井水位信号PS，经模糊控制器与压力设定值Po比较后，得到偏差E（E=PS-Po）和水位差变化率EC作为模糊控制器的输入量。模糊控制器由PLC编程实现，采样间隔为30s，这种结构是非线性的PID控制方式。1.1设定模糊论域和隶属度根据对煤矿集水井水位变化情况的了解及煤矿排水系统的要求，三个控制变量的论域量化关系如下：1.1.1水位差变量E水位差E分为6档11级，即{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，}，其模糊子集选取如下语言值：{NB(负大)，NM（负中），NS（负小），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。水位差E隶属度如图3所示。图3水位差E隶属度图Figure3WaterlevelthebadEbelongtoonedegreediagram1.1.2水位差变化率变量EC水位差变化率变量EC分为5档7级，即{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，其模糊子集选取如下语言值：{NB(负大)，NS（负小），Z（零），PS（正小），PB（正大）}。水位差变化率EC隶属度如图4所示。图4水位差变化率变量EC隶属度Figure4WaterlevelvarietytheratechangetomeasureECtobelongtoadegree2量化关系根据现场集水井工作情况，集水井最大深度为6m，要求水位变化范围在1.5m~5.5m之间，取3.5m为水位基准值，水位差的变化范围为（-2m，+2m）之间，通过以下公式可得到水位与水位差论域元素之间的变换关系baxab2110y（2-1）式中[a，b]即水位范围[1.5m，5.5m]，x为水位值，y为量化级数。集水井的水位变化率可通过计算获得，根据实测，集水井最大可能进水量为500m3/d，4台泵的最大排水量为600m3/d，根据集水井容积，30s内的最大水位变化率为±0.1m，得到水位变化率的量化关系为baab21X6Y（2-2）式中[a，b]即水位变化范围[－0.1m/30s，0.1m/30s]，X为水位值，Y为量化级数。基于上述分析，结合实际控制要求，为满足需要消除水泵频繁启动的情况。选择水位变化率隶属函数形状较尖，使水位变化率引起的控制作用加强，使控制作用对涌水量变化的反映比较灵敏，以适应实际控制中应尽可能按涌水量排水的要求。为了计算方便，对水位变化率和控制变量采用三角函数形式。2.1水泵控制量U隶属度水泵控制量U分为5档5级，即{0，1，2，3，4，}其模糊子集选取如下：{零，小，中，大，很大}。水泵控制量U隶属度如图5所示。图5输出控制量U隶属度Figure6OutputcontrolquantitytheUbelongtoadegree2.2模糊控制规则根据相关资料及与现场操作人员的经验总结，可以得到表2-2所示控制状态表。表2-1控制状态表NBNMNSPSPMPBNB零零小中中大NS零零小中大大Z零小中大大很大PS小小中大大很大PB小中中很大很大很大根据控制状态表可以采用以下方法得到模糊控制的总模糊关系矩阵：iRRRR21式中：R为总模糊关系；Ri为每条规则的模糊关系。每条规则所代表的模糊关系，可用下面方法得到：UECE1NBNBR零UECE2NMNBR零可以采用以下方法得到模糊控制的总模糊关系矩阵：iRRRR21式中：R为总模糊关系；Ri为每条规则的模糊关系。每条规则所代表的模糊关系，可用下面方法得到：UECE1NBNBR零UECE2NMNBR零表2-2模糊控制查询表-3-2-10123-50000111-40110112-30111122-21111222-11111222021223331222333422323334323333444334444453444444EUECECUE在选择各变量隶属函数时，不同形状隶属函数所代表的控制含义不同。模糊子集的隶属函数形状较尖时，反映模糊集合具有高分辨特性，其控制的灵敏度较高；模糊子集的隶属函数形状较宽，反映模糊集合具有较低分辨率特性，其控制的灵敏度较低，控制特性比较平缓，系统稳定性好。把上述参数带入MATLAB软件，可得到控制系统输出特性曲面如图6所示。图6模糊推理系统输出特性曲面Figure6Faintnessesreasonlogicallythesystemexportationcharacteristiccurvedface从图6可看出，通过调整E,EC的隶属度，可以获得较平滑的水泵输出曲面，保证水泵排水系统实现节能的平稳运行。结束语使用MATLAB中的fuzzy-logic仿真技术技术，可通过少量的几次实验，很快得到优化模糊排水系统参数，获得理想的控制效果。-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------贵州省科技厅工业攻关项目：黔科合GY字[2009]3041参考文献：[1]许力，智能控制与智能系统[M]，北京：机械工业出版社，2007年1月.[2]张化光，智能控制理论及应用[M]，北京：机械工业出版社，2005年12月.[3]张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲[J]，北京：机械工业出版社，2010年1月.作者简介：钱宏琦，男，贵阳籍贯，1956年1月生，1981年贵州工业大学矿山机电专业毕业，学士学位，副教授，硕士生导师，研究方向为机电传动与控制。