煤礦主通風機控制系統控制器優選

王 靜

（山西平舒煤業有限公司，山西 壽陽 045000）

0 引言

通風機為煤礦通風系統的關鍵設備，其通過對工作面輸送新鮮的空氣，降低工作面有害氣體的濃度，降低工作面粉塵濃度，為工作面人員和設備提供一個安全、舒適的工作環境。目前，針對煤礦通風系統的控制以人工控制為主，即通風機在很長一段時間內均以恒速狀態運行，并不會隨著工作面有害氣體或者粉塵濃度進行自適應調整控制?？偟膩碇v，當前通風機的控制方式不僅容易造成電能浪費，而且會導致工作面的空氣質量不合格，嚴重威脅工作面的安全生產。本文將重點完成通風機的智能化、自適應控制。

1 通風機自適應智能控制理論基礎

通風機根據其工作方式的不同，可分為壓入式通風機、抽出式通風機以及混合式通風機。其中，壓入式通風機的工作原理為將新鮮的空氣通過風筒壓入綜采工作面的同時將污濁的空氣排出；抽出式通風機的工作原理為將污濁的空氣通過風筒抽出，在工作面形成負壓使得新鮮空氣進入工作面；混合式通風機集成了抽出式通風機和壓入式通風機的優點，具有極強的通風性能。本文將以混合式通風機為例開展研究。

1.1 通風機的能耗分析

當通風機的葉片安裝角度、轉速等參數一定時，通風機的風壓、軸功率以及效率與其風量呈現如圖1所示的關系[1-2]。

圖1 通風機的特性曲線

由圖1 可以看出，當通風機在穩定的運行狀態處于穩定工作區域時，隨著風量的增加，對應通風機的風壓、軸功率以及效率等均在減小。為了達到通風機的節能控制目標，在滿足工作面實際通風需求的基礎上，可采取如下措施：一是當通過減小擋風板的開度減小通風機風量時，對應通風機的風壓也隨著減小，對應所消耗的電能也減小。二是當通過減小通風機葉片安裝角度減小通風機風量時，由于其工況點發生變化，對應的通風機的風量減小，風壓也隨著減小，從而達到節能的效果。但是，通過改變葉片安裝角度實現節能的效果，其操作難度較大，容易在調節過程中發生故障。三是當通過減小通風機的轉速減小通風機風量時，對應的通風機的風量和風壓均減小，對應軸功率降低，從而達到節能效果。

對比上述三種節能控制方式，對通風機轉速進行控制為最簡單、最有效的方式[3]。因此，本文將以改變通風機轉速實現其自適應、智能控制的目的。

1.2 煤礦綜采工作面的環境特性

對通風機自適應、智能控制的主要依據為對工作面現場有害氣體濃度和粉塵濃度的監測。當工作面有害氣體濃度和粉塵濃度超標時，通風機自適應、智能控制系統增大風量，盡快保證工作面粉塵和有害氣體的濃度滿足相關規定。結合《煤礦安全生產》的相關規范，要求綜采工作面的環境條件滿足要求如表1 所示。

表1 綜采工作面環境條件

2 通風機自適應智能控制器的設計

2.1 通風機自適應智能控制功能要求

對于通風機自適應智能控制功能實現，在對工作面現場有害氣體濃度、粉塵濃度等準確監測的基礎上，考慮到煤礦通風機系統相對復雜多變，要求對應的自適應智能控制系統具有較強的控制精度和魯棒性。

目前，在工業控制中常采用的控制器包括普通PID 控制器、模糊控制器以及基于神經網絡算法的控制器。鑒于煤礦通風系統主要表現為時滯性、多邊性以及復雜性等特點，單純地采用PID 控制器、神經網絡控制器以及模糊控制器無法達到與其的控制效果。因此，為了保證通風機最終的自適應和智能化控制效果，本文擬采用能夠結合PID 控制算法、模糊控制算法以及神經網絡控制算法的原理和優點，設計ANFIS-PID控制器。ANFIS-PID 控制原理如圖2 所示。

圖2 ANFIS-PID 控制器原理

由圖2 可以看出，ANFIS-PID 控制器的核心為能夠根據實時采集工作面有害氣體濃度、粉塵濃度與標準值的偏差量為輸入，以模糊控制算法、最小二乘算法以及神經網絡算法對PID 控制器中比例、積分以及微分三個環節的系數進行動態調整，以達到最佳的控制效果。

2.2 ANFIS-PID 控制效果仿真分析

本小節將結合煤礦實際生產工作面所配套通風機的具體工作參數完成PID 控制器、模糊PID 控制器以及ANFIS-PID 控制器的設計，并通過基于Simulink驗證不同控制器對應的控制效果。本文所研究通風機的具體型號為DK45-4 NO.11，該型通風機的具體參數如表2 所示[4]。

表2 DK45-4 NO.11 通風機具體參數

根據不同控制器對比例、積分以及微分環節三個參數的整定原理，并參照DK45-4 NO.11 通風機的運行狀態，實時對參數進行調整。對于普通PID 控制器而言，對應的三個環節的參數為固定值，其中比例環節系數為0.75、微分環節系數為0.16、積分環節系數為0.45；模糊PID 和ANFIS-PID 控制器將在上述參數的基礎上分別對其進行整定修改。三種控制器對通風機自適應智能控制的動態性能對比如表3 所示。

表3 不同控制器對應的控制效果對比

由表3 可知，ANFIS-PID 控制器相比傳統PID 控制器和模糊PID 控制器能夠在更短的時間內使得通風機達到穩態；而且，在整個控制過程中ANFIS-PID控制器的穩定性更好。因此，采用ANFIS-PID 控制器對通風機的自適應智能控制可以滿足控制要求。

3 結語

通風機為煤礦通風機系統的核心設備，傳統主要依靠人工對其進行控制，一般情況下設備處于恒速運行狀態，無法根據工作面現場有害氣體濃度、粉塵濃度對其轉速進行自適應智能控制。為此，為保證綜采工作面的安全生產以及設備的節能控制，實現對通風機的自適應智能控制是非常必要的。通過研究發現，采用ANFIS-PID 控制器與傳統PID 控制器和模糊PID 控制相比，在穩態所需時間、超調量以及誤差等方面均表現出較大的優勢。即說明，ANFIS-PID 控制器具有更快的響應速度，在控制過程中的穩定性更好。