礦井通風機多模態控制研究與實現

曹吉花，胡學青，呂現釗

（宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000）

1 引言

通風機是煤礦安全生產的主要設備，其基本任務是：向井下輸送新鮮空氣，滿足井下人員對氧氣的需要；沖淡井下有毒有害氣體和粉塵；確保礦井安全生產，調節井下氣候，創造良好的工作環境.作為礦井系統的動力源，該設備如果因某種故障而停機運行，將會給整個礦山的安全生產帶來巨大威脅.因此，對煤礦通風機系統進行在線監控與故障診斷的研究具有重要的理論意義和實際應用價值.

礦井通風機及其傳動電機，通常在礦井設計階段選定，其通風量主要由礦井瓦斯涌出量、井下作業人員數量、通風巷道阻力等因素決定.礦井通風機的功率是按照最長掘進距離時必須保證人員正常吸氧和瓦斯濃度不超過限制的原則進行設計的，且留有一定程度的余量.當巷道掘進深度較短時，就會出現大馬拉小車現象，造成電能的浪費，所以希望根據通風量和掘進巷道內的瓦斯濃度變化之間的關系，及時調整通風量，使其在最佳的工況下運轉，節省通風機由于長期恒速運轉造成的能源浪費，降低企業的生產成本.

通風機的風量調節主要有風門調節與變頻調節，研究顯示變頻調節系統不僅能使通風機工作在高效區，而且其節能效果更優于其他的調節方法，具有廣闊的應用前景.

2 變頻調速原理

通風機的功率P與通風機的轉速n存在關系[1]：

由式（1）可以看出，通過改變通風機的轉速就可以改變通風機所對應的功率，可以滿足不同瓦斯濃度下掘進面對風量的需求.由式（1）可知，當通風機的轉速降低后，其功率隨轉速的三次方下降，因而通過調速可以取得明顯的節能效果.通風機轉速與軸功率及節能的關系如表1所示.

表1 通風機理論節能效果

由表1可以看出，通過調節轉速節能效果很明顯.

礦井通風機多采用交流異步電動機，其轉速為[2]：

（2）式中：n：通風機的轉速；f1：通風機交流電源的頻率；p：通風機的磁極對數.由式（2）可知，改變電源的頻率可以改變通風機的轉速，改變風量，同時達到節能的目的.

3 控制系統設計

目前礦井通風系統的控制，大都采用繼電器、接觸器的控制系統，這種控制系統存在著體積大、觸點多、接線復雜、可靠性低、排除故障困難等很多缺點.如果通風機不采用變頻調速，那么通風量的調節方法，只能是依靠風門提起的高度和調節通風機扇葉的數量和角度，這樣，主通風機將一直高速運行，備用通風機停止，不能輪換工作，易使風機產生故障，降低使用壽命.因此，將PLC與變頻器結合在一起，采用以礦井的風量、風壓、瓦斯濃度等為控制對象，實現對通風機的工作過程和轉速的有效控制，使通風機安全、高效的運行，并達到節能的效果.

以西門子S7-200PLC作為監控中心，應用壓力、流量、瓦斯等傳感器對通風機運行狀態及各參數進行檢測，利用變頻器調節通風機速度，控制系統框圖如圖1所示.

圖1 控制系統框圖

礦井所需的風量主要與巷道的長度、風阻及瓦斯濃度有關系，巷道內瓦斯的涌出是隨機的，要建立瓦斯濃度與通風機轉速的數學模型是不可能的，考慮到這種系統的非線性、強耦合和多干擾性等特點，采用多模態進行控制.

3.1 多模態控制的基本控制思想

所謂“多模態（Multi-mode）”[3]是指隨著時間的變化，系統在運動過程中具有不同的模型，表現出不同的模態；“多模態控制”(Multi-mode Control)是一種仿人的智能控制方式，在控制過程中利用計算機模擬人的控制行為，最大限度地識別和利用控制系統動態過程所提供的信息特征，進行啟發和直覺推理，從而實現對缺乏精確數學模型的對象進行有效的控制.它可根據系統所處的不同狀態和不同時間對控制過程的不同要求，采用不同的控制策略和響應的控制模式，同時兼顧控制系統對多種性能指標的要求，從控制角度考慮，使設計的工業控制器最大限度地提高系統的控制性能—魯棒性，實現良好的動態指標和靜態指標.即多模態控制就是針對不同的系統模態設計出相應的控制器，構成控制器的集合，以實現系統(所有模態)的有效控制.

