煤礦主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)控制器優(yōu)選

王 靜

（山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045000）

0 引言

通風(fēng)機(jī)為煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其通過對工作面輸送新鮮的空氣，降低工作面有害氣體的濃度，降低工作面粉塵濃度，為工作面人員和設(shè)備提供一個(gè)安全、舒適的工作環(huán)境。目前，針對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的控制以人工控制為主，即通風(fēng)機(jī)在很長一段時(shí)間內(nèi)均以恒速狀態(tài)運(yùn)行，并不會隨著工作面有害氣體或者粉塵濃度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整控制。總的來講，當(dāng)前通風(fēng)機(jī)的控制方式不僅容易造成電能浪費(fèi)，而且會導(dǎo)致工作面的空氣質(zhì)量不合格，嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)。本文將重點(diǎn)完成通風(fēng)機(jī)的智能化、自適應(yīng)控制。

1 通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)智能控制理論基礎(chǔ)

通風(fēng)機(jī)根據(jù)其工作方式的不同，可分為壓入式通風(fēng)機(jī)、抽出式通風(fēng)機(jī)以及混合式通風(fēng)機(jī)。其中，壓入式通風(fēng)機(jī)的工作原理為將新鮮的空氣通過風(fēng)筒壓入綜采工作面的同時(shí)將污濁的空氣排出；抽出式通風(fēng)機(jī)的工作原理為將污濁的空氣通過風(fēng)筒抽出，在工作面形成負(fù)壓使得新鮮空氣進(jìn)入工作面；混合式通風(fēng)機(jī)集成了抽出式通風(fēng)機(jī)和壓入式通風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有極強(qiáng)的通風(fēng)性能。本文將以混合式通風(fēng)機(jī)為例開展研究。

1.1 通風(fēng)機(jī)的能耗分析

當(dāng)通風(fēng)機(jī)的葉片安裝角度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)一定時(shí)，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、軸功率以及效率與其風(fēng)量呈現(xiàn)如圖1所示的關(guān)系[1-2]。

圖1 通風(fēng)機(jī)的特性曲線

由圖1 可以看出，當(dāng)通風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)處于穩(wěn)定工作區(qū)域時(shí)，隨著風(fēng)量的增加，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、軸功率以及效率等均在減小。為了達(dá)到通風(fēng)機(jī)的節(jié)能控制目標(biāo)，在滿足工作面實(shí)際通風(fēng)需求的基礎(chǔ)上，可采取如下措施：一是當(dāng)通過減小擋風(fēng)板的開度減小通風(fēng)機(jī)風(fēng)量時(shí)，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓也隨著減小，對應(yīng)所消耗的電能也減小。二是當(dāng)通過減小通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度減小通風(fēng)機(jī)風(fēng)量時(shí)，由于其工況點(diǎn)發(fā)生變化，對應(yīng)的通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量減小，風(fēng)壓也隨著減小，從而達(dá)到節(jié)能的效果。但是，通過改變?nèi)~片安裝角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，其操作難度較大，容易在調(diào)節(jié)過程中發(fā)生故障。三是當(dāng)通過減小通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速減小通風(fēng)機(jī)風(fēng)量時(shí)，對應(yīng)的通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓均減小，對應(yīng)軸功率降低，從而達(dá)到節(jié)能效果。

對比上述三種節(jié)能控制方式，對通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制為最簡單、最有效的方式[3]。因此，本文將以改變通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)、智能控制的目的。

1.2 煤礦綜采工作面的環(huán)境特性

對通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)、智能控制的主要依據(jù)為對工作面現(xiàn)場有害氣體濃度和粉塵濃度的監(jiān)測。當(dāng)工作面有害氣體濃度和粉塵濃度超標(biāo)時(shí)，通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)、智能控制系統(tǒng)增大風(fēng)量，盡快保證工作面粉塵和有害氣體的濃度滿足相關(guān)規(guī)定。結(jié)合《煤礦安全生產(chǎn)》的相關(guān)規(guī)范，要求綜采工作面的環(huán)境條件滿足要求如表1 所示。

