自调整模糊控制在矿井局部通风机中的应用

1、自调整模糊控制在矿井局部通风机中的应用    自调整模糊控制在矿井局部通风机中的应用摘要：针对矿井掘进工作面通风的实时性要求，本文提出一种基于自调整模糊控制技术的局部通风机变频控制方案。系统在满足工作面人员所需风量的前提下，根据瓦斯浓度的偏差和偏差变化率，自动调整二维模糊控制器的规则因子 ，改变控制规则生成相应的控制量，使通风机的转速及时跟踪瓦斯变化，实现通风量的实时动态调整。经实验验证，采用自调整模糊控制后，通风机转速随着瓦斯浓度自适应调整，具有精度高、鲁棒性好的特点，不仅提高了通风机的工作效率，改善了掘进工作面的通风情况，而且，节能效果也非常显著。关

2、键词：自调整；  模糊控制；  局部通风机；1  引言据统计，中国煤矿重大事故中70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，瓦斯爆炸中的80的事故与局部通风机有关1。工作面瓦斯的及时排放直接影响着生产的顺利进行和矿工的生命安全。目前，各矿井采取局部通风机全速运行的办法，虽然能起到正常供风和排放瓦斯的目的，但是造成了能源的极大浪费。因此，所以我们希望根据实际需要调整通风量。掘进工作面的所需风量是一个与瓦斯浓度、风阻、巷道长度等密切相关的动态系统，其参数是不断变换的，建立其数学模型很困难。考虑到系统的非线性、多耦合、多干扰，采用模糊控制方法能避免

3、建模难的问题，有较好的控制性能2。然而，常规模糊控制的精度不高，缺乏在线自学习或自调整的能力。为解决此问题，本文提出自调整模糊控制方法，系统在满足掘进工作面工作人员所需风量的前提下，根据瓦斯浓度偏差和偏差变化率自动调整模糊控制规则，通风量及时跟上瓦斯变化，具有调节及时、控制性能良好的优点。2  局部通风机控制系统的结构和工作原理系统主要由二维自调整模糊控制器、矿用隔爆变频器，局部通风机、瓦斯传感器组成，其结构如图1所示。系统在掘进工作面安装高低浓度组合的瓦斯传感器，用来采集来瓦斯浓度，并与瓦斯浓度设定值进行比较，然后自调整模糊控制器根据浓度的偏差和偏差变化率调整输出电压u1，并与满足

4、工作人员所需风量（人均4m3/min）对应的控制电压u2做比较，取两者中的最大值送至矿用隔离变频器的电压输入端，调整局部通风机转速，实现掘进工作面通风量的自动控制。图1  控制系统结构Fig.1  Structure of control system3  局部通风机的自调整模糊控制3.1自调整模糊控制器的结构根据系统的实际情况和控制要求，我们采用了二维自调整模糊控制器对局部通风机进行控制，其结构如图2所示。输入为瓦斯浓度偏差e和偏差变化率ec，其偏差变化率的计算公式为ec=et?et-1（et、et-1分别为采用时刻t，t1的偏差值）；输出为控制变频器的输入电压

5、u1；Ke、Kec表示清晰量e和ec的量化因子，Ku表示比例因子； 为调整因子，又称加权因子。图2  二维自调整模糊控制器结构Fig.2  Structure of two-dimension self-adjusting fuzzy controller3.2  精确量的模糊化根据煤矿安全规程4，当瓦斯浓度达到或超过1.5时，应进入排放瓦斯状态。为了达到节能效果，当瓦斯浓度在01.5时，局部通风机的转速应与瓦斯浓度的增减成比例地改变。因此，本文瓦斯浓度偏差的基本论域设定为-1，+1，量化论域为-3，-2，-1，0，1，2，3，即n3，模糊子集为NB， NS，NO

