（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊神经网络的矿井通风机调速.pdf

4 l 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：墓主麴日期：竺么! ：么苎 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名：塞坌塑导师签名： 、 - 簟 j ， 声 i 黑龙江科技学院硕士学士论文 士毒面 捅要 随着矿井灾难的频繁发生，煤矿安全问题已成为社会关注的热点。目前， 煤矿掘进工作面瓦斯涌出量比较大，如果瓦斯超限，必须停电撤人，会造成 很大的经济损失。此外，当巷道瓦斯积聚时，为了能够保证安全生产，也需 要进行排放处理，所以局部通风机控制系统在煤矿井下有着举足轻重的地位。 煤矿局部通风机作为典型的交流异步电机，具有非线性、多耦合的特点，与 直流电动机相比，控制更为复杂和困难，如不采取有效的控制方式，其动态 性能远不如直流电动机。由于我国大多数煤矿智能化程度较低，选配的驱动 电机调速能力较差，故对局部通风机的选择一般偏大。当巷道掘进深度较浅 时，通风机没有足够的调速能力，造成了电能的巨大浪费。 本文针对目前煤矿广泛采用的瓦斯抽排系统存在的问题和安全隐患，提 出了以d s p 为控制器来驱动局部通风机，从而构成智能局部通风机控制系 统，对掘进巷道中积聚的瓦斯进行无超限自动排放。从而实现了煤矿生产的 自动化，保护了煤矿工人生命的安全。 文中介绍了模糊控制和神经网络理论，较为详细地讨论了瓦斯浓度模糊 神经控制器的结构。画出了程序流程图，编写和调试通过了部分程序。最后 利用m a t l a b 仿真软件进行了系统仿真，仿真结果表明达到了预期的效果。 关键词：模糊控制；神经网络；局部通风机；d s p ， 、 ， 声 l f a n s ，w h i c hc o n s i s t i n ga ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fl o c a lf a n ，m a k i n gt h e a c c u m u l a t i o no fg a si nt h el a n e w a ya u t o m a t a t l ye m i s t i ta c h i e v e st h ec o a l p r o d u c t i o na u t o m a t i o n , a n dp r o t e c t st h eh u m a nl i f eo f c o a lm i n e r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kt h e o r y , af u z z y n e u r a lc o n t r o l l e ri sd e s i g n e do nt h ed e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h eg a sc o n c e n t r a t i o n i t d e p i c t st h ep r o c e s sf l o wc h a r t s ，p a r to ft h ep r o c e e d i n g si sw r i t e na n dd e b u g e d a t l a s t u s e ss o f t w a r eo fm a t l a bt os i m u l a t ei t , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti t a c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t s k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ；n e u r a ln e t w o r k s ；l o c a lf a n ；d s p i l 士论文 1 】l 究现状2 4 6 e ； 9 2 1 试验用煤矿局部通风机介绍9 2 2 异步电动机的性能分析9 2 2 1 通风机正常运行时的损耗分析9 2 2 2 电动机参量之间的关系l o 2 2 3 负载变化对电动机稳定运行的影响1 