CN113530872A - 一种自适应排瓦斯的矿用局部通风系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应排瓦斯的矿用局部通风系统及方法。所述的系统包括传感器、A/D、D/A转换装置、模糊PID控制器、PLC风机控制器模块、数据通讯模块、变频器、数据库。本发明解决了由于掘进工作面瓦斯涌出量具有随机性和不确定性、并且瓦斯浓度与局部通风机转速系统处于非线性、多干扰和纯滞后的状态，且不能满足实际生产需求，从而提升巷道掘进工作面的通风效果，节省了电力资源的消耗和提高了煤矿的安全性。本发明具有良好的实际应用价值，设计合理，实用性强，推广应用价值高。

Description

一种自适应排瓦斯的矿用局部通风系统及方法
技术领域
本发明涉及一种自适应排瓦斯的矿用局部通风方法，同时还涉及一种自适应排瓦斯的矿用局部通风系统
背景技术
随着我国对煤矿开采安全要求的提高，针对现在煤矿瓦斯抽排存在排放流量固定,不能根据瓦斯浓度变化而进行实时地调整泵送排量等不足，为保证井下瓦斯抽排系统安全、稳定、合理运行,研究并设计一种自适应排瓦斯的矿用局部通风系统,通过结合常规PID和模糊控制的各自优势,使用模糊算法对PID调节参数进行自适应整定,进而对局部通风机风速进行调节,以实煤矿井下自适应排瓦斯的要求。
发明内容
本发明的目是提供一种自适应排瓦斯的矿用局部通风系统及方法，通过实时煤矿井下瓦斯浓度，保证矿井通风系统的风量、风流的稳定性，达到及时发现和消除煤矿重大安全生产隐患，避免煤矿重大事故的目的。
本发明的技术方案是：一种自适应排瓦斯的矿用局部通风方法，其特征在于，瓦斯传感器采集巷道中的瓦斯含量数据，经过A/D转换，传输到模糊PID控制器中，对数据预处理，将瓦斯浓度偏差量e和浓度偏差变化率ec作为二维输入，通过模糊化、模糊推理机和解模糊操作，输出控制函数u，再将u值经D/A转换传输给PLC风机控制器模块，PLC风机控制器模块直接与变频器的功率进行匹配，把控制数据写入变频器，解算控制变频器的功率，变频器改变频率，调节局部通风机电机转速，使局部通风机风速适应瓦斯浓度。
一种自适应排瓦斯的矿用局部通风方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过甲烷传感器测得矿井下甲烷含量，与预先设定的矿井下瓦斯浓度的标准值进行对比计算，计算得出瓦斯浓度偏差量e和瓦斯浓度偏差变化率ec，e论域为[-.075％,0.75％]，ec论域为[-1.5％,1.5％]，
e＝m1-p
其中m1为甲烷传感器值，p为常数，且瓦斯浓度大于0.75％时必须进行检查，
Figure BDA0003226992950000021
e1为下一时刻瓦斯浓度偏差量，e2为上一时刻瓦斯浓度偏差量，t为采样时间间隔，t取1秒；
步骤二、将步骤一计算得到e和ec作为输入量，输入到MATLAB程序中，运行得出瓦斯浓度偏差量模糊量E及瓦斯浓度偏差变化率模糊量EC，并得到它们各自所占的7个隶属度，确定输入输出变量语言值的7个模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，
再利用得到的隶属度及对应隶属度的横坐标，输入以下方程中，
Figure BDA0003226992950000031
其中y为模糊控制器的输出PID参数的修正因子；uAi(x)、uBi(y)表示求出的隶属度，Zi表示对应隶属度的横坐标；由模糊规则表中找出输出值所对应的隶属度；选取传递函数，
Figure BDA0003226992950000032
其中Kp,Ki、Kd分别是比例增益、积分和微分时间常数，采用Z-N方法，设置PID参数初值为KP0＝1.2*T/(K*τ)，Ki0＝2*τ，Kd0＝0.5*τ，其中取比例系惯性常数T＝1及纯时间延迟常数τ＝065；
Kp、Kd的调整范围由下确定：
Kpmin＝0.32Ku
Kpmax＝0.6Ku
