掘進(jìn)巷道局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

［摘 要］局部通風(fēng)機(jī)可為礦井巷道掘進(jìn)和生產(chǎn)提供新鮮的空氣，調(diào)節(jié)瓦斯?jié)舛?，保證作業(yè)安全。局部風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)具有純滯后、非線性、多擾動等特征，傳統(tǒng)的PID 控制方法難以達(dá)到理想的控制效果。文章提出并應(yīng)用了智能控制系統(tǒng)—— 模糊控制。實(shí)踐表明，改進(jìn)后的模糊控制器可以根據(jù)掘進(jìn)工作面調(diào)節(jié)瓦斯?jié)舛?，確保井下作業(yè)環(huán)境安全，且節(jié)能效果顯著。

［關(guān)鍵詞］巷道；局部通風(fēng)；智能控制；模糊控制

［中圖分類號］TM63 ；TP273.5 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0011–03

1 巷道局部通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)存問題

近年來，礦井事故頻發(fā)，其中瓦斯事故占比較高。瓦斯事故是指瓦斯?jié)舛瘸^閾值時發(fā)生的爆炸、火災(zāi)或者引發(fā)井下作業(yè)人員窒息等事故，這些都是因巷道井下通風(fēng)系統(tǒng)的嚴(yán)重滯后性導(dǎo)致的。巷道廣泛應(yīng)用的通風(fēng)系統(tǒng)都是采取預(yù)先設(shè)定的原則，通風(fēng)流量由以往經(jīng)驗(yàn)即估算結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，巷道的通風(fēng)量不能及時根據(jù)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行調(diào)整，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)難以應(yīng)對突發(fā)的瓦斯突涌事故，且局部通風(fēng)機(jī)長期以大功率進(jìn)行工作也會增加礦井開采成本。巷道井下通風(fēng)依據(jù)擋風(fēng)板的開度調(diào)節(jié)風(fēng)速，難以形成遠(yuǎn)程監(jiān)控。隨著巷道掘進(jìn)面不斷向前推進(jìn)，通風(fēng)機(jī)安裝的位置及設(shè)定的風(fēng)量難以滿足現(xiàn)有巷道的需求，導(dǎo)致新鮮空氣難以及時輸送到掘進(jìn)工作面。

2 智能局部通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化與布置

巷道局部風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小與巷道截面、長度、瓦斯?jié)舛?、空氣濕度及煤塵含量等因素相關(guān)。采用模糊控制系統(tǒng)的輸入變量為優(yōu)化后的遺傳算法Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對巷道的實(shí)時風(fēng)量進(jìn)行迭代計算，然后根據(jù)巷道內(nèi)瓦斯、流速傳感器采集的信息與當(dāng)前的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行比對后，分析誤差和誤差率的大小。然后判斷是否進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)得輸出變量為電壓，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的風(fēng)量和風(fēng)量傳感器采集的實(shí)時風(fēng)量進(jìn)行對比，可得到巷道內(nèi)風(fēng)量誤差信息，各自的模糊量可根據(jù)相關(guān)從屬函數(shù)進(jìn)行計算求解，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊決策處理，對控制變頻器的輸出變量進(jìn)行反模糊化?；谏鲜隽鞒踢_(dá)到改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的智能化控制，從而可以實(shí)時達(dá)到智能控制通風(fēng)量的應(yīng)用效果。

巷道局部通風(fēng)是巷道通風(fēng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，在巷道掘進(jìn)面推進(jìn)過程中，如果井下環(huán)境發(fā)生急劇變化，會導(dǎo)致巷道內(nèi)局部位置的通風(fēng)需求量增加。例如，若發(fā)生瓦斯KD98loO7lx0Nl0AJcrJ9YKUry/dk148ZEqTi1p4nZxw=突涌事故，則需要局部通風(fēng)機(jī)提供更大風(fēng)量，以確保巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛忍幱谡７秶?。瓦斯突涌事故結(jié)束后，巷道局部的通風(fēng)需求量顯著降低，此時需要利用智能化控制系統(tǒng)及時降低風(fēng)量，達(dá)到解決電能目的。為了滿足通風(fēng)量與需求量的供需關(guān)系，引入模糊變量進(jìn)行智能控制。圖1為智能通風(fēng)系統(tǒng)整體方案。

2.1 智能模糊控制系統(tǒng)

巷道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)可以依賴模糊控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，模糊控制可以將模糊語言變量及更為復(fù)雜的邏輯推理和集合運(yùn)算包含在內(nèi)。將井下巷道的瓦斯?jié)舛?、所需風(fēng)量、環(huán)境溫度等模糊語言轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可識別的二進(jìn)制運(yùn)算程序，從而將復(fù)雜的通風(fēng)供需問題變成可編譯處理的數(shù)學(xué)問題。圖2 為巷道通風(fēng)系統(tǒng)模糊控制具體流程。

