（电力电子与电力传动专业论文）煤矿瓦斯移动抽排系统的智能控制与优化运行.pdf

a b s t m c t a b s t 阳c t t h es i t u a t i o no fc o a l m i n es a f e t yi np r o d u c t i o ni nc h i n ar e m a i n ss e r i o u s t h ec h i e f o f a nd i s a s t e ri st l es u d d e ng a so u t b u r s t a i m i n ga t t 1 1 ep r o b l e m s 孤dm ep o t e n t i a ls a f b t yh a z a r d so ft h ec u r r e mg a s p u m p i n g e x h a u s ts y s t e m 埘d e s p r e a du s e d ，r e s e a r c hm ei n t c l l i g e n tc o n 昀lo fc o a l m i n e g a sm o b i l ep 岫p i r 培一e x h a u s ts y s t e mi sr e s e a r c h e da n dt i 】ec 岍c n ts y s t e mi so p t i m i z e d e s p e c i a l l y 吐峙s y s 锨nr e s e a r c h e dp l a c e sab r a i c ho f b a c k n o wa 1 1 dav a l v e ，w h i c hc a n a d j u s tt h eg 船n o wh e l l i g e n t l y t h es y s t e m c a l lm o n i t o r 锄dd i s p l a ym eg a s c o n c e n 仃a t i o n ，季v ea i la l a n nw h e nt h eg a sc o n c e n 仃a t i o no v e r n m ，t u mo f r t 量l ee l e c m c i t y a n di n f o m a t i o nn e t w o r k b e s i d e s ，t l l ep r o t e c t i o no f 也es y s t e mw h i l et h ew a t e r b r e a ki s a d d e d t h es y s t e md e v e l o p e dh a sn ol e a k a g e ，c o n 仃o le 虢c t i v e l y ，m ns a f e l y ，a 1 1 d m a i n t e n a n c eo ft l i es y s t e mi ss m a l l t h es y s t e mi sa ne n e r g y e m c i e n t 锄dc o s t - l o w s y s t e m f i r s t l yt h ep 印e ri n t 州u c e sm er e a ls i t u a t i o no f t l l ec o a l m i n eg a sp u m p i i l g e x h a u s t i nt l l e p i t ， a i l d a n a l y s i s r e l a t i o no ft h e g a s e x p o r tc o n c e m r a t i o n ， d i l u t e d g a s c o n c e n 廿a t i o na l l dd i l u t i n gg a sc o n c e n 仃a t i o nw h e nt l l eg a s d r a i n a g ep u m pi nu s e ，o nm e b a s i so fw 】1 1 i c ht h ec o i l 订o ls c h c m ei sd e s i g n e d t h ea t 8 9 c 5 2a c t sa st h ec o r ec h i po f t h e c o n t r o l l e r i nm ep a p e rt h et y p eo ft h es y s t e mh a r d 、v a r ea r ec h o s es u c ha sp u m p ，m o t o r o p e r a t e dv a l v e ，g a ss e 璐o r n 锄e p m o fp o w e ra n ds oo n t h ep a p e ri n 仃o d u c e sf h z z y c o n t r o lt h e o r y ，t a l k so v e rm es t r u c t i l r eo fg a sc o n c e n 订a t i o n 如z z yc o n 廿o l l e r 龃d c o m p a r e st h