Kdmin＝0.32Tu
Kdmax＝0.47Tu
Kp∈[Kpmin,Kpmax]
Kd∈[Kdmin,Kdmax]
Ku为在比例控制下系统临界稳定状态时控制器的增益，
Tu为在比例控制下系统临界稳定状态时系统响应震荡周期，
Kpmin为在比例控制下系统临界稳定状态时最小值，
Kpmax为在比例控制下系统临界稳定状态时最大值，
Kdmin为在微分控制下系统临界稳定状态时最小值，
Kdmax为在微分控制下系统临界稳定状态时最大值，
则
Figure BDA0003226992950000043
Figure BDA0003226992950000044
Figure BDA0003226992950000045
Kp＝Kp0+△Kp
Ki＝Ki0+△Ki
Kd＝Kd0+△Kd
计算得到模糊控制器的微分环节修正因子ΔKd、比例环节修正因子ΔKp和积分环节修正因子ΔKi，获得隶属度函数分布区间，然后将三个参数代入PID控制器中运算
Figure BDA0003226992950000041
得到输出控制方程，将控制方程的值经过D/A转换后直接输入到PLC中，控制变频器功率的改变；
步骤三、根据变频器风量值以及转速之间的关系，所需风量以及电机转速之间的关系可知：
P＝C1Q3
P为变频器功率，C1为变频器与风量值之间的定常数，Q为输出的风量值；
则上述变频器功率与电机转速之间的关系为
Figure BDA0003226992950000042
其中，n为电机转速，η1为电机主轴转速转化效率，η2为传动装置转化效率，C2为变频器与转速之间的定常数，
输出的风量值Q直接与变频器的功率进行匹配，通过D/A转化将功率值直接传输到PLC，PLC解算控制变频器的功率，变频器控制电机产生相应的转速，从而达到相应的风量值。
本发明解决了由于掘进工作面瓦斯涌出量具有随机性和不确定性、并且瓦斯浓度与局部通风机转速系统处于非线性、多干扰和纯滞后的状态，且不能满足实际生产需求，从而提升巷道掘进工作面的通风效果，节省了电力资源的消耗和提高了煤矿的安全性。本发明具有良好的实际应用价值，设计合理，实用性强，推广应用价值高。
附图说明
图1是本发明控制系统总体方案图。
图2是本发明传感器布置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明内容进行详细说明。
煤矿掘进工作面传感器布图如图2所示，所述的瓦斯传感器T1安装于距巷道迎头a处巷道顶端锚杆上，瓦斯传感器T2安装于距通风机电机为b处的巷道顶端锚杆上，T1主要检测迎头附近的瓦斯浓度，T2是对巷道口的瓦斯浓度进行检测，保证生产安全，所有的传感器数据均传输到工控机中进行保存。
如图1所示，本发明实施例一种自适应排瓦斯的矿用局部通风方法，瓦斯传感器采集巷道中的瓦斯含量数据，经过A/D转换，传输到模糊PID控制器中，对数据预处理，将瓦斯浓度偏差量e和浓度偏差变化率ec作为二维输入，通过模糊化、模糊推理机和解模糊操作，输出控制函数u，再将u值经D/A转换传输给PLC风机控制器模块，PLC风机控制器模块直接与变频器的功率进行匹配，把控制数据写入变频器，解算控制变频器的功率，变频器改变频率，调节局部通风机电机转速，使局部通风机风速适应瓦斯浓度。
具体步骤如下：
步骤一、所述数据预处理包括以下过程：通过瓦斯传感器测得矿井下瓦斯含量，与预先设定的矿井下瓦斯浓度的标准值进行对比计算，计算得出瓦斯浓度偏差量e和浓度偏差变化率ec，e论域为[-.075％,0.75％]，ec论域为[-1.5％,1.5％]，
e＝m1-p
其中m1为甲烷传感器值，p为常数，且瓦斯浓度大于0.75％时必须进行检查，
Figure BDA0003226992950000061
e1为下一时刻瓦斯浓度偏差量，e2为上一时刻瓦斯浓度偏差量，t为采样时间间隔，t取1秒；
