基于模糊理论的局部通风机变频控制系统设计

贾天毅，徐立军，陈志峰，唐佳

（1.新疆农业大学 机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆工程学院 新疆煤矿机电工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830023；3.新疆工程学院 安全科学与工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；4.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

0 引言

据统计，我国煤矿瓦斯事故发生次数占煤矿事故发生总次数的40%以上，约80%的瓦斯爆炸事故与矿井通风系统不完善有关[1-3]。局部通风机是矿井通风的重要装置，其使用的灵活性和效能将直接影响井下瓦斯浓度[4-6]。在进行局部通风机选型时，通风机功率选择通常是按照最远掘进距离必须保证井下人员正常呼吸和瓦斯不超限的原则进行的。在煤矿开采过程中，若局部通风机长期处于满载运行状态，将导致风量浪费和电能损失[7-9]。局部通风机主要用于煤矿巷道内外空气交换，为巷道提供充足的新鲜空气，将巷道内瓦斯浓度维持在安全范围内[10-12]。因此，需要在保证局部通风机工作效率的同时对其频率进行控制。

通风机变频控制技术通过巷道内传感器检测信息改变通风机运行频率，实现风量调节，同时有效保护通风设备，延长其使用寿命[13-14]。近年来，专家们针对煤矿通风机变频控制进行了许多研究。刘丹[15]、Zhang Hongkui 等[16]基于PLC 对矿井通风机变频调速系统进行改造，实现了对通风机转速的合理调节，但PLC 控制系统成本较高。模糊控制方法[17-18]、基于瓦斯浓度的频率等级划分方法[19]、基于粒子群优化的PID 控制算法[20]也被应用到通风机智能控制中，这些方法可在一定程度上对巷道通风状况进行调节，但缺少对瓦斯突变量的预判，当大量瓦斯异常涌出时，调节存在一定滞后性，易导致瓦斯积聚[21]。针对该问题，设计了基于模糊理论的局部通风机变频控制系统，结合局部通风机特性，以最远工况点对应风量为辅助进行频率等级划分，确定最优变频条件及每一级的最优风量，以此来预判瓦斯涌出，解决变频控制滞后性问题。

1 局部通风概况

1.1 局部通风机布置

在掘进巷道内，局部通风机及传感器布置如图1所示。局部通风机及控制装置安装在进风巷道中，瓦斯传感器T1-T3分别设置在掘进工作面、回风流、回风巷处，风量传感器F 设置在巷道中10 m 内没有分支分流、拐弯和障碍且断面无变化的位置。

图1 局部通风机及传感器布置Fig.1 Layout of local ventilator and sensor

根据《煤矿安全规程》第一百七十二条至一百七十六条规定，当掘进工作面处瓦斯传感器T1监测到瓦斯体积分数≥1.0%时必须停止工作，撤出人员，并采取相应措施，当瓦斯体积分数≥1.5%时应进行瓦斯电闭锁，当瓦斯体积分数≥3%时应停止通风机运转；第一百三十六条规定，采煤工作面和掘进中的煤巷内的允许风速为0.25～4 m/s；第一百三十八条规定，井下供风标准为人均4 m3/min。

1.2 局部通风机通风特性

局部通风机采用变频控制时的风压-风量（H-Q）特性曲线如图2 所示，n1，n2为通风机不同转速，R1，R2为不同风阻，H1-H3和Q1-Q3分别为3 个工况点的风压和风量。由图2 可知，在局部通风机实际工作过程中，通过降低转速，可减小风量与风压，从而减小输出功率，实现变频节能。

图2 通风机H-Q 特性曲线Fig.2 H-Q characteristic curve of ventilator

在实际工作过程中，局部通风机供风量Qf、风压H、功率P和转速n之间有以下关系：Qf∝n，H∝n2，P∝n3。风量Q与频率f成正比：Q∝f。

2 局部通风机变频控制系统设计

2.1 系统原理

基于模糊理论的局部通风机变频控制系统采用瓦斯模糊控制器和风量模糊控制器实现模糊控制，如图3 所示。瓦斯模糊控制闭环中，模糊控制器输入为掘进工作面瓦斯浓度偏差e1和偏差变化率ec1，将e1和ec1按比例放大后得到e′1和输出为变频器输出控制量U1。风量模糊控制器的输出为变频器输出控制量U2。对U1和U2进行比较，根据较大值确定通风机变频情况。当两者相等时以瓦斯模糊控制为主。与传统控制模式相比，模糊控制器输出的不是直接控制变频器输出的信号，而是一个控制量。为改变变频器随瓦斯不规则涌出一直变频的状况，将局部通风机频率预设为I-IV 四个等级进行供风，每一等级下通风机供风量能够将一定范围内的瓦斯浓度控制在安全范围内。

