CN1676878A - 矿用智能瓦斯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于解决煤矿井下巷道掘进过程中超限瓦斯的排放，可根据巷道内瓦斯浓度值的改变而自动调节通风机转速的矿用智能瓦斯控制系统及模糊控制方法，该控制方法是把人的操作经验做经验总结纳为若干条控制规则，并设计控制系统去执行，以实现对控制对象的有效控制，该系统采用双输入单输出模糊控制系统，包含三个功能环节：即用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。本发明的优点是三只瓦斯传感器T1、T2、T3实时检测巷道各处瓦斯浓度信号，经模糊控制器模拟计算控制信号，驱动编程控制器进行编程控制，编程控制信号激发触发电路控制变频器，变频器自动控制调节局扇转速，改变输出风量，并逐级逼近工矿点，保证汇风合流处的瓦斯浓度在规定安全值以下，实现瓦斯最大效率无超限排放。

Description

矿用智能瓦斯控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于解决煤矿井下巷道掘进过程中超限瓦斯的排放，可根据巷道内瓦斯浓度值的改变而自动调节通风机转速的矿用智能瓦斯控制系统。

背景技术

在煤矿生产过程中，瓦斯、煤尘、火、水、顶板和机电事故中，瓦斯事故占有很大比例，且损失之重大、伤亡之严重是六大灾害之最，而矿井掘进工作面，又是瓦斯煤尘事故多发地点，过去很多煤矿都采用局部扇风机压入式通风。由于局扇恒速运转，常发生“一风吹”排放瓦斯现象，极易发生瓦斯事故，给煤矿安全生产造成极大困扰，甚至威胁到矿工生命和整座矿井的存亡。

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。

传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型(如微分方程、传递函数或状态方程)的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器(Fuzzy Controller，即FC)获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点：

1)模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

4)模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。

模糊控制实质上是把人的操作经验做经验总结纳为若干条控制规则，并设计控制系统去执行，以实现对控制对象的有效控制，由于模糊控制对过程参数改变不灵敏，可在所定的工作点上实现稳定控制，因此在排放器中采用自组织，自适应，自学习的模糊控制系统，将复杂的过程控制纳入模糊的控制系统，可以使控制系统简单可靠。

随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机(单片机)上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。

模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。

发明内容

本发明的目的是将模糊控制理论用于瓦斯排放系统中，针对因通风机恒速运转而造成“一风吹”排放瓦斯，致使主巷道内瓦斯浓度超限的问题，提供一种可根据巷道内瓦斯浓度值的改变而自动调节通风机转速的矿用智能瓦斯控制系统。

矿用智能瓦斯控制系统，其特征在于：在控制箱内设有本质安全电源、瓦斯检测与模糊控制单元、闭锁控制单元、逆变器驱动电路、主控制器、保护单元；内部电路连接关系为：主电源连接整流单元，整流单元连接滤波单元，滤波单元连接逆变单元，逆变单元连接负载；三只瓦斯浓度传感器与瓦斯检测与模糊控制器相连接，瓦斯检测与模糊控制器同时与本质安全型电源、主控制器、闭锁控制单元相连接，主控制器连接逆变器驱动电路和保护单元，逆变器驱动电路连接逆变单元。

矿用智能瓦斯控制系统的模糊控制方法，该控制方法是把人的操作经验做经验总结纳为若干条控制规则，并设计控制系统去执行，以实现对控制对象的有效控制，其特征在于：该系统采用双输入单输出模糊控制系统，包含三个功能环节：即用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节；模糊控制方法的步骤包括：

1、选定模糊控制器的输入输出变量，并进行量程转换；

2、确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化；然后对所选取的模糊集定义其隶属函数，可取三角形隶属函数或梯形，并依据问题的不同取为均匀间隔或非均匀的；也可采用单点模糊集方法进行模糊化。

3、建立模糊控制规则或控制算法；这是指规则的归纳和规则库的建立，是从实际控制经验过渡到模糊控制器的中心环节。

4、模糊控制采用信号有三个：

传感器T₁传送信号I₁值，保证局扇进风口处的瓦斯浓度不超限，当该处瓦斯浓度超限，应停止局扇运行，由矿井通风部门进行矿井通风网络调正，保证排放瓦斯过程中，局扇进风口有足够的风流；

传感器T₂输送信号I₂值，为瓦斯排出巷出口处瓦斯浓度信号，以向系统提供巷道内瓦斯浓度变化信息，参与控制，使控制优化；

传感器T₃输送信号I₃值，为安全排放瓦斯浓度控制信号，I_3H为排放瓦斯过程的给定值，当I₃＜I_3H时，扇风机可增大转速，以增大排出瓦斯量；当I₃＞I_3H时，扇风机可降低转速，以减少排出瓦斯量；其增大或减小值，由控制信号I₃，I₂的变化驱势经模糊控制模拟计算决定，最终控制结果保证混合风流处的瓦斯浓度不超限。

本发明的优点是三只瓦斯传感器T1、T2、T3实时检测巷道各处瓦斯浓度信号，经模糊控制器模拟计算控制信号，驱动编程控制器进行编程控制，编程控制信号激发触发电路控制变频器，变频器自动控制调节局扇转速，改变输出风量，并逐级逼近工矿点，保证汇风合流处的瓦斯浓度在规定安全值以下，实现瓦斯最大效率无超限排放。