e 如z z yc o m m l l e rw i t h o m e rs 仃a t e g y 1 1 l e p a p e rg i v e s t h ep r o g 姗 n o w c h a r t sa n ds o m ep m g r a m sh a v eb e e nv e r i f i e d l a s t l y t l l es y s t e l ni ss i m u l a t e db y m a t l a b ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st l l a t 山es y s e mc a nr e a c ht h ee x p e c t a t i o n e f i b c t i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fc o a l m i n eg a s m o b i l ep u i n p i n g e x h a u s ts y s t e mb yu n i t i n gg a s c o n c e n t r a t i o nm o n i t o rw i t h 凡z z yc o n t r o la l g o r i m mp u z z l e so u tm er e c u r r e mp r o b l e mo f g a so v e r m ni nt l l ec u n _ e n tg a sp 啪p i n g e x h a u s ts y s t e m ，i m p r o v e sm es y 舐ma c c u r a c y ， s e c u r i t ) ，a n dr e l i a b i l i 够t h u st l l e r ei sab e t t e r t i m e sa h e a df o r t h er e s e a r c h k 叩o r d s ：f u z z yc o n t r o i ：m i n es 疵t y ：g a sp 啪p i n g e x h a u s t ；a t 8 9 c 5 2 c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 3 ：t d 7 1 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，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 含为获得塞徼垄王太堂或其他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谢意。 学位论文作者签名：城 签字日期：网睁；月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽堡三太堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徼理工 太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：煅 签字日期：枷6 年月j 日 导师签名：茑蛾 签字日期：) h 年6 月1 6 日 安徽理i 一人学硕十论文 绪论 1 1 问题的提出 l 绪论 安全是煤炭生产的头等大事，对煤炭生产起着保证、支撑和推动作用。保证 煤矿职工的生命安全和国家财产是煤炭工业可持续发展的前提，煤矿安全生产形 势的好坏直接关系到我国国民经济的能源供给问题。去年以来，一些地方和行业 发生的多起重大特大安全事故，给人民生命财产造成严重损失。当前，要把煤矿 安全作为突出任务，加大对煤矿安全设施的投入，提高安全生产技术水平。2 0 0 5 年3 月5 同，中国总理温家宝在全国人民代表大会上作政府工作报告时指出，要 以对人民高度负责的精神，切实改善煤炭生产安全状况。国务院决定安排3 0 亿元 建设资金，支持国有煤矿安全技术改造， 些钱主要用来提高国有煤矿的技术水平， 产更加安全”。川 地方和企业也要增加安全生产投入，这 进一步提高其安全性，“真正使煤矿生 由于煤矿的井工开采，频繁发生诸如瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、矿井突水等 重特大事故。针对煤矿安全生产中的共性、关键性和前瞻性的技术问题，以煤矿 事故因素瓦斯、粉尘、水灾、等为重点研究对象，加强科技攻关，提高对煤 矿主要灾害的识别能力、监测预警能力、防治与控制能力是当前煤矿生产的首要 任务。整合全国煤矿安全科技资源，创立国家煤炭安全科技创新体系。在国家的 支持下开展煤矿安全基础研究、科技攻关；在国家资金引导下以企业投入为主， 开展应用技术研究、为煤矿企业改造升级、提高安全生产水平提供技术保障，为 采掘工作面大型装备提供安全保障技术。f 2 l 煤矿安全装备是防治煤矿事故的重要手段，在防治灾害事故中发挥了重要作 用，但目前仍有许多装备存在适应性不强、可靠性差的问题。 在煤矿井下开采过程中，高瓦斯或突出矿井广泛采用由真空泵和管路组成的 抽排系统抽出采掘工作面煤层中的瓦斯。