基于模糊控制的煤礦通風自動控制系統應用

王廣錄，杜源，張東青

（1.沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，沈陽110000；2.黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，哈爾濱150022）

基于模糊控制的煤礦通風自動控制系統應用

王廣錄1，杜源2，張東青2

（1.沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，沈陽110000；2.黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，哈爾濱150022）

本文介紹了通風系統對于煤礦生產安全的重要性，分析了煤礦通風安全的影響因素，并闡述了自動控制技術在煤礦通風系統中的應用價值和作用，設計了基于模糊控制的煤礦通風系統，并基于Matlab平臺進行了仿真，可以為煤礦通風系統的實踐應用提供

借鑒與支持。

煤礦；模糊控制；通風系統；自動化控制技術

煤礦通風系統是保證煤礦生產安全的重要屏障，保證煤礦通風系統的穩定性和工作效率是十分必要的。將自動化技術和模糊控制技術應用到煤礦通風系統中，可以提高通風效率，降低通風成本，增強通風系統的自適應性［1］，可以有效預警瓦斯含量過高，降低瓦斯爆炸事故的發生概率，為煤礦生產安全提供有力保障［2］。因此，通過對模糊控制技術在煤礦通風系統中的應用，對于提高通風系統的性能和保證煤礦生產的安全都具有積極的現實意義［3］。

1 通風系統在煤礦中的重要作用

伴隨著我國工業化和市場化的高速發展，作為提供動力的能源行業，其供需矛盾愈發的凸顯出來。我國作為能源大國，雖然煤礦儲藏量非常豐富，但由于我國煤礦消耗量驚人，因此煤礦資源的供需矛盾異常突出。在煤礦采挖量逐年增大的同時，瓦斯爆炸事故也是時常發生，不僅對采挖工人和人民群眾的生命財產安全造成了重大影響，也造成了非常嚴重的經濟損失，致使煤礦企業面臨虧損甚至破產危機［4］。因此，在煤礦生產活動中保證開采安全，是十分必要且迫在眉睫的。根據調查研究表明，煤礦生產安全事故絕大多是都是由瓦斯爆炸引起的，而煤礦通風系統的工作狀況與瓦斯爆炸事故之間存在著必然的聯系。煤礦的通風系統的主要作用是將煤礦開采空間里的高濃度有毒有害和危險氣體排出至大氣中，并將新鮮的空氣輸送至工人工作環境內。通風系統可以有效降低工人工作環境內的有毒有害氣體含量，并稀釋危險氣體濃度至安全范圍，保證煤礦生產安全和工人的人身安全。

2 煤礦通風安全影響因素

通過分析典型的煤礦生產安全事故案例，可以發現煤礦通風安全存在的影響因素主要有以下三點，即自然環境因素、人為因素和裝備設施因素［5］。自然因素是指由于煤層結構十分復雜，隨車開采深度的增加，受到土質內部應力和瓦斯壓力的影響，瓦斯會大量涌出，極易引起瓦斯爆炸事故。人為因素是指采礦工人的文化素質普遍偏低，缺乏基本的安全意識和防范意識，不規范操作頻繁發生，崗前培訓和考核制度不嚴格，導致了人為事故的發生。裝備設施因素指礦井下面的防塵設施不完善，非常容易造成礦井內的粉塵堆積和飄揚，極易引起爆炸事故。同時缺少完善的監控設備和應對措施，從而造成監測數據存在誤差，致使安全事故的發生。

3 自動化控制系統在通風系統中的應用

煤礦通風自動控制系統的原理圖如圖1所示，通常是同時檢測不同監測站的數據指標，包括風量、風壓、有毒有害氣體濃度等信息，將這些數據傳輸至處理中心，經過系統集中分析之后，發出控制指令，并傳輸至各個控制點，調節通風機風量，實現煤礦通風系統的自動控制。

圖1 煤礦通風系統中對自動化控制技術的應用原理Fig.1 The application of automatic control technology in coal mine ventilation system principle

煤礦通風系統通常可以分為傳感器系統、通風系統和中央控制系統三大部分。傳感器系統采用在巷道內安裝的各種類型傳感器來精準的測量礦井內的風量、風壓、有毒有害氣體濃度等相關數據。通風系統的作用是調節風量。改變風量主要有兩種方式，一種是通過變頻裝置改變電機轉速，另一種是通過改變百葉窗的開合角度來控制風量。中央控制系統的作用是采集各監測站的數據，集中分析處理后，發出操作指令；如果遇到異常情況，可以自動報警并執行預定程序進行處理。

