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论文题目：基于模糊控制的局部通风机瓦斯智能排放研究 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：戴良军 指导教师：马宪民 摘要 ( 签名) ( 签名) 勺l 一受歹 庇敞厂 局部通风机是井下掘进过程中的主要设备，其使用的灵活性和效能直接影响着瓦斯 的安全排放。目前，我国大多数煤矿井下局部通风机调速能力较差，智能化程度较低， 且多数是不调速的。在井下，局部通风机一接进电网便无控制地长期恒速运转，“一风 吹一现象非常严重。这样既浪费了电能，又极易造成上隅角瓦斯聚集，形成事故隐患。 针对这一问题，本文设计了一种结合模糊控制技术的局部通风机瓦斯智能排放自动调节 系统。 论文首先阐述了掘进工作面局部通风机瓦斯排放的现状和存在的问题，以及本文研 究的主要内容及意义。然后对局部通风理论进行了总结和概括，包括掘进巷道的通风要 求及布置情况，掘进工作面通风方式和工作面风量计算，并对风机节能原理作了说明。 论文对瓦斯浓度模糊控制器进行了设计，控制器以掘进巷道瓦斯浓度的偏差和偏差变化 率作为输入，控制变频器的输入电压为其输出。在常规模糊控制器的基础上，设计了自 调整参数、自调整因子和复合型等优化模糊控制器。采用优化模糊控制算法后，系统响 应速度变快，控制性能显著改善。为减少掘进工作面上隅角瓦斯聚集，运用双模模型理 论，制定了掘进工作面正常通风和瓦斯超限排放两种状态下掘进工作面迎头、掘进巷道 回风流和回风巷混合风流处三点瓦斯浓度的隶属度函数，仿真得出了两种状态下各点对 应瓦斯浓度范围及对应的电源频率和电机转速。论文以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 为基础，对 系统软硬件进行了研究设计，包括系统主电路、控制电路和保护电路的设计。软件部分 采用模块化设计思想，编制了主要模块的软件流程框图。结合变频器综合控制实验台， 做了相应实验。 研究证明，本论文将模糊控制思想引入到掘进工作面瓦斯排放中，有效地提高了系 统的智能化水平和安全性指标，为掘进工作面瓦斯智能排放提供了一定的方法指导。 关键词：局部通风机；正常通风；瓦斯超限排放；优化模糊控制；d s p 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho hg a si n t e l l i g e n td r a i n a g ef o rl o c a lf a nb a s e do n f u z z yc o n t r o l s p e c i a l i t y ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i c n a m e：d a il i a n g j a n i n s t r u c t o r ：m ax i a n m i n a b s t r a c t t h el o c a lf a ni st h em a i ne q u i p m e n ti nt h em i n ed r i v i n gp r o c e s s ，w h o s ef l e x i b i l i t ya n d e f f i c i e n c yc a nd i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo fg a sd i s c h a r g e a tp r e s e n t ，t h ed r i v i n gm o t o ro fl o c a l f a ni nt h em o s tc o a lm i n ec a nn o tc h a n g ei t sf r e q u e n c yi n t e l l i g e n t l y , w h o s ei n t e l l e c t u a l i z e d d e g r e ei sl o w e r , a n di nt h em o s to fm i n et h ef r e q u e n c yo ft h ed r i v i n gm o t o ri si n v a r i a b l e i n t h em i n ew e l l ，t h el o c a lf a nw o r k si nt h el o n g t e r mc o n s t a n ts p e e d 嬲s o o n 嬲i tm e e t st h e e l e c t r i c a ln e t w o r k ，t h ep h e n o m e n o no fi n v a r i a b l es p e e di se x t r e m e l ys e r i o u s i tc a nn o to n l y w a s t ee n e r g yb u ta l s ob ee a s yt ot r e a tt h eu l t r ad e n s i t yg a sd r a