近几年来大多数煤矿选用2 b e l 系列真空 泵( 简称抽排泵) ，该泵是用常温的清水作为工作介质、抽吸不含颗粒的气体。井 下抽排系统只是单向对瓦斯抽排，由于当泵的转速一定时，排放流量固定，在刚开 始启动排放时由于瓦斯浓度很高而导致出口瓦斯浓度超限。因而需要根据被排放 气体的瓦斯浓度及时调节排放流量以保证出口瓦斯量在允许的范围内。根据煤矿 抽放现场的调研和现场技术人员的交流，发现现行的井下抽排系统存在一些问题： ( 1 ) 启动抽排时通常造成排放巷道中的瓦斯超限。由于在停泵期间，工作面及 安徽理i ：人学硕十论文i 绪论 管道中上蓄积了大量高浓瓦斯，当抽排泵刚启动运行时，大量瓦斯经抽排泵排入 排放巷道中，此时会引起排放巷道中瓦斯超限，大大超出煤矿安全规程规定的浓 度。 ( 2 ) 在系统的启动和运行过程中，不能自动的根据被排放气体的瓦斯浓度及时 地调节排放流量，以保证出口处的瓦斯浓度不超限。 ( 3 ) 近几年来大多数煤矿选用2 b e l 系列真空泵( 简称抽排泵) ，根据抽排泵的 工作原理及工作环境，由于煤矿井下供水管路经常断水，抽排泵无水后，泵内的 瓦斯排不出去，此时泵继续运行，会引起泵内瓦斯爆炸。因此，水环式真空泵抽 吸瓦斯时必须安装可靠的断水保护装置。而现行系统中缺乏必要的断水保护功能。 ( 4 ) 调节输出流量的旁通阀设嚣存在安全隐患。在停泵及泵故障状态时，抽进 管道气压较高，会使瓦斯从旁通阀溢出，对整个系统的工作环境造成了安全隐患。 图1 现行井下抽排系统 f i 9 1 p r e s e n tp u m p j n g - e x h a u s ts y s t e m 针对上述问题开发研究煤矿瓦斯抽排泵的智能控制与优化运行系统。 1 2 煤矿瓦斯安全生产的现状、形势及任务 煤矿安全生产的现状主要表现为：( 1 ) 煤矿自然条件差，灾害多，煤矿瓦斯 大，危险性增加。我国所有煤矿均为瓦斯矿井。在l o o 个国有重点煤炭生产企业 的6 0 9 处矿井中，高瓦斯矿井占2 6 8 ，煤与瓦斯突出矿井占1 7 6 ，低瓦斯矿井 占5 5 6 ，淮南煤业集团公司所属l l 对矿井均为突出矿井。( 2 ) 煤矿机械化程度 低，安全技术装备不足。2 0 0 2 年统计，原国有重点煤矿有3 5 处高瓦斯突出矿井没 有按煤矿安全规程的要求配备瓦斯抽放装备，4 7 处高瓦斯和突出矿井没有装 备瓦斯监控系统，占高瓦斯突出矿井总数的1 7 。现有煤矿多数矿的监控系统装备 不全，尚未实现网络化管理，部分设备功能落后。i 2 】 2 安徽理r 人学硕+ 论文绪论 从煤矿安全生产发生事故总体情况分析，瓦斯事故仍然多发，死亡人数所占 比例最大。2 0 0 5 年全国煤矿发生瓦斯事故4 0 5 起，死亡2 1 5 7 人，同比减少2 8 起， 多死亡1 7 8 人，分别减少6 5 和上升9 o 。瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总 死亡人数的3 6 o 。5 8 起特大事故中，瓦斯事故4 0 起，占6 9 ；在2 7 起特大瓦斯 爆炸事故中，停风引起的瓦斯积聚1 2 起，占4 4 4 ；风量不足引起的5 起，占1 8 5 ： 通风系统混乱引起的8 起，占2 9 6 。【3 j 通过对2 0 0 5 年全国煤矿安全生产状况综合分析，更好地解决煤矿安全生产存 在的主要问题和矛盾，遏制煤矿安全生产重特大事故的发生，监察局提出：“狠抓 瓦斯治理措施的落实。坚决贯彻国家关于煤矿瓦斯抽采利用的政策规定，强力推 进“先抽后采”，新建高瓦斯矿井尤其是国有重点煤矿必须同时建设瓦斯抽放利 用设施，现有高瓦斯矿井必须达到规定的抽放标准，否则不准生产。所有煤矿都 要安装瓦斯监测监控设施，加强对现有设施设备和联网系统的维护检查。”1 4 】 我国煤矿安全生产的形势依然严峻，与国外发达国家相比存在较大的差距， 煤炭工业“走新型工业化道路”，实现煤矿的信息化和现代化，对煤矿安全生产科 技发展提出了更高的要求。当前，在瓦斯的处理及抽放问题上的任务，就是瓦斯 抽放技术的研究与推广，提高低透气性煤层、煤与瓦斯突出危险煤层的瓦斯抽放 率，使矿井的瓦斯抽放率和抽放量有较大幅度的提高。 1 3 模糊控制的应用前景 在控制领域中，经常采用的控制方法有：经典控制方法，现代控制方法和智能 控制方法。无论是经典控制方法，还是现代控制方法都需要知道系统的数学模型。 然而，在实际工业生产过程中，有的参数未知或缓慢变化，或常有延时及随机干 扰，这样就很难确定或根本无法确定数学模型。因此，对这样复杂系统，采用经 典或现代控制方法是很难达到预期的控制效果的。【5 】【6 l 鉴于上述原因，智能控制的应用只渐受到重视。智能控制有多个分支，模糊 控制是智能控制中应用最为广泛和最为成熟的一种方法。从广义上讲，模糊控制 是基于模糊推理，模仿人的思维方式对难以建立精确数学模型的对象实施的一种 控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组 成部分【7 j 。由于模糊控制直接借鉴人们的经验，因而有时也称为经验控制或规则控 制。其特点是无需知道被控对象的数学模型：可对不确定的或非线性系统进行控制 对系统的参数变化有很强的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ：具有很强的抗干扰能力。