1、1882023 年第 2 期模糊 PID 算法在煤泥水絮凝沉降控制系统的应用研究钱丽霞（1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012）摘 要 针对煤泥水絮凝沉降过程具有大惯性、时滞性、不确定性及非线性的特点，利用模糊控制和PID算法，结合絮凝剂自动加药系统的现场实际，进行了软件和硬件设计，改进了控制系统。东滩煤矿选煤厂的现场应用表明，该控制算法简单易行，鲁棒性强，能动态调整絮凝剂加药量，溢流水浊度稳定，改善了循环水质量，可节约药剂达 15%，有效降低了生产成本，提升了煤泥水的处理效率。关键词 煤泥水；絮凝沉降；自动加
2、药；模糊控制；PID 算法中图分类号 TD94 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.065Research on the Application of Fuzzy PID Algorithm in Coal Slurry Flocculation Settling Control SystemQian Lixia(1.China Coal Science&Engineering Group Tangshan Research Institute Co.,Ltd.,Hebei Tangshan 063012;2.Hebei Coal Wash
3、ing and Preparation Engineering Technology Research Center,Hebei Tangshan 063012)Abstract:According to the characteristics of great inertia,time lag,uncertainty and non-linearity in the flocculation settling process of coal slime water,the software and hardware are designed and the control system is
4、 improved by using fuzzy control and PID algorithm,combined with the field practice of flocculant automatic dosing system.The field application of Dongtan Coal Mine Coal Preparation Plant shows that the control algorithm is simple and feasible and has strong robustness,can dynamically adjust the dos
5、age of flocculant,the turbidity of overflow water is stable,the quality of circulating water is improved,and the reagent can be saved by 15%.The production cost is effectively reduced and the treatment efficiency of slime water is improved.Key words:coal slime water;flocculation sedimentation;automa
6、tic dosing;fuzzy control;PID algorithm收稿日期 2022-07-01基金项目 天地科技股份有限公司重点项目智能选煤关键工艺及装备研究（项目编号：2021-2-TD-ZD001）作者简介 钱丽霞（1990），女，河北唐山人，2013 年毕业于河北科技大学自动化专业，本科，工程师，就职于中煤科工集团唐山研究院有限公司自动化研究所，从事选煤厂自动化控制系统设计、安装及调试工作。钱丽霞：模糊 PID 算法在煤泥水絮凝沉降控制系统的应用研究钱丽霞：模糊 PID 算法在煤泥水絮凝沉降控制系统的应用研究1 研究背景及意义煤炭是我国重要的工业原料，在全国能源消费中占据主导
7、地位，煤炭的清洁利用是“十四五”时期的主要目标之一1。我国大部分选煤厂将湿法选煤作为主要工艺，煤泥水处理是其中一个非常重要的环节。通过向浓缩机中添加适量的絮凝剂溶解液，加速煤泥水中悬浮物颗粒的沉淀，实现煤泥的絮凝沉降，从而提高煤泥压滤环节的处理效率2。澄清得到的溢流水在选煤厂中循环使用，既能减少水资源浪费，又能避免对环境的污染，实现水资源的清洁利用3-4。但絮凝沉降过程受煤泥沉降特性、煤泥浓度及絮凝剂性质等多种因素影响，具有不确定性、大惯性、大滞后和非线性5，使得溢流水的浊度不稳定，造成浪费药剂，影响产品质量。因此，研究制定科学的控制策略和控制方法，精确控制溢流水浊度，提高系统稳定性，降低煤泥
8、水处理成本，实现选煤厂絮凝沉降控制管理的信息化和智能化水平，具有重要的研究价值。1892023 年第 2 期钱丽霞：模糊 PID 算法在煤泥水絮凝沉降控制系统的应用研究钱丽霞：模糊 PID 算法在煤泥水絮凝沉降控制系统的应用研究2 煤泥絮凝沉降控制存在的问题东滩煤矿选煤厂的煤泥水处理工艺：采用两段浓缩脱水回收的方式，采用沉降离心机处理一段底流，采用压滤机处理二段底流，将二段溢流水作为循环水供全厂使用。原煤中细粒煤的比重大，导致选煤过程产生的煤泥水中微细颗粒较多，用常规的沉淀、回收和脱水的方式处理这些粒度小、灰分高、粘度大的煤泥颗粒，处理效果不佳，需要采用絮凝沉降方式降低溢流水的浊度。目前，该厂