i n a g ea n dc a u s et h ep o t e n t i a l a c c i d e n t s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n e da ni n t e l l i g e n td r a i n a g es y s t e mo fg a sf o rl o c a lf a n , c o m b i n i n gt h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h m t h i ss y s t e mc o n t r o l sa n dc h a n g e st h ev e l o c i t yo fl o c a l f a ni nt h eb e s te f f i c i e n c ya u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u o u s l y , a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so f c h a n g e a b l eg a sd e n s i t y , i nt h ec o n d i t i o no fs a t i s f y i n ga i rq u a n t i t yt h ew o r k e r sn e e d e di nt h e h e a d i n gf a c e t ob e g i n 丽m ，t h e p a p e ri n d i c a t e st h ee x i s t e n tp r o b l e m sf o rm i n i n gl o c a lf a ng a sd r a i n a g e i nt h eh e a d i n gf a c e ，i n c l u d i n gi t sa c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c y , 嬲w e l l 嬲t h er e s e a r c h c o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c e i na d d i t i o n ，v e n t i l a t i o nr e q u i r e m e n t sa n da i r f l o wr e g u l a t i o na n df a n e n e r g y c o n s e r v a t i o n p r i n c i p l e i nc o a l m i n ea l ei n t r o d u c e d d e t a i l e d l ya m o n gt h el o c a l v e n t i l a t i o nt h e o r y t h ef u z z yc o n t r o l l e ri sg a i n e d 嬲t h em o s ti m p o r t a n tp a r to fg a sd r a i n a g e s y s t e mi nt h eh e a d i n gf a c e ，w h o s ei n p u tv a r i a b l e sa r eg a sd e n s i t ye r r o ra n dg a sd e n s i t ye r r o r c h a n g ea n do u t p u tv a r i a b l ei st h ec o n t r o lv o l t a g eo ft h et r a n s d u c e r t h es e l f - o r g a n i z i n g p a r a m e t e r sf u z z yc o n t r o l l e r , s e l f - o r g a n i z i n gw e i g h tf u z z yc o n t r o l l e ra n dc o m p o u n df u z z y c o n t r o l l e ra r ed e s i g n e dt oc o m p a r ew i t hn o r m a lg a sf u z z yc o n t r o l l e rs e p a r a t e l yb ys y s t e m m o d u l ea n dt h e o r ya n a l y s i si nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o r m a lg a sf u z z yc o n t r o l l e r w i m t h em o s ti m p o r t a n t ，t h em e m b e r s h i pf u n c t i o n so fg a ss e n s o r sl o c a