基于模糊智能控制的煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)研究

劉會(huì)景

(烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830023)

由于我國(guó)是一個(gè)“富煤貧油少氣”國(guó)家，因此煤礦的開采對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著極其重要的作用[1]。經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展自然就需要更多煤礦的開采。煤礦是安全事故多發(fā)的企業(yè)。煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)劣直接影響到煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和采礦人員的人身安全[2]。我國(guó)煤礦均為瓦斯礦井，在重點(diǎn)煤礦企業(yè)中有26.8%為高瓦斯，17%為瓦斯突出，55.6%為低瓦斯礦井。從2007年以來近十年煤礦安全生產(chǎn)事故總體來看，我國(guó)煤礦瓦斯事故421起，死亡人數(shù)2342人，其中在瓦斯爆炸事故中死亡人數(shù)占煤礦事故的40.6%，在62起特大事故中，瓦斯事故23起，占69.4%，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和家庭帶來嚴(yán)重的傷害[3]。國(guó)家要求煤礦安裝瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理和煤礦物聯(lián)網(wǎng)的維護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)外瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)普遍是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)之間存在耦合性、滯后性，瓦斯?jié)舛入S著時(shí)間變化，而且不是線性變化，無法建立精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式或者函數(shù)，無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控瓦斯?jié)舛茸兓⒑侠砜刂仆咚钩榕畔到y(tǒng)。新疆優(yōu)派能源(阜康)煤業(yè)有限公司阜康市小黃山煤礦目前采用的監(jiān)控系統(tǒng)存在很多缺點(diǎn)，控制精度低，強(qiáng)等可靠性差，實(shí)時(shí)性不缺點(diǎn)，同時(shí)部分設(shè)備與礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)之間的通訊有待完善。新疆優(yōu)派能源(阜康)煤業(yè)有限公司阜康市小黃山煤礦時(shí)常出現(xiàn)誤報(bào)警或不報(bào)警的現(xiàn)象。

1 智能瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

以小黃山煤礦為例，本文提出基于PLC為主控制器煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的智能控制和智能整定，無需建立精確的數(shù)學(xué)模型，便可以根據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓侠泶_定瓦斯抽排運(yùn)行情況，具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性。模糊控制是運(yùn)用自然語言對(duì)非線性、強(qiáng)干擾、滯后性、多耦合、參數(shù)和結(jié)構(gòu)都不確定的控制系統(tǒng)進(jìn)行建模及控制[4]。本文將模糊控制算法應(yīng)用到煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，模擬人腦的邏輯思維，設(shè)計(jì)其控制器，通過智能化的控制算法提高系統(tǒng)的控制效果，并在MATLAB7.1環(huán)境下進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真測(cè)試曲線表征該控制器具有較好的控制性能。

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)隨機(jī)變化并且參數(shù)之間存在強(qiáng)耦合、非線性和滯后性。傳統(tǒng)的控制方法很難處理和控制，作為智能控制的主要部分——模糊控制可以方便解決復(fù)雜系統(tǒng)。模糊控制利用模糊集合理論，模擬人的思維方式[5]，把模糊控制策略轉(zhuǎn)換為控制器PLC的控制算法，通過梯形圖編程來實(shí)現(xiàn)。

