基于模糊控制的煤礦通風自動控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)對于煤礦生產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)，并基于Matlab平臺進行了仿真，可以為煤礦通風系統(tǒng)的實踐應用提供

借鑒與支持。

煤礦；模糊控制；通風系統(tǒng)；自動化控制技術

煤礦通風系統(tǒng)是保證煤礦生產(chǎn)安全的重要屏障，保證煤礦通風系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)中，可以提高通風效率，降低通風成本，增強通風系統(tǒng)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(fā)生概率，為煤礦生產(chǎn)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(tǒng)中的應用，對于提高通風系統(tǒng)的性能和保證煤礦生產(chǎn)的安全都具有積極的現(xiàn)實意義［3］。

1 通風系統(tǒng)在煤礦中的重要作用

伴隨著我國工業(yè)化和市場化的高速發(fā)展，作為提供動力的能源行業(yè)，其供需矛盾愈發(fā)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(fā)生，不僅對采挖工人和人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成了重大影響，也造成了非常嚴重的經(jīng)濟損失，致使煤礦企業(yè)面臨虧損甚至破產(chǎn)危機［4］。因此，在煤礦生產(chǎn)活動中保證開采安全，是十分必要且迫在眉睫的。根據(jù)調(diào)查研究表明，煤礦生產(chǎn)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(tǒng)的工作狀況與瓦斯爆炸事故之間存在著必然的聯(lián)系。煤礦的通風系統(tǒng)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(huán)境內(nèi)。通風系統(tǒng)可以有效降低工人工作環(huán)境內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)安全事故案例，可以發(fā)現(xiàn)煤礦通風安全存在的影響因素主要有以下三點，即自然環(huán)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(jié)構(gòu)十分復雜，隨車開采深度的增加，受到土質(zhì)內(nèi)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(zhì)普遍偏低，缺乏基本的安全意識和防范意識，不規(guī)范操作頻繁發(fā)生，崗前培訓和考核制度不嚴格，導致了人為事故的發(fā)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(nèi)的粉塵堆積和飄揚，極易引起爆炸事故。同時缺少完善的監(jiān)控設備和應對措施，從而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)存在誤差，致使安全事故的發(fā)生。

3 自動化控制系統(tǒng)在通風系統(tǒng)中的應用

煤礦通風自動控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，通常是同時檢測不同監(jiān)測站的數(shù)據(jù)指標，包括風量、風壓、有毒有害氣體濃度等信息，將這些數(shù)據(jù)傳輸至處理中心，經(jīng)過系統(tǒng)集中分析之后，發(fā)出控制指令，并傳輸至各個控制點，調(diào)節(jié)通風機風量，實現(xiàn)煤礦通風系統(tǒng)的自動控制。

圖1 煤礦通風系統(tǒng)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(tǒng)通常可以分為傳感器系統(tǒng)、通風系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)三大部分。傳感器系統(tǒng)采用在巷道內(nèi)安裝的各種類型傳感器來精準的測量礦井內(nèi)的風量、風壓、有毒有害氣體濃度等相關數(shù)據(jù)。通風系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(tǒng)的作用是采集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，集中分析處理后，發(fā)出操作指令；如果遇到異常情況，可以自動報警并執(zhí)行預定程序進行處理。

4 模糊控制系統(tǒng)在通風系統(tǒng)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(shù)學模型，可以充分利用現(xiàn)場工作人員的操作經(jīng)驗，適合非線性、多干擾、純滯后的系統(tǒng)，因此本文的煤礦通風控制系統(tǒng)采用模糊控制來實現(xiàn)。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 風機模糊控制變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.2 Fan fuzzy control variable frequency speed control system

模糊控制器的結(jié)構(gòu)有很多種，本文根據(jù)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(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 瓦斯?jié)舛饶：刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Gas concentration fuzzy controller structure

模糊控制器是以瓦斯?jié)舛绕盍亢推钭兓首鳛檩斎肓康模瑢⒆冾l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?jié)舛绕詈推钭兓剩缓蠓謩e按隸屬度函數(shù)計算出各自的模糊量。模糊控制器根據(jù)這兩個輸入量，并結(jié)合模糊控制規(guī)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(zhuǎn)速，達到控制通風量的目的［6］。

5 系統(tǒng)仿真及總結(jié)

本文采用單閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)，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(tǒng)框圖Fig.4 Fuzzy control system

圖5 模糊控制器和傳統(tǒng)控制器系統(tǒng)仿真結(jié)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(guī)模糊控制算法進行優(yōu)化后，系統(tǒng)的響應速度快，超調(diào)量小，控制性能顯著改善。

煤礦通風系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中占有極其重要的地位，因此保持通風系統(tǒng)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(tǒng)，可以為煤礦生產(chǎn)安全提供有力保障。

［1］池電廠.煤礦通風系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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。