表1 綜采工作面環(huán)境條件

2 通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)智能控制器的設(shè)計(jì)

2.1 通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)智能控制功能要求

對于通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)智能控制功能實(shí)現(xiàn)，在對工作面現(xiàn)場有害氣體濃度、粉塵濃度等準(zhǔn)確監(jiān)測的基礎(chǔ)上，考慮到煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相對復(fù)雜多變，要求對應(yīng)的自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制精度和魯棒性。

目前，在工業(yè)控制中常采用的控制器包括普通PID 控制器、模糊控制器以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的控制器。鑒于煤礦通風(fēng)系統(tǒng)主要表現(xiàn)為時(shí)滯性、多邊性以及復(fù)雜性等特點(diǎn)，單純地采用PID 控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器以及模糊控制器無法達(dá)到與其的控制效果。因此，為了保證通風(fēng)機(jī)最終的自適應(yīng)和智能化控制效果，本文擬采用能夠結(jié)合PID 控制算法、模糊控制算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的原理和優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)ANFIS-PID控制器。ANFIS-PID 控制原理如圖2 所示。

圖2 ANFIS-PID 控制器原理

由圖2 可以看出，ANFIS-PID 控制器的核心為能夠根據(jù)實(shí)時(shí)采集工作面有害氣體濃度、粉塵濃度與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差量為輸入，以模糊控制算法、最小二乘算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對PID 控制器中比例、積分以及微分三個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以達(dá)到最佳的控制效果。

2.2 ANFIS-PID 控制效果仿真分析

本小節(jié)將結(jié)合煤礦實(shí)際生產(chǎn)工作面所配套通風(fēng)機(jī)的具體工作參數(shù)完成PID 控制器、模糊PID 控制器以及ANFIS-PID 控制器的設(shè)計(jì)，并通過基于Simulink驗(yàn)證不同控制器對應(yīng)的控制效果。本文所研究通風(fēng)機(jī)的具體型號為DK45-4 NO.11，該型通風(fēng)機(jī)的具體參數(shù)如表2 所示[4]。

表2 DK45-4 NO.11 通風(fēng)機(jī)具體參數(shù)

根據(jù)不同控制器對比例、積分以及微分環(huán)節(jié)三個(gè)參數(shù)的整定原理，并參照DK45-4 NO.11 通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對于普通PID 控制器而言，對應(yīng)的三個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)為固定值，其中比例環(huán)節(jié)系數(shù)為0.75、微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.16、積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.45；模糊PID 和ANFIS-PID 控制器將在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上分別對其進(jìn)行整定修改。三種控制器對通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)智能控制的動態(tài)性能對比如表3 所示。

表3 不同控制器對應(yīng)的控制效果對比

由表3 可知，ANFIS-PID 控制器相比傳統(tǒng)PID 控制器和模糊PID 控制器能夠在更短的時(shí)間內(nèi)使得通風(fēng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；而且，在整個(gè)控制過程中ANFIS-PID控制器的穩(wěn)定性更好。因此，采用ANFIS-PID 控制器對通風(fēng)機(jī)的自適應(yīng)智能控制可以滿足控制要求。

3 結(jié)語

通風(fēng)機(jī)為煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的核心設(shè)備，傳統(tǒng)主要依靠人工對其進(jìn)行控制，一般情況下設(shè)備處于恒速運(yùn)行狀態(tài)，無法根據(jù)工作面現(xiàn)場有害氣體濃度、粉塵濃度對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)智能控制。為此，為保證綜采工作面的安全生產(chǎn)以及設(shè)備的節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)的自適應(yīng)智能控制是非常必要的。通過研究發(fā)現(xiàn)，采用ANFIS-PID 控制器與傳統(tǒng)PID 控制器和模糊PID 控制相比，在穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間、超調(diào)量以及誤差等方面均表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。即說明，ANFIS-PID 控制器具有更快的響應(yīng)速度，在控制過程中的穩(wěn)定性更好。