1 2 3 通风机的转速特性1 2 2 4 三相交流异步电机模型的建立1 2 2 4 1 三相感应电动的电路模型1 2 2 4 2 三相感应电动机的d q o 参考坐标模型1 4 2 5 电压空间矢量脉宽调制原理分析1 5 2 6 通风机控制策略的确定1 7 2 6 1 经济效益分析1 7 2 6 2 模糊神经网络控制方法的优越性1 7 2 7 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的实现方法1 8 2 8 本章小结1 9 第3 章模糊神经网络控制器的设计扣 3 1 控制器工作原理2 0 i i t 上1 1 泰 3 5 本章小结2 8 第4 章系统硬件电路的设计3 l 4 1d s pf 2 8 1 2 控制器控制电路设计3 1 4 1 1d s pf 2 8 1 2 电源电路设计3 1 4 1 2d s pf 2 8 1 2 看门狗复位电路设计3 2 4 1 3d s p 与j t a g 接口设计3 2 4 1 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最小系统3 3 4 1 5f 2 8 1 2 外扩r a m 硬件电路3 3 4 1 6d a 转换的实现3 5 4 1 7 键盘控制电路的设计3 5 4 2 系统主电路的设计j 3 6 4 3 辅助电路的设计3 6 4 3 1i g b t 驱动电路3 7 4 3 2 驱动电路的基本要求3 7 4 3 3 驱动器的选择3 8 4 3 4 驱动电路的实现3 8 4 4 保护电路的设计4 0 4 4 1 过流保护4 0 4 4 2 过电压保护4 1 4 4 3 电力电子装置抗干扰技术4 1 4 5 本章小结4 2 i v v 黑龙江科技学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 随着世界范围内能源短缺和经济增长对能源需求的增加，煤炭工业飞速 发展。在煤炭工业促进经济发展的同时，其本身也存在着许多安全性和节能 性方面的问题。 1 、安全性问题 煤矿生产具有四大自然灾害：瓦斯、顶板、煤尘、水。其中矿井瓦斯是 严重威胁煤矿安全生产的主要自然因素之一，自1 6 7 5 年英国茅斯汀矿发生第 一次大型爆炸以后( 我国最早关于瓦斯爆炸的文献记载见于1 6 0 3 年) ，瓦斯 灾害每年都造成许多人员伤亡和巨大的财产损失。加之我国大部分煤矿是瓦 斯矿井，防止瓦斯爆炸历来是煤矿生产的重中之重。据统计，中国煤矿重大 事故中7 0 以上是瓦斯事故，而矿井掘进工作面更是瓦斯、煤层事故的多发 地点，瓦斯爆炸中8 0 的事故与局部通风机有关。因此，对矿井通风机调速 以实现瓦斯的正常排放对煤炭工业的健康持续发展，具有重要意义。 2 、节能性问题 局部通风机是改善矿山井下劳动条件的重要设备，是井下工作面必备的 安全设施。煤矿掘进巷道局部通风用的风机目前大都是恒速的，而且其功率 较大、昼夜运行、耗电量大，易造成电能的浪费。 因此，随着社会经济的不断发展，对矿井局部通风机在安全可靠、高效节 能方面提出了更高的要求。 1 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 传统瓦斯排放的方法是采用控制风门、分流及加挡板等措施，排放时风量 控制不易把握，容易造成风流混合处瓦斯浓度超限，从而产生危险。而且据统 计资料显示l l 】，在生产过程中，局部通风机的风门、挡板等相关设备的节流损 失以及维护、维修费用约占生产成本的7 2 5 ，这造成了大量的能源浪费和 设备损耗。 为此，在煤矿安全性和节能性方面，世界许多产煤国家都在一直努力探 索着。在美国，比较浅的矿井在开采前预先抽放数百公顷的沼气，甚至在开 采初期在地面垂直钻孔抽放沼气。在许多作业中，在本地使用沼气，或者是 把沼气输送到天燃气管道，这不但安全而且经济。除了抽放瓦斯外，最近2 0 年来，世界各国各种各样的瓦斯监控报警系统应运而生。 其中，英国的m i n o s 检测系统、德国的t f 2 0 0 瓦斯监测系统、美国的 s c a d a 检测系统研制较早。当瓦斯监测系统检测到瓦斯超限时自动报警， 由于人员及时撤离并采取安全措施，从而避免了事故的发生，在实际运行中 取得了很好成果。 目前，在国内，各矿井采取局部通风机全速运行的办法，整个风机和电 黑龙江科技学院硕士学位论文 拖动系统处于低效率运行状态，存在能源浪费的问题，这虽然能起到正常供风 和排放瓦斯的目的，但却造成了能源的极大浪费。