【8 l 【9 】 模糊控制是一种语言控制器，其近似反映最佳控制者一人的控制行为，可适 3 安徽理：人学硕十论文 1 绪论 用于不同的控制对象，特别适应于被控对象的数学模型未知或者很难精确建立的 场合。对于强耦合、随机因素多的控制条件下模糊控制也很有效。因此，在系统 中采用模糊控制方法较为合适。 1 4 本文的研究目的及内容 1 4 1 研究目的 鉴于上述分析的状况，本课题的研究目的就是从安全生产的角度出发，开发 研究煤矿瓦斯抽排泵的智能控制与优化运行系统，系统能够根据需要来智能地调 节抽放流量的大小。在现有的井下抽排系统基础之上，本课题的设计方案就是， 在排出与抽进通道间设置一个回流旁路，并设置一个阀门直接控制流量。经过分析 研究与试验验证，该措施具有：控制安全、有效；维护量小：成本低廉、经济实 用；节能。 由于整个抽排系统具有随机性、高度非线性，各个变量之间具有强耦合，要 建立该系统的精确的数学模型是不现实的。考虑到现场环境等各种因素，本系统 采用模糊控制的控制策略。这种方法是以微电脑模拟人脑的智能，代表了过程智 能控制的发展潮流。 1 4 2 研究内容 本人在课题的进行当中通过调研查找了大量与本课题有关的资料，并进行了 细致的消化。又结合煤矿工业现场的实际情况，考虑到这种非线性、多耦合、多 干扰、纯滞后系统，本课题提出一种以通用微控制器a t 8 9 c 5 2 作为整个系统的控制 核心，采用模糊控制算法，研制出一种适应瓦斯浓度变化的煤矿瓦斯移动抽排的 控制系统。通过从监测现场瓦斯浓度，自动调节管道阀门的开度，从而调节排出 瓦斯流量，最后达到控制大巷瓦斯浓度在安全范围内。文中详细分析了系统的工 作原理，设计了系统的硬件电路、保护电路及软件编制方案，列出了程序流程图 和部分程序清单。最后利用m a t l a b 仿真软件建立了系统的电气模型，并在此基础 上进行系统试验，得出了仿真波形和试验波形。根据试验结果分析，基本达到预 期效果。 1 5 本课题研究的实际意义 课题把智能过程控制技术、单片机技术、通讯技术等综合应用于煤矿瓦斯抽 排系统的运行控制。 4 安徽理l + 人学硕十论文1 绪论 由于煤矿自然条件的复杂性，丌采条件的多变性，而且存在着瓦斯、火灾、 水灾等自然灾害，造成了矿井的不安全。稍有不慎，就可能发生重大伤亡事故。 煤矿开采从一开始的直采，改良为现在的先抽后采，但出口处瓦斯浓度在抽排泵 刚启动运行时很大，仍然存在着安全隐患。 本课题以煤矿主要灾害为对象，提高煤矿防灾抗灾能力和煤矿安全监察水平 为重点，对现行的井下抽排系统进行优化。系统的优化改造实现智能化，自动化， 封闭无泄漏增强了综合防灾抗灾能力，大大降低了危险源和事故隐患，保障了井下 安全生产，经济节能，便于维护，可靠性高，具有很强的实用价值。 安徽理i ：人学硕士论文2 系统概述 2 系统概述 2 1 煤矿瓦斯移动抽排的智能控制系统整体结构及性能 2 1 1 系统结构 系统拟采用两个甲烷浓度传感器，分别为管道高浓t 1 、混合风流低浓t 3 。系 统结构示意图及其控制原理图如图2 、3 所示如下： 图2 系统示意图 f i 9 2 1 1 1 ew h o j es y s t e m 圈3 复合控制系统原理幽 f i 9 3 s c h e m a “cd i a g 阳mo f t h ec o m p o u n dc o n t r o is v s t e m 6 安徽理i ：人学硕十论文2 系统概述 2 1 2 系统组成 系统硬件主要由a t 8 9 c 5 2 单片机，显示键盘接口，瓦斯浓度测量及a d 转换 接口，阀门电动机构、d a 转换电路、看门狗眦x 8 1 3 l 电路、电源电路等组成。 系统运行过程是：首先，泵停止状态下，检测阀门是否通电，若己通电，将闸 阀f 、f 2 完全打丌，闸阀f l 完全关闭，则丌启抽排泵工作。运行时，根据管道高 浓瓦斯传感器t 1 进行测量，判断浓度是否达到可存储和利用的浓度，若达到，则 关闭闸阀f 2 ，打丌f l ，否则打开闸阀f 2 ，关闭f 1 ，同时结合瓦斯传感器t 3 检测 值，进入模糊控制状态，利用模糊控制的查表法确定控制量，继而通过接口电路 对被控对象进行控制，实现对t 3 处浓度的控制，系统运行过程中，若检测的回风 巷道中瓦斯浓度t 3 超限，则给予报警并使抽排泵停止运行。此外，系统运行过程 中，通过一流量传感器检测抽排泵中水流状况，以能够实现对抽排泵的断水保护。 图4 系统硬件结构不恿图 f i 9 4 h a r d w a r e 蚰1 l c t u r ed i a g r a m 2 1 3 系统特点和功能【o 】_ 【1 4 】 该系统的主要特点及功能有： 该系统在抽进管道与排出管道间设计了一阀门，把泵的输出分解为有效流 量和无效流量，实现了抽排流量的自由调节。保证了泵启动时和运行过程中出口 处的瓦斯浓度为最佳值。并可及时调度瓦斯的排放路径。 具有浓度监测、显示、超限报警，断电，信息联网等功能。 该系统安装了可靠的断水保护装置。在井下供水管路水压不够时能及时停 7 安徽理i 人学硕十论文2 系统概述 泵并报警，以确保安全。 系统可降低电机的起动电流。 