基于模糊控制的煤矿通风自动控制系统应用

王广录，杜源，张东青

（1.沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，沈阳110000；2.黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨150022）

基于模糊控制的煤矿通风自动控制系统应用

王广录1，杜源2，张东青2

（1.沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，沈阳110000；2.黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨150022）

本文介绍了通风系统对于煤矿生产安全的重要性，分析了煤矿通风安全的影响因素，并阐述了自动控制技术在煤矿通风系统中的应用价值和作用，设计了基于模糊控制的煤矿通风系统，并基于Matlab平台进行了仿真，可以为煤矿通风系统的实践应用提供

借鉴与支持。

煤矿；模糊控制；通风系统；自动化控制技术

煤矿通风系统是保证煤矿生产安全的重要屏障，保证煤矿通风系统的稳定性和工作效率是十分必要的。将自动化技术和模糊控制技术应用到煤矿通风系统中，可以提高通风效率，降低通风成本，增强通风系统的自适应性［1］，可以有效预警瓦斯含量过高，降低瓦斯爆炸事故的发生概率，为煤矿生产安全提供有力保障［2］。因此，通过对模糊控制技术在煤矿通风系统中的应用，对于提高通风系统的性能和保证煤矿生产的安全都具有积极的现实意义［3］。

1 通风系统在煤矿中的重要作用

伴随着我国工业化和市场化的高速发展，作为提供动力的能源行业，其供需矛盾愈发的凸显出来。我国作为能源大国，虽然煤矿储藏量非常丰富，但由于我国煤矿消耗量惊人，因此煤矿资源的供需矛盾异常突出。在煤矿采挖量逐年增大的同时，瓦斯爆炸事故也是时常发生，不仅对采挖工人和人民群众的生命财产安全造成了重大影响，也造成了非常严重的经济损失，致使煤矿企业面临亏损甚至破产危机［4］。因此，在煤矿生产活动中保证开采安全，是十分必要且迫在眉睫的。根据调查研究表明，煤矿生产安全事故绝大多是都是由瓦斯爆炸引起的，而煤矿通风系统的工作状况与瓦斯爆炸事故之间存在着必然的联系。煤矿的通风系统的主要作用是将煤矿开采空间里的高浓度有毒有害和危险气体排出至大气中，并将新鲜的空气输送至工人工作环境内。通风系统可以有效降低工人工作环境内的有毒有害气体含量，并稀释危险气体浓度至安全范围，保证煤矿生产安全和工人的人身安全。

2 煤矿通风安全影响因素

通过分析典型的煤矿生产安全事故案例，可以发现煤矿通风安全存在的影响因素主要有以下三点，即自然环境因素、人为因素和装备设施因素［5］。自然因素是指由于煤层结构十分复杂，随车开采深度的增加，受到土质内部应力和瓦斯压力的影响，瓦斯会大量涌出，极易引起瓦斯爆炸事故。人为因素是指采矿工人的文化素质普遍偏低，缺乏基本的安全意识和防范意识，不规范操作频繁发生，岗前培训和考核制度不严格，导致了人为事故的发生。装备设施因素指矿井下面的防尘设施不完善，非常容易造成矿井内的粉尘堆积和飘扬，极易引起爆炸事故。同时缺少完善的监控设备和应对措施，从而造成监测数据存在误差，致使安全事故的发生。

3 自动化控制系统在通风系统中的应用

煤矿通风自动控制系统的原理图如图1所示，通常是同时检测不同监测站的数据指标，包括风量、风压、有毒有害气体浓度等信息，将这些数据传输至处理中心，经过系统集中分析之后，发出控制指令，并传输至各个控制点，调节通风机风量，实现煤矿通风系统的自动控制。

图1 煤矿通风系统中对自动化控制技术的应用原理Fig.1 The application of automatic control technology in coal mine ventilation system principle

煤矿通风系统通常可以分为传感器系统、通风系统和中央控制系统三大部分。传感器系统采用在巷道内安装的各种类型传感器来精准的测量矿井内的风量、风压、有毒有害气体浓度等相关数据。通风系统的作用是调节风量。改变风量主要有两种方式，一种是通过变频装置改变电机转速，另一种是通过改变百叶窗的开合角度来控制风量。中央控制系统的作用是采集各监测站的数据，集中分析处理后，发出操作指令；如果遇到异常情况，可以自动报警并执行预定程序进行处理。