t i n go nt h eh e a d i n gf a c e ，o n t h eu p c a s ta i ra n do nt h eg a s e o u sm i x t u r ed u r i n gt w os t a t e so fn o r m a lv e n t i l a t i o na n dg a s d i s c h a r g i n gi nt h eh e a d i n gf a c ea r ef o r m u l a t e da c c u r a t e l y i nt h ef o l l o w i n g ，t h eg a sd e n s i t yi n d i f f e r e n tp o s i t i o n sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gp o w e rf r e q u e n c ya r eo b t a i n e db yd o u b l ef u z z y c o n t r o lm o d e ls i m u l a t i o n i nt h ee n d , t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e ma r e d i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l y , w i t i lt h et m s 3 2 0 f 2 812d s pc h i pa si t sc o n t r o lc o r e t h eh a r d w a r e p a r tc o n t a i n sm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t ，a n dt h es o f t w a r ep a r tp r o v i d e s s o m es u b r o u t i n ef l o wc h a r t s 、析t 1 1t h ei n t r o d u c t i o no fm o d u l i z a t i o nd e s i g nc o n c e p t i te n h a n c e st h ei n t e l l i g e n c ea n ds a f e t yo ft h el o c a lf a ng a sd r a i n a g es y s t e mg r e a t l yi nt h e h e a d i n gf a c ei nv i r t u eo ff u z z y c o n t r o lt h e o r y , w h i c hp r o v i d e ss o m em e t h o di n s t r u c t i o n sf o r l o c a lf a ng a si n t e l l i g e n td r a i n a g e k e y w o r d s ：l o c a lf a nn o r m a lv e n t i l m i o ng a sd i s c h a r g i n g t h e s i s o p t i m i z a t i o nf u z z yc o n t r o l d s p 要料技史学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 学位论文作者签名 i 爷w 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本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和汇编本学位论文。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西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名： 年日 1 绪论 1 1 课题选题背景 1 绪论 我国是一个煤炭产销大国，煤矿安全关系着我国的经济发展、社会安定和国际声誉。 近年来我国煤矿安全状况得到一定程度的改善，煤矿的百万吨死亡率从2 0 0 1 年的5 8 5 降到2 0 0 5 年的2 8 1 ，再到2 0 0 6 年的2 0 4 1 1 l 】；然而与先进采煤国家相比，我国煤矿的百 万吨死亡率高出几十倍，2 0 0 2 年美国煤矿百万吨死亡率只有0 0 2 5 。我国煤矿安全生产 形势依然严峻，事故总量依然偏大，重大事故起数和死亡人数有所增长，一些地区安全 状况还不稳定，一些时段出现反弹。我国煤炭有9 6 为地下开采【2 】，国有重点煤矿大多 数属于瓦斯矿井，其中4 6 为高瓦斯矿井。在煤矿的瓦斯、煤层、火、水、顶板和机电 六大事故灾害中，瓦斯灾害是煤矿事故中的“第一杀手，始终是煤矿安全生产的大敌。 