所以，调节风机运行速度 是最经济有效的手段。变频调速技术在局部风扇上的应用避免了以往局部通 风机一接入电网便恒速运转造成的电能浪费，做到节能运行。变频调速技术 作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的所有部门。我 国现在正大力发展和推广的矿井局部通风机调速技术，努力缩小和世界先进 水平的差距，使之向规模化、自主化、标准化发展。 调速技术是强、弱电的混合，机电一体化的综合技术。随着各种控制方 法的深入研究与实现，将进一步提高调速性能。未来调速技术的发展方向主 要有以下几点： 1 、基于电动机和机械模型的有矢量控制、直接转矩控制和机械扭振补偿 也蟹 号手o 2 、基于现代理论的有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分 几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器、在某种指标意义下的最优控制技术和 逆奈奎斯特阵列设计方法等。 3 、基于智能控制思想的模糊控制、神经网络、专家系统和各种各样的自 动化、自诊断技术等。 这些已有技术将逐步得到推广应用，同时新的控制技术将不断涌现。在 速度和位置的无传感器控制中已开发出各种智能化虚拟传感器( i n t e l l i g e n t v i r t u a ls e n s o r s ) ，智能控制不但可以取代传统的p i d 调节器，最终理想的智能 控制甚至不需要电机和控制器参数，所有的估计都是单独由人工智能系统完 成，不用电压、速度和位置传感器就能实现高质量的转矩控制。 1 2 1 交流变频调速技术的发展历史与研究现状 交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这和电力电子器 件制造技术、变流技术、控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速 发展密切相关。目前，变流调速己覆盖了所有工业领域，交流电机变频调速 技术是当今工业生产中实现优质、高产、低功耗、推动技术进步的一种主要 手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因素和节能 效果，被国内外公认为最有发展前途的调速方式。回顾近十年来通用变频器 技术的发展对于深入了解交流传动与控制技术的走向，以及如何站在高起点 上结合我国国情开发我国自己的产品应该说具有十分积极的意义。 l 、功率器件的发展 电力电子技术一直是电机控制发展最重要的物质基础，大功率半导体器 件的发展也制约着电机控制的水平。在低压交流电动机的传动控制中，应用 最多的功率器件有g t o 、g t r 、i g b t 以及智能模块i p m ( i n t e l l i g e mp o w e r m o d u l e ) ，后面二种集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于 一体，是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。i g b t 集射电压 v c e t c ，电动机偏移平衡点，使转差率增大， 随之转子电流增大电磁转矩也增大，直至等于负载转矩。若负载转矩大于电 动机的最大转矩，电动机则因不能承载而减速直至停转。若负载在小于额定 值内变化，且转速为额定值时，电动机能够稳定运行。电动机电磁转矩与负 载率的关系可写为： 良= 薏毒 聊彤 ( 2 1 8 ) 式中，b n = 骗为电动机的额定最大转矩倍数；s = “1 7 ) n d ，b c = 舰 任意负载时电动机的最大转矩与该负载时的阻转矩之比，称任意负载时的最 大转矩倍数。当负载为额定值时，b c = b n 任意一负载时的阻转矩与额定转 矩n 之比，称为电动机的转矩率，当n e o n ，转矩率在数值上等于负载率k 。 由以上说明可知，电动机在负载变化时的实际承载能力与负载率成反比，负 载率越小，承载能力越大，系统越能稳定运行：反之，承载能力越小，系统 的稳定性要降低。相似地，转差率与负载率的关系可表示为：g r t c , r l ，转差 率与负载率成正比时，当负载小于额定值变化时，转差率的变化范围在d 鼢 之间。 