步骤二、将步骤一计算得到e和ec作为输入量，输入到MATLAB程序中，运行得出瓦斯浓度偏差量模糊量E及瓦斯浓度偏差变化率模糊量EC，并得到它们各自所占的7个隶属度，确定输入输出变量语言值的7个模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，
再利用得到的隶属度及对应隶属度的横坐标，输入以下方程中，
Figure BDA0003226992950000062
其中y为模糊控制器的输出PID参数的修正因子；uAi(x)、uBi(y)表示求出的隶属度，Zi表示对应隶属度的横坐标；由模糊规则表中找出输出值所对应的隶属度；选取传递函数，
Figure BDA0003226992950000063
其中Kp,Ki、Kd分别是比例增益、积分和微分时间常数，采用Z-N方法，设置PID参数初值为KP0＝1.2*T/(K*τ)，Ki0＝2*τ，Kd0＝0.5*τ，其中取比例系惯性常数T＝1及纯时间延迟常数τ＝065；
Kp、Kd的调整范围由下确定：
Kpmin＝0.32Ku
Kpmax＝0.6Ku
Kdmin＝0.32Tu
Kdmax＝0.47Tu
Kp∈[Kpmin,Kpmax]
Kd∈[Kdmin,Kdmax]
Ku为在比例控制下系统临界稳定状态时控制器的增益，
Tu为在比例控制下系统临界稳定状态时系统响应震荡周期，
Kpmin为在比例控制下系统临界稳定状态时最小值，
Kpmax为在比例控制下系统临界稳定状态时最大值，
Kdmin为在微分控制下系统临界稳定状态时最小值，
Kdmax为在微分控制下系统临界稳定状态时最大值，
则
Figure BDA0003226992950000071
Figure BDA0003226992950000072
Figure BDA0003226992950000073
Kp＝Kp0+△Kp
Ki＝Ki0+△Ki
Kd＝Kd0+△Kd
计算得到模糊控制器的微分环节修正因子ΔKd、比例环节修正因子ΔKp和积分环节修正因子ΔKi，获得隶属度函数分布区间，然后将三个参数代入PID控制器中运算
Figure BDA0003226992950000074
得到输出控制方程，将控制方程的值经过D/A转换后直接输入到PLC中，控制变频器功率的改变；
获得的隶属度函数分布区间如下：
Figure BDA0003226992950000081
Figure BDA0003226992950000082
Figure BDA0003226992950000083
Kp的模糊规则控制表如下
Figure BDA0003226992950000084
Figure BDA0003226992950000091
Ki的模糊规则控制表如下
Figure BDA0003226992950000092
Kd的模糊规则控制表如下
Figure BDA0003226992950000093
Figure BDA0003226992950000101
步骤三、其中解算控制变频器的方法是：
步骤三、根据变频器风量值以及转速之间的关系，所需风量以及电机转速之间的关系可知：
P＝C1Q3
P为变频器功率，C1为变频器与风量值之间的定常数，Q为输出的风量值；
则上述变频器功率与电机转速之间的关系为
Figure BDA0003226992950000102
其中，n为电机转速，η1为电机主轴转速转化效率，η2为传动装置转化效率，C2为变频器与转速之间的定常数，
输出的风量值Q直接与变频器的功率进行匹配，通过D/A转化将功率值直接传输到PLC，PLC解算控制变频器的功率，变频器控制电机产生相应的转速，从而达到相应的风量值。
以上所述，仅仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种自适应排瓦斯的矿用局部通风方法，其特征在于，瓦斯传感器采集巷道中的瓦斯含量数据，经过A/D转换，传输到模糊PID控制器中，对数据预处理，将瓦斯浓度偏差量e和浓度偏差变化率ec作为二维输入，通过模糊化、模糊推理机和解模糊操作，输出控制函数u，再将u值经D/A转换传输给PLC风机控制器模块，PLC风机控制器模块直接与变频器的功率进行匹配，把控制数据写入变频器，解算控制变频器的功率，变频器改变频率，调节局部通风机电机转速，使局部通风机风速适应瓦斯浓度。