据国家安全监督管理总局统计，2 0 0 1 年1 月至2 0 0 8 年2 月，全国煤矿发生一次死亡3 0 人以上的事故4 l 起，死亡2 5 3 8 人；其中，瓦斯事故3 3 起，死亡2 1 5 8 人，事故起数和 死亡人数分别占8 0 4 9 和8 5 0 3 i 引。新中国成立以来煤矿发生的死亡百人以上事故， 9 5 为瓦斯事故，瓦斯始终是我国煤矿安全的最大威胁。投入瓦斯灾害的防治费用每年 高达2 0 亿元，给煤矿生产带来沉重的经济负担。 矿井掘进工作面是瓦斯煤尘事故多发地点，局部通风机是井下掘进过程中的主要设 备，其使用的灵活性和效能直接影响着瓦斯的安全排放。目前，我国大多数煤矿井下局 扇选配的驱动电机调速能力较差，智能化程度较低，整个电控系统可靠性差，故障点多 且查找故障困难，不利于分析和查找事故原因，且大多是不调速的【4 1 。在井下，局部通 风机一接进电网便无控制地长期恒速运转，其转速不能随着瓦斯浓度的变化而变化，不 能针对井下工作面的实际情况调整矿井的各采区风量供应，这不仅浪费了大量电能，而 且随着工作面的推进，巷道距离加长，风筒阻力增大，矿井通风网络阻力特性变复杂， 瓦斯浓度变化亦有很大差异，常使用“一风吹 排放瓦斯，不控制瓦斯排放速率，极易 造成上隅角瓦斯聚集( 具体数据见附录) ，聚集的瓦斯空气混合气体团沿巷道流动，流 动路径上遇到火源则产生爆炸【5 】。瓦斯爆炸会产生高温、高压、冲击波，并放出有毒气 体，给煤矿安全生产造成极大困扰，甚至威胁到矿工生命和整座矿井的存亡。瓦斯爆炸 后，在爆炸地点，由于空气稀薄，温度急剧下降，水蒸气凝结成水，在爆炸源附近会迅 速形成低压区，因而爆炸波又会反向冲击，这对巷道的破坏性更大。当低压区迅速积聚 瓦斯，或反向冲击的空气中带来的瓦斯足够多，又有充足的氧气和引爆火源时，就可形 成二次爆炸。防止井下瓦斯聚集，必须加强矿井通风，按实际需要分配风量并及时调节 风量，利用新鲜空气来稀释并排出瓦斯1 6 1 。为保证井下有足够的风量，每个矿井都必须 西安科技大学硕士学位论文 采用通风机。局部通风机设置在掘进工作面进风口的新鲜风流处，给矿井掘进工作面供 风，防止产生循环风。 局部通风机的功率选择是按照最长掘进距离时必须保证人员正常吸氧和瓦斯浓度 不超限的原则进行的，因此局部通风机选择一般都偏大，当巷道掘进深度较短时，就会 出现“大马拉小车 的现象，造成电能浪费，这个时候，我们就希望能够根据实际需要 调控风量；另一方面，当巷道出现瓦斯集聚时，需要进行排放处理，为了保证回风巷中 瓦斯浓度不超限，新鲜风流和乏风流汇合处的瓦斯浓度要求不超过1 5 ，必须控制瓦 斯排放的速度，以防“一风吹”排放瓦斯造成的危害1 7 j 。由此可见，局部通风机的运行 控制将直接影响井下作业条件和矿井生产成本。 针对通风机恒速运转而造成“一风吹 排放瓦斯，致使工作面上隅角瓦斯浓度超限 问题，本课题研究了一种结合模糊控制技术的局部通风机瓦斯智能排放系统。以满足工 作面人员需要的风量( 人均4 m 3 m i n ) 为原则【1 1 1 ，以变化的瓦斯浓度为参量，利用模糊控 制技术控制变频器，控制局部通风机的转速，自动地连续调节局部通风机转速，使其在 最佳的工况下运转，实时合理地控制供风区域的风量，使瓦斯排放缓慢有序地进行，促 进瓦斯与风流混合，有效地降低瓦斯积聚的可能性，提高瓦斯排放效果，既保证矿井安 全生产，也减少局部通风机由于长期恒速运转造成的电能浪费。 1 2 矿用局部通风机现状与发展 矿用局部通风机是煤矿井下通风不可缺少的安全设备，使用量大、面广。它为采掘 工作面提供新鲜风流，供井下作业人员呼吸，排出有毒有害气体和粉尘，保障作业员工 人身安全，改善作业场所环境条件。其质量、安全可靠性对煤矿安全生产和经济效益产 生很大影响。一旦出现故障，轻者造成停产，重者会发生安全生产事故，造成人员伤亡 和财产损失。 ( 1 ) 发展历史概述 英国、日本、德国、波兰等国家煤矿用局部通风机技术水平较为先进1 1 2 1 。日本是世 界上研制和生产对旋风机最早的国家之一，日本三井三池制作所1 9 6 5 年开始生产对旋 式风机，1 9 7 1 年开始研制无声对旋式风机，轴流式风机降噪方面领先于其它厂家。进入 8 0 年代，着手无声对旋式风机的改型更新工作，并取得了一定效果。其生产的对旋式风 机共有9 种型号，叶轮直径范围为4 0 0 - - 1 2 5 0 m m ，噪声范围为7 7 9 1 d b ( a ) ，电机功率范 围为2 x 5 5 2 1 1 0 k w 。德国k o r f m a n 公司生产a l 、e s n 、e s 、e s t 系列轴流式通风 机，g a l 和d g a l 系列对旋式高压轴流通风机、d v 系列压风驱动的轴流式通风机。波 兰生产的对旋式风机包括w l e a 、w l e b 系列【l3 1 。功率范围为2 6 k w 一2 6 3 k w ，直 径范围为5 0 0 - - 1 2 0 0 m m ，额定风量为1 5 0 - - 1 4 0 0 m 3 m i n ，额定风压为2 4 0 0 - 6 0 0 0 p a ，最高 效率在7 5 8 0 之间。此对旋式局部通风机采用转速1 5 0 0 r m i n 和3 0 0 0 r m i n 两速电机， 2 1 绪论 在掘进巷道的初期可调节风量，风机特性曲线较陡，压力较高，易满足掘进定量送风要 求。 