6、，PS， PB，语言变量描述为负大，负小，零，正小，正大，其量化因子为：     Ke   （1）偏差变化率的基本论域设定为-0.5，+0.5，量化论域为-3，-2，-1，0，1，2，3，模糊子集为NB，NS，NO，PS， PB，语言变量描述为负大，负小，零，正小，正大，其量化因子为：       Kec   （2）输出（变频器的输入电压）基本论域为0，10，量化论域为-3，-2，-1，0，1，2，3，模糊子集为NB， NS，NO，PS，PB，语

7、言变量描述为负大，负小，零，正小，正大，其比例因子为：         Ku    （3）偏差E、偏差变化率EC和输出控制量U的隶属函数选择符合人们思维特点的三角形，其隶属函数如图3所示。 图3  E、EC和U的隶属函数Fig.3  Membership function of E、EC and U3.3  模糊控制规则的构成对二维模糊控制器，当输入变量偏差E、偏差变化率EC和输出控制量U的论域等级划分相同时，则控制规则可以用下列关系式：

8、0; （4）其中 为调整因子。通过调整 值，可以改变偏差E和偏差变换EC对控制输出量U的加权程度，从而改变控制规则。当偏差较大时，控制系统的任务时消除偏差，这是对偏差的加权应该大些；相反，当偏差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中偏差变化起的作用大些。考虑本系统的实际情况，本文采用两个调整因子 、 ，当偏差较小时，控制规则由 来调整，当偏差较大时，控制规则由 来调整。由于本文的论域等级选取为EECU-3，-2，-1，0，1，2，3则控制规则可表示为 (5)其中，取 0.4， 0.6。本系统的模糊控制规则如表1所示。表1

9、60;  模糊控制规则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  输出信息的清晰化经模糊规则运算得出的控制量U是一个模糊子集，但实际被控对象只能接受一个精确的控制量，给变频器提供010V的电压

11、，因此，需要把控制量的模糊集清晰化，乘以比例因子Ku，得到实际的控制量uuKu  U  （6）4  实验验证当掘进工作面瓦斯浓度变化时，局部通风机的转速随着瓦斯及时调整，就能达到及时排放瓦斯和通风的功能。我们在Y-100L-6型笼型异步电动机上进行了实验研究。实验控制系统主要由TMS320F240型高速数字处理器DSP、三菱FR-A540-1.5K-CH变频器、脉冲编码器、Y-100L-6型笼型异步电动机组成。异步电动机参数为： 额定功率1.5kW，额定电压380V，额定电流4.0A，额定转速940rad/min。瓦斯浓度用模拟电压提供，测得电动机转速跟

12、瓦斯浓度关系如图5所示。     图5  实验曲线Fig.5  Experiment curve 从实验看出，系统能根据瓦斯浓度自动调整风机转速从而改变掘进工作面的通风情况。当瓦斯浓度低时，通风机不工作或以较低的速度运转；当瓦斯浓度高时，通风机高速运转，达到及时通风排放瓦斯的目的。而且，从图4和图5中，可以看出当瓦斯变化率越大，转速变换的越快，达到真正节省能源和及时通风的目的。5  结论    矿井掘进工作面供风是一个非线性时变系统，本文综合考虑了工作人员数和瓦斯浓度对工作面所需风量的

13、影响，采取自调整模糊控制对局部通风机控制，避免了通风系统数学模型难以建立的困难，有较好的鲁棒性及较小超调量，稳定时间也较短。经实验证明，该方法控制简单，可靠性高，不仅能满足工作人员所需风量，而且能根据瓦斯浓度自动调整局部通风机的通风量，避免了传统手动操作时通风机工作状态频繁切换地问题。参考文献1刘志成，白爱成.通风区(对)长M.北京：煤炭工业出版社，20032祝龙记，王汝琳.矿用变频调速局部通风机的模糊控制技术J.煤炭科学技术，2003，31（4）：793付华，孙树生，许振良，基于模糊神经网络的信息融合方法在矿井通风系统中的应用，煤炭学报，Vol.31，No.2，2006年第2期4煤矿安全规程M.北京：中国