硬件上采用了单片机等最新逻辑芯片，软件上采用了模糊控制等智能控制 策略。 本装置可实现对多台泵并联工作的同时控制。 2 2 风量调节方案的选择f 1 5 】【m 】 对现有的井下抽排系统，有两种优化方案，分别是在排出与抽进通道间设置 一通风回路，并设置一阀门直接控制流量；通过变频装置控制抽排泵的工作。 风机的参数及特性说明如下。 风机的基本参数有： ( 1 ) 风量q 一单位时间流过风机的空气量( m 3 s ，皿3 m i n ，m 3 h ) ： ( 2 ) 风压h 一当空气流过风机时，风机给予每立方米空气的总能量( 妇m ) 称为风机的全压h t ( k g m m 3 ) ，其由静压h s 和动压h d 组成。即h t = h s + h d ； ( 3 ) 轴功率p 一风机工作有效的总功率，又称空气功率： ( 4 ) 效率q 一风机轴上的功率p 除去损失掉的部分功率后剩下的风机内功率 与风机轴上的功率p 之比，称为风机的效率。 风机的流量，运行压力，轴功率这三个基本参数与转速间的运算公式极其复 杂，同时风机类负荷随环境变化参数也随之变化，在工程中一般根据风机的运行 曲线，进行大致的参数运算，称之为风机相似理论：风量q 与电机转速n 成正比， q o c n ：风压h 与电机转速n 的平方成正比，h o c n 2 ；轴功率p 与电机转速n 的立方 成正比，p o c n 3 。 本系统中，目的是控制回风大巷瓦斯浓度t 3 不超限，影响t 3 的主要因素是 抽排泵排出的瓦斯流量及乏风中的瓦斯含量，因乏风中瓦斯含量极小且瓦斯含量 基本保持不变，所以系统中只需要考虑控制抽排泵的排出量，从而控制t 3 。控制 流量q 由两种方法，一是，根据风机相似理论，通过变频装置改变风机转速控制， 二是在抽排泵的排出与抽进通道问设置一回流旁路，并设置一阀门直接控制流量。 采用变频装置节能有效，但不便维护、造价较高；而采用方法二中的通风回路， 根据检测的t 1 、t 3 控制通风回路的阀门开度，从而控制排出流量。方法二在系统 运行过程中，通过设置的通风回路使得抽排泵两端压差减小，即抽排泵负载减小， 使得抽排泵功耗降低，节约能量，系统设计安全、经济、有效、便于维护。因此 在井下瓦斯抽排系统的风量控制方案采用在通风回路的控制策略。 8 安徽理i 人学硕+ 论文2 系统概述 2 3 断水保护性能说明i ”8 在煤矿井下开采过程中，高瓦斯或突出矿井广泛采用由真空泵和管路组成的 抽排系统抽出采掘工作面煤层中的瓦斯。近几年来大多数煤矿选用2 b e l 系列真空 泵( 简称抽排泵) ，该泵是用常温的清水作为工作介质、抽吸不含颗粒的气体。但 由于煤矿井下供水管路经常断水，抽排泵无水后，泵内的瓦斯排不出去，此时泵 继续运行，有两种情况能引起泵内瓦斯爆炸：第一种情况，抽排泵的出厂装配总间 隙为0 2 5 o 3 5 册，由于巷道经常发生变化，当泵体倾斜超过o 2 v 标准时，转 轴倾斜，转子串动磨擦配气盘产生热量，此时泵内若无水冷却，温度会急剧上升， 超过6 5 0 以上时点燃泵内瓦斯燃烧，引起瓦斯爆炸：第二种情况，钻孔中的岩石 颗粒沿着抽排管路被吸人泵内，随水介质一起做圆周运动，当供水管路断水后， 岩石颗粒被转子搅动撞击产生火花，点燃泵内瓦斯引起瓦斯爆炸。因此，水环式 真空泵抽吸瓦斯时必须安装可靠的断水保护装置。目前使用较多的断水保护装置 是选用电极法( 电极式) ，即测量泵的出水端管路内有无水的原理来判断是否断水。 该方法的主要缺陷是：电极容易氧化导致保护拒动：进水侧管路断水后管内有留水 流尽后电极离开水，保护才开始动作，间隔时间较长。 在本系统中是采用流量鉴别法测量管路内有无水流过的原理来判断是否断 水。它根据泵的型号和抽排量的大小来确定水量的多少，由电子电路连续监测水 的流动情况，一旦水流发生变化，小于电路的整定值时，发出报警信号同时断电。 它与电极式相比保护性能可靠、定值可调、维修简单。 流量式断水保护工作原理：断水保护部分由流量传感器、执行电路组成。流 量传感器主要由磁感应转换器和涡轮组成。流体流过传感器时，先经过前导流件， 再推动铁磁材料制成的涡轮旋转。旋转的涡轮切割壳体上的磁电感应转换器的磁 力线，磁路中的磁阻便发生周期性的变化，从而感应出交流电信号。信号的频率 与被测流体的体积流量成正比。传感器的输出信号经前置放大器放大后并经过a d 变换输至单片机，单片机输出控制信号给断水保护电路执行机构，从而实现断水 保护。 9 安徽理i ：人学硕十论文 3 模糊控制器的设计 3 模糊控制器的设计 3 1 模糊控制介绍 3 1 1 模糊控制的产生及发展 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学的扎德( l a z a d c h ) 教授发表了两篇开创性的 论文：“模糊集( f u z z ys e t s ) ”和“模糊集与子系统( f u z z ys e t sa n ds y s t e m s ) ”， 从而产生了模糊集合论，并奠定了模糊集理论和应用研究的基础。【”】 人们经过长期的研究和实践形成的经典控制理论对解决线性定常系统是比较 有效的，再后来又出现了基于状态空间的现代控制理论，它在解决线性或非线性、 定常或非定常问题上得到了广泛的应用。但是，不管是古典控制理论还是现代控 制理论都必须事先知道被控对象的精确数学模型，然后才能进行控制系统的设计。 