自調(diào)整模糊控制在礦井局部通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

1、自調(diào)整模糊控制在礦井局部通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用    自調(diào)整模糊控制在礦井局部通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用摘要：針對礦井掘進(jìn)工作面通風(fēng)的實(shí)時(shí)性要求，本文提出一種基于自調(diào)整模糊控制技術(shù)的局部通風(fēng)機(jī)變頻控制方案。系統(tǒng)在滿足工作面人員所需風(fēng)量的前提下，根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊钠詈推钭兓?，自?dòng)調(diào)整二維模糊控制器的規(guī)則因子 ，改變控制規(guī)則生成相應(yīng)的控制量，使通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及時(shí)跟蹤瓦斯變化，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用自調(diào)整模糊控制后，通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著瓦斯?jié)舛茸赃m應(yīng)調(diào)整，具有精度高、魯棒性好的特點(diǎn)，不僅提高了通風(fēng)機(jī)的工作效率，改善了掘進(jìn)工作面的通風(fēng)情況，而且，節(jié)能效果也非常顯著。關(guān)

2、鍵詞：自調(diào)整；  模糊控制；  局部通風(fēng)機(jī)；1  引言據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國煤礦重大事故中70以上是瓦斯事故。而礦井掘進(jìn)工作面更是瓦斯、煤層事故的多發(fā)地點(diǎn)，瓦斯爆炸中的80的事故與局部通風(fēng)機(jī)有關(guān)1。工作面瓦斯的及時(shí)排放直接影響著生產(chǎn)的順利進(jìn)行和礦工的生命安全。目前，各礦井采取局部通風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行的辦法，雖然能起到正常供風(fēng)和排放瓦斯的目的，但是造成了能源的極大浪費(fèi)。因此，所以我們希望根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整通風(fēng)量。掘進(jìn)工作面的所需風(fēng)量是一個(gè)與瓦斯?jié)舛?、風(fēng)阻、巷道長度等密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其參數(shù)是不斷變換的，建立其數(shù)學(xué)模型很困難?？紤]到系統(tǒng)的非線性、多耦合、多干擾，采用模糊控制方法能避免

3、建模難的問題，有較好的控制性能2。然而，常規(guī)模糊控制的精度不高，缺乏在線自學(xué)習(xí)或自調(diào)整的能力。為解決此問題，本文提出自調(diào)整模糊控制方法，系統(tǒng)在滿足掘進(jìn)工作面工作人員所需風(fēng)量的前提下，根據(jù)瓦斯?jié)舛绕詈推钭兓首詣?dòng)調(diào)整模糊控制規(guī)則，通風(fēng)量及時(shí)跟上瓦斯變化，具有調(diào)節(jié)及時(shí)、控制性能良好的優(yōu)點(diǎn)。2  局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理系統(tǒng)主要由二維自調(diào)整模糊控制器、礦用隔爆變頻器，局部通風(fēng)機(jī)、瓦斯傳感器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)在掘進(jìn)工作面安裝高低濃度組合的瓦斯傳感器，用來采集來瓦斯?jié)舛?，并與瓦斯?jié)舛仍O(shè)定值進(jìn)行比較，然后自調(diào)整模糊控制器根據(jù)濃度的偏差和偏差變化率調(diào)整輸出電壓u1，并與滿足

4、工作人員所需風(fēng)量（人均4m3/min）對應(yīng)的控制電壓u2做比較，取兩者中的最大值送至礦用隔離變頻器的電壓輸入端，調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面通風(fēng)量的自動(dòng)控制。圖1  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1  Structure of control system3  局部通風(fēng)機(jī)的自調(diào)整模糊控制3.1自調(diào)整模糊控制器的結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和控制要求，我們采用了二維自調(diào)整模糊控制器對局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸入為瓦斯?jié)舛绕頴和偏差變化率ec，其偏差變化率的計(jì)算公式為ec=et?et-1（et、et-1分別為采用時(shí)刻t，t1的偏差值）；輸出為控制變頻器的輸入電壓

5、u1；Ke、Kec表示清晰量e和ec的量化因子，Ku表示比例因子； 為調(diào)整因子，又稱加權(quán)因子。圖2  二維自調(diào)整模糊控制器結(jié)構(gòu)Fig.2  Structure of two-dimension self-adjusting fuzzy controller3.2  精確量的模糊化根據(jù)煤礦安全規(guī)程4，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到或超過1.5時(shí)，應(yīng)進(jìn)入排放瓦斯?fàn)顟B(tài)。為了達(dá)到節(jié)能效果，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?1.5時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)與瓦斯?jié)舛鹊脑鰷p成比例地改變。因此，本文瓦斯?jié)舛绕畹幕菊撚蛟O(shè)定為-1，+1，量化論域?yàn)?3，-2，-1，0，1，2，3，即n3，模糊子集為NB， NS，NO

6、，PS， PB，語言變量描述為負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大，其量化因子為：     Ke   （1）偏差變化率的基本論域設(shè)定為-0.5，+0.5，量化論域?yàn)?3，-2，-1，0，1，2，3，模糊子集為NB，NS，NO，PS， PB，語言變量描述為負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大，其量化因子為：       Kec   （2）輸出（變頻器的輸入電壓）基本論域?yàn)?，10，量化論域?yàn)?3，-2，-1，0，1，2，3，模糊子集為NB， NS，NO，PS，PB，語