图3 局部通风机变频控制系统原理Fig.3 Principle of frequency conversion control system of local ventilator

2.2 系统流程

基于模糊理论的局部通风机变频控制系统流程如图4 所示。通风机启动，达到掘进工作面需风量后进入自动控制状态，对掘进工作面的瓦斯浓度及巷道风量进行监测，将信息输入模糊控制器进行处理，比较不同模糊控制器输出的控制量，确定主要控制方式。根据Matlab 仿真结果，设置通风机变频条件，通过对控制量进行判决，确定通风机升频或降频。达到最高频率等级后不再升频，达到最低频率等级后不再降频，且频率不能跨等级调节。控制器调整输出控制频率，变频器按照接收到的控制频率控制通风机变频运行，以此满足系统实时控制要求。

图4 局部通风机变频控制系统控制流程Fig.4 Control flow of frequency conversion control system of local ventilator

2.3 硬件设计

通过煤矿巷道内布置的瓦斯传感器、风量传感器等进行信号采集，将掘进工作面瓦斯浓度作为主要被控制量。传感器输出信号经频率电压转换后输入模糊控制器，通过模糊控制算法进行信息处理。模糊控制器输出的数字信号经数模转换和电压电流转换后，驱动变频器对通风机供风量进行调整。通过放大器MCP2551 和CAN 模块实现远距离通信。LCD 触摸屏能够就地显示巷道内各个位置瓦斯浓度和风量的变化情况，同时通过无纸记录仪对数据变化进行记录。局部通风机变频控制系统硬件结构如图5 所示。

图5 局部通风机变频控制系统硬件结构Fig.5 Hardware structure of frequency conversion control system of local ventilator

系统采用可用于煤矿井下的嵌入式风冷变频器，外部为防爆钢制外壳，内部主要包括变压器模块、接触器、接线板、开关电源模块、电容器模块、变频器控制模块和散热片模块等，如图6 所示。

图6 嵌入式风冷变频器结构Fig.6 Structure of embedded air-cooled frequency converter

变频器发热功率器件通过散热铜板与钢制防爆外壳和散热片紧密连接，并嵌入到局部通风机的风道中。通风机工作过程中，变频器电力器件内部芯片有源区温度上升，散热片引出热源发出的热量，利用通风机风流对散热片进行强制冷却，能够有效降低变频器发热功率器件的温度。嵌入式风冷变频器与对旋式局部通风机安装位置如图7 所示。

图7 嵌入式风冷变频器安装位置Fig.7 Installation position of embedded air-cooled frequency converter

变频器嵌入式结构能够大大减小变频器散热器的体积，简化变频器散热系统，减小矿用变频器在煤矿巷道中占用的空间，提高设备的安全性和可靠性。变频器与通风机紧密连接，能够缩短两者之间的电力线，从而有效减少高频谐波对变频器和信号采集装置的干扰，提高矿井通风系统稳定性。

3 模糊控制方法

3.1 模糊量化处理

将模糊控制器输入量瓦斯体积分数的期望值定为0.8%，根据掘进工作面通风要求，瓦斯体积分数应控制在0～1.5%。设定瓦斯浓度偏差e1的基本论域为[-0.7，0.7]，按比例放大为[-7，7]，将其划分为7 个等级，模糊语言集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，含义为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。放大后偏差的隶属函数如图8 所示。

图8 偏差 e′1的隶属函数Fig.8 Membership function of deviatione′1

设定瓦斯浓度偏差变化率ec1的基本论域为[-0.4，0.4]，按比例放大为[-4，4]，并将其划分为5 个等级，模糊语言集为{NB，NS，ZO，PS，PB}，含义为{负大，负小，零，正小，正大}。放大后偏差变化率的隶属函数如图9 所示。

