自调整模糊控制在矿井局部通风机中的应用

２００７年第１期　煤矿机电　・４１・　自调整模糊控制在矿井局部通风机中的应用木　付华，尹丽娜　（辽宁工程技术大学电气工程系，辽宁阜新１２３０００）　摘　要：　本文设计了二维自调整模糊控制器，系统根据瓦斯浓度偏差和偏差变化率调整模糊规则　因子ａ，实现局部通风机的变频调速控制。经仿真和实验验证，大大改善掘进工作面的通风情况，　提高了局部通风机的工作效率和节能效果。　关键词：　局部通风机；自调整模糊控制；调整因子；变频调速　中图分类号：ＴＰ２７３　．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１—０８７４（２００７）０１—００４１－０３　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｌｆ－ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　Ｆｕｚｚｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｏ　Ｍ　ｉ　ｎｅ　ＬｏｃａＩ　Ｖｅｎｔｉ　ｌａｔｏｒ　ｌ　Ｕ　Ｈｕｄ．Ｙｌ　Ｌ／一ｎ８　（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｘｉｎ　１２３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　，Ｉ１ｌｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｓｅｌｆ－ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．，Ｉ１ｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｊｕｓｔｓ　ｔｈｅ　ｆｕｒｙ　ｒｕｌｅ　ｆａｃｔｏｒ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｅ　ｃｈａｔｎｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ　ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ．，Ｉ１ｌｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｎｄ　ｅｘｐｅｒａｉｍｅｎｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｈａｔｔ　ｈｅ　ｖｅｎｔｔｉｌａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｆａｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｕｓ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ　ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ　ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｃａｌ　ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ；ｓｅｌｆ－ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｆａｃｔｏｒ；ｆｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｒｓｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｓｕｌａ－　ｔｉｏｎ　１引言　用模糊控制方法控制通风机　。常规模糊控制的　精度不高，缺乏在线自学习或自调整的能力。本文　提出自调整模糊控制方法，系统根据瓦斯浓度偏差和　偏差变化率自动调整模糊控制规则，通风量及时跟上　矿井掘进工作面是瓦斯、煤层事故的多发地点，　据统计，矿井瓦斯爆炸中８０％的事故与局部通风机　有关¨Ｊ。局部通风机是井下掘进过程中的主要设　瓦斯变化，具有调节及时、控制性能良好的优点。　２控制系统结构　备，它直接影响瓦斯的安全排放，其功率选择通常按　照最长掘进距离时必须保证人员正常吸氧和瓦斯浓　度不超限的原则进行的。一般选择都偏大，当巷道　局部通风机控制系统的主要设备有自调整模糊　掘进深度较短时，就会出现大马拉小车的现象，造成　电能浪费，故希望根据实际需要调整通风量。　掘进工作面局部通风机所需风量主要与巷道的　控制器、矿用隔爆变频器，局部通风机等，其系统组　成结构如图１所示。系统的瓦斯浓度设定值根据现　场需要设定，一般为１．０％，系统的反馈信号经高低　浓度组合的瓦斯传感器采集来的掘进工作面瓦斯浓　度，自调整模糊控制器根据瓦斯的偏差和偏差变化　率输出０一ＩＯＶ的直流电压，送至矿用隔离变频器　的电压输入端，调整局部通风机的转速从而调节通　风量，实现掘进工作面通风量的自动控制。　长度、风阻及瓦斯浓度等有关。巷道内的瓦斯涌出　是随机的，考虑到系统的非线性、多耦合、多干扰，采　・辽宁省自然科学基金项目（编号：２００５１２０６）　辽宁省高校优秀人才基金项目（编号：２００５２１９００５）　维普资讯 http://www.cqvip.com

・４２・　煤矿机电　２００７年第１期　图１控制系统结构　３自调整模糊控制　结构如图２所示。输人为瓦斯浓度偏差ｅ和偏差变　（１）控制器设计　１）主要结构　化率ｅｃ，其偏差变化率的计算公式为ｅｃ＝ｅ。一ｅ“（ｅ。、　ｅｔｔ一１的偏差值）；输出为控制　１分别为采用时刻ｔ，－变频器的输人电压　；　、ｇｅｅ表示清晰量ｅ和ｅｃ的　根据系统的实际情况和控制要求，采用了二维　自调整模糊控制器对局部通风机进行控制ｒ３］［引，其　量化因子，　表示比例因子；ｃｔ为加权因子。　图２二维自调整模糊控制器结构　２）精确量的模糊化　根据《煤矿安全规程》的规定，当瓦斯浓度达到　或超过１．５％时，应进入排放瓦斯状态。为了达到　数如图３所示。　节能效果，当瓦斯浓度在Ｏ一１．５％时，局部通风机　地转速应与瓦斯浓度的增减成比例地改变。本文瓦　斯浓度偏差的基本论域设定为［一１，＋１］，量化论　域为｛一３，一２，一１，０，１，２，３｝，即ｎ＝３，模糊子集为　—３－２一ｌ　０　ｌ　２　３　｛ＮＢ，ＮＳ，ＮＯ，ＰＳ，ＰＢ｝，语言变量描述为｛负大，负　小，零，正小，正大｝，其量化因子为：　一　图３　Ｅ、ＥＣ和　的隶属函数　＝旦＝÷＝３　ｅ　ｌ　［１］　（２）模糊控制规则的构成　对二维模糊控制器，当输入变量偏差Ｅ、偏差变　偏差变化率的基本论域设定为［一Ｏ．５，　＋Ｏ．５］，量化论域为｛一３，一２，一１，０，１，２，３｝，模糊　子集为｛ＮＢ，ＮＳ，ＮＯ，ＰＳ，ｐＢ｝，语言变量描述为｛负　大，负小，零，正小，正大｝，其量化因子为：　ｎ　化率ＥＣ和输出控制量￡，的论域等级划分相同时，　则控制规则可以用下列关系式：　Ｕ＝一［ａＥ＋（１一ｏｔ）Ｅ］，ａ∈［０，１］［４］　其中ａ为调整因子。通过调整ａ值，可以改变偏差　Ｅ和偏差变换ＥＣ对控制输出量￡，的加权程度，从　而改变控制规则。当偏差较大时，控制系统的任务　时消除偏差，这是对偏差的加权应该大些；相反，当　Ｋ　６　［２］　输出（变频器的输入电压）基本论域为［Ｏ，１Ｏ］，　量化论域为｛一３，一２，一１，０，１，２，３｝，模糊子集为　｛ＮＢ，ＮＳ，ＮＯ，ＰＳ，ＰＢ｝，语言变量描述为｛负大，负　小，零，正小，正大｝，其比例因子为：　Ｋｕ　：一：　ｎｅ　ｃ　偏差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任　务是使系统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控　制规则中偏差变化起的作用大些。　考虑本系统的实际情况，采用两个调整因子　ａ，、ａ：，当偏差较小时，控制规则由来　。调整，当偏　：．１　６７　Ｏ　［３］　偏差Ｅ、偏差变化率ＥＣ和输出控制量￡，的隶　属函数选择符合人们思维特点的三角形，其隶属函　差较大时，控制规则由　：来调整。论域等级选取为　｛Ｅ｝＝｛ＥＣ｝＝｛Ｕ｝＝｛一３，一２，一１，０，１，２，３｝　维普资讯 http://www.cqvip.com

