掘進巷道局部通風機智能控制系統應用研究

［摘 要］局部通風機可為礦井巷道掘進和生產提供新鮮的空氣，調節瓦斯濃度，保證作業安全。局部風機控制系統具有純滯后、非線性、多擾動等特征，傳統的PID 控制方法難以達到理想的控制效果。文章提出并應用了智能控制系統—— 模糊控制。實踐表明，改進后的模糊控制器可以根據掘進工作面調節瓦斯濃度，確保井下作業環境安全，且節能效果顯著。

［關鍵詞］巷道；局部通風；智能控制；模糊控制

［中圖分類號］TM63 ；TP273.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0011–03

1 巷道局部通風機系統現存問題

近年來，礦井事故頻發，其中瓦斯事故占比較高。瓦斯事故是指瓦斯濃度超過閾值時發生的爆炸、火災或者引發井下作業人員窒息等事故，這些都是因巷道井下通風系統的嚴重滯后性導致的。巷道廣泛應用的通風系統都是采取預先設定的原則，通風流量由以往經驗即估算結果進行設定，巷道的通風量不能及時根據瓦斯濃度進行調整，這就導致傳統的通風系統難以應對突發的瓦斯突涌事故，且局部通風機長期以大功率進行工作也會增加礦井開采成本。巷道井下通風依據擋風板的開度調節風速，難以形成遠程監控。隨著巷道掘進面不斷向前推進，通風機安裝的位置及設定的風量難以滿足現有巷道的需求，導致新鮮空氣難以及時輸送到掘進工作面。

2 智能局部通風系統優化與布置

巷道局部風機的風量大小與巷道截面、長度、瓦斯濃度、空氣濕度及煤塵含量等因素相關。采用模糊控制系統的輸入變量為優化后的遺傳算法Elman 神經網絡，對巷道的實時風量進行迭代計算，然后根據巷道內瓦斯、流速傳感器采集的信息與當前的風機進風量進行比對后，分析誤差和誤差率的大小。然后判斷是否進行風量調節。風機系統得輸出變量為電壓，通風系統運行過程中，將神經網絡預測的風量和風量傳感器采集的實時風量進行對比，可得到巷道內風量誤差信息，各自的模糊量可根據相關從屬函數進行計算求解，再根據模糊控制規則進行模糊決策處理，對控制變頻器的輸出變量進行反模糊化。基于上述流程達到改變電機的轉速，實現風機風量的智能化控制，從而可以實時達到智能控制通風量的應用效果。

巷道局部通風是巷道通風系統的重要環節，在巷道掘進面推進過程中，如果井下環境發生急劇變化，會導致巷道內局部位置的通風需求量增加。例如，若發生瓦斯KD98loO7lx0Nl0AJcrJ9YKUry/dk148ZEqTi1p4nZxw=突涌事故，則需要局部通風機提供更大風量，以確保巷道內的瓦斯濃度處于正常范圍。瓦斯突涌事故結束后，巷道局部的通風需求量顯著降低，此時需要利用智能化控制系統及時降低風量，達到解決電能目的。為了滿足通風量與需求量的供需關系，引入模糊變量進行智能控制。圖1為智能通風系統整體方案。

2.1 智能模糊控制系統

巷道通風智能控制系統可以依賴模糊控制系統來實現，模糊控制可以將模糊語言變量及更為復雜的邏輯推理和集合運算包含在內。將井下巷道的瓦斯濃度、所需風量、環境溫度等模糊語言轉換為計算機可識別的二進制運算程序，從而將復雜的通風供需問題變成可編譯處理的數學問題。圖2 為巷道通風系統模糊控制具體流程。