图9 偏差变化率的隶属函数Fig.9 Membership function of deviation change rate of

设定输出量U1的基本论域为[0，80]，将其划分为5 个等级，模糊语言集为{A，B，C，D，E}，含义为{小，较小，中，较大，最大}。输出量U1的隶属函数如图10 所示。

图10 输出量U1 的隶属函数Fig.10 Membership function of output quantity U1

3.2 模糊推理决策

表1 瓦斯浓度模糊控制规则Table 1 Fuzzy control rule for gas concentration

3.3 模糊判决

运用Matlab 模糊工具箱的模糊控制规则将输出模糊量清晰化，输出量曲面如图11 所示。

图11 输出量曲面Fig.11 Output surface

风量模糊控制中，设通风机供风量的期望值为最远掘进距离处所需最小供风量，通风机输出风量实际值与期望值的偏差e2的基本论域为[-4，4]，偏差变化率ec2的基本论域为[-2，2]，输出量U2的基本论域为[0，80]。风量模糊控制规则：若风量小于巷道所需最小供风量，则风量越小，偏差变化率越小，输出值越小，需增大风量；若风量等于所需最小供风量，可保持风量不变，继续监测瓦斯浓度变化；若风量大于所需最小供风量，则风量越大，偏差变化率越大，输出值越大，可降低风量。

4 通风机频率等级划分

若通风机满频运行时的最大供风量满足最远掘进距离处瓦斯排放的风量需求，则一定满足巷道掘进过程中瓦斯排放的风量需求，但若通风机一直满频运行，则会造成风量损失和电能浪费。以局部通风机运转特性为理论依据，选取通风机满频运行时的H-Q特性曲线与最大风阻特性曲线的交点为最远工况点。以最远工况点对应风量为辅助进行频率等级划分，即将电网频率50 Hz 作为最高等级的频率。将通风机频率分为4 个等级，通过频率等级转换，使不同频率等级下的供风量满足巷道掘进过程中的需风量，同时不会造成能量浪费。

文献[19]将瓦斯体积分数c划分为5 个等级进行通风机变频控制，5 个等级分别为c＜0.2%，0.2%＜c＜0.4%，0.4%＜c＜0.6%，0.6%＜c＜0.8%，c＞0.8%。每一等级的风量不同，根据风量与频率之间的正比关系，可以将每一等级的通风机供风量转换为频率。该方法可在一定程度上对巷道通风状况进行调整，但面对大量瓦斯异常涌出时，若等检测到瓦斯浓度变大再进行调节，很容易导致瓦斯超限。

本文采用基于瓦斯涌出量的等级划分方法，将通风机频率划分为4 个等级。根据《煤矿安全规程》规定，当掘进工作面瓦斯体积分数达到1%时，必须停止工作，撤出人员，因此给予20%的安全裕量，将瓦斯体积分数达到0.8%设置为升频条件，即每一等级的风量要能够将掘进工作面瓦斯体积分数控制在0.8%以下。考虑系统控制的稳定性及节能减排，将降频条件设置为掘进工作面瓦斯体积分数c1不大于0.6%或0.5%，同时设定通风机降频后的供风量为达到降频条件时将回风流瓦斯体积分数c2控制在0.7%或0.6%所需的供风量。

采用本文所提方法时，虽然每一等级所控制的瓦斯涌出量范围不同，但始终能够将瓦斯体积分数控制在安全范围内（0.6%～0.8%或0.5%～0.8%）。当大量瓦斯异常涌出时，可通过分析瓦斯涌出量变化导致的瓦斯浓度波动，判断是否达到升频条件。通风机升频后可降低瓦斯浓度，同时，通风机供风量可满足更大的瓦斯排放需求，为调整提供一定缓冲，克服变频控制滞后的缺点，使系统更加安全。

5 试验分析

设置降频条件为c1≤0.6%或c1≤0.5%，降频后通风机供风量为达到降频条件时控制c2=0.7%或c2=0.6%所需的供风量，进行对比试验，寻找每一级的最优风量，从而确定最优变频等级。