综上所述，随着负载率减小，电动机的损耗、效率、功率因数都要降低， 但电动机的承载能力、转速会有所提蒯侈】。 2 3 通风机的转速特性 空间上互差1 2 0 。电角度的绕组组成三相对称绕组，且流过对称的三相 电流产生圆形旋转磁通势和旋转磁场，从而带动转子旋转，产生互差1 2 0 。 的电流分别为： = i mc o s ( c o t ) i b = i mc o s ( c o t - 1 2 0 。) i c = 厶c o s ( c o t - 2 4 0 。) ( 2 1 9 ) 在定子三相对称绕组中接通三相对称电源，则流过三相对称电流，并产 生旋转磁场；切割转子导体，则产生感应电势和电流，而载流导体在磁场中 受到电磁力的作用，形成电磁转矩，使转子朝着旋转磁场的方向旋转。由于 电流变化一个周期，磁场转过一对磁极。所以，旋转磁场的转速为：n o = 6 0 f # p ， 其中，n o 称为同步转速，单位为r m i n 。 一般情况下，转子的转速玎总是略低于同步转速1 7 d ，转差( 力坳) 为异 步电动机运行的必要条件，转差与同步转速之比的百分数称为转差率s 。 s = ( 1 7 1 7 0 ) 1 7 d x l 0 0 。转差率是异步电动机的一个基本参量，s 不同的范围反映 了电动机不同的运行状态。当o n n d 、o s l 时为电动机的运行状态。 2 4 三相交流异步电机模型的建立 2 4 1 三相感应电动的电路模型 三相绕线式感应电动机定子和转子都是三相对称绕组，且定转子三相绕 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 按照1 2 0 。电角度对称分布。三相绕组这种对称分布方式，决定了感 学模型的分析要比直流电机困难得多。由于三相绕组间存在电磁耦 分析感应电动机非常困难，所以需要采用坐标变换的方法使感应电 种互耦分量能够独立控制。为更好地分析感应电动的控制方式，本 绍三相交流感应电动机的数学模型。 电磁耦合理论和三相交流电动机的电磁特性，三相电动机定转子的 可以表示为： 吃咄+ 等y 电压方程咄+ 警矿 圪咄+ 等y 转子电压方程： 嘲+ 等y 忙坩警y 圪咄+ 等y f 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 则可以将绕组电感和电流作为变量，采用矩阵的描述方式来描述定子和 转子绕组的磁通链方程，即： 陶= 巨挑r a b c a b 刁e 、壬，产= ( 甲。，、王，如，、王，。) r 、王，产= ( 甲口，、壬，6 ，、王，。) 7 尹= ( ，l b s ，k ) 7 尹= ( 0 ，0 ) r 式中，厂表示矩阵的转置。 i 厶+ k匕kl 瑶。= l k厶+ 乞ki lkk厶+ k j f 2 2 2 ) f 2 2 3 ) f 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 佗2 7 ) 着时间的变化而变化，采用c l a r k e 变换或p a r k 变换正是通过将时变的差分 方程变换成具有定常电感系数的差分方程，从而有效解决感应电动的自耦问 题。 2 4 2 三相感应电动机的d q o 参考坐标模型 理想的三相感应电动机假设电动机具有对称的气隙，而采用静止参考坐 标和同步旋转参考坐标可以方便地分析交流感应电动机。在静止参考坐标中， 电动机的d q 变量分量和供电网络在相同的参考坐标系内；而在同步旋转参考 坐标内，d q 变量是相对静止的。因此，如果在静止参考坐标系内观察d q 变 量，则它将以同步转速甜= 。旋转。 由a b c 变换到d q o 的坐标系变换为： l lizi l 五i = 。( 。) i 五i ( 2 3 0 ) l j o jl z 式中，变量，可以是电动机的电流、电压或磁通量，变换角度目m 是指 以角速度u 旋转的参考坐标q 轴和固定的定子绕组a 轴之间的夹角，则臼俐 可以表示为： o ( t ) = i 。