新疆優(yōu)派能源(阜康)煤業(yè)有限公司阜康市小黃山煤礦，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為三層：信息層、控制層和設(shè)備層，其中設(shè)備層包含各類傳感器和控制器，礦井下面一般使用兩臺(tái)瓦斯抽排泵，根據(jù)實(shí)際礦井下現(xiàn)場(chǎng)情況來設(shè)計(jì)數(shù)量。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)初步選用四個(gè)甲烷濃度傳感器，主要安裝高濃度傳感器和低濃度傳感器，回風(fēng)巷道處和乏風(fēng)處安裝低濃度傳感器，管道內(nèi)安裝高濃度傳感器。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)工作過程：第一步，泵處于關(guān)閉狀態(tài)，檢測(cè)閥門是否上電，若已上電，將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥完全打開，閘閥完全關(guān)閉，開啟抽排泵工作；第二步，依據(jù)管道內(nèi)高瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯臋z測(cè)結(jié)果，判斷濃度是否達(dá)到可存儲(chǔ)或者可以利用的濃度，如果達(dá)到設(shè)定的閾值，將閘閥關(guān)閉。同時(shí)綜合低濃度瓦斯傳感器的輸出值，進(jìn)入智能控制狀態(tài)，利用智能控制算法確定控制量，然后通過可編程邏輯控制器PLC對(duì)被控制對(duì)象的被控量進(jìn)行控制；第三步，如果在控制系統(tǒng)的工作過程中，安裝在回風(fēng)巷道內(nèi)的低瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞒^閾值，將進(jìn)行報(bào)警并進(jìn)行控制。兩臺(tái)泵的控制通過控制器分時(shí)控制，和單臺(tái)泵控制效果一樣。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲝耐饨绔@取瓦斯信息并將濃度轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，一般弱電信號(hào)為直流電流信號(hào)，范圍在1～5mA；或者直流電壓信號(hào)，范圍在0～5V；或者是頻率信號(hào)，范圍在200～1000Hz，模擬低濃甲烷的濃度范圍0.00%～9.99%，模擬高濃甲烷的濃度范圍10.0%～99.9%。弱電信號(hào)再經(jīng)過信號(hào)處理和傳輸，作為可編程邏輯控制器的輸入信號(hào)，經(jīng)過PLC運(yùn)算后的輸出信號(hào)將送給模擬量模塊EM232模塊，輸出模擬量控制閥門開度大小[6]。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器，具備完備的通訊功能，可以在不同的PLC、人際交互界面等上位機(jī)之間完美通信，取得了良好的應(yīng)用效果。同時(shí)處理器模塊采用的光電耦合輸出，從安全角度考慮，選用光電耦合控制繼電器可以實(shí)現(xiàn)不與外界直接的電信號(hào)聯(lián)系，有效保證了系統(tǒng)的可靠性。

在基于智能控制的煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)中，一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)就是瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。利用瓦斯傳感器?duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過CAN總線將傳感器輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN/RS485總線轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，RS485信號(hào)適合遠(yuǎn)距離傳輸[7]，傳輸至地面上的RS485/RJ45總線轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成PC機(jī)能接受的RJ45網(wǎng)口信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，最終上傳到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯姆直媛屎途_度等性能會(huì)直接影響到控制系統(tǒng)的精度。瓦斯?jié)舛葌鞲衅魇俏覈?guó)性能技術(shù)比較成熟的傳感器。該傳感器和其外圍電路的擴(kuò)展和配置組合成瓦斯檢測(cè)裝置，主要功能是瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、超限報(bào)警、信息傳輸?shù)?，用于獲取煤礦井下巷道中的瓦斯?jié)舛?，是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)必不可缺少的檢測(cè)裝置。煤礦井下甲烷以擴(kuò)散方式進(jìn)入傳感器探測(cè)室內(nèi)，引起敏感元件發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)輸出，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后送到可編程控制器，再送到井上監(jiān)控站，實(shí)現(xiàn)井上井下聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控。瓦斯?jié)舛葌鞲衅靼惭b在瓦斯?jié)舛茸兓淮蟮南锏捞帯?/p>

2 智能模糊控制算法的設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，起著極其重要的作用，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，功能豐富等優(yōu)勢(shì)[8]。將智能控制技術(shù)中的模糊控制嵌入PLC，實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，加快模糊控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用。模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)形式很多，本文選用查表法。此方法計(jì)算量不大，具有良好的實(shí)時(shí)性，不依賴于被控過程的精確數(shù)學(xué)模型。