2.如权利要求1所述的一种自适应排瓦斯的矿用局部通风方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过甲烷传感器测得矿井下甲烷含量，与预先设定的矿井下瓦斯浓度的标准值进行对比计算，计算得出瓦斯浓度偏差量e和瓦斯浓度偏差变化率ec，e论域为[-.075％,0.75％]，ec论域为[-1.5％,1.5％]，
e＝m1-p
其中m1为甲烷传感器值，p为常数，且瓦斯浓度大于0.75％时必须进行检查，
Figure FDA0003226992940000011
e1为下一时刻瓦斯浓度偏差量，e2为上一时刻瓦斯浓度偏差量，
t为采样时间间隔，t取1秒；
步骤二、将步骤一计算得到e和ec作为输入量，输入到MATLAB程序中，运行得出瓦斯浓度偏差量模糊量E及瓦斯浓度偏差变化率模糊量EC，并得到它们各自所占的7个隶属度，确定输入输出变量语言值的7个模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，
再利用得到的隶属度及对应隶属度的横坐标，输入以下方程中，
Figure FDA0003226992940000021
其中y为模糊控制器的输出PID参数的修正因子；uAi(x)、uBi(y)表示求出的隶属度，Zi表示对应隶属度的横坐标；由模糊规则表中找出输出值所对应的隶属度；选取传递函数，
Figure FDA0003226992940000022
其中Kp,Ki、Kd分别是比例增益、积分和微分时间常数，采用Z-N方法，设置PID参数初值为KP0＝1.2*T/(K*τ)，Ki0＝2*τ，Kd0＝0.5*τ，其中取比例系惯性常数T＝1及纯时间延迟常数τ＝065；
Kp、Kd的调整范围由下确定：
Kpmin＝0.32Ku
Kpmax＝0.6Ku
Kdmin＝0.32Tu
Kdmax＝0.47Tu
Kp∈[Kpmin,Kpmax]
Kd∈[Kdmin,Kdmax]
Ku为在比例控制下系统临界稳定状态时控制器的增益，
Tu为在比例控制下系统临界稳定状态时系统响应震荡周期，
Kpmin为在比例控制下系统临界稳定状态时最小值，
Kpmax为在比例控制下系统临界稳定状态时最大值，
Kdmin为在微分控制下系统临界稳定状态时最小值，
Kdmax为在微分控制下系统临界稳定状态时最大值，
则
Figure FDA0003226992940000033
Figure FDA0003226992940000034
Figure FDA0003226992940000035
Kp＝Kp0+△Kp
Ki＝Ki0+△Ki
Kd＝Kd0+△Kd
计算得到模糊控制器的微分环节修正因子ΔKd、比例环节修正因子ΔKp和积分环节修正因子ΔKi，获得隶属度函数分布区间，然后将三个参数代入PID控制器中运算
Figure FDA0003226992940000031
得到输出控制方程，将控制方程的值经过D/A转换后直接输入到PLC中，控制变频器功率的改变；
步骤三、根据变频器风量值以及转速之间的关系，所需风量以及电机转速之间的关系可知：
P＝C1Q3
P为变频器功率，C1为变频器与风量值之间的定常数，Q为输出的风量值；
则上述变频器功率与电机转速之间的关系为
Figure FDA0003226992940000032
其中，n为电机转速，η1为电机主轴转速转化效率，η2为传动装置转化效率，C2为变频器与转速之间的定常数，
输出的风量值Q直接与变频器的功率进行匹配，通过D/A转化将功率值直接传输到PLC，PLC解算控制变频器的功率，变频器控制电机产生相应的转速，从而达到相应的风量值。
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