据不完全统计，国内煤矿井下使用的局部通风机约有3 0 万台。当初以引进原苏联 的y b t 、j b t 系列局部通风机为主。进入2 0 世纪8 0 年代之后，我国大专院校和科研院 所先后开发研制了各类局部通风机，如单级和双级机翼型局部通风机、单级子午加速式 局部通风机、单级扭曲斜流式局部通风机，以及双级对旋式局部通风机等一批产品【1 4 】。 其风量、风压和效率等均比y b t 、j b t 风机有所提高。9 0 年代中期，对旋式局部通风 机迅猛发展和推广，技术水平得到了很大的提高。 近1 0 年来，我国中、小型矿井皆采用对旋式通风机，该类型风机采用交流隔爆异 步电机双电机拖动。该类型风机传统的调节系统是根据风量所需的多少，靠调节叶片角 度来实现的。这种调节必须在风机停机时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，调节 起来也不方便，可调范围也不大，电机全速运行，节电不明显。表1 1 是国内部分产品 与国外同类产品的性能对比。 表1 1 国内外矿用局部通风机性能对比表 从表1 1 中可以看出，我国已在局部通风机的研发方面达到国际先进水平，但由于 种种原因，一些性能不好的老产品，如表1 1 中序号3 、8 的通风机仍在使用，因此整体 节能效果并不理想。 ( 2 ) 产品种类和质量状况 过去我国主要应用j b t 系列局部通风机，2 0 世纪8 0 年代我国研制了子午加速局部 通风机；经测试，其全压效率比j b t 系列局部通风机高2 5 ，噪声较j b t 系列局部通 风机低6 - , s d b ( a ) 。可以计算，每台局部通风机每年可节电1 2 2 5 万k w h ；全国按运行 5 万台局部通风机计算，每年可节电6 1 2 5 亿k w h ，经济效益极其可观。j b t 系列局 部通风机效率低，噪声高，先后被子午加速、斜流和对旋局部通风机取代。 8 0 年代以来，有关高校、科研和制造单位作了大量工作，相继研究设计了一些新型 3 西安科技大学硕士学位论文 局部通风机。煤炭科学研究总院重庆分院，在9 0 年代走在我国矿井局部通风机发展的 前列，经过1 0 年的研究开发，已经取得了一系列具有世界先进水平的科技成果，开发 出近2 0 种高效节能的新型矿用通风机。比如煤科院重庆分院和山东科技大学研制的k z s 系列，该系列不仅结构紧凑、简单易行，而且安全性好、效率高i l3 。该系列风机自批量 生产以来，已陆续装配了上千个矿井，节能效果非常明显，取得了良好的经济效益与社 会效益。表1 2 是该系列风机与j b t 系列风机节能效果比较。 表1 2 相同风量条件下与j b t 系列局部通风机节能效果比较 煤矿用局部通风机，大致可分为j b t 和y b t 系列轴流式、斜流式和对旋式3 种【l5 1 。 j b t 、y b t 系列轴流式局部通风机 j b t 、y b t 系列轴流式局部通风机配套的电动机功率有2 2 k w q 5 k w 等不同规格。 它是我国五、六十年代引进的原苏联产品，结构紧凑，体积小，搬运方便，耐用、价格 低廉。但噪声大，全压效率低。因其在我国使用年代较长，目前仍有一部分市场。其全 压效率范围为6 0 7 3 ，噪声范围为1 0 3 1 l l d b ( a ) ，风机效率低，造成了能源的严重 浪费。 斜流式( 也称混流式) 局部通风机 斜流式( 也称混流式) 局部通风机是9 0 年代出现和发展起来的新型风机。它兼有离心 风机的高压力系数，工作范围广特性和轴流式风机的大流量系数特点，效率较高。具有 空气轴向流动、高效运行区域宽、噪声小等优点。 它多采用扭曲板型曲面，避免了涡流。但风压偏低，性能曲缓，适应性较差，未形 成批量化和系列化。 对旋式局部通风机 对旋式局部通风机是8 0 年代末、9 0 年代初研制并迅速发展、推广的一种局部通风 机。目前机号有n 0 4 0 、n 0 4 5 、n o l 0 0 等多种型号；装机功率有1 1 k w x 2 、2 2 k w x 2 、 7 5 k w x 2 等；叶型有等厚板式扭曲、机翼型扭曲型式；叶片材料有钢叶片、铝合金铸造 叶片和塑料叶片等。 对旋式局部通风机设计新颖、结构合理、风压高、效率高、噪声低、风机性能稳定、 高效运行范围宽、送风距离长。 4 1 绪论 ( 3 ) 矿用局部通风机节能存在的问题 煤矿用局部通风机存在的主要问题利1 2 】： 风机运行效率低。目前，在用的风机运行效率大部分在4 5 - 6 5 之间。据某煤 炭公司对1 4 8 台矿井通风机的调查，运行效率在7 0 以上的仅占1 0 左右；运行效率低 于5 5 的竟达5 9 ，造成了能源的严重浪费。 风机使用中采用了不适宜的或效率低的调节方法，降低了风机的调节效率。 管理不善。无严格科学的开停机规定及措施，过早开机或过晚停机都将造成电能 的浪费。 风机品种不全。由于通风机的品种和系列不全，用户选用风机时被迫选用代用型 号的风机，结果导致了多耗电能。 ( 4 ) 发展趋势 。 y b t 、j b t 型风机应进行必要的技术改造，全面提高技术性能。 风机经长期运转，叶片上易粘结灰尘，侵蚀叶片，影响性能。实际中应及时进行 清洗，或研究新的防治技术加以解决。 应加强对矿用局部通风机配套性的研究。 应加大煤矿用局部通风机优化设计技术研究。