附图说明

图1是矿用智能瓦斯控制系统的电路结构图。

图2是矿用智能瓦斯控制系统的模糊控制原理图。

具体实施方式

见图1，矿用智能瓦斯控制系统，在控制箱内设有本质安全电源、瓦斯检测与模糊控制单元、闭锁控制单元、逆变器驱动电路、主控制器、保护单元；内部电路连接关系为：主电源连接整流单元，整流单元连接滤波单元，滤波单元连接逆变单元，逆变单元连接负载；三只瓦斯浓度传感器与瓦斯检测与模糊控制器相连接，瓦斯检测与模糊控制器同时与本质安全型电源、主控制器、闭锁控制单元相连接，主控制器连接逆变器驱动电路和保护单元，逆变器驱动电路连接逆变单元。

其中各单元模块都是该领域的现有技术，在这里没有给出具体元件连接电路。

见图2，矿用智能瓦斯控制系统采用双输入单输出模糊控制系统，见其原理图，其中K1、K2为系统的设定值，K3为系统输出，e1和e2分别是系统偏差和偏差的微分信号，也就是模糊控制器的输入，u为控制器输出的控制信号，e1、e2、K3、U为相应的模糊量。由图可知模糊控制器主要包含三个功能环节：用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。

矿用智能瓦斯控制系统的模糊控制方法的步骤包括：

1、选定模糊控制器的输入输出变量，并进行量程转换。选取方法一般如图2所示，即分别取e1、e2、K3、U。

2、确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化。模糊语言值通常选取3、5或7个，例如取为{负，零，正}，{负大，负小，零，正小，正大}，或{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}等。然后对所选取的模糊集定义其隶属函数，可取三角形隶属函数(如图2所示)或梯形，并依据问题的不同取为均匀间隔或非均匀的；也可采用单点模糊集方法进行模糊化。

3、建立模糊控制规则或控制算法。这是指规则的归纳和规则库的建立，是从实际控制经验过渡到模糊控制器的中心环节。控制律通常由一组if-then结构的模糊条件语句构成，例如：if e1＝k1 and e2＝k2，then u＝PB……等；或总结为模糊控制规则表，如表1中所示，可直接由e和c查询相应的控制量u。

表1模糊控制规则表举例

u	e2：N	e2：Z	e2：P
				e1：N	PB	PM	Z
e1：Z	PS	Z	NS
				e1：P	Z	NM	NB

4、模糊控制采用信号有三个：

传感器T₁传送信号I₁值，保证局扇进风口处的瓦斯浓度不超限，当该处瓦斯浓度超限，应停止局扇运行，由矿井通风部门进行矿井通风网络调正，保证排放瓦斯过程中，局扇进风口有足够的风流。

传感器T₂输送信号I₂值，为瓦斯排出巷出口处瓦斯浓度信号，以向系统提供巷道内瓦斯浓度变化信息，参与控制，使控制优化。

传感器T₃输送信号I₃值，为安全排放瓦斯浓度控制信号。I_3H为排放瓦斯过程的给定值，当I₃＜I_3H时，扇风机可增大转速，以增大排出瓦斯量；当I₃＞I_3H时，扇风机可降低转速，以减少排出瓦斯量。其增大或减小值，由控制信号I₃，I₂的变化驱势经模糊控制模拟计算决定，最终控制结果保证混合风流处的瓦斯浓度不超限。

Claims (2)

1、矿用智能瓦斯控制系统，其特征在于：在控制箱内设有本质安全电源、瓦斯检测与模糊控制单元、闭锁控制单元、逆变器驱动电路、主控制器、保护单元；内部电路连接关系为：主电源连接整流单元，整流单元连接滤波单元，滤波单元连接逆变单元，逆变单元连接负载；三只瓦斯浓度传感器与瓦斯检测与模糊控制器相连接，瓦斯检测与模糊控制器同时与本质安全型电源、主控制器、闭锁控制单元相连接，主控制器连接逆变器驱动电路和保护单元，逆变器驱动电路连接逆变单元。

2、矿用智能瓦斯控制系统的模糊控制方法，该控制方法是把人的操作经验做经验总结纳为若干条控制规则，并设计控制系统去执行，以实现对控制对象的有效控制，其特征在于：该系统采用双输入单输出模糊控制系统，包含三个功能环节：即用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节；模糊控制方法的步骤包括：

1)、选定模糊控制器的输入输出变量，并进行量程转换；

2)、确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化；然后对所选取的模糊集定义其隶属函数，可取三角形隶属函数或梯形，并依据问题的不同取为均匀间隔或非均匀的；也可采用单点模糊集方法进行模糊化；

3)、建立模糊控制规则或控制算法；这是指规则的归纳和规则库的建立，是从实际控制经验过渡到模糊控制器的中心环节；

4)、模糊控制采用信号有三个：

传感器T₁传送信号I₁值，保证局扇进风口处的瓦斯浓度不超限，当该处瓦斯浓度超限，应停止局扇运行，由矿井通风部门进行矿井通风网络调正，保证排放瓦斯过程中，局扇进风口有足够的风流；

传感器T₂输送信号I₂值，为瓦斯排出巷出口处瓦斯浓度信号，以向系统提供巷道内瓦斯浓度变化信息，参与控制，使控制优化；

传感器T₃输送信号I₃值，为安全排放瓦斯浓度控制信号，I_3H为排放瓦斯过程的给定值，当I₃＜I_3H时，扇风机可增大转速，以增大排出瓦斯量；当I₃＞I_3H时，扇风机可降低转速，以减少排出瓦斯量；其增大或减小值，由控制信号I₃，I₂的变化驱势经模糊控制模拟计算决定，最终控制结果保证混合风流处的瓦斯浓度不超限。

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