２１１０７年第１期　煤矿机　电　・４３・　则控制规则可表示为：　：定电流４．０Ａ，额定转速９４０ｒ／ｍｉｎ。瓦斯浓度用模拟　电压提供，电动机转速跟瓦斯浓度关系如图５所示。　Ｉ－－［　－Ｅ＋（　一ｏｔ１）Ｅ］，　Ｅ＝±１，０　Ｌ一［　２Ｅ＋（１一　２）Ｅ］，Ｅ＝－Ｉ－２，－－Ｉ３　［５］　其中：取　。＝０．４，　＝０．６。本系统的模糊控制规　则如表１所示。　’　表１模糊控制规则　ＥＣ　Ｏ　２　３　一３　２　ｌ　ｌ　—２　ｌ　ｌ　Ｏ　一ｌ　ｌ　Ｏ　Ｏ　ｌ　—ｌ　２　—ｌ　３　一２　（３）输出信息的清晰化　经模糊规则运算得出的控制量　是一个模糊　子集，但实际被控对象只能接受一个精确的控制量，　给变频器提供０—１０Ｖ的电压，故需要把控制量的　模糊集清晰化，乘以比例因子　，得到控制量ｕ：　ｕ＝Ｋ。Ｘ　Ｕ　［６］　４仿真和实验　当掘进工作面瓦斯浓度变化时，局部通风机的　转速随着瓦斯及时调整，达到及时排放瓦斯和通风　的功能。本文建立了基于ＭＡ１ｒＩ　Ｂ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ的　自调整模糊控制交流调速系统的仿真模型　Ｊ，给定　信号为瓦斯浓度。用于仿真的异步电动机参数为：　额定电压３８０Ｖ，电机极对数为４，额定转速为　１４５０ｒ／ｍｉｎ，其结果如图４所示。　图４自调整模糊控制系统仿真曲线　实验控制系统主要由ＴＭＳ３２０Ｆ２４０型高速数字　处理器ＤＳＰ、三菱ＦＲ—Ａ５４ｏ一１．５Ｋ—ＣＨ变频器、脉冲　编码器、Ｙ一１００Ｌ－６型笼型异步电动机组成。异步电　动机参数为：额定功率１．５ｋＷ，额定电压３８０Ｖ，额　图５实验曲线　从仿真和实验看出，系统能根据瓦斯浓度自动　调整风机转速从而改变掘进工作面的通风情况。当　瓦斯浓度低时，通风机不工作或以较低的速度运转；　当瓦斯浓度高时，通风机高速运转，达到及时通风排　放瓦斯的目的。从图４和图５中还可以看出，当瓦　斯变化率越大，转速变换的越快，达到真正节省能源　和及时通风的目的。　５结语　采用自调整模糊控制对局部通风机进行变频调　速控制，经仿真和实验证明，该方法控制简单，可靠　性高，控制系统能根据掘进工作面瓦斯浓度变化，连　续、动态、实时地对通风机变频调速，即调节通风量　改变瓦斯浓度，该方法不仅能提高掘进工作面的供　风质量，而且风机的节能效果十分显著，平均省电　３５％左右。　参考文献：　［１］刘志成，白爱成．通风区（对）长［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，　２００３　［２］祝龙记，王汝琳．矿用变频调速局部通风机的模糊控制技术　［Ｊ］．煤炭科学技术，２００３（４）　［３］刘航，徐杜，蒋永平．基于自调整模糊控制方法的交流变频调　速实验系统［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２００２（３）　［４］郭兴众，张春，陈其工．交流变频调速系统中的自适应模糊控　制研究［Ｊ］．机电工程。２００５（１）　［５］　易继锴，侯嫒杉．智能控制技术［Ｍ］．北京：北京工业出版社，　２００２　［６］　洪乃刚．电力电子与电力拖动控制系统得ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．　北京：机械工业出版社，２００６　作者简介：付华（１９６４一），女。教授。硕士生导师。长期从事智能控　制方面的研究。　（收稿日期：２００６—０６—１９；责任编辑：姚克）