5.1 试验平台

以新疆焦煤（集团）有限责任公司某矿井掘进工作面为研究对象，结合煤矿巷道概况及通风装置布置情况，依据《煤矿安全规程》的相关规定对巷道内瓦斯浓度、风速、风量进行试验。试验基于以煤矿掘进工作面瓦斯浓度为主要被控制量的模糊控制方法，主要设备及仪器见表2。低浓度瓦斯传感器测量范围为0～4%，风量传感器的风速测量范围为0.3～15 m/s。

表2 试验设备及仪器Table 2 The equipments and instruments used in the test

5.2 最小供风量计算

在试验掘进工作面，瓦斯涌出量主要包括暴露煤壁产生的瓦斯涌出量和落煤产生的瓦斯涌出量，预测绝对瓦斯涌出量为1.23 m3/min。将掘进巷道回风流瓦斯体积分数控制在1%以内时的需风量为

式中：K为瓦斯涌出不均匀系数，取1.6；Wg为绝对瓦斯涌出量，m3/min。

将相关数值代入式（1）可得Qhg≈197 m3/min。为保证巷道内瓦斯体积分数不超限，风筒出风量Qh应大于等于需风量Qhg。最远掘进距离处局部通风机的供风量为

式中 φ为风筒漏风备用系数，取1.2。

局部通风机全压为

局部通风机工作风阻为

结合局部通风机FBDNo_5.0/2×7.5 的H-Q特性曲线及风阻特性曲线，可得局部通风机工况点，如图12 所示，可看出通风机在最大工作风阻条件下的实际工况点风量为255 m3/min，风压为783 Pa。

图12 局部通风机工况点Fig.12 Working point of local ventilator

绝对瓦斯涌出量为

式中c0为风流中的平均瓦斯体积分数，%。

根据实际工况点参数及式（2）可得，当通风机供风量为255 m3/min 时，风筒出风量为212.5 m3/min。在此条件下，由式（5）可得，将瓦斯体积分数控制在0.8%时，最远掘进距离处最大绝对瓦斯涌出量为1.7 m3/min。

根据煤矿井下工作条件，按照工作人数及巷道内风速要求，巷道最小需风量为132 m3/min。随着巷道推进，风筒产生漏风，由式（2）可得，巷道贯穿时通风机供风量为158 m3/min。因此，巷道掘进所需最小供风量范围为132～158 m3/min。

5.3 试验结果

5.3.1 第1 种降频条件下（c1≤0.6%）的试验结果

第1 种降频条件下，当通风机降频运行后，所提供的风量要能够将瓦斯体积分数控制在0.6%～0.8%。瓦斯体积分数接近0.6%时，以较大风量控制较低浓度瓦斯，存在能量浪费；瓦斯体积分数接近0.8%时，易超出安全范围，使系统安全性下降。因此，设置降频后通风机供风量为达到降频条件时控制c2=0.7%所需的供风量。计算可得通风机IV-I 级的供风量分别为255.0，219.5，188.5，161.2 m3/min，具体见表3。IV 级的频率为满频工作时的频率（50 Hz），根据风量与频率之间的正比关系可得出III-I 级对应的频率为43.1，36.9，31.6 Hz。

表3 达到第1 种降频条件时控制c2=0.7%所需的供风量Table 3 The air supply required to control c2=0.7% when the first frequency reduction condition is achieved

根据Matlab 仿真结果，结合相关试验要求，通过设置相应的偏差和偏差变化率，得到控制量U1，U2的范围，见表4。

表4 第1 种降频条件下控制量范围Table 4 The range of control quantity under the first frequency reduction condition

5.3.2 第2 种降频条件下（c1≤0.5%）的试验结果

第2 种降频条件下，当通风机降频运行后，所提供的风量要能够将瓦斯体积分数控制在0.5%～0.8%。进行2 组试验，分别设置降频后通风机供风量为达到降频条件时控制c2=0.7%和c2=0.6%所需的供风量。

（1）设置降频后通风机供风量为达到降频条件时控制c2=0.7%所需的供风量（表5）。计算可得通风机IV-I 级的供风量分别为255.0，181.7，130.3，92.5 m3/min，对应的频率分别为50，35.6，25.5，18.1 Hz。

表5 达到第2 种降频条件时控制c2=0.7%所需的供风量Table 5 The air supply required to control c2=0.7% when the second frequency reduction condition is achieved

