基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)研究

田貴斌

（同煤集團(tuán)四臺礦通風(fēng)區(qū)， 山西 大同 037007）

引言

由于礦井通風(fēng)機(jī)在工作中長期處于全功率運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成了電能的極大浪費(fèi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦用通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作耗電量可達(dá)煤礦工作耗電的30%以上。另外，多數(shù)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用人工控制的方式，快速反應(yīng)能力差，控制效率低下。因此，為了有效克服現(xiàn)有煤礦通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的缺陷，就需要針對性的開發(fā)一款新的礦用通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全程監(jiān)控，并具備自動化控制功能，切實(shí)的提高煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的自動化管理水平。

1 礦井通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

新型的礦井通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)主要包括PLC監(jiān)測控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要以PLC監(jiān)測控制系統(tǒng)為核心，同時還包括各種類型的傳感器設(shè)備，如溫度傳感器、風(fēng)壓傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌㈦娏鱾鞲衅鞯龋淇傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

為了確保通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時的高效性，該自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)，采用了大量的傳感器設(shè)備對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓，煤礦井下巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和處理，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)處理后，將處理結(jié)果反饋到風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保風(fēng)機(jī)安全高效的運(yùn)行。

該通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)是各傳感器設(shè)備采集到的信息準(zhǔn)確可靠，一方面由于各類傳感器設(shè)備作為該自動監(jiān)測控制系統(tǒng)最前端的“耳目”，在應(yīng)用過程中其測量誤差一般是很難避免的，而這些測量誤差又將影響到對各類關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)的采集，進(jìn)而導(dǎo)致自動監(jiān)測控制系統(tǒng)控制的高效性和穩(wěn)定性，所以為了在選用傳感器設(shè)備時，需要選用精密性高、可靠性好的傳感器。另一方面，傳感器在設(shè)備及巷道內(nèi)的布置位置將直接影響到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，根據(jù)大量的實(shí)際測量數(shù)據(jù)對比分析，該通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)中各類傳感器設(shè)備的布置如圖2所示。

圖2 自動監(jiān)控系統(tǒng)傳感器布置示意圖

2 通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

因煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，井下氣流、風(fēng)壓等受各種因素影響極大，較為精確的數(shù)據(jù)參數(shù)無法完全掌握，無法建立精確的控制模型，因此傳統(tǒng)的控制理論難以滿足對通風(fēng)機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)的自動控制。在其控制結(jié)構(gòu)中必須依賴于對現(xiàn)場試驗(yàn)及調(diào)試所獲取的實(shí)際參數(shù)。因此我們引入了PID控制技術(shù)，該技術(shù)具有算法簡單、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，其采用了負(fù)反饋的邏輯控制技術(shù)，由PID控制器及各個被控對象共同構(gòu)成了閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，最終利用負(fù)反饋?zhàn)饔迷韥韺?shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，其控制原理如圖3所示。

圖3 常規(guī)PID控制邏輯

常規(guī)PID控制中因無精確的邏輯參數(shù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制，為了達(dá)到實(shí)用性控制效果，必須對其進(jìn)行基于實(shí)際檢測參數(shù)反饋控制調(diào)節(jié)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制是對常規(guī)PID控制優(yōu)化，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制邏輯PID反饋控制，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)的控制邏輯如圖4所示。

圖4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制控制邏輯

該控制器是由常規(guī)PID控制器與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成，在該控制系統(tǒng)中由常規(guī)PID控制器實(shí)現(xiàn)對ki、kj、kk等數(shù)據(jù)參數(shù)的在線整定，然后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法使其達(dá)到最優(yōu)控制模式。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器控制目標(biāo)時給定輸入和系統(tǒng)輸出參數(shù)誤差最小，并以此為基礎(chǔ)來對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用整定參數(shù)自動調(diào)節(jié)各監(jiān)測信息數(shù)據(jù)。在該通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)中，其基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制主要包括兩部分組成，其控制邏輯如圖5所示。

圖5 通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)在工作中根據(jù)通風(fēng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，把零誤差輸出作為控制目標(biāo)，把系統(tǒng)設(shè)定值e（k）傳感器的采樣輸出值y（k）系統(tǒng)運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法邏輯優(yōu)化后誤差r（k），作為系統(tǒng)輸入值，將ki、kj、kk作為系統(tǒng)的輸出參數(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)控制算法對控制程序進(jìn)行調(diào)整，最終將其轉(zhuǎn)化為對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的控制信號，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的精確控制。

3 結(jié)語

通過對現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)缺點(diǎn)的研究，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和礦山機(jī)械設(shè)備自動化及節(jié)能的發(fā)展要求，提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，對該控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布局及傳感器設(shè)備的布置形式進(jìn)行了接收，同時對通風(fēng)機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，該自動監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)機(jī)的自動控制，能夠?qū)Ω鱾鞲衅鞅O(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析修正，減少傳感器監(jiān)測數(shù)值的誤差，提高控制系統(tǒng)控制的精確性，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。