矿井通风机多模态控制研究与实现

曹吉花，胡学青，吕现钊

（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）

1 引言

通风机是煤矿安全生产的主要设备，其基本任务是：向井下输送新鲜空气，满足井下人员对氧气的需要；冲淡井下有毒有害气体和粉尘；确保矿井安全生产，调节井下气候，创造良好的工作环境.作为矿井系统的动力源，该设备如果因某种故障而停机运行，将会给整个矿山的安全生产带来巨大威胁.因此，对煤矿通风机系统进行在线监控与故障诊断的研究具有重要的理论意义和实际应用价值.

矿井通风机及其传动电机，通常在矿井设计阶段选定，其通风量主要由矿井瓦斯涌出量、井下作业人员数量、通风巷道阻力等因素决定.矿井通风机的功率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过限制的原则进行设计的，且留有一定程度的余量.当巷道掘进深度较短时，就会出现大马拉小车现象，造成电能的浪费，所以希望根据通风量和掘进巷道内的瓦斯浓度变化之间的关系，及时调整通风量，使其在最佳的工况下运转，节省通风机由于长期恒速运转造成的能源浪费，降低企业的生产成本.

通风机的风量调节主要有风门调节与变频调节，研究显示变频调节系统不仅能使通风机工作在高效区，而且其节能效果更优于其他的调节方法，具有广阔的应用前景.

2 变频调速原理

通风机的功率P与通风机的转速n存在关系[1]：

由式（1）可以看出，通过改变通风机的转速就可以改变通风机所对应的功率，可以满足不同瓦斯浓度下掘进面对风量的需求.由式（1）可知，当通风机的转速降低后，其功率随转速的三次方下降，因而通过调速可以取得明显的节能效果.通风机转速与轴功率及节能的关系如表1所示.

表1 通风机理论节能效果

由表1可以看出，通过调节转速节能效果很明显.

矿井通风机多采用交流异步电动机，其转速为[2]：

（2）式中：n：通风机的转速；f1：通风机交流电源的频率；p：通风机的磁极对数.由式（2）可知，改变电源的频率可以改变通风机的转速，改变风量，同时达到节能的目的.

3 控制系统设计

目前矿井通风系统的控制，大都采用继电器、接触器的控制系统，这种控制系统存在着体积大、触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多缺点.如果通风机不采用变频调速，那么通风量的调节方法，只能是依靠风门提起的高度和调节通风机扇叶的数量和角度，这样，主通风机将一直高速运行，备用通风机停止，不能轮换工作，易使风机产生故障，降低使用寿命.因此，将PLC与变频器结合在一起，采用以矿井的风量、风压、瓦斯浓度等为控制对象，实现对通风机的工作过程和转速的有效控制，使通风机安全、高效的运行，并达到节能的效果.

以西门子S7-200PLC作为监控中心，应用压力、流量、瓦斯等传感器对通风机运行状态及各参数进行检测，利用变频器调节通风机速度，控制系统框图如图1所示.

图1 控制系统框图

矿井所需的风量主要与巷道的长度、风阻及瓦斯浓度有关系，巷道内瓦斯的涌出是随机的，要建立瓦斯浓度与通风机转速的数学模型是不可能的，考虑到这种系统的非线性、强耦合和多干扰性等特点，采用多模态进行控制.

3.1 多模态控制的基本控制思想

所谓“多模态（Multi-mode）”[3]是指随着时间的变化，系统在运动过程中具有不同的模型，表现出不同的模态；“多模态控制”(Multi-mode Control)是一种仿人的智能控制方式，在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为，最大限度地识别和利用控制系统动态过程所提供的信息特征，进行启发和直觉推理，从而实现对缺乏精确数学模型的对象进行有效的控制.它可根据系统所处的不同状态和不同时间对控制过程的不同要求，采用不同的控制策略和响应的控制模式，同时兼顾控制系统对多种性能指标的要求，从控制角度考虑，使设计的工业控制器最大限度地提高系统的控制性能—鲁棒性，实现良好的动态指标和静态指标.即多模态控制就是针对不同的系统模态设计出相应的控制器，构成控制器的集合，以实现系统(所有模态)的有效控制.