而被控对象的数学模型很难建立，这时，利用前述的方法就很难实现理想的控制。 对于有经验的操作人员来说这种被控对象进行手动控制却能达到较好的效果。这 样，一些学者就把模糊集的思想引入系统控制，提出了模糊控制的概念，并开展 了理论及应用方面的研究。、 近3 0 年来，模糊控制在控制领域的应用越采越受到人们的重视。国内外不少 专家、学者、工程技术人员都致力于模糊控制的研究，并将模糊控制器用于工业 过程控制方面，取得了良好的效果。1 9 7 4 年，英的e h m a m d a n i 首先把模糊控 制语言组成的模糊控制器用于控制蒸汽发动机。1 9 7 5 年，英国的k i n g 及m a m d a n i 利用模糊控制器控制一个反应炉搅拌池的温度。1 9 7 6 年，荷兰学者k i c k e r t 等人 通过模糊控制器解决了热交换过程中非线性、干扰、非对称增益特性和时滞的控 制问题，收到了最佳p i 控制的效果。1 9 7 6 年，英国学者t o n g 对压力容器内部的 压力和液面进行模糊控制。1 9 7 7 年，英国的p a p p i s 等采用模糊控制，对十字路口 的交通管理进行试验，使得平均等待时间减少7 ，1 9 7 9 年英国的i j p r o c y 和e h m a m d a n i 研究一种自组织的模糊控制器，这种控制器在控制过程中能不 断地修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断完善。1 9 7 9 年，丹麦f l s m i d t h 公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统投入运行，1 9 8 2 年又研制成功n o 分析器 和上述系统配合使用，实现了湿法水泥窑的模糊控制。1 9 8 3 年，r 本学者s h u t a m u r a k a m i 研制成功一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，成功地用于汽车速 度的自动控制。 从1 9 7 9 年丌始，我国也不断开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工作， 1 0 安徽理j ：人学硕士论文 3 模糊控制器的设计 耿得了一定的理沦成果。近十五年来，国内在工业过程控制中，尤其是在工业炉、 窑的控制中应用模糊控制取得了不少成果。河北科学院自动化研究所安建民等设 计的可锻铸铁退火炉温度模糊自寻优控制系统，1 9 8 5 年1 2 月通过鉴定。1 9 8 6 年， 湖南大学罗安等把模糊自适应控制成功地用于气炼机控制系统。重庆电子技术研 究所华晓呜设计的电弧冶炼炉的模糊控制系统1 9 8 6 年4 月投入运行，并与同年1 0 月通过化工部组织的鉴定等。煤矿行业中，如煤矿生产过程自动控制；选矿破碎 过程的控制；参数自调整煤矿供水模糊控制系统；模糊控制理论在煤矿通风安全 自动化系统中的应用等。从以上介绍的部分有代表性的研究情况来看，模糊控制 的理论研究和推广应用工作在我国不仅有了良好的开端，而且逐步成为引人瞩目 的一个热点技术，具有广阔的应用前景f 2 0 】。 3 1 2 模糊控制的原理简介 模糊控制就是建立在人类思维模糊性的基础上的一种控制方式，模糊控制与 经典控制及现代控制有着本质的区别，它不象经典控制那样需要用精确数字描述 传递函数，也不象现代控制理论那样需要用矩阵表示状态方程。模糊控制的核心 是在于它用具有模糊性的语一言条件语句作为控制规则去执行控制。控制规则往 往是由对被控过程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制本质上来说是种 专家控制。这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。f 2 1 】陋】模糊控制属于计 算机数字控制的一种形式，模糊控制的基本原理可以由图5 所示，它的核心部分 是模糊控制器【2 3 】，如图中虚线框中部分所示。 模糊控制系统一般可分为五个组成部分【2 4 】： ( 1 ) 模糊控制器自动控制系统中的核心部分，由于被控对象的不同，以及对 系统静态，动态特性的要求和所应用的控制规则各异，可以构成各种类型的控制 器，如在经典控制理论中，用运算放大器加上阻容网络构成的p i d 控制器和由前 馈、反馈环节构成的各种串、并联校正器等。而在模糊控制理论中，则采用基于 模糊控制知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这也是模糊控制系统区别 于其它自动控制系统的特点所在。 ( 2 ) 输入，输出接口模糊控制器通过输入，输出接口从被控对象获取数字信号 量，并将模糊控制器决策的输出信号经过数模转换，转换为模拟信号，然后送给 被控对象。在i o 接口装置中，除a d 、d ，a 转换外，还包括必要的电平转换电路。 ( 3 ) 执行机构包括各交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机，气动调节 阀和液压电动机、液压缸等。 