常見的模糊控制器從結(jié)構(gòu)上分為一維控制器、二維控制器和三維控制器[9]。若依據(jù)模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出的控制輸出，模糊算法需要一個(gè)精確的控制量[2]。二維模糊控制器的控制算法寫成條件語句，即：

IfE=Aithen ifEC=BjthenU=Cij

(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

其中，Ai，Bj，Cij分別是誤差、誤差變化量和控制量論域x，y，z上的模糊集。

模糊關(guān)系用R來描述，即：

隸屬函數(shù)為：

(x∈X，y∈Y，z∈Z)

當(dāng)系統(tǒng)誤差以及誤差的變化量分別取模糊集A、B時(shí)，控制量輸出的變化U根據(jù)模糊推理規(guī)則可得：

U=(A×B)·R

U的隸屬函數(shù)為：

μU(z)=∨μR(x，y，z)∧μA(x)∧μB(Y)

(x∈X，y∈Y)

模糊控制系統(tǒng)原理如圖2所示，其模糊控制原理：模糊控制的控制算法是由PLC的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)?？刂七^程是：PLC經(jīng)采樣，從而得到被控物理量的精確值，然后將被控量與系統(tǒng)期望值相比較得到誤差，然后再模糊化該誤差信號(hào)的精確量，誤差的模糊化量可用模糊語言表示，從而得到一個(gè)模糊語言集合，依據(jù)推理得到合成規(guī)則，該模糊語言集合再與模糊控制規(guī)則進(jìn)行最后決策，得到輸出量的模糊控制集合。為了保證控制精度，需要將輸出的模糊量轉(zhuǎn)為精確量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量送給執(zhí)行裝置，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中并對(duì)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中包括：步驟A，通過瓦斯傳感器采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，存入瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)庫；步驟B，基于C-C方法計(jì)算序列的延遲時(shí)間τ和嵌入維數(shù)m，將數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存的瓦濃度數(shù)據(jù)作為混沌時(shí)間序列進(jìn)行處理[10]。

圖2 模糊控制系統(tǒng)原理框圖

3 智能模糊控制器的實(shí)現(xiàn)

在MATLAB7.1軟件中提供了動(dòng)態(tài)建模和仿真功能，內(nèi)部包含很多專業(yè)的工具箱[7]。本文利用SIMULINK軟件包中的模糊邏輯工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)，不僅可以建立和測(cè)試模糊邏輯控制系統(tǒng)模型，修改系統(tǒng)功能參數(shù)，還可以完成語言變量的定義、模糊推理規(guī)則、隸屬度函數(shù)、人機(jī)交互觀察模糊推理的過程和模糊推理系統(tǒng)的管理。

基于智能控制的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是運(yùn)用自然語言對(duì)比較復(fù)雜的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，幫助解決了系統(tǒng)的滯后性、非線性，參數(shù)和結(jié)果不確定，無法準(zhǔn)確建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的情況。智能模糊控制容易被操作人員接受。智能模糊控制規(guī)則易于通過軟件實(shí)現(xiàn)控制策略。經(jīng)過工程師的實(shí)際調(diào)試，控制系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性都可以達(dá)到工業(yè)控制要求。

在人機(jī)交互界面中瓦斯?jié)舛饶：刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包含可編程控制器PLC、管道、抽排泵、閥門、特殊裝置等。模糊控制器包含模糊規(guī)則觀察器、模糊邏輯系統(tǒng)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器，輸出曲面觀察器。用戶在這些編輯器中可以選定模糊子集的隸屬度函數(shù)、編輯模糊推理系統(tǒng)、建立模糊規(guī)則，調(diào)試參數(shù)和觀測(cè)仿真結(jié)果，其中模糊控制規(guī)則見表1。

圖3 瓦斯?jié)舛饶：刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖

QENBNMNSNZPSPMPBECNBNBNBNSNSZEPSPBNSNBNBNSNSZEPSPBZENBNSNSNSPSPSPBPSNBNSNEZEPSPSPBPBNBNSNEZEPSPSPB

煤礦井下的瓦斯含量：

Q1T1+Q2T2=(Q1+Q2)T3

式中，Q1、Q2分別是抽風(fēng)風(fēng)量和乏風(fēng)風(fēng)量，m3/min；T1、T2、T3分別是三抽排口出風(fēng)、乏風(fēng)和瓦斯?jié)舛龋?。