( t ) d t + o ( 0 ) ( 2 3 1 ) 同样，以，速度旋转的转子a 相和定子轴之间的旋转角度，似可以表 示为： e ，( f ) = ：q ( t ) d t + 0 ，( o ) 1 4 ( 2 3 2 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 将三相输入电压变换为两相坐标系( d q 坐标系) 上的电压，同时也将计 算所得的两相坐标系电流变换为三相坐标系上的电流，变换关系如下【2 0 】： 三相坐标系两相坐标系的电压坐标变换为： 卜 一! 2 硼c o s o + 以s i l l e 丌1 h j3 l 2 s i , os i n o 一压c o s o j 【j r 73 3 、 u 0i 1 2 0 0 s p 瞄p + 以s i i l p 叶， 【如j3 1 2 咖p 如p 一以c o s p j l u 乙j 陀- 3 4 ) 两相坐标系三相坐标系电流变换为： ( 2 3 5 ) 每瑚 亿3 6 ， 为两相坐标系与定子三相坐标系的位置角，= 良b ，为两相坐标系与 转子三相坐标系的位置角。 于是，j 茎豆阴布日坐杯糸异步电动机模型的方程为： 电压方程： u q s = r s + 去q s + 嘏出 u 凼= 足么+ ；、王，凼一c o u t 驴 c l t 矿= 矗矿f 矿+ 瓦dy t 俨+ ( c o q ) 吐 以= 或屯+ j dy t 凼一曲q 峨 饼 电磁转矩方程： = 1 5 p ( 、壬，凼l q s 一、壬，。么) 机械方程： 磊d ，= 击( z f o 。一乙) 瓤吨 2 5 电压空间矢量脉宽调制原理分析 下图为三相感应申机p w m 谫蛮器的原理图 1 5 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) e 黾l 墨2 堂 堂 姗生：螂堕：薛薛 n 璺_ 嗌 n h h 盼 乃 酚 叻 ” 3 3 3 4 4 q q q q q 位论文 所合成的电压空间矢量以可以 f 2 4 4 ) 式中，u d c 为直流母线电压。如果忽略定子阻抗压降，则定子的磁通表达 式为： v 。= i u s d t = 鲁p “铲争 ( 2 4 5 ) 定子磁通矢量相位以落后电压矢量9 0 0 的同步角速度旋转。电动机旋转 磁场的形状问题可以转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。 设逆变器的上桥臂开关管开通时，开关状态为1 ，反之为0 。则三相逆变 器的6 个开关管有8 种开关状态，通过控制开关管的开关顺序和开关时1 s q ， 来产生圆形运动轨迹的电压空间矢量。 可以用3 个桥臂开关状态、& 及s c 赫nl g 相电压【2 l 】： 荔 = 三 兰三； 菱 c 2 4 6 ， 为了便于分析，通过c l a r k 变换将三相静止坐标系( a b ，c ) 转换到两相 静止坐标系( a ，) ： 晰睦1 麴2 亿4 7 ， 可将开关函数& 、s e 、& 对应的电压转换成两相静止坐标系( 口，卢) 中 的电压分量，通过两相静止坐标系的参考电压来控制6 个开关管的开通与关 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 叭0 1 烬 。礤 彳ua 缪八笆( 1 0 0 ) 。 l b ( 0 l 1 汰u5o 吵 秒ik u ( 0 0 1 )l b ( 1 0 1 ) 2 6 通风机控制策略的确定 2 6 1 经济效益分析 由于电动机的效率与负载的大小有关，当电动机在额定负载附近运行 时，其效率和功率因数都较高；但当负载系数较低时，其效率和功率因数都 将急骤降低。而实际运行中的电动机，由于电动机产品容量的不连续性、安 全系数过高等因素，使电动机的额定功率总是超过最大可能的峰值负载功率 约3 0 以上。而负载峰值所持续的时间又往往是远小于总运行时间，浪费能 源的现象非常普遍。而且据统计资料显示，在传统的生产过程中，局部通风 机的风门、挡板等相关设备的节流损失以及维护、维修费用约占生产成本的 7 - 2 5 ，这造成了大量的能源浪费和设备损耗。因此，采用先进的控制策 略使煤矿通风机根据瓦斯的浓度实时调节速度具有十分重要经济效益。 2 6 2 模糊神经网络控制方法的优越性 在一般的磁场定向矢量变换控制系统，由于磁路饱和、集肤效应和温度 变化的原因，电机参数将随着电机的运行工况而发生变化，并且这种变化的 规律难以获取。煤矿局部通风机作为典型的交流异步电机，具有非线性、多 耦合的特点，与直流电动机相比，控制更为复杂和困难，如不采取有效的控 制方式，其动态性能远不如直流电动机。模糊神经网络控制方法对非线性控 制对象都有很好的控制优点，模糊控制使用语言或描述性的规则，而神经网 络则是输入和输出之间的非线性映射，它是理论化的人脑神经网络的数学模 型，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统。