进一步提高局部通风机效率、降低 噪声、节约能源，创造一个良好的井下工作环境。 随着我国对节能和环境保护的日益重视，煤矿采掘深度的加大，工作面、掘进巷道 加长，产品标准要求的性能指标提高，通风机正向节能、防止公害为目标的高效化、小 型化、组装化和低噪声化方向发展，大力推广使用新型高效局部通风机势在必行。 1 3 研究意义 本研究主要针对掘进工作面局部通风机的控制，通过瓦斯传感器监测布置在掘进工 作面迎头、掘进巷道回风流、回风巷混合风流处三点瓦斯含量，寻找一种模糊控制算法， 控制电动机，最终控制风机风扇的转动，调节风量大小。通过自动控制，使风机始终保 持在高效、安全、经济运行，减少许多人为调整不当、不及时因素，进一步提高风机的 自动化程度及安全可靠性，节约了大量电能；又能合理的调整井下供风系统，使新鲜风 流能够及时供给工作面。结束了以往传统的人工控制局部通风机排放瓦斯的方式，减小 了掘进工作面上隅角瓦斯聚集的可能性，有效地降低瓦斯事故发生率，消除“一风吹 而造成的瓦斯爆炸的事故隐患。 局部通风机瓦斯智能排放，对整个矿井的煤电耗能及风机的使用寿命，以及对煤矿 企业安全生产和节能都具有极其重大的意义。 因此，需研究能够根据瓦斯浓度进行风量调节、控制瓦斯排放速度的局部通风机控 制系统，按需配风，达到既节能又要安全排放瓦斯的目的。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 4 课题来源 本课题是陕西省教育厅2 0 0 7 年科学研究计划( 自然科学项目) 煤矿工作面瓦 斯预测与智能排放理论及其应用研究的子课题，项目编号：0 7 j k 3 1 9 ，本研究课题来源 于该项目。 1 5 论文研究主要工作 本论文结合掘进工作面局部通风机瓦斯排放的现状，研究设计了基于模糊控制技术 的瓦斯智能排放自动调节系统。经过仿真理论研究，课题采用的方法是行之有效的。主 要工作如下： ( 1 ) 通过查阅大量的国内外相关文献，得出了掘进工作面局部通风机瓦斯排放所存在 的问题，并对掘进工作面局部通风理论进行了详细分析，把模糊控制方法合理运用到掘 进工作面瓦斯排放中，设计出瓦斯排放模糊控制器，制定了输入输出变量和各自的隶属 度函数及其论域范围，完成了模糊控制系统设计方案。 ( 2 ) 为了达到更好的控制效果，对常规模糊控制器进行了优化设计。在设计了常规模 糊控制器的基础上，又设计了自调整参数模糊控制器、自调整因子模糊控制器和复合型 模糊控制器，并对各优化设计进行了仿真，和常规模糊控制器进行了系统的比较，得到 了正确的结论。 ( 3 ) 对于局部通风机瓦斯智能排放的两种状态正常通风和瓦斯超限排放，做了深 入的研究，在保证煤矿安全规章的基础上，制定了两种不同状态时瓦斯浓度的分布函数 及其特点，建立了相应的模糊控制规则。运用双模仿真，得出了两种状态下各点瓦斯浓 度范围及对应的电源频率和电机转速，有效降低了工作面瓦斯聚集浓度。 ( 4 ) 结合d s p 技术，对系统软、硬件设计进行了研究，设计了主要硬件框图和软件 流程图，借助于变频器综合控制实验台，做了相应的实验，得到了初步结论。 1 6 论文章节安排 论文结构安排如下： 第一章：绪论部分总结了当前掘进工作面局部通风的现状及存在问题，阐述了掘进 工作面主要装置局部通风机的现状和发展，提出了课题的研究意义。并对论文的总体框 架结构作了简要介绍。 第二章：结合矿井通风安全学，着重介绍了局部通风理论。包括掘进巷道的通风要 求及布置情况，掘进工作面通风方式，工作面风量计算方法和局部通风机的选型，并对 风机节能原理作了介绍，为下一步的研究奠定了理论基础。 第三章：对瓦斯智能排放系统做了总体介绍。从历史到现状再到未来发展，对模糊 6 1 绪论 控制理论进行了详细说明。并根据实际情况，设计了瓦斯浓度模糊控制器。 第四章：主要是系统建模和m a t l a b 仿真。在常规模糊控制器的基础上，设计了 自调整参数、自调整因子和复合型等优化模糊控制器，并分别和常规模糊控制器进行了 仿真比较。在保证煤矿安全规章的基础上，制定了正常通风和瓦斯超限排放两种状态下 瓦斯浓度的分布函数及其特点，建立了相应的模糊控制规则。着重运用双模模型进行仿 真，得出了各点瓦斯浓度范围及对应的电源频率和风机转速。 第五章：对系统主要硬件电路进行了研究设计。介绍了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的有关 知识，对系统主电路、控制电路和保护电路等主要电路进行了设计。 第六章：主要是系统软件研究设计。介绍了d s p 软件编程的有关特点，对主要软 件模块进行了分析，并编制了各自的软件流程框图。 第七章：对本论文进行了总结，并对接下来需进一步的研究作了展望。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 局部通风理论 2 1 掘进工作面巷道布置情况 瓦斯排放系统的正常通风和瓦斯排放的检测是由风速传感器和瓦斯传感器来实现 的。该系统用3 个瓦斯传感器和1 个风速传感器监测瓦斯排放的当前状态【1 6 】。图2 1 为 某矿瓦斯传感器在掘进巷道内的现场布置状况。 