（2）设置降频后通风机供风量为达到降频条件时控制c2=0.6%所需的供风量（表6），计算可得通风机IV-I 级的供风量分别为255.0，212.0，176.0，146.0 m3/min，对应的频率分别为50，41.6，34.5，28.6 Hz。

表6 达到第2 种降频条件时控制c2=0.6%所需的供风量Table 6 The air supply required to control c2=0.6% when the second frequency reduction condition is achieved

第2 种降频条件下，2 种情况采用相同升降频条件，控制量范围见表7。

表7 第2 种降频条件下控制量范围Table 7 The range of control quantity under the second frequency reduction condition

5.3.3 结果分析

瓦斯体积分数一定时，瓦斯涌出量不同，所对应的需风量不同。在上述3 组试验中，将电网频率50 Hz 作为IV 级的频率，通风机IV 级运行时，若瓦斯体积分数分别降至0.6%，0.5%，0.5%，则通风机降频至III 级，同时设定III 级供风量为达到降频条件时控制c2为0.7%，0.7%，0.6%所需的供风量。根据式（5）可得3 种情况下的实际需风量分别为182.9，151.4，176.7 m3/min。根据式（2）可得III 级供风量分别为219.5，181.7，212.0 m3/min。根据IV 级至III 的变频方法，得出3 种情况下的II 级供风量分别为188.5，130.3，176.0 m3/min，I 级供风量分别为161.2，92.5，146.0 m3/min。当瓦斯体积分数达到0.8%并升频后，3 种情况下的通风机供风量能够将瓦斯体积分数分别控制在0.69%，0.57%，0.66%。

不同降频条件所对应的试验数据如图13 所示，图中阴影部分为缓冲区域，可避免瓦斯体积分数处于升降频节点时频繁变频。缓冲区域的存在使通风机变频后能够将瓦斯体积分数控制在较低位置，减少变频次数，保护电路设备，使通风系统安全平稳运行。由图13（a）可知，在该变频条件及供风量下，I 级供风量大于最远掘进距离处所需最小供风量158 m3/min，能够满足巷道通风要求。由图13（b）可知，在该变频条件及供风量下，II 级和I 级供风量分别为130.3，92.5 m3/min，小于最远掘进距离处所需最小供风量158 m3/min，且差值较大，无法满足巷道通风需求，因此理论上不可行。掘进巷道所需最小供风量范围为132～158 m3/min，由于I 级、II 级风量小于132 m3/min，因此，在漏风量少的短距离巷道中也无法应用。若最低等级供风量无法满足最远掘进距离处所需最小供风量，但仍在最小供风量范围内，则可在漏风量少的短距离巷道中使用。由图13（c）可知，在该变频条件及供风量下，I 级供风量为146.0 m3/min，略小于最远掘进距离处所需的最小供风量158 m3/min。可新设一个介于I 级和II 级之间的频率等级I*级，通过提高通风机频率来增加供风量。将I*级频率提升为31.0 Hz，则供风量为158.1 m3/min，满足最远掘进距离处最小风量需求。

图13 不同降频条件及供风量所对应的试验数据Fig.13 Test data corresponding to different frequency reduction conditions and air supply volume

6 结论

（1）在不考虑偏差变化率的情况下，将掘进工作面瓦斯体积分数达到0.8%设置为升频条件，瓦斯体积分数不大于0.6%设置为降频条件，进行频率等级划分，能够满足系统通风要求，但是每一等级瓦斯体积分数控制范围较窄，导致系统运行时稳定性不足。

（2）将掘进工作面瓦斯体积分数达到0.8%设置为升频条件，瓦斯体积分数不大于0.5%设置为降频条件，该情况下每一等级瓦斯体积分数控制范围较宽，系统运行更加安全平稳。

（3）将掘进工作面瓦斯体积分数不大于0.5%设置为降频条件，降频后供风量为达到降频条件时将回风流瓦斯体积分数控制在0.7%所需的供风量，该情况下无法满足巷道通风需求。

（4）将掘进工作面瓦斯体积分数不大于0.5%设置为降频条件，降频后供风量为达到降频条件时将回风流瓦斯体积分数控制在0.6%所需的供风量，该情况下，I 级供风量可将瓦斯体积分数控制在安全范围内，但不能满足最远掘进距离处最小风量需求。可以单独定义一个新的等级I*，但是需要避免因I*级与I 级距离较近引起系统不稳定。