因此 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 从两者的优缺点互补的原理，其结合能很好地克服传统线性和非线性控制的 缺点，从而达到比传统的控制策略更加明显的控制效果。 2 7 基于t m s 3 2 0 f 2 8 12 的实现方法 为了充分利用空间矢量的有效作用时间，用与u r e f 所处空间扇区相邻的 两个基本矢量与零矢量的线性组合来等效参考输出电压矢量u r e f o 则空间电 压矢量u r e f 可以近似表示为： ( 瓦虬+ 弓+ 毛+ 乃) ( 2 4 8 ) j 式中：以和巩为所落扇区两个相邻的基本电压矢量；疋，瓦为这两个矢 量的作用时间，和乃为零矢量的作用时间。 当参考电压矢量位于第1 扇区时，采用基本矢量研、砜、和矾来合 成参考电压矢量。若瓦为p w m 的采样周期，则矢量、魄、和作用 时间可以表示为j ： 压i bs i n ( 等刮) o 。了- ，, f i l u , , l 瓦s 晰) ( 2 4 9 ) 2 r ：弓：半 通过推导其他扇区的各基本电压矢量作用时间，可以归纳出两个非零基 本矢量作用时间的统一表达式为： 阱警 耽 s l n j s i n 唑 3 胍 一c o s 一 3 ( ，z l c o s 二- ， ( 2 5 0 ) 式中：，z 代表参考电压矢量所处的扇区号，n = 1 2 ，6 。 采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 来生成对称的s v p w m 非常方便且可获得较高的精 度。在事件管理器中，比较单元可以产生对称和非对称的p w m 波形，对称 p w m 波形具有较小的输出电流谐波及输出电压失真度。每个对称p w m 波形 在每个调制周期产生两次比较匹配，一次匹配在递增计数期间，另一次匹配 在递减计数期间。先通过式2 5 0 求出两个非零矢量作用时间疋和兀，再通 过瓦和兀来确定零矢量的作用时间疋，将所计算出的疋、兀和疋载入3 个 比较寄存器c m p r x ( x = i ，2 ，3 ) ，从而可以调节s v p w m 的输出。对应在c m p r l 载入0 2 5 正，c m p r 2 载入0 2 5 + 0 ，5 疋，c m p r 3 载入0 2 5 正+ o 5 疋+ o 5 兀。 由于算法的精度取决于字长，通过调用f 2 8 1 2 的专用定点数学库函数 i q m a t h ，可以基于d s p 硬件和编译器优化算法性能，获得类似浮点运算的效 1 8 1 9 o 速 和 f i g 3 1w o r k i n gb l o c kd i a g r a mo fc o n t r o l l e r 其工作原理为：首先将掘进工作面的测量值与模拟设定值进行比较，其 差值及其变化率经过a d 转换后被送入控制器中，经过处理后输出一系列的 脉冲信号，然后矿用隔爆变频器发出p w m 信号最后进行d a 转换，进而调 节局部通风机的速度，成功的调节掘进工作面的瓦斯浓度1 2 引。 3 2 模糊神经网络控制器的设计 3 2 1 控制器的结构分析 根据现场要求，需要设置四个输入量分别为：乃、t 2 、乃和n 及一个 输出量s 。 t l 给定值为乃= 1 1 ，相应的偏差和偏差变化率为e ，e 。，。将e ，划分为5 个等级，则其基本论域为斤 一l ，2 。模糊语言集为 魍愿绍n s , 脚，取值 为 正大，正小，零，负小，负大) ，胆 一2 ，2 ，则其量化因子为： k d = 2 1 ( 2 一( 一1 ) ) = 1 3 ，贝0n 。= 1 3 奎( 葺一o 5 ) 。 黑龙江科技学院硕士学位论文 同理，将，划分为5 个等级，其基本论域为胙 一2 ，2 。模糊语言集为 p b ，p s ，z e ，n s ，n b ) 。取值为 正大，正小，零，负小，负大) ，胆 一2 ，2 ，则其量 化因子为：k e c l = 2 2 ( 2 一( 2 ) ) = l ，则r i = 墨。 对乃和乃的处理与上面方法相同，只是分别将哈p 以、e 如e 日划分为： 5 、5 、3 和3 个等级i2 4 1 。 f 。给定值o 2 5 ，相应的偏差和偏差变化率为印，p 詹，。将即划分为5 个 等级，其基本论域为x = 0 ，4 。模糊语言集为 z e ，p v s ，p s ，p b ，p v b 。