安徽理j ：人学硕十论文 3 模糊控制器的设计 模糊矩阵虿和五的合成虿。豆称为虿对豆的模糊乘积。式中荇为一个模糊量。 k 蝴兰；嘉jl 待第二次采样，进行第二步控制。这样循环下去，就实现了被控对象的模糊 1 2 安徽理i 人学硕士论文 3 模糊控制器的设计 1 把系统的偏差从数字量转化为模糊量。 2 对模糊量进行一定给出规则的推理。 3 把推理的结果从模糊量转化为可用于实际控制的数字量。 若用框图表示，如下图6 所示。 一数字繁转化为模 一模糊推理i 一模糊繁转化为数i i 糊量( 模糊化) i l l l 字量( 反模糊化) l 幽6 模糊控制器缳成框图 f j 9 6 t h e m p o s i t i o no ff u z z yc o n t m l l e 随着科学技术的发展，模糊逻辑和模糊控制的应用越来越多，越来越广泛， 因而要求系统具有一定的通用性，以适应不同的场合，模糊控制是一种语言控制 器，其近似反映最佳控制着人的控制行为，可适用于不同的控制对象，因此， 在系统中采用模糊控制方法。 3 1 3 模糊控制器的输入变量和输出变量 人对于误差、误差的变化以及误差变化的速率的敏感程度是有差异的。一般 来说，人对误差最敏感，其次是误差变化，再次是误差变化的速率。 墨_ 一模糊控制器i _ - 模糊控制器 ( 1 ) 一维模糊控制器( 2 ) 二维模糊控器 矿 j 厂一 模糊控制器 l 髀瞄 ( 3 ) 二维模糊控器 图7 模糊控制器的结构 f i 9 7 t h e s t r u c t u r eo f f u z z yc o n t r o n e r 安徽理i 。人学硕十论文3 模糊控制器的设计 由于模糊控制器的控制规则时根据人的手动控制规则提出的，所以模糊控制器的 输入变量也可以有三个，即误差、误差的变化率及误差变化率的变化率，输出变量一 般选择控制量的变化。如图7 所示。 通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。一般情况下，一维 模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器的输入变量只选误差一个，它的 动态控制性能不佳。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维 数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。目前被广泛采 用的均为二维模糊控制器，这种控制器以误差和误差的变化为输入变量，以控制 量的输出为输出变量。将变量的实际变化范围划分成若干等级，这些等级的全体 称为变量的论域。在这个论域上定义相应的语言变量。描述输入变量及输出变量 的语言值的模糊子集形如 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 ，一般简 写为 n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b 。将实际变化范围内的输入值转换成论域范围 内的有关等级值的过程称为模糊化过程。例如，设k ，k ：分别是误差和误差变化的 比例因子，( 一p 。，p 。) 为关于误差的论域，( 一c e 。，c p 。) 为关于误差变化的论域， ( 一8 。，p 。) 为误差变化的实际范围，( 一c 。，卵。) 为关于误差变化的实际范围，则 k = 鱼 p ” k ：! 鱼 卵” 确切输入量和比例因子相乘后，取其距离最近的等级值，即成为论域中的元 素。同样经模糊化推理和决策后得到的控制量，与实际控制量之间也有一个比例 关系。因此也需要通过比例因子将论域中的等级值转换成确切的控制量。设 一u ，u 为关于控制量的论域，( 一u 。，u 。) 为控制量的实际变化范围，如为输出比例因子， 则 女，：翌 “” 在有些情况下，模糊控制器的输出变量可按两种方式给出。例如，若误差“大” 时，则以绝对的控制量输出：而当误差为“中”或“小”时，则以控制量的增量( 即 控制量的变化) 为输出。尽管这种模糊控制器的结构及算法都比较复杂，但是可以 获得较好的上升特性，改善了控制器的动态品质。 4 安徽理i ：人学硕士论文3 模糊控制器的设计 3 1 4 模糊控制器的隶属函数 隶属函数形式有多种，根据实际问题而具体确定或选用。在实际应用中为方 便起见，常采用梯形、三角形和钟形居多。定义一个模糊子集，实际上就是要确 定模糊子集隶属函数曲线的形状。分析表明【2 5 j 隶属度函数曲线形状较尖的模糊子 集其分辨率越高，控制灵敏度也越高：相反，隶属度函数曲线形状较缓，控制特性 也较平缓，系统的稳定性较好。因此，在选择模糊变量的模糊集隶属函数时，在 误差较大的区域采用低分辨率的模糊集，在误差较小的区域采用较高分辨率的模 糊集。在定义一个模糊变量的隶属函数时，要考虑到它对论域的覆盖程度，还要 考虑各模糊集合相互间的相互影响，即两个模糊集合之间的交集大小。二者交集 大时控制器鲁棒性强，交集小时控制灵敏度高，所以应适当选择交集的大小，即 模糊集合的重叠度。 3 1 5 模糊控制规则、推理及其模糊量的非模糊化方法 在模糊控制的原理框图5 中，对建立的模糊控制规则要经过模糊推理才能决 策出控制变量的一个模糊子集，它是一个模糊量而不能直接控制被控对象，还需 要采取合理的方法将模糊量转换为精确量，以便最好的发挥出模糊推理结果的决 策效果。