模糊控制在煤礦瓦斯監測系統中的應用

賀 娟，羅光毅

（遵義師范學院物理與電子科學學院，貴州遵義，563000）

模糊控制在煤礦瓦斯監測系統中的應用

賀 娟，羅光毅

（遵義師范學院物理與電子科學學院，貴州遵義，563000）

煤礦瓦斯監測系統是一個復雜的非線性、時變性、多參數強耦合的監測系統。針對這一復雜系統，作者采用模糊控制理論和DSP技術，以DSP芯片和模糊控制器為監控端，以PC機為遠程管理中心，以各種傳感器來采集系統所需要的數據，設計出了一套智能瓦斯監測模糊控制系統。該系統實現了煤礦瓦斯實時在線監測功能，可為煤礦安全生產提供一定的理論依據，具有較強的實用價值。

模糊控制；DSP；煤礦瓦斯；在線監測

隨著經濟的快速發展，我國對煤炭和石油等能源資源的需求量也在不斷增加，為了保證我國能源工業的可持續發展和能源行業的安全生產，對能源生產企業的安全生產進行實時在線監測就顯得非常重要。煤炭是我國的主要能源之一，煤礦傷亡事故如瓦斯爆炸等時有發生。從煤礦事故的統計分析報告來看，絕大多數的煤礦事故都是由瓦斯爆炸引起的。抑制這些事故發生最有效的手段是提高煤礦瓦斯監測和控制的水平。目前，盡管我國的煤礦瓦斯監測技術已有很大提高，但與國外先進水平相比較，在硬件設施和技術裝備方面仍存在比較大的差距，同時網絡監控可靠性也較差，需要解決互聯互通和資源共享等方面的問題。在軟件技術方面，監控系統的信息處理技術同樣也很落后，已有的信息處理技術只是簡單的轉換、存儲、顯示和打印原始數據，數據資源的深度挖掘和分析還做得不夠，不能及時發現和預報煤礦事故。因此，預防和控制瓦斯災害一直是專家、學者和技術人員研究和亟待解決的重要課題[1-3]。

煤礦瓦斯監測系統是一個復雜的非線性、時變性、多參數強耦合的監測系統，監測過程由于隨機擾動較大、監測對象不確定、現場測試方法不完善等因素的存在，使得精確的數學模型難以建立，同時受控對象難以控制，很難滿足控制性能的要求。對于這些復雜的控制對象，傳統的控制方法如PID等往往很難滿足其控制要求。因而，采用智能控制技術、設計智能控制器是解決這類復雜系統的可靠方法。在智能控制方法中，模糊控制[4-10]是一種可行的控制方法，它是利用專家的經驗來控制不確定系統的一種控制策略，此控制策略能夠對非線性、時變性和強耦合的復雜系統進行有效控制。因此，本文將模糊控制理論和 DSP數字技術引入煤礦瓦斯在線監測系統，實現了煤礦瓦斯實時監控的目的。

1 系統架構

本系統的結構如圖1所示，主要包括兩個部分：監控端和遠程管理中心。監控端以TMS320LF2407A DSP為硬件核心，主要用來實現視頻和環境數據的監控；遠程管理中心（PC）通過4G網絡來接收煤礦井下環境參數并予以顯示，同時這些參數通過模糊控制規則給出控制方案和策略。

圖1 系統結構圖

2 模糊控制原理

模糊控制理論是在模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的基礎上建立起來的一種邏輯控制理論，它利用模糊邏輯來描述事物的本質和模擬人類的邏輯思維，同時對難以建立精確數學模型的復雜系統進行控制。模糊語言變量由模糊集定義，然后由有經驗的操作者或專家建立綜合的控制評價。控制理論是基于顯式控制系統模型及控制器的設計僅限于隨時間變化的、有限維和線性的理論。但傳統的控制理論在沒有數學模型的控制系統中難以實現，而模糊控制的特點是無需建立精確的數學模型，模糊控制系統的核心是模糊控制器，模糊控制器的結構決定了一個模糊控制系統性能的好壞。模糊控制系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 模糊控制系統結構圖

模糊控制器實際上就是一個微計算機，可以用單片機也可以用 DSP來控制。各種功能的傳感器是模糊控制系統的重要組成部分，傳感器可以把控制對象或多種過程的控制量轉化成電信號，傳感器的精度直接影響到整個控制系統的精度。

3 瓦斯監測系統結構

為了滿足煤礦的實際需要，本文把監控端和遠程管理中心劃分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要由各種單片機處理器和各種傳感器（風傳感器，壓力傳感器，瓦斯傳感器和采礦設備開停傳感器等）組成，各種傳感器分別安裝在井下的不同監測點，用來采集井下各種氣體的濃度和含量、井下空氣狀況和設備運行情況等數據，然后通過現場總線RS-485將數據傳輸到井口處的監測站，監測站再根據情況進行處理；井上部分主要由現場總線RS-485、DSP芯片、模糊控制器和遠程管理中心組成。瓦斯監測系統結構圖如圖3所示。

4 模糊控制器設計

鑒于模糊控制技術是針對各種復雜系統來進行控制的技術，所以本系統采用模糊控制技術來設計控制器。模糊控制器是反映輸入語言變量、輸出語言變量、語言控制規則及其模糊定量關系算法結構的裝置，其功能是將傳感器采集到的數據與給定輸入進行比較所得的精確輸入轉換為模糊輸入信息，由控制器得出輸出量的模糊集，再經解模糊集得到精確量，最后作用于被控對象。

