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变频技术和模糊控制在矿井局部通风机中的应用

关键字: 局部通风机/自调整模糊控制 浏览次数:1504发表时间:2015-05-29 12:00:00
变频技术和模糊控制在矿井局部通风机中的应用*
尹伊君,尹丽娜
(辽宁工程技术大学,辽宁阜新123000)
    摘要:分析了矿井局部通风机自动控制的必要性,并提出自调整模糊控制调节通风机转速方案。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,实现局部通风机的变频调速控制。经仿真和实验验证,对局部通风机进行自调整模糊控制后,通风机转速随着瓦斯浓度自适应调整,且有较强的鲁棒性。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,而且节能效果非常显著。
    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:TD441文献标志码:A文章编号:1003-0794(2007)01-0139-03
Frequency-variable Technology and Fuzzy Control Used in Mine
Local Ventilator
Y1N Yi-jun, YIN Li-na
( Liaoning University of Engineering and Technology, Fuxin 123000, China)
Abstract: The necessity of mine local ventilator auto control is analysed, a kind of method of self-adjusting fuzzy control in mine local ventilator is proposed. Design two-dimension self-adjusting fuzzy controller, the system automatically adjusts the rule factor considering the error and error change of gas to control the ventilator speed. Emulation and experiment indicates that the ventilator speed changes according to gas after using self-adjusting fuzzy controller, and robustness is enhanced. It improves ventilation condition of mine roadway excavation face, increases the mine local ventilator efficiency and saves energy obviously.
Keywords: mine local ventilator; self- adjusting fuzzy control; adjustment factor; frequency- variable velocity variation
O引言
    矿井掘进工作面是瓦斯和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。局部通风机是井下掘进过程中的主要设备,其使用的灵活性和效能直接影响瓦斯的安全排放。局部通风机的功率选择是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。因此局部通风机选择一般都偏大,当巷道掘进深度较短时,就会出现大马拉小车的现象,造成电能浪费,所以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,采用模糊控制方法控制通风机。然而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。为解决此问题,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,通风量及时跟上瓦斯变化,具有调节及时、控制性能良好的优点。
局部通风机控制系统结构
    系统的主要设备有自调整模糊控制器、矿用隔爆变频器和局部通风机等,控制系统的组成结构如图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0~10V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。

2局部通风机的自调整模糊控制
2.1  自调整模糊控制器设计
    (1)自调整模糊控制器的结构
    根据系统的实际情况和控制要求,采用二维自调整模糊控制器对局部通风机进行控制,其结构如图2所示。输入为瓦斯浓度偏差e和偏差变化率 ec,输出为控制变频器的输入电压u,偏差变化率

    (2)精确量的模糊化
    根据《煤矿安全规程》,当瓦斯浓度达到或超过1.5%时,应进入排放瓦斯状态。为了达到节能效果,当瓦斯浓度在0~1.5%时,局部通风机的转速应与瓦斯浓度的增减成比例地改变。因此,本文瓦斯浓度偏差的基本论域设定为[-l,+1],量化论域为{-3,-2,-l,0,l,2,3},即n=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},清晰量e的量化因子

    偏差变化率的基本论域设定为[-0.5,+0.5],量化论域为{-3,-2,-l,0,l,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},清晰量∞的量化因子

    输出(变频器的输入电压)基本论域为[0,10],量化论域为{-3,-2,-l,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

    偏差E、偏差变化率EC和输出控制量U的隶属函数选择符合人们思维特点的三角形,其隶属函数如图3所示。

2.2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、偏差变化率EC和输出控制量U的论域等级划分相同时,则控制规则可以用下列关系式

通过调整a值,可以改变偏差E和偏差变换化率 EC对控制输出量U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,本文采用2个调整因子α1、α2,当偏差较小时,控制规则由α1来调整,当偏差较大时,控制规则由α2来调整。由于本文的论域等级选取为

2.3输出信息的清晰化
    经模糊规则运算得出的控制量U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,因此,需要把控制量的模糊集清晰化,乘以比例因子K,得到实际的控制量

3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,就能达到及时排放瓦斯和通风的功能。因此,本文建立了基于MATIAB/SIM. ULINK的自调整模糊控制交流调速系统的仿真模型,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。
    在Y-100L-6型笼型异步电动机上进行了实验研究。实验控制系统主要由TMS320F240型高速数字处理器DSP、三菱FR-A540-1.5K-CH变频器、脉冲编码器、Y-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,额定电流4.0A,额定转速940r/min。瓦斯浓度用模拟电压提供,测得电动机转速跟瓦斯浓度关系如图5所示。

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。
4结语
本文针对矿井掘进工作面的通风系统数学模型难以建立的特点,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,该方法与其他方法相比更容易实现,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,这样克服了传统手动操作时通风机工作状态频繁切换的问题。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。
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