4 模糊控制系統在通風系統中的應用

模糊控制是一種人工智能控制策略，不需要精準的數學模型，可以充分利用現場工作人員的操作經驗，適合非線性、多干擾、純滯后的系統，因此本文的煤礦通風控制系統采用模糊控制來實現。其系統框圖如圖2所示。

圖2 風機模糊控制變頻調速系統框圖Fig.2 Fan fuzzy control variable frequency speed control system

模糊控制器的結構有很多種，本文根據實際情況，考慮到被控對象的實際情況，采用了二維模糊控制器，其結構圖如圖3所示。

圖3 瓦斯濃度模糊控制器結構圖Fig.3 Gas concentration fuzzy controller structure

模糊控制器是以瓦斯濃度偏差量和偏差變化率作為輸入量的，將變頻器的輸入電壓作為輸出量。將傳感器檢測到的實際濃度值與設定值比較，得到瓦斯濃度偏差和偏差變化率，然后分別按隸屬度函數計算出各自的模糊量。模糊控制器根據這兩個輸入量，并結合模糊控制規則得到輸出模糊量，再對其反模糊化就可以得到輸出精確控制量，從而控制變頻電源的輸出頻率，通過改變風機的轉速，達到控制通風量的目的［6］。

5 系統仿真及總結

本文采用單閉環模糊控制系統，模擬了正常通風下的模糊控制模型的建立與仿真，并通過Matlab平臺進行了建模和仿真。建立的模塊框圖如圖4所示：

圖4 模糊控制系統框圖Fig.4 Fuzzy control system

圖5 模糊控制器和傳統控制器系統仿真結果比較Fig.5 The control system of fuzzy controller and traditional simulation results comparison

由圖5可知，采用模糊控制算法對常規模糊控制算法進行優化后，系統的響應速度快，超調量小，控制性能顯著改善。

煤礦通風系統在煤礦生產中占有極其重要的地位，因此保持通風系統的正常工作是十分必要的。本文在自動控制技術的基礎上，設計并驗證了一套基于模糊控制的通風控制系統，可以為煤礦生產安全提供有力保障。

［1］池電廠.煤礦通風系統中對自動化控制技術的應用［J］.電子世界，2013，（19）：161.

［2］熊廷偉.煤礦瓦斯爆炸預警技術研究［D］.重慶：重慶大學，2005.

［3］高俊祥，高孝亮.自動化控制技術在煤礦通風系統中的應用［J］.煤礦安全，2013，42（10）：522.

［4］孫永奎.集中精力治理瓦斯促進煤礦長治久安［C］//2006年“安全發展”高層論壇，2006.

［5］閆國杰.試析煤礦通風中安全影響因素與防范策略［J］.黑龍江科技信息，2013，（31）：285.

［6］戴良軍.基于模糊控制的局部通風機瓦斯智能排放研究［D］.西安：西安科技大學，2008.

［7］肖愛武.礦井局部通風機控制系統的研究［D］.長沙：中南大學，2008.

Application of Coal Mine Ventilation and Automatic Control System Based on Fuzzy Control

WANGGuang-lu1,DUYuan2,ZHANGDong-qing2
(1.Shenyangcokingcoal co.,LTD.,HongYang3 mines,Shenyang110000,China
2.College ofElectrical and Control Engineering,HeilongjiangUniversityofScience and Technology,Harbin 150022,China)

This article introduces the ventilation system for the importance ofsafetyproduction in coal mine,analyzes the influence factors ofcoal mine ventilation and safety,and expounds the application of automatic control technology in coal mine ventilation system value and function, design of mine ventilation system based on fuzzy control,and has carried on the simulation platform based on Matlab.This paper can provide reference for the practice ofcoal mine ventilation systemapplications and support.

Coal mine;Fuzzycontrol;Ventilation system;Automation control technology

TP273.4

A

1674-8646（2015）08-0006-02

2015-05-31

王廣錄（1969-），男，黑龍江巴彥人，學士，工程師，從事礦山自動化研究。