4 模糊控制系统在通风系统中的应用

模糊控制是一种人工智能控制策略，不需要精准的数学模型，可以充分利用现场工作人员的操作经验，适合非线性、多干扰、纯滞后的系统，因此本文的煤矿通风控制系统采用模糊控制来实现。其系统框图如图2所示。

图2 风机模糊控制变频调速系统框图Fig.2 Fan fuzzy control variable frequency speed control system

模糊控制器的结构有很多种，本文根据实际情况，考虑到被控对象的实际情况，采用了二维模糊控制器，其结构图如图3所示。

图3 瓦斯浓度模糊控制器结构图Fig.3 Gas concentration fuzzy controller structure

模糊控制器是以瓦斯浓度偏差量和偏差变化率作为输入量的，将变频器的输入电压作为输出量。将传感器检测到的实际浓度值与设定值比较，得到瓦斯浓度偏差和偏差变化率，然后分别按隶属度函数计算出各自的模糊量。模糊控制器根据这两个输入量，并结合模糊控制规则得到输出模糊量，再对其反模糊化就可以得到输出精确控制量，从而控制变频电源的输出频率，通过改变风机的转速，达到控制通风量的目的［6］。

5 系统仿真及总结

本文采用单闭环模糊控制系统，模拟了正常通风下的模糊控制模型的建立与仿真，并通过Matlab平台进行了建模和仿真。建立的模块框图如图4所示：

图4 模糊控制系统框图Fig.4 Fuzzy control system

图5 模糊控制器和传统控制器系统仿真结果比较Fig.5 The control system of fuzzy controller and traditional simulation results comparison

由图5可知，采用模糊控制算法对常规模糊控制算法进行优化后，系统的响应速度快，超调量小，控制性能显著改善。

煤矿通风系统在煤矿生产中占有极其重要的地位，因此保持通风系统的正常工作是十分必要的。本文在自动控制技术的基础上，设计并验证了一套基于模糊控制的通风控制系统，可以为煤矿生产安全提供有力保障。

［1］池电厂.煤矿通风系统中对自动化控制技术的应用［J］.电子世界，2013，（19）：161.

［2］熊廷伟.煤矿瓦斯爆炸预警技术研究［D］.重庆：重庆大学，2005.

［3］高俊祥，高孝亮.自动化控制技术在煤矿通风系统中的应用［J］.煤矿安全，2013，42（10）：522.

［4］孙永奎.集中精力治理瓦斯促进煤矿长治久安［C］//2006年“安全发展”高层论坛，2006.

［5］闫国杰.试析煤矿通风中安全影响因素与防范策略［J］.黑龙江科技信息，2013，（31）：285.

［6］戴良军.基于模糊控制的局部通风机瓦斯智能排放研究［D］.西安：西安科技大学，2008.

［7］肖爱武.矿井局部通风机控制系统的研究［D］.长沙：中南大学，2008.

Application of Coal Mine Ventilation and Automatic Control System Based on Fuzzy Control

WANGGuang-lu1,DUYuan2,ZHANGDong-qing2
(1.Shenyangcokingcoal co.,LTD.,HongYang3 mines,Shenyang110000,China
2.College ofElectrical and Control Engineering,HeilongjiangUniversityofScience and Technology,Harbin 150022,China)

This article introduces the ventilation system for the importance ofsafetyproduction in coal mine,analyzes the influence factors ofcoal mine ventilation and safety,and expounds the application of automatic control technology in coal mine ventilation system value and function, design of mine ventilation system based on fuzzy control,and has carried on the simulation platform based on Matlab.This paper can provide reference for the practice ofcoal mine ventilation systemapplications and support.

Coal mine;Fuzzycontrol;Ventilation system;Automation control technology

TP273.4

A

1674-8646（2015）08-0006-02

2015-05-31

王广录（1969-），男，黑龙江巴彦人，学士，工程师，从事矿山自动化研究。