回风巷 冰 剧 测 搀 制 骧 局部通风机及其调速装置 图2 1 瓦斯传感器现场布置图 图2 1 中：k 是局部通风机的电源开关，t l 是位于掘进工作面迎头处瓦斯传感器， t 2 是位于掘进巷道回风流处瓦斯传感器，t 3 是位于回风巷混合风流处瓦斯传感器，f 是局部通风机，f l 是掘进工作面风速传感器，d 是导风筒。 根据煤矿安全规程有关规定( 2 0 0 5 年1 月1 日起施行) 【”l ： 第1 0 1 条规定：“采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷的最低允许风速为0 2 5 m s ， 最高允许风速为4 m s 。 第1 3 6 条规定：“回风巷风流中瓦斯最高允许浓度为1 5 。 第1 4 1 条规定：“在排放瓦斯过程中，排出的瓦斯与全风压风流混合处的瓦斯和二氧 化碳浓度都不得超过1 5 。 第1 6 8 条规定：“低瓦斯、高瓦斯煤( 岩) 与瓦斯突出矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦 斯涌出的岩巷掘进工作面，甲烷传感器报警浓度为1 0 c h 4 ，断电浓度为1 5 c h 4 ，复 8 2 局部通风理论 电浓度为1 0 c a 4 。 对各点瓦斯传感器具体定义如下：瓦斯传感器t 1 现场布置在掘进工作面迎头，其瓦 斯报警浓度为1 0 c h 4 ，断电浓度为1 5 c h 4 ，复电浓度为1 0 c h 4 。瓦斯传感器t 2 布 置在掘进巷道回风流处，监控回风流中瓦斯变化，报警浓度为1 0 c h 4 ，断电浓度为 1 5 c h 4 ，复电浓度为1 0 c h 4 。瓦斯传感器t 3 布置在回风巷混合风流处，监控混合风 流处瓦斯变化，断电浓度为1 5 c h 4 。掘进工作面风速传感器f 1 检测巷道回风流的风速， 工作面的正常风速一般在l m s 左右。 根据各个瓦斯传感器检测到的瓦斯浓度范围，可掌握当前掘进工作面瓦斯浓度状 况，以便进行相应的操作。3 只瓦斯传感器t 1 、t 2 、t 3 实时检测巷道各处瓦斯浓度信 号，并与给定值进行比较，然后由d s p 进行控制，输出信号触发变频器，经变频器后 转换成相应的控制频率控制风机转速。 2 2 掘进工作面通风方式 向井下局部地点进行通风的方法，按照通风动力形式不同，掘进通风方法分为三类： 矿井全风压通风、引射器通风和局部通风机通风。其中以局部通风机通风最为常用。结 合课题的需要，主要研究局部通风机通风。 利用局部通风机做动力，通过风筒导风的通风方式称为局部通风机通风。局部通风 机是我国掘进工作面的主要通风方式。其工作方式有三种【8 】：压入式、抽出式、混合式。 三种通风方式的布置如图2 2 所示。 o ( a ) 压入式( b ) 抽出式( c ) 混合式 图2 2 通风方式布置图 压入式通风是利用局部通风机将新鲜风流吸入，经风筒送到掘进工作面，污风由巷 道直接排出。这种方法的优点是：通过局部通风机的风流为新鲜风流，污风不通过局部 通风机，安全性好，射程远，由风筒吹出的射流清洗工作面的能力强，通风效果好；此 外，还可采用较轻便的柔性风筒。缺点是污风经掘进巷道排出，作业环境不良，风速小， 排放时间长，所需风量多。适合有瓦斯涌出的巷道，距离不长的岩巷。在巷道边界条件 下，一般有： 丘= ( 4 5 ) 4 s( 2 1 ) 9 西安科技大学硕士学位论文 式中，厶为有效射程( m ) ，s 为巷道断面( m 2 ) 。 抽出式通风与压入式通风相反。新鲜风流沿巷道流入工作面，污浊风流经风筒由风 机抽出。这种通风方式的优点是整个掘进巷道中都是新鲜风流，巷道作业环境好，通风 效果好，所需风量少；其缺点是污风要经过风机，不安全，另外，吸入污风的效果差， 有效射程短，工作面通风效果差，而且要用刚性风筒。一般用于无瓦斯巷道，使用引射 器通风时宜采用这种方式。在巷道边界条件下，一般有： 厶= 1 5 4 s ( 2 2 ) 式中，厶为有效射程( m ) ，s 为巷道断面( i n 2 ) 。 混合式通风要有两台局部通风机，新鲜风流由一台风机压入，污风经风筒由另一台 风机抽出。这种通风方式兼有压入式、抽出式通风的优点，通风效果最佳；但通风设备 较多，管理较复杂，污风也要通过风机，安全性差。适用于大断面、长距离无瓦斯巷道。 本研究采用压入式通风方式。 2 3 通风机参数和特性 风机的基本性能参数包括流量q 、全压p 、静压凡、功率、全压效率r 、静压 效率协，、转速刀等，它们从不同的角度表示了风机的工作性能1 9 1 ，下面分别介绍一下。 ( 1 ) 流量 风机流量是指单位时间内流过风机进口的气体的体积，用q 表示，单位为m 3 s ， m 3 h 。 ( 2 ) 全压 风机全压是指单位体积气体从风机进口截面经叶轮到风机出口截面所获得的机械 能，用尸表示，单位匕。风机的全压可表示为： 1 p = ( 仍+ 去诱) 一( 届+ 去p 评) ( 2 3 ) 二二 式中：肋，p ，为风机出口、进1 ：3 截面处气体的压强，单位为匕； 也，为风机出口、进口截面处气体的平均速度，单位为m s 。 ( 3 ) 静压 风机的全压减去风机出口截面处的动压( 通常将风机出口截面处的动压作为风 机的动压) 就是风机的静压，用心表示，即 1 己= p 一易2 = p 2 一a 一寺p v f ( 2 4 ) 二 ( 4 ) 功率 风机的功率通常是指输入功率，亦称轴功率，用表示，单位k w 。