根據輸入的環境變量進行模糊處理及決策制訂，從而達到通風機的智能化控制。模糊控制系統主要由控制器、執行器、傳感器及輸入和輸出接口等部分組成。控制器是整個通風機智能控制的關鍵，運行過程中根據模糊規則對輸入數據進行分析處理，可實現控制過程中所需的各種模糊算法。輸出控制量的模糊值可以通過清晰的接口轉換成執行器可以接收的精確量。根據安裝在巷道內的傳感器獲得瓦斯含量的實時精確數值，將實時精確值與系統的設定值比較后得到偏差值，此為模糊控制器的一個輸入量。所采用的模糊控制規則是用模糊理論中的模糊條件語句來描述的，因此模糊控制器是一種語言控制器，是控制系統的“智能”部分。智能通風控制系統需要模糊化的接口，將輸入的參數值進行輸入與轉換，然后進行數據變量與模糊變量之間的轉換，根據程序中的模糊處理方式和控制規則，從而制訂風量決策。對數據進行解碼處理，轉化為變頻器可以理解的電信號，從而達到智能控制風量的目的。

2.2 智能模糊控制器的改進

傳統煤礦送風系統中，當巷道掘進面的送風需求變化時，井下通風控制人員隨機強制執行過程具有明顯的滯后性，而且控制精度很低，風量需求規律難以掌握，因此普通簡單的數學模型無法描述這一類具有隨機性和復雜性的問題。針對這些問題，設計了一種基于模糊控制的智能控制系統。模糊控制過程主要完成精確模糊化、模糊推理及非模糊化的任務。以氣體濃度偏差E 和偏差率EC 為輸入，風機輸出轉速U 為輸出，設計二維模糊控制器。風機轉速可以實時跟蹤氣體濃度的變化，實現通風量的實時動態調節。因此對模糊控制器進行改進，改進后的智能模糊控制器如圖3 所示。根據瓦斯濃度的偏差和偏差率，自動調整二維模糊控制器的規則因子α，改變控制規則，生成相應的控制量，并進行的風機轉速控制。對于二維模糊控制器，當輸入變量偏差E、信號偏差率EC 和輸出控制變量U 的域水平相同時。

根據傳感器監測的瓦斯濃度變化情況，采用改進后的智能模糊控制器調節局部風扇轉速，將巷道內的瓦斯濃度始終保持在規范規定的安全范圍內。局部通風機智能調速模糊控制系統含有3 個重要部分：①局部通風智能控制保護器，控制器的CPU 采用TMS320F 芯片，可以對巷道內空氣濕度、瓦斯濃度等參數進行處理分析，依據模糊控制規則下達風機功率的指令，從而高效控制通風機工作效率。②變頻系統，變頻器可以根據控制器輸出的指令調整局部通風機電源的輸入頻率，從而改變局部風機的風量大小。③巷道局部風機，根據變頻器輸出的電源頻率改變分機轉速，達到實時變頻、動態調整風量的目的。局部通風機智能調速模糊控制系統控制原理如圖4 所示。

3 MATLAB仿真驗證

利用MATLAB 圖形化工具模糊推理系統編輯器建立了改進型模糊控制系統的仿真模型。給定信號是氣體濃度，基本參數是額定功率1.6 kW、額定電壓380 V、額定電流4.0 A、額定轉速950 r/min 的異步電機。將風機轉速模擬曲線與實驗曲線進行對比，結果如圖5 所示。從圖5 中可以看出，MATLAB 模糊控制系統與實驗數據吻合良好，這說明采用改進后的智能模糊控制器可以根據掘進工作面瓦斯濃度進行局部控制，即當巷道內瓦斯濃度較低時，局部通風機可根據變頻控制器輸出的指令，以較低的功率運行； 當瓦斯濃度較高時，智能調速模糊控制系統輸出通風機高速運轉的指令，及時的增大局部巷道的通風量，將高濃度瓦斯氣體及時排出。

4 結束語

改進后的智能模糊控制器可應用于煤礦局部通風機控制系統。仿真和實驗結果表明，控制系統能夠根據掘進工作面瓦斯濃度的變化，連續且動態地調節控制器的變頻速度，實時改變巷道風量來改變瓦斯濃度。即巷道通風機的轉速可根據瓦斯氣體的濃度自適應調節，確保井下作業環境安全。這不僅提高了通風機的效率，而且改善了掘進工作面的通風條件，節能效果十分顯著。

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