3.2 多模态控制器模块

多模态控制器原理图如图2所示[4].Bang-Bang控制又称开关控制，这种控制方式简单易行，响应速度快，但难以满足控制精度的要求[5].在巷道掘进面较深，需要风量、风压较大时，实际值与基准值的误差很大，为了尽快地减少误差，使风量、风压以最大速度向设定值靠拢，此时，应采用Bang-Bang控制模态进行控制.如果风量、风压误差在不断变化，但误差的绝对值尚未达到Bang-Bang控制的阈值时，即：ML<|e（k）|

规则中，umax为最大允许输出信号；umin为最小允许输出信号；ε为任意小的正实数；Δe为误差变化；MH、ML分别表示误差界限，且 MH＞ML＞ε＞0；f(FLC)和 f(PID)分别是 FLC和 PID控制的输出值，两者都采用增量式算法，以便实现两者的平滑切换.当误差及其变化率在允许的ε范围时，就保持前一时刻的输出值，以防误差在所要求范围内时，还频繁地调节系统.

图2 多模态控制器原理图

3.3 控制系统的硬件实现

根据控制系统的需要，设计一个以PLC为核心的通风机控制器.PLC控制系统结构如图3所示，由SIEMENS S7系列PLC(控制站)和若干台工控PC(操作站)组成，每个控制器控制2台通风机.控制器（下位机）与上位PC机通过RS485组成一个分布式控制系统.整个系统组成主从结构，上位机负责系统监控、数据管理、过程控制、图形显示、控制参数设置、控制参数下传和接收来自下位机的数据.下位机采用PLC控制，负责数据采集、数据转换、实时控制及通讯等任务.

图3 PLC控制系统结构

3.4 控制系统软件实现

本系统软件设计采用模块化设计,主要由组态软件、C编程软件和下位机PLC可编程软件构成.组态软件主要负责监控、通讯、曲线显示、报表及报警等；C编程软件主要实现模糊控制表计算、神经网络权值训练，参数提取及设定等；下位机软件采用PLC可编程语言实现，主要完成数据采集、数字滤波、信号转换、实时控制算法计算及数据上传等.主要程序有:主程序、PID算法子程序、模糊控制算法子程序、PID和Fuzzy算法切换子程序、数据检测子程序、数据打印、曲线显示以及通道切换子程序等.

4 小结

以风量、风压、瓦斯浓度为代表的参数控制是通风机监控系统的关键，也是系统的控制难点.该类控制对象是一类大时滞并具时变性的被控对象，常规PID控制在此不能取得满意的控制效果.采用“多模态”控制，当模型参数在很大范围内变化时，“多模态”控制具有理想的控制品质，在纯滞后对象的控制过程中，积分作用的引入会对系统稳定性产生非常显著的影响，而“多模态”控制正是对这个问题提供了一种很好的解决手段.在偏离稳定状态的时候，控制系统主要利用比例或者比例微分进行控制，只有当运动轨迹接近稳定状态时，控制系统才切入适当的积分作用，以消除余差.这不仅可以提高响应的快速性及其它动态性能，同时也保证了闭环控制系统的渐进跟踪性能.而且“多模态”控制不依赖对象的数学模型，并具有很强的鲁棒稳定性.

〔1〕将飞，刘实现.基于模糊控制的矿井通风机变频调速系统[J].江西煤炭科技，2008（4）：17-18.

〔2〕唐介.电机与拖动（第 2 版）[M].北京：高等教育出版社，2007.114～115.

〔3〕赵煜，朱瑞祥,陈涛.发酵过程温度控制环的自适应PID及仿真研究 [J].农机化研究，2007(06):29-32.

〔4〕王武，董海鹰.复杂工业的多模态集成智能控制研究[J].计算机测量与控制，2005，13（11）：1230-1232.

〔5〕常少莉,姚锡凡.基于专家规则的自选择式多模态控制方法的研究[J].制造技术与自动化,2005(05):25-28.

〔6〕熊祥江.带钢热连轧加热炉控制系统的研究[D].武汉:武汉科技大学,2004.