3.2 多模態控制器模塊

多模態控制器原理圖如圖2所示[4].Bang-Bang控制又稱開關控制，這種控制方式簡單易行，響應速度快，但難以滿足控制精度的要求[5].在巷道掘進面較深，需要風量、風壓較大時，實際值與基準值的誤差很大，為了盡快地減少誤差，使風量、風壓以最大速度向設定值靠攏，此時，應采用Bang-Bang控制模態進行控制.如果風量、風壓誤差在不斷變化，但誤差的絕對值尚未達到Bang-Bang控制的閾值時，即：ML<|e（k）|

規則中，umax為最大允許輸出信號；umin為最小允許輸出信號；ε為任意小的正實數；Δe為誤差變化；MH、ML分別表示誤差界限，且 MH＞ML＞ε＞0；f(FLC)和 f(PID)分別是 FLC和 PID控制的輸出值，兩者都采用增量式算法，以便實現兩者的平滑切換.當誤差及其變化率在允許的ε范圍時，就保持前一時刻的輸出值，以防誤差在所要求范圍內時，還頻繁地調節系統.

圖2 多模態控制器原理圖

3.3 控制系統的硬件實現

根據控制系統的需要，設計一個以PLC為核心的通風機控制器.PLC控制系統結構如圖3所示，由SIEMENS S7系列PLC(控制站)和若干臺工控PC(操作站)組成，每個控制器控制2臺通風機.控制器（下位機）與上位PC機通過RS485組成一個分布式控制系統.整個系統組成主從結構，上位機負責系統監控、數據管理、過程控制、圖形顯示、控制參數設置、控制參數下傳和接收來自下位機的數據.下位機采用PLC控制，負責數據采集、數據轉換、實時控制及通訊等任務.

圖3 PLC控制系統結構

3.4 控制系統軟件實現

本系統軟件設計采用模塊化設計,主要由組態軟件、C編程軟件和下位機PLC可編程軟件構成.組態軟件主要負責監控、通訊、曲線顯示、報表及報警等；C編程軟件主要實現模糊控制表計算、神經網絡權值訓練，參數提取及設定等；下位機軟件采用PLC可編程語言實現，主要完成數據采集、數字濾波、信號轉換、實時控制算法計算及數據上傳等.主要程序有:主程序、PID算法子程序、模糊控制算法子程序、PID和Fuzzy算法切換子程序、數據檢測子程序、數據打印、曲線顯示以及通道切換子程序等.

4 小結

以風量、風壓、瓦斯濃度為代表的參數控制是通風機監控系統的關鍵，也是系統的控制難點.該類控制對象是一類大時滯并具時變性的被控對象，常規PID控制在此不能取得滿意的控制效果.采用“多模態”控制，當模型參數在很大范圍內變化時，“多模態”控制具有理想的控制品質，在純滯后對象的控制過程中，積分作用的引入會對系統穩定性產生非常顯著的影響，而“多模態”控制正是對這個問題提供了一種很好的解決手段.在偏離穩定狀態的時候，控制系統主要利用比例或者比例微分進行控制，只有當運動軌跡接近穩定狀態時，控制系統才切入適當的積分作用，以消除余差.這不僅可以提高響應的快速性及其它動態性能，同時也保證了閉環控制系統的漸進跟蹤性能.而且“多模態”控制不依賴對象的數學模型，并具有很強的魯棒穩定性.

〔1〕將飛，劉實現.基于模糊控制的礦井通風機變頻調速系統[J].江西煤炭科技，2008（4）：17-18.

〔2〕唐介.電機與拖動（第 2 版）[M].北京：高等教育出版社，2007.114～115.

〔3〕趙煜，朱瑞祥,陳濤.發酵過程溫度控制環的自適應PID及仿真研究 [J].農機化研究，2007(06):29-32.

〔4〕王武，董海鷹.復雜工業的多模態集成智能控制研究[J].計算機測量與控制，2005，13（11）：1230-1232.

〔5〕常少莉,姚錫凡.基于專家規則的自選擇式多模態控制方法的研究[J].制造技術與自動化,2005(05):25-28.

〔6〕熊祥江.帶鋼熱連軋加熱爐控制系統的研究[D].武漢:武漢科技大學,2004.