瓦斯濃度模糊控制器如圖4所示。由圖4可以看出，經過特殊裝置處理的瓦斯濃度一般可以分為三種：管道高濃（瓦斯濃度N1）、風流稀釋低濃和混合風流低濃（瓦斯濃度N3）。

4.1 量程轉化及精確量模糊化

濃度N1：N1=[10%，70%]，論域取為X={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}

圖3 瓦斯監測系統結構圖

圖4 瓦斯濃度模糊控制器結構圖

濃度N3的誤差E：E=[-0.6%，1.4%]，論域取為E={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3,4，5}

4.2 確定語言值

將N1和N3兩個變量模糊處理可以得到：N1變量的模糊語言集為{NL,NS,ZO,PS,PL}，相應的語言變量表示為{負大，負小，零，正小，正大}；N3變量誤差E變化范圍的模糊語言集為{PL，PS，ZO，NS，NL}，相應的語言變量表示為{正大偏差，正小偏差，無偏差，負小偏差，負大偏差}。

4.3 確定隸屬函數

采用三角形和梯形函數分布來定義模糊語意（見圖5和表1）。

圖5 N3的偏差E、N1的隸屬度函數

N3的偏差E、N1的隸屬度函數賦值如表1。

表1 N3的偏差E、N1的隸屬度函數賦值表

4.4 確定模糊控制規則表

模糊控制規則表如表2所示。

表2 模糊控制規則表

4.5 解模糊化確定模糊控制查詢表

采用Min-Max重心法作為去模糊策略，可以得到如表3的模糊控制查詢表。

表3 模糊控制查詢表

確定好查詢表，把它作為“文件”保存在計算機中。當進行實時控制時，根據查詢表和輸入信息來查詢所需要的控制量。

5 仿真

本系統以煤礦瓦斯為監測對象，通過大量實驗，給定 N3=1%，N2恒定不變，N1的變化范圍為0～100%，對所建控制模型進行仿真，控制規則的輸入是根據模糊控制規則表2給出的規則來進行模糊推理。將N1和N3輸入控制系統，得到仿真曲線如圖6所示。由圖6可以看出輸入信號N1在0～100%范圍內變化時，只要N3未超過給定瓦斯濃度值的1%，整個監測系統就能達到預期的控制效果。

圖6 仿真曲線

6 結束語

（1）本文設計的煤礦瓦斯濃度監測系統綜合應用了模糊控制理論和DSP技術。

（2）對系統進行了智能化、自動化的優化改造，提高了系統的綜合防災抗災能力。

（3）可以減少安全事故隱患，使井下安全生產得到保障，提高了系統的控制精度和安全可靠性。

（4）實驗表明，與以往的監測系統相比較，該監測系統設計簡單、參數選擇合理，具有一定的理論價值和實際應用價值。

[1]王秀明,傅貴,祝楷,等.基于設備設施分類角度的煤礦瓦斯爆炸事故原因分析[J].煤礦安全,2015,46(11):241-244.

[2]徐耀松,郭磊,王丹丹.多傳感器模糊信息融合算法在煤礦瓦斯監測中的應用[J].礦業安全與環保,2008,35(3):42-44.

[3]姜維維,栗繼祖.基于模糊DEA煤礦安全風險預控管理體系評價模型[J].煤礦安全,2015,46(11):238-244.

[4]史震,馬文橋,張玉芳.基于模糊控制的復合控制導彈控制系統設計[J].哈爾濱工程大學學報,2015,(2):1-8.

[5]Mandani E h.Advances in the Linguistic Synthesis of Fuzzy Controllers.Fuzzy Reasoning and its Applications[M].New York:Academic Press,1981.325-334

[6]郭瑞,呂曉.模糊控制在測爆裝置中的應用[J].煤礦機電, 2009,5(5):75-77.

[7]李士勇.模糊控制·神經控制和智能控制論[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1998.

[8]Zadeh L A.A Rationale for Fuzzy Control[J].Trans ASME J Dynam Syst Measur control,1972,(94):3-4.

[9]劉文平,李文斌,王維.基于模糊控制技術的帶式輸送機自動糾偏裝置的設計與仿真[J].煤礦機械,2014,(11):265-267.

[10]姜媛媛，李振壁，范辰東.基于DSP實現的煤礦瓦斯移動抽排系統的模糊控制[J].礦業安全與環保，2008，35（3）：48-52.

（責任編輯：朱 彬）

Application of Fuzzy Control to Colliery Gas Monitoring System

HE Juan,LUO Guang-yi
（School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Zunyi Normal College,Zunyi 563002,China）

Colliery gas monitoring system is a complicated monitoring system with nonlinear,time variation and multi parameter strong coupling.In view of this complex system,we adopt the fuzzy control theory and DSP technology;the DSP chip and fuzzy controller are used for monitoring terminal;the PCis used for the remote management center;the required data of the system is collected with a variety of sensors;a set of intelligent fuzzy control system for gas monitoring is designed.The system realizes the function of real-time online monitoring of Colliery gas,which provides a certain theoretical and practical value for the safety production of coal mine.

Fuzzy control;Digital signal processor;Colliery gas;On-line monitoring

TD685

A

1009-3583（2017）-0100-04

2017-01-10

國家自然科學基金項目（11464052）；貴州省優秀科技教育人才省長基金項目（黔省專合字（2012）87）；貴州省科學技術

基金項目（黔科合LH字[2016]7018,黔科合LH字[2015]7043,黔科合LKZS[2014]05號）；貴州省教育廳重點項目（黔教合KY字（2013）171）；貴州省教育廳電子制造產學研項目（黔教合KY字[2014]230號）；貴州省重點學科項目（黔學位辦[2013]18號）

賀 娟，女，湖南雙峰人，遵義師范學院物理與電子科學學院副教授，碩士，主要從事信號處理、在線監測和魯棒控制等方面的教學和研究。