取 值为 零，正很小，正小，正中，正大，正很大 ，n = 一3 ，3 ，则其量化因子 为【2 4 】： k 盯1 = 6 ( 4 一o ) = 1 5 ，贝0 ：2x i 木b l 。( 3 1 ) 将，划分为5 个等级，其基本论域为x = 一2 ，2 。模糊语言集为 n b ，n s ， z e ，p s ，p b ) 。取值为 负大偏差，负小偏差，无偏差，正小偏差，正大偏差) ， n = 一2 ，2 ，其量化因子为： l = 2 + 2 ( 2 一( - 2 ) ) = l ，则一= x j 宰k l 。 。 ( 3 2 ) 模糊规则的一般形式为： 局：i fx = 纠x 2 = 4x 3 = a ；a n d 而= “ ，、 t h p ，2 y ：0 ， ，l 式中，x l 、x 2 、x 3 和x 4 为系统的输入变量；么o ，、么名、彳0 、和彳乞分别为 x ，、x 2 、x 3 和拗的模糊集合；y 为系统的输出量；l = 1 ，2 ，m ，n l 是规则 数。显然，这是结论为数值型的模糊系统，采用s u m - p r o d u c t 模糊推理和加 权求和法解模糊，模糊系统的输出为： m y = 矾 ，= i = 4 ( 五) 幸4 ( 而) 幸4 ( 为) 幸4 ( 畅) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 式中，n ，为第，条规则的激活度。模糊神经网络结构的各层定义为： 1 、输入层为： n p c = 爿以= 砖 ( 3 6 ) 式中， n e t j 7 为第j 个输入。 2 、隶属函数层为： 叫：一掣 巧- - o x p ( e q e x p t n e 巧) 巧j ( 3 7 ) 式中，m f ，和西分别是第i 个输入量的第j 个模糊集合的高斯型隶属函数 的均值和方差，他们都是可调的参数。 3 、规则层为： h e 4 = # 幸霉木霉幸谚= 叫 ( 3 8 ) 2 1 黑龙江科技学院硕士学位论文 式中，为第3 层第j 条规则的激活度口，。 4 、解模糊层为： 玎群- - z o ，#片= n e t i l ( 3 9 ) 式中，即为f n n 的输出，研为第3 层和第4 层间的可调权系数，此层 只有一个节点。 在这个模糊神经网络中，可调参数有3 类，第1 类是规则中的参数o i ， 他们是第3 层和第4 层间的权系数，代表规则参数。第2 类、第3 类可调参 数分别是高斯型隶属函数的均值m f ，和方差，它们位于第2 层的节点中， 是输入隶属函数的参数。 3 2 。2 模糊神经网络的学习方法 模糊神经网络f n n 是具有多层感知器的结构形式，可以修正其中的可调 参数o i ，m f ，和。定义指标函数为： e = 寺( d 一片) 2 = i 1 p 2 ( 3 1 0 ) 式中，d 为教师用的样本信号。那么误差信号将v h 第4 层向第1 层倒退 依次反传。 解模糊层为： 6 1 4 = 毒卅一肛。，= 警= 毒等- 6 m ( 3 1 1 ) 规则层为： 6 j = 毒= 豢磊= 6 ， ( 3 1 2 ) 隶属度层为： 6 ；= 橱- - o e = 耐- - d e 丽o y ；= 障豢等 蔫 ，、 = i 氍宰彭谚 t , - k) ( 3 1 3 ) 式中，七代表与第2 层j 节点相连的第3 层中的节点；i 代表与第3 层中 k 节点相连的第2 层中的另一个节a ( i d ：j ) 。 输入隶属函数的参数修正值为： 岘= 瓦- - o e = 碡- o e 瓦o n e t ；掣 ( 3 1 4 ) 魄= 瓦- - o e = 一- - o e 瓦o n e t ；o n e t ；掣 ( 3 1 5 ) 8 6 qa g 口 j g ； 、j _ 。 位论文 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 6 ( t + 1 ) = g d ( f ) + 1 1 2 a ，( ，) ( 3 1 8 ) 式中，玎，、r 2 、即3 分别为各可调参数的步长；f 是离散时间变量。学习算 法的指标函数为： e = i 1iy p ( t ) - y f ( f ) | ( 3 1 9 ) 式中，y 删即是控制器的输出。 3 2 3 控制器的设计 模糊神经网络控制器由神经网络1 、神经网络2 、判断机构l 、判断机构 2 和模糊控制器等五部分组成，结构如图3 - 2 所示。 