7、言變量描述為負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大，其比例因子為：         Ku    （3）偏差E、偏差變化率EC和輸出控制量U的隸屬函數(shù)選擇符合人們思維特點(diǎn)的三角形，其隸屬函數(shù)如圖3所示。 圖3  E、EC和U的隸屬函數(shù)Fig.3  Membership function of E、EC and U3.3  模糊控制規(guī)則的構(gòu)成對二維模糊控制器，當(dāng)輸入變量偏差E、偏差變化率EC和輸出控制量U的論域等級劃分相同時(shí)，則控制規(guī)則可以用下列關(guān)系式：

8、0; （4）其中 為調(diào)整因子。通過調(diào)整 值，可以改變偏差E和偏差變換EC對控制輸出量U的加權(quán)程度，從而改變控制規(guī)則。當(dāng)偏差較大時(shí)，控制系統(tǒng)的任務(wù)時(shí)消除偏差，這是對偏差的加權(quán)應(yīng)該大些；相反，當(dāng)偏差較小時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小系統(tǒng)超調(diào)，這就要求在控制規(guī)則中偏差變化起的作用大些?？紤]本系統(tǒng)的實(shí)際情況，本文采用兩個(gè)調(diào)整因子 、 ，當(dāng)偏差較小時(shí)，控制規(guī)則由 來調(diào)整，當(dāng)偏差較大時(shí)，控制規(guī)則由 來調(diào)整。由于本文的論域等級選取為EECU-3，-2，-1，0，1，2，3則控制規(guī)則可表示為 (5)其中，取 0.4， 0.6。本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則如表1所示。表1

9、60;  模糊控制規(guī)則Table 1  Fuzzy control ruleU EC -3 -2 -1 0 1 2 3E -3 3 3 2 2 2 1 1 -2 3 2 2 1 1 1 0 -1 2 2 1 1 0 -1 -2 0 2

10、60;1 1 0 -1 -1 -2 1 2 1 0 -1 -1 -2 -2 2 0 -1 -1 -1 -2 -2 -3 3 -1 -1 -2 -2 -2 -3 -33.4  輸出信息的清晰化經(jīng)模糊規(guī)則運(yùn)算得出的控制量U是一個(gè)模糊子集，但實(shí)際被控對象只能接受一個(gè)精確的控制量，給變頻器提供010V的電壓

11、，因此，需要把控制量的模糊集清晰化，乘以比例因子Ku，得到實(shí)際的控制量uuKu  U  （6）4  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)，局部通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著瓦斯及時(shí)調(diào)整，就能達(dá)到及時(shí)排放瓦斯和通風(fēng)的功能。我們在Y-100L-6型籠型異步電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)主要由TMS320F240型高速數(shù)字處理器DSP、三菱FR-A540-1.5K-CH變頻器、脈沖編碼器、Y-100L-6型籠型異步電動(dòng)機(jī)組成。異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)為： 額定功率1.5kW，額定電壓380V，額定電流4.0A，額定轉(zhuǎn)速940rad/min。瓦斯?jié)舛扔媚M電壓提供，測得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟

12、瓦斯?jié)舛汝P(guān)系如圖5所示。     圖5  實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5  Experiment curve 從實(shí)驗(yàn)看出，系統(tǒng)能根據(jù)瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而改變掘進(jìn)工作面的通風(fēng)情況。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊蜁r(shí)，通風(fēng)機(jī)不工作或以較低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)瓦斯?jié)舛雀邥r(shí)，通風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到及時(shí)通風(fēng)排放瓦斯的目的。而且，從圖4和圖5中，可以看出當(dāng)瓦斯變化率越大，轉(zhuǎn)速變換的越快，達(dá)到真正節(jié)省能源和及時(shí)通風(fēng)的目的。5  結(jié)論    礦井掘進(jìn)工作面供風(fēng)是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，本文綜合考慮了工作人員數(shù)和瓦斯?jié)舛葘ぷ髅嫠栾L(fēng)量的

13、影響，采取自調(diào)整模糊控制對局部通風(fēng)機(jī)控制，避免了通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的困難，有較好的魯棒性及較小超調(diào)量，穩(wěn)定時(shí)間也較短。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法控制簡單，可靠性高，不僅能滿足工作人員所需風(fēng)量，而且能根據(jù)瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量，避免了傳統(tǒng)手動(dòng)操作時(shí)通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)頻繁切換地問題。參考文獻(xiàn)1劉志成，白愛成.通風(fēng)區(qū)(對)長M.北京：煤炭工業(yè)出版社，20032祝龍記，王汝琳.礦用變頻調(diào)速局部通風(fēng)機(jī)的模糊控制技術(shù)J.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31（4）：793付華，孫樹生，許振良，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息融合方法在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，煤炭學(xué)報(bào)，Vol.31，No.2，2006年第2期4煤礦安全規(guī)程M.北京：中國