9、虽已实现了自动控制，控制方式也从开环控制发展成闭环控制，但原有的前馈加反馈的控制算法不能解决煤泥沉降过程大惯性、大滞后、不确定性的问题，且受到上游浮选药剂影响使浓度监测不准确，煤泥水处理系统的稳定性和抗干扰能力均较差。3 模糊控制和 PID 算法3.1 模糊控制模糊控制是一种实用控制方法，它不需要建立精确的数学模型，适合具有不确定性、非线性以及时滞性的工业过程。模糊控制基于一定的规则来模拟人的推理和决策过程6-7，结构简单，鲁棒性好，通用性强，规则库依赖性强8。但模糊控制器的控制精度较低9，很难在被控过程的参数改变时及时有效地调整模糊规则，自适应能力弱，控制效果有待提高。3.2 PID 控制P
10、ID适用于确定性的过程控制和运动控制系统，控制策略简单，但以建立精确的数学模型为基础。PID 控制器主要由比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制（D）三部分组成。比例控制是指输入、输出的误差信号成比例，控制方法存在稳态误差，增加积分控制可以有效消除误差，增加微分控制可以减小超调量、缩短响应时间。实际应用中，比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）通常线性组合起来控制对象，以期获得更好的控制效果10。控制算法如下式：()()()()pDId1dtdte tu tKe te tTT=+|（1）式中：u（t）为控制器输出信号；e（t）为偏差；KP为比例增益；TI为积分时间常数，TI=KP/K
11、I；KD为微分时间常数，TD=KD/KP。采用 MATLAB 软件自整定 PID 参数，解决PID 控制器设计的核心问题，分析设定对象的瞬态响应特性，确定 PID 控制器的初始参数 KP、KI、KD。3.3 系统控制策略3.3.1 基本原理对常规的模糊控制算法进行改进，结合 PID控制算法形成了模糊自适应整定 PID 控制，在MATLAB 环境下进行控制器的设计和仿真，不仅能克服模糊控制精度低、稳态误差大的缺点，又能解决 PID 参数整定的困难，设计灵活，动态性良好，鲁棒性强。运用这个原理，对煤泥水絮凝沉降过程的控制方法进行了改进，实现由现场设备仪表显示与控制、上位机监控、下位机 PLC 控制
12、组成的絮凝剂自动加药控制系统。3.3.2 浓缩机浊度监测方法改进前，煤泥水絮凝剂自动加药控制系统的结构如图 1 所示。通过监测浓缩机溢流水浊度实现系统控制，采用浊度传感器对浊度进行监测。加药后煤泥水中的细粒悬浮物的沉降需要一定时间，使得煤泥水的浊度信号明显滞后于控制量输出的时间，采用溢流水浊度作为系统的反馈信号，当入料参数产生较大波动时，浊度不容易稳定，不能达到较好的控制效果，严重的甚至会发生控制系统失控，对整个煤泥水处理系统造成威胁。图 1 煤泥水絮凝剂自动加药控制系统结构图煤泥水絮凝剂自动加药控制系统对前馈加反馈控制策略进行改进，采用电磁流量计在线监测煤泥水的流量，采用超声波在线监测煤泥水
13、的浓度，采用悬浮物浓度计监测煤泥水的浊度，工作原理如图2。图 2 溢流水浊度控制原理图实时监测浓缩机内的溢流水浊度，用 y1表示；1902023 年第 2 期（下转第 193 页）实时监测浓缩机受外界条件变化影响的沉降区煤泥浓度变化，用 y2表示浊度变化，观察絮凝沉降过程浊度的变化趋势，输入模糊控制器。运用 PID 控制原理和模糊推理规则自整定 PID 控制器的参数，实现闭环控制絮凝剂加药控制系统。4 絮凝沉降控制系统设计4.1 控制系统的硬件结构絮凝沉降控制系统主要由现场显示与控制单元、PLC 本地控制以及远程控制等组成，系统硬件结构如图 3。用传感器采集煤泥水流量、浓度、浊度的信号，经过
14、A/D 转换将信号传送给 PLC，通过以太网实现全厂设备的本地/远程控制信息的传递。系统的控制信号经 D/A 转换后，通过调节变频器实现对加药泵的控制。现场显示与调节单元可进行手动/自动控制，系统运行稳定且可靠。图 3 控制系统硬件结构图4.2 控制系统的软件实现控制系统基于组态软件设计，通过组态软件与MATLAB 混合编程实现控制算法，用组态软件绘制人机界面进行过程监控，MATLAB 软件作为客户程序，建立动态数据交换连接，通过调用人机界面上的点参数，进行数据分析处理，实现煤泥的絮凝沉降控制，将结果返回监控画面进行显示。下位机编程软件采用西门子的 STEP7，上位机组态软件采用 MCGS，通
15、过与下位机的实时数据连接和数据交换，进行人机交互，对现场工艺设备进行监控，主要功能有：（1）在线采集现场生产数据，在监控画面实时显示设备运行状态和控制参数，并对设备故障进行报警。（2）与下位机 PLC 进行数据交换，控制系统实现模糊控制和 PID 控制，准确调整絮凝剂加药量。（3）基于强大的数据库，完成实时数据存储和历史数据查询。（4）溢流水浊度超限报警，确保循环水质量保持稳定。4.3 系统运行效果通过对系统硬件和软件设计，并结合东滩煤矿选煤厂现场环境，完善了絮凝沉降控制系统。现场应用表明，系统运行正常，控制效果良好。主要体现以下三个方面：（1）实现了流量、浓度、浊度的在线自动监测。系统本地和
16、远程控制，能够准确掌握系统设备的实时数据和历史数据，监测系统的运行状态，及时调整絮凝剂添加量，方便集控人员操作管理。（2）改造后，浓缩机的工作效率得到提高，溢流水浊度降低到 1g/L 以下，波动范围小，循环水的质量得到保证。（3）絮凝剂加药控制方式更加科学合理，节约絮凝剂消耗量超过 15%，降低了生产成本。5 结论基于模糊控制原理和 PID 控制算法改进的絮凝沉降控制系统，克服了模糊控制稳态误差大和控制精度低的弱点，解决了 PID 参数整定的问题。通过组态软件实现了上位机监控，运用 PLC 编程结合MATLAB 编程实现了系统的控制算法，能够改善煤泥沉降过程大惯性、大滞后、不确定性的问题。东滩煤矿选煤厂现场应用效果良好，能动态调整絮凝剂添加量，降低了溢流水浊度，改善了循环水的质量，降低了药剂成本，减轻对环境的污染，社会和经济效益显著，值得在各大选煤厂广泛推广应用。【参考文献】1 郑诚.基于数据驱动的煤泥水沉降过程智能控制研究 D.徐州：中国矿业大学，2021.2 杨津灵，杨洁明，魏晋宏，等.基于灰色预测-模糊控制的絮凝剂自动添加系统设计 J.太原理工大学学报，2012，43（05）：6