把模糊量转换为精确量的过程称为非模糊( d e f u z z i f i c a t i o n ) 。模糊控制 规则是对系统控制经验的总结，这些经验用模糊条件语句来表述。模糊规则的产 生有四种基本方法： 根据专家经验或过程知识生成控制规则： 根据过程的模糊模型生成控制规则： 根据对手动控制操作的系统观察和测量生成控制规则； 根据自学习算法生成控制规则。 控制规则一般用i f t h e n 语句来描述。当模糊控制器有多个输入变量和多 个输出变量时，可用i f m 奶a n d t h e n a n d a n d 二语句来描述。模糊 推理及其模糊量的非模糊化过程的方法尚在发展中，主要有以下几种： ( 1 ) m i n m a x 一重心法( c e n n t o i d ) 考虑以下模糊推理形式： 规则1 ：a la n d b l t h e n c l 规则2 ：a 2a n d b 2 t h e n c 2 规则n ：a n a n d b n t l l e n c n 1 5 安徽理l ：人学硕十论文 3 模糊控制器的设计 为 即 前提：x oa n dy o 结论：c ( 3 5 ) 出前提“x oa n dy 0 ”和各模糊规则“a ia n db ，t h e nc ”可以得到推理结果c 以，( z ) = p h ( x o ) 且( j 龟) r ，0 ) 其中 表示m i n 。 式( 2 5 ) 最终结论c 是由综合推理结c l ，c 2 ，c 。得到的 麒- ( z ) 2 以，( z ) v 段j ( z ) v 。一：( z ) 其中v 表示m a ) 【。模糊集合c 的“重心”可由下式计算 。( 乙) z 气= 型f 一 ，( 五) l - l 上述的m i n m a x 一重心法是有名的m a i i l d a n i 推理法，其实质是加权平均法，加 权系数为段( z ，) 。 ( 2 ) 最大隶属度法( m a x ) 选择模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量 大的元素”应当满足： 脚( “) 脚( “) 例如模糊子集c 所选择的隶属度函数最 若“+ 仅为一个，则选择该值作为控制量。若“有多个，则取它们平均值( m o m ) 。 此方法还有最大隶属度的最大值法( l 0 w ) ，最大隶属度的最小值法( s o m ) 等。 3 2 模糊控制在井下抽排控制系统中的应用 模糊控制是一种非线性的控制方法，是属于非线性、智能化控制范畴的一种 计算机控制。以其简洁性赢得了更高的可靠性，以其并行运算加快了控制的响应 速度，以其单个规则的独特性抵消了个别规则的响应误差对全局的影响程度，使 整个系统的抗误差能力增强，鲁棒性增强。与一般的控制技术相比，模糊控制具 有以下几方面的特点： 1 6 安徽理l ：人学硕十论文 3 模糊控制器的设计 ( 1 ) 不需要建立精确的数学模型。它可以利用人的直接经验，把人的控制规则 模型化，模拟人的控制即实现智能控制。在工业生产的过程控制中，应用模糊控 制技术可以模拟熟练操作者经验，实现对系统的闭环控制。 ( 2 ) 传统的控制方法是以传递函数的基础实现的，现代控制方法是以状态方程 为基础实现的，而模糊控制则是以模糊控制规则或模糊矩阵来实现的。 ( 3 ) 模糊控制器结构简单，易于实现，成本低廉。生产过程增加模糊控制，所 需增加的设备投资很少，可以实现低附加成本值和高附加利润的统一。 ( 4 ) 模糊控制器具有较好的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ，主要是： 对系统参数变化的适应性强。当系统的参数变化时，容易实现较稳定的控 制。 由于用模糊边界代替了原来发生0 1 突变的边界点，所以系统的稳定性 和抗干扰能力强。 只要规则设定合理，就可以避免恶性循环和险情发生。 ( 5 ) 模糊控制器实际上是给出了一种知识表示和推理的方法，可用来设计一类 决策系统和专家系统。 本课题设计的瓦斯浓度模糊控制器就是为了自动调节在抽排泵抽进与排出管 道所设置的一个通风回路流量，其通过自动调节阀门开度实现，从而自动调节了 排入大巷中的瓦斯流量，自动将瓦斯浓度控制在安全范围内。对于这种自动控制 的要求，必须寻找到输入量与输出量的对应关系。而巷道内瓦斯的涌出又是随机 的，考虑到这种非线性、多耦合、多干扰、纯滞后系统，我们采用模糊控制方法来 实现对阀门的自动控制。本课题提出了将模糊控制理论应用于阀门开度控制，使 阀门随着瓦斯浓度的变化自动调整其开度，从而自动调节了流量。 3 3 瓦斯浓度模糊控制器的设计 在实际应用中，模糊控制器有两种实现方式，一种是由模糊逻辑芯片组成的 硬件专用模糊控制器，用硬件芯片来直接实现模糊控制算法，其特点是推理速度 快、控制精度高，但价格昂贵，输入和输出以及模糊规则都有限，且灵活性较差： 另一种是采用与数字控制器相同的硬件结构，而在软件上采用模糊控制方式来实 现控制，这种模糊控制器资源开销少，灵活性高，通用性强，应用广泛。本课题 就采用后一种方式，因此，模糊控制器的设计实质上就是设计模糊控制算法，根 据模糊控制原理，按以下