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(xué)電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022）

基于模糊控制的煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)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(xué)電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022）

本文介紹了通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于煤礦生產(chǎn)安全的重要性，分析了煤礦通風(fēng)安全的影響因素，并闡述了自動(dòng)控制技術(shù)在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值和作用，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)，并基于Matlab平臺(tái)進(jìn)行了仿真，可以為煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用提供

借鑒與支持。

煤礦；模糊控制；通風(fēng)系統(tǒng)；自動(dòng)化控制技術(shù)

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是保證煤礦生產(chǎn)安全的重要屏障，保證煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作效率是十分必要的。將自動(dòng)化技術(shù)和模糊控制技術(shù)應(yīng)用到煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中，可以提高通風(fēng)效率，降低通風(fēng)成本，增強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)的自適應(yīng)性［1］，可以有效預(yù)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(duì)模糊控制技術(shù)在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于提高通風(fēng)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(shí)意義［3］。

1 通風(fēng)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(dòng)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(chǔ)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(shí)，瓦斯爆炸事故也是時(shí)常發(fā)生，不僅對(duì)采挖工人和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大影響，也造成了非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，致使煤礦企業(yè)面臨虧損甚至破產(chǎn)危機(jī)［4］。因此，在煤礦生產(chǎn)活動(dòng)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(fēng)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(fēng)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(xiǎn)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(fēng)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(xiǎn)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(fēng)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(fēng)安全存在的影響因素主要有以下三點(diǎn)，即自然環(huán)境因素、人為因素和裝備設(shè)施因素［5］。自然因素是指由于煤層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，隨車開采深度的增加，受到土質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力和瓦斯壓力的影響，瓦斯會(huì)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(shí)和防范意識(shí)，不規(guī)范操作頻繁發(fā)生，崗前培訓(xùn)和考核制度不嚴(yán)格，導(dǎo)致了人為事故的發(fā)生。裝備設(shè)施因素指礦井下面的防塵設(shè)施不完善，非常容易造成礦井內(nèi)的粉塵堆積和飄揚(yáng)，極易引起爆炸事故。同時(shí)缺少完善的監(jiān)控設(shè)備和應(yīng)對(duì)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(dòng)化控制系統(tǒng)在通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

煤礦通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，通常是同時(shí)檢測不同監(jiān)測站的數(shù)據(jù)指標(biāo)，包括風(fēng)量、風(fēng)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(gè)控制點(diǎn)，調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

圖1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用原理Fig.1 The application of automatic control technology in coal mine ventilation system principle

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)通常可以分為傳感器系統(tǒng)、通風(fēng)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(zhǔn)的測量礦井內(nèi)的風(fēng)量、風(fēng)壓、有毒有害氣體濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)。通風(fēng)系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)風(fēng)量。改變風(fēng)量主要有兩種方式，一種是通過變頻裝置改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，另一種是通過改變百葉窗的開合角度來控制風(fēng)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(dòng)報(bào)警并執(zhí)行預(yù)定程序進(jìn)行處理。

4 模糊控制系統(tǒng)在通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

模糊控制是一種人工智能控制策略，不需要精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，可以充分利用現(xiàn)場工作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，適合非線性、多干擾、純滯后的系統(tǒng)，因此本文的煤礦通風(fēng)控制系統(tǒng)采用模糊控制來實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)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(shí)際情況，考慮到被控對(duì)象的實(shí)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?，將變頻器的輸入電壓作為輸出量。將傳感器檢測到的實(shí)際濃度值與設(shè)定值比較，得到瓦斯?jié)舛绕詈推钭兓?，然后分別按隸屬度函數(shù)計(jì)算出各自的模糊量。模糊控制器根據(jù)這兩個(gè)輸入量，并結(jié)合模糊控制規(guī)則得到輸出模糊量，再對(duì)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制通風(fēng)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(fēng)下的模糊控制模型的建立與仿真，并通過Matlab平臺(tái)進(jìn)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(duì)常規(guī)模糊控制算法進(jìn)行優(yōu)化后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，控制性能顯著改善。

煤礦通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)的正常工作是十分必要的。本文在自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一套基于模糊控制的通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)中對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用［J］.電子世界，2013，（19）：161.

［2］熊廷偉.煤礦瓦斯爆炸預(yù)警技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2005.

［3］高俊祥，高孝亮.自動(dòng)化控制技術(shù)在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2013，42（10）：522.

［4］孫永奎.集中精力治理瓦斯促進(jìn)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(fēng)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(fēng)機(jī)瓦斯智能排放研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2008.

［7］肖愛武.礦井局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究［D］.長沙：中南大學(xué)，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(xué)士，工程師，從事礦山自動(dòng)化研究。