乏風(fēng)風(fēng)量Q2和瓦斯?jié)舛萒2變化極小，近似看成常數(shù)，出口風(fēng)量Q1可控，要求被控指標(biāo)是瓦斯?jié)舛萒3，用Y表示，Q2用K表示，T2用W表示，則上式可表示為：

根據(jù)人們對(duì)事物的判斷習(xí)慣，常常采用正態(tài)分布函數(shù)來確定模糊變量的隸屬函數(shù)。通過模糊推理可以得到模糊集合。智能模糊控制程序主要包括三個(gè)階段：輸入量模糊化、模糊控制算法、輸出量精確化。實(shí)際上，智能模糊控制瓦斯?jié)舛人枰目刂菩盘?hào)應(yīng)該是一個(gè)精確的物理量，只有精確的物理量才能精確控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，智能模糊控制器經(jīng)過模糊推理后，還需經(jīng)過精確話處理過程，才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器去控制被控對(duì)象。

4 模糊控制系統(tǒng)建模及仿真

在SIMULINK軟件包中建立傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)模型，模型如圖4所示，采用PID控制算法，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)性能要求來調(diào)整微分環(huán)節(jié)中的參數(shù)積分環(huán)節(jié)中的參數(shù)和比例環(huán)節(jié)中的參數(shù)，利用仿真結(jié)果確定出滿意參數(shù)，經(jīng)過測(cè)試，選取KP=0.385，Ki=0.052，Kd=14.11。參數(shù)設(shè)置好，將傳統(tǒng)的PID控制算法控制進(jìn)行仿真輸出，仿真結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)輸出有超調(diào)量，仿真時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能不理想。

圖4 傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)模型

圖5 傳統(tǒng)PID控制輸出曲線

在SIMULINK軟件中建立模糊控制系統(tǒng)，模型中加入模糊邏輯控制器，模型如圖6所示，采用智能模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)控制時(shí)，采樣得到的被控量都需要經(jīng)過計(jì)算得到控制器的輸入量誤差和誤差變化量，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

從仿真結(jié)果來看，模糊控制算法與傳統(tǒng)的PID控制算法仿真結(jié)果相比，系統(tǒng)穩(wěn)定度、快速性、平穩(wěn)性、準(zhǔn)確性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，超調(diào)量明顯減小，平穩(wěn)性變好，上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間大大減小，快速性提高，整體的動(dòng)態(tài)性能變好，模糊控制器比傳統(tǒng)的PID控制器具有更優(yōu)的控制性能。

圖6 模糊控制系統(tǒng)模型

圖7 模糊控制系統(tǒng)輸出曲線

5 結(jié) 論

1)該瓦斯智能控制系統(tǒng)沒有直接對(duì)煤礦抽排泵本身進(jìn)行調(diào)速控制，通過執(zhí)行裝置控制旁路的流量來控制瓦斯?jié)舛?，防止超過設(shè)定的閾值產(chǎn)生報(bào)警，保證瓦斯智能控制在不報(bào)警的情況下完成抽排瓦斯，降低瓦斯?jié)舛取；谥悄芸刂频拿旱V瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)適用于條件復(fù)雜多變，環(huán)境惡劣的環(huán)境下使用，具有強(qiáng)抗干擾性、多耦合、非線性處理等優(yōu)勢(shì)，適合在參數(shù)和結(jié)構(gòu)變化的過程中使用。

2)將智能控制算法和可編程邏輯控制技術(shù)綜合應(yīng)用在煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，體現(xiàn)了煤礦的智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，降低了事故隱患，保障了煤礦安全，便于維護(hù)和管理，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。