礦井局部通風機不同控制方式對風量調節(jié)效果的對比分析

劉通海

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司安全監(jiān)管五人小組， 山西 大同 037003）

引言

我國的煤礦眾多，大多以地下開采為主，在進行地下開采的過程中，會產生大量的瓦斯等有毒有害氣體，對井下人員的生命安全造成危害，并存在著安全隱患，影響煤礦的安全生產。在進行煤礦井下開采作業(yè)時，需要通過通風機將井下的有毒有害氣體進行稀釋排放，并為井下提供新鮮的空氣，保證適宜的生產條件[1]，保證井下的生產活動順利進行。在煤礦的通風系統(tǒng)中，局部通風機依據(jù)礦井的不同條件，對風量進行實時的調節(jié)，目前主要采用定量控制的方式，無法對通風機的速度進行調節(jié)，這樣常使通風機處于長期超負荷運行的狀態(tài)，減少了通風機的使用壽命，并且造成一定的電能浪費[2]，不利于煤礦的節(jié)能降耗。對通風機的風量進行自動控制是提高通風機壽命及能量使用率的重要方式，對通風機通風量調節(jié)的效果進行分析，從而可以選擇合理的控制方式[3]，延長通風機的使用壽命，降低能量消耗。

1 局部通風機風量調節(jié)控制原理

由于風量的大小受到巷道的長度、瓦斯?jié)舛燃帮L筒阻力等多種因素的影響，風量的調節(jié)系統(tǒng)存在著非線性、滯后等問題，常規(guī)的控制方式難以實現(xiàn)較高精度的控制。模糊控制采用基于規(guī)則的控制方式，不依賴于具體的數(shù)學模型，可以充分利用現(xiàn)場的生產經驗進行預測，采用優(yōu)化及反饋的形式改善系統(tǒng)的非線性及滯后性等問題，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。采用基于T-S 模型的模糊控制器對局部通風機的風量進行調節(jié)，其控制原理如圖1 所示。把工作面的瓦斯?jié)舛茸鳛楸豢刂茖ο螅煽刂破饕罁?jù)瓦斯變化進行自動調整，輸入防爆變頻器，實現(xiàn)對通風機電動機的調節(jié)，從而實現(xiàn)對通風量的自動調節(jié)，并對瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟M行檢測，實現(xiàn)系統(tǒng)的反饋調節(jié)[5]。

圖1 局部通風機控制原理圖

2 不同控制方式的風量調節(jié)效果仿真分析

2.1 模糊控制方式下的通風機風量調節(jié)系統(tǒng)

采用單變量的模糊控制器對通風機風量進行調節(jié)控制，以給定值與實際值之間的偏差值及偏差率作為輸入語言的變量，輸出量為變頻器的控制信號，則模糊控制系統(tǒng)的原理如圖2 所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)的原理圖

在simulink 環(huán)境中搭建模糊控制系統(tǒng)的模型，給定通風量為350 m3/min，選擇二維輸入量為高斯型函數(shù)，輸出量為三角形函數(shù)[6]，設定控制延時為10 s，對模糊控制系統(tǒng)進行仿真分析，得到系統(tǒng)的響應曲線如圖3 所示，為便于對比分析，將常用的傳統(tǒng)PID 控制的響應曲線進行對比分析。

從圖3 中可以看出，在系統(tǒng)延時為10 s 時，模糊控制系統(tǒng)在70 s 時達到風量調節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)，且沒有超調量；PID 控制系統(tǒng)在118 s 時才達到風量調節(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)，且存在超調量，超調比為17%。由此可知，采用模糊控制風量調節(jié)系統(tǒng)比PID 控制調節(jié)系統(tǒng)的響應速度快，無超調量，控制風量調節(jié)的穩(wěn)定性好。

圖3 模糊控制系統(tǒng)響應曲線

2.2 模糊自適應控制方式下的通風機風量調節(jié)系統(tǒng)

自適應的控制系統(tǒng)采用給定值的偏差與偏差率作為輸入，同時，對不同時刻的輸入值進行PID 參數(shù)的自適應調整，利用模糊規(guī)則對PID 參數(shù)進行調整[7]，從而形成模糊自適應控制系統(tǒng)。采用模糊自適應控制系統(tǒng)對局部通風機的風量進行調節(jié)的控制原理如圖4所示。

圖4 模糊自適應控制系統(tǒng)的原理圖

在simulink 環(huán)境中搭建模糊自適應控制系統(tǒng)的模型，給定風量為350 m3/min，設定PID 系統(tǒng)的初始參數(shù)，設定控制延時為10 s，對模糊自適應控制系統(tǒng)進行仿真分析，得到系統(tǒng)的響應曲線如圖5 所示，為便于對比分析，將模糊控制的響應曲線進行對比分析。

從圖5 中可以看出，采用模糊自適應控制系統(tǒng)的通風機風量調節(jié)系統(tǒng)在45 s 時達到穩(wěn)定狀態(tài)，具有一定的超調量，超調比為8%；而采用模糊控制的通風機風量調節(jié)系統(tǒng)在70 s 時達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)沒有超調量的出現(xiàn)。由此可知，模糊自適應控制系統(tǒng)的響應速度快，但存在一定的超調量，控制精度小于模糊控制系統(tǒng)。

圖5 模糊自適應控制系統(tǒng)響應曲線

通過上述的分析可知，煤礦井下的局部通風機風量調節(jié)系統(tǒng)，通過控制器依據(jù)瓦斯的濃度對電機頻率進行調整，從而實現(xiàn)對風量的調節(jié)，由于瓦斯?jié)舛鹊淖兓哂幸欢ǖ碾S機性，使得控制系統(tǒng)的給定值也具有一定的變化。模糊控制基于規(guī)則進行，對風量的調節(jié)效果好于PID 控制方式，但系統(tǒng)的模糊規(guī)則固定不變，對具有較大滯后性的控制難以實現(xiàn)預期的效果。模糊自適應控制方式結合了PID 控制及模糊控制的優(yōu)點，能提高小滯后系統(tǒng)的控制性能，但對于較大滯后系統(tǒng)的控制，難以進行精確的控制。

3 結論

煤礦的開采過程中，局部通風機系統(tǒng)通過風量調節(jié)系統(tǒng)，可以減輕通風機的工作負荷，降低煤礦的能量消耗，有利于提高煤礦的綜合經濟效益。針對局部通風機風量調節(jié)系統(tǒng)的控制方式進行仿真分析，模糊控制的穩(wěn)定性及響應速度要優(yōu)于PID 控制，模糊自適應控制結合了PID 控制及模糊控制的優(yōu)點，可以對較小時滯的系統(tǒng)進行較好的控制。對于具有較大滯后的控制系統(tǒng)，由于被控量偏差的滯后，在響應速度上要優(yōu)于模糊控制，但具有一定的超調量，控制精度不足。在進行通風機風量調節(jié)的過程中，應依據(jù)礦井的實際需求，盡量降低被控對象的偏差，從而提高控制系統(tǒng)的性能，更好地對工作面進行風量調節(jié)。