根據(jù)輸入的環(huán)境變量進(jìn)行模糊處理及決策制訂，從而達(dá)到通風(fēng)機(jī)的智能化控制。模糊控制系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行器、傳感器及輸入和輸出接口等部分組成?？刂破魇钦麄€通風(fēng)機(jī)智能控制的關(guān)鍵，運(yùn)行過程中根據(jù)模糊規(guī)則對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可實(shí)現(xiàn)控制過程中所需的各種模糊算法。輸出控制量的模糊值可以通過清晰的接口轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器可以接收的精確量。根據(jù)安裝在巷道內(nèi)的傳感器獲得瓦斯含量的實(shí)時精確數(shù)值，將實(shí)時精確值與系統(tǒng)的設(shè)定值比較后得到偏差值，此為模糊控制器的一個輸入量。所采用的模糊控制規(guī)則是用模糊理論中的模糊條件語句來描述的，因此模糊控制器是一種語言控制器，是控制系統(tǒng)的“智能”部分。智能通風(fēng)控制系統(tǒng)需要模糊化的接口，將輸入的參數(shù)值進(jìn)行輸入與轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)變量與模糊變量之間的轉(zhuǎn)換，根據(jù)程序中的模糊處理方式和控制規(guī)則，從而制訂風(fēng)量決策。對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)化為變頻器可以理解的電信號，從而達(dá)到智能控制風(fēng)量的目的。

2.2 智能模糊控制器的改進(jìn)

傳統(tǒng)煤礦送風(fēng)系統(tǒng)中，當(dāng)巷道掘進(jìn)面的送風(fēng)需求變化時，井下通風(fēng)控制人員隨機(jī)強(qiáng)制執(zhí)行過程具有明顯的滯后性，而且控制精度很低，風(fēng)量需求規(guī)律難以掌握，因此普通簡單的數(shù)學(xué)模型無法描述這一類具有隨機(jī)性和復(fù)雜性的問題。針對這些問題，設(shè)計了一種基于模糊控制的智能控制系統(tǒng)。模糊控制過程主要完成精確模糊化、模糊推理及非模糊化的任務(wù)。以氣體濃度偏差E 和偏差率EC 為輸入，風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速U 為輸出，設(shè)計二維模糊控制器。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)時跟蹤氣體濃度的變化，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量的實(shí)時動態(tài)調(diào)節(jié)。因此對模糊控制器進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的智能模糊控制器如圖3 所示。根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊钠詈推盥?，自動調(diào)整二維模糊控制器的規(guī)則因子α，改變控制規(guī)則，生成相應(yīng)的控制量，并進(jìn)行的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。對于二維模糊控制器，當(dāng)輸入變量偏差E、信號偏差率EC 和輸出控制變量U 的域水平相同時。

根據(jù)傳感器監(jiān)測的瓦斯?jié)舛茸兓闆r，采用改進(jìn)后的智能模糊控制器調(diào)節(jié)局部風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，將巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛仁冀K保持在規(guī)范規(guī)定的安全范圍內(nèi)。局部通風(fēng)機(jī)智能調(diào)速模糊控制系統(tǒng)含有3 個重要部分：①局部通風(fēng)智能控制保護(hù)器，控制器的CPU 采用TMS320F 芯片，可以對巷道內(nèi)空氣濕度、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行處理分析，依據(jù)模糊控制規(guī)則下達(dá)風(fēng)機(jī)功率的指令，從而高效控制通風(fēng)機(jī)工作效率。②變頻系統(tǒng)，變頻器可以根據(jù)控制器輸出的指令調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)電源的輸入頻率，從而改變局部風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小。③巷道局部風(fēng)機(jī)，根據(jù)變頻器輸出的電源頻率改變分機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到實(shí)時變頻、動態(tài)調(diào)整風(fēng)量的目的。局部通風(fēng)機(jī)智能調(diào)速模糊控制系統(tǒng)控制原理如圖4 所示。

3 MATLAB仿真驗(yàn)證

利用MATLAB 圖形化工具模糊推理系統(tǒng)編輯器建立了改進(jìn)型模糊控制系統(tǒng)的仿真模型。給定信號是氣體濃度，基本參數(shù)是額定功率1.6 kW、額定電壓380 V、額定電流4.0 A、額定轉(zhuǎn)速950 r/min 的異步電機(jī)。將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 中可以看出，MATLAB 模糊控制系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，這說明采用改進(jìn)后的智能模糊控制器可以根據(jù)掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行局部控制，即當(dāng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛容^低時，局部通風(fēng)機(jī)可根據(jù)變頻控制器輸出的指令，以較低的功率運(yùn)行； 當(dāng)瓦斯?jié)舛容^高時，智能調(diào)速模糊控制系統(tǒng)輸出通風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的指令，及時的增大局部巷道的通風(fēng)量，將高濃度瓦斯氣體及時排出。

4 結(jié)束語

改進(jìn)后的智能模糊控制器可應(yīng)用于煤礦局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，連續(xù)且動態(tài)地調(diào)節(jié)控制器的變頻速度，實(shí)時改變巷道風(fēng)量來改變瓦斯?jié)舛?。即巷道通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可根據(jù)瓦斯氣體的濃度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，確保井下作業(yè)環(huán)境安全。這不僅提高了通風(fēng)機(jī)的效率，而且改善了掘進(jìn)工作面的通風(fēng)條件，節(jié)能效果十分顯著。

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