除此之外， 1 0 2 局司i 迪风理论 还有内功率p i 、全压有效功率凡、静压有效功率，其计算式分别为： 曰= e , + z a e ( 2 5 ) = 而q p ( 2 6 ) = 怒 ( 2 7 ) 、 工， 式中，厶山为除轴承外风机内损失掉的各种功率。 ( 5 ) 效率 风机的全压效率用叩表示，公式如下： 刀= 每。 风机的静压效率用仉，表示，公式如下： 巩= 鲁1 0 0 ( 2 9 ) 2 4 掘进工作面风量选择和风筒选择方法 某矿的一个运输巷掘进工作面，具体情况如下 6 1 ：准备面走向长度为5 0 0 m ，运输 断面为8 m 2 。下面以此为例，说明掘进工作面风量和风筒选择方法。 ( 1 ) 掘进工作面风量选择 按照风速、温度计算掘进工作面需要风量 q = 6 0 v s k t = 6 0 x 0 2 5 8 x 1 1 = 1 3 2 ( m 3 r a i n )( 2 1 0 ) 式中：哪进工作面风速；煤巷、半煤岩巷道掘进工作面y 取0 2 5 m s ； 蝴进工作面断面积，m 2 ； k 卜掘进工作面温度调整系数( 见表2 1 ) 。 表2 1 掘进工作面温度调整系数 按瓦斯涌出量验算 q = 1 0 0 x q x k - - - 1 0 0 x 0 5 7 x 1 8 = 1 0 2 6 ( m 3 r a i n )( 2 1 1 ) 式中：瑚进工作面回风流中瓦斯绝对涌出量，m 3 m i n ； 瑚进工作面瓦斯涌出不均衡风量系数，k = i 5 2 0 ，取1 8 。 按人数验算 西安科技大学硕士学位论文 q = 4 x n = 4 x 3 0 = 1 2 0 ( m 3 m i n ) 式中：一掘进工作面同时工作的最多人数( 取3 0 人) ； 按风速进行计算 岩巷掘进最低风量， g 9 s = 9 x 8 = 7 2 ( m 3 m i n ) 煤巷掘进最低风量， q 1 5 s = 1 5 x 8 = 1 2 0 ( m 3 m i n ) 岩煤巷道最高风量，( 2 3 0 3 l a b s ( u ( 2 ) ) 0 1u ( 1 ) 、u ( 2 ) 分别为偏差e 和偏差 s y s ( 1 ) - - 0 3 k ；s y s ( 2 ) = 0 0 5 k e c ；s y s ( 3 ) = k 。+ 2 5 ； 变化率e c e l s e i f a b s ( u ( 1 ) ) o 1 l a b s ( u ( 2 ) ) o 0 5s y s ( 1 ) 、s y s ( 2 ) 、s y s ( 3 ) 分别为 s y s ( 1 ) = o 5 k as y s ( 2 ) = 0 3 k ；s y s ( 3 ) = k u + 1 6 ； 调整后的k e ，k e c ，k u e l s e s y s ( 1 ) = o 8 幸k e ；s y s ( 2 ) = 0 6 宰k ；s y s ( 3 ) = k 。； e n d 保存s 函数名为p a r a m ，创建如图4 7 所示的系统模型框图，将s - f u n c t i o n 块中 s - f u n c t i o nn a m e 参数设为p a r a ，并将s - f u n c t i o np a r a m e t e r 参数设为s 函数中新增参数 的对应数值，即k ，k ，k 。的初值，分别为0 1 、0 2 、0 3 。进行仿真后，仿真曲线如 图4 1 1 所示。 4 系统建模与仿真 1 i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 暑暑暑i 葺i i i i 暑暑宣暑宣i 暑暑暑葺宣i i i 宣i i i i i i i 昌暑 图4 7 自调整参数模糊控制器系统框图 s u b s y s t e m 子系统内结构如下： 图4 8 自调整参数s u b s y s t e m 子系统 s u b s y s t e m l 子系统内结构如下： 图4 9 自调整参数s u b s y s t e m l 子系统 s u b s y s t e n l 2 子系统内结构如下： 勰n ，严强班 图4 1 0 自调整参数s u b s y s t e m 2 子系统 3 l 西安科技大学硕士学位论文 图4 11 自调整参数模糊控制器和常规模糊控制器系统仿真结果比较 4 4 2 自调整因子模糊控制器的设计与仿真 由于前面自调整参数模糊控制器的仿真中已经用过了s - f u n c t i o n 模块，对于自调整 因子模糊控制器，这里我们就不用s 函数了，仅仅借助于s i m u l i n k 中的块搭建。下图为 带自调整因子的模糊控制器系统框图。 给 图4 1 2 带自调揍因子的模糊控制器的系统框图 该控制器通过调整修正因子改变控制规贝j j 2 5 , 3 1 】，再用优化的控制规则进行控制，即 通过对模糊规则的调整从根本上提高模糊控制器的性能。通常情况下，f u z z y 模型结构 可用下列解析式来表示： u = a e + ( 1 一口) 巨( o a 1 ) ( 4 2 ) 当误差较大时，控制系统的主要