出量 图3 2 系统结构 f i g 3 - 2s y s t e m a r c h i t e c t u r e l 、神经网络l 用于对控制对象的输出波形进行分类，相当于大脑对全局的判断。 1 ) 、预处理 预处理将控制对象的输出波形分成七类，并用误差反向传播学习算法来 让神经网络学习这些波形。对目标值很小的定常偏差和在允许范围内波动的 所期望的输出波形称做a 类波形；发散振荡的输出波形称做b 类波形；对目 标值成收敛很慢的输出波形称做c 类波形：对目标值成收敛但收敛很慢的输 出波形称做d 类波形；对目标值欠调很多并且有很大反向定常偏差的输出波 形称做f 类波形；而其他波形都归为g 类波形。 2 ) 、完成的功能 神经网络l 根据对波形的分类，向判断机构1 发送以下不同命令： 对a 类波形：再次构造控制规则； 对b 类波形：大幅值减小控制量； 对c 类波形：减小一点控制量； 对d 类波形：增加一点控制量； 对e 类波形：大幅度减小控制量； 黑龙江科技学院硕士学位论文 对g 类波形：增加波形分类。 2 、神经网络2 用于学习被控对象的动态特性，建立控制对象特有的数学模型，以对被 控对象进行分析。在这里也需要进行一些预处理，并根据预处理结果完成一 些相应的功能。 1 ) 、预处理 根据被控对象的输入波形和输出波形，用误差反向传播学习算法通过神 经网络2 来学习被控对象的动态特性。 2 ) 、完成的功能 神经网络2 通过学习建立被控对象动态特性的模型，以上判断机构2 利 用这些有关控制对象行为的知识。如果不能用当前的模糊控制器中的控制规 则直接控制对象，可以把学习后的神经网络2 当做控制对象，用网络来模拟 控制对象。 3 、判断机构1 用于判断是否进行控制规则的调整或增加。 4 、判断机构2 用于规定控制规则后件的模糊变量和校正量。 5 、模糊控制器控制规则的构成步骤 、判断机构l 确定最初的控制输入在构成模糊控制器的最初阶段模糊 控制器内没有任何控制规则，因此，为了构成最初的规则，需要向控制对象 输入适当的控制输入值，以观测系统的响应。 、波形处理当以上决定的控制量使控制对象的输出波形发散时，根据 神经网络1 的波形分类，判断机构l 大幅度减小控制量。 、收敛波形处理当以上决定的控制量使控制对象的输出波形发散时， 判断机构2 观察该波形的收敛时间，把1 2 的收敛时间称做岛。 控制对象输出波形的各个取样时刻t i j ：；冒蕈互霜f 习 ； _ 4 “| 暑虽莲薹垂塞寓 i 。捌簇蠹蕊0 i。! 蓬耋亘蚕宫 雾锕i 露糍簇镪氍滁_ ? 籍e | 巨兰兰蚕至三| e | 篓，辎矽卜jn 闷k 。嚣旦量量虽 菱沁：一s 挚三碧车茎罩虿碧e 写 勃铺f 嘶百一，￥雠t l 蠢jz f 删2i 3 “i ：j = = = = = = = 三三= ：= i = 三三：= 互j = = c = 蓦搬斧逝v 摊斧燃溉； | | 雪雪雾宜 岁啦 2 m l蝴i 瓣l 细嘲 扩j 要e = = | 扩触f j 卜雠 蛳一 - | | jb聋 目”m b 1 1 州) 洲i f 2 5 n 加n ) 刊m 口n 椰1 1 怕1 f 3 b 仉i 州) ( 1 ) 妇hme11州)dn2b枷1刊盯3bn洲2)口啪0b删n-iif(1)0珏hn 1 0 一f l l f l ) 刊几2 b n 洲】删巾b n 姗) 帅f 3 8 础( 1 ) 4珥几1b n州l州几：bn矾1删丌3b俐1口啪旧b吡ltif4】(1】。跚m b埘illfl)枷f2e栅州ft3b醅1112)咖0e删啕a；搿缝缆i黝笏矜”仃1 is11州】删阿2isn酬21州03en枷)trm门e洲mf6)(1)打k m einl州)删02is删3)州mbn撕m)口骱(3b删m忉(1) 鞫hm$n1111t1)州02e删3)删mbn撇)怖0b叫响(1)均几1 b州删l州fr24n硎3)删03目tn-拥3)惭(38鲫lilfg】(1)h on f r l b 1 1 哟删0 2 b n 洲) 删f f 3 b 岫m 】口啪仃$ 删州田a 】 1h 仃1 e f l l f i i t 2 1 司i f 2 b n 抽t 1 1 f 日m br 1 3 帕怕l 门b 毗1 m m l ) ( 1 ) 群茹妒，旷箩洳j 锄蝴1糯口t ：耳j h l 。_ _ _ _ _ _ _ o 一_ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - 。嘶 图3 - 9 模糊规则