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摘 要：本文提出了一种针对矿山主通风机叶片在工作过程中动态调节的新工艺方法。采用模糊控制的方法，引入先进的传感器技术，实现了通风机叶片动态只能调节。
关键词：通风机叶片；动态智能调节系统
引言
目前，国内矿用主通风机领域尚无智能化通风机解决方案，市场上最多的也只有主通风机在线监测与故障诊断系统，只能监督电机轴承温升、定子温升、故障显示等。通风机的相关参数控制也只能利用变频电机进行调速控制。对于叶片角度调节只能采用停机手动调节。这种静态调节不能及时进行通风机参数确定，待开机试验不合格时，又要打开机组进行人工调节，如此反复工作给矿山通风带来诸多不便，可谓费时费力[1]。为解决现有技术中的上述问题，本文提出了一种在通风机工作过程中进行动态调节的新工艺方法，通过传感器监测以及智能模糊控制，实现通风机叶片角度动态智能调节。提高了风机运行效率。
1.动态智能调节系统
本文以TI公司的TMS320F28335芯片为核心，结合模糊控制技术，闭环控制技术，设计一个基于煤矿瓦斯浓度的通风机叶片动态智能调节系统。系统主要由瓦斯传感器、叶片角度调节机构、局部通风机、变频器以及二维自动调节模糊控制器组成。在矿井挖掘面分别放置瓦斯传感器对瓦斯浓度进行实时检测，将监测值送入模糊控制器，与预设值进行比较，依照其偏差与变化率自动调节输出信号电压，驱动私服电机对叶片角度进行相应的调节，以此来改变通风机扬尘；当瓦斯浓度变化率较大时，控制器通过变频器驱动局部通风机，以此来改变通风机排风量，进而降低瓦斯浓度，达到自动调节瓦斯浓度，提高矿井生产安全的目的。相对于传统的局部通风机控制系统来说，本文通过设置一个位置传感器，使得局部通风机在工作状态下，DSP能通过位置传感器发送来的信号计算出叶片角度参数并发出控制指令，从而实现对叶片旋转角度的实时控制，保证叶片停留在所需的工作位置，以此确保通风机始终在最佳工况范围内运行，进一步提高运行效率，节约能源。
2.瓦斯浓度模糊控制器设计
模糊逻辑控制器（Fuzzy Logic Controller）简称模糊控制器，因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件描述的语言控制规则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器[3]。本文实现的模糊控制器硬件结构与数字控制器相同，模糊控制算法主要以软件方式实现。这种方式使得控制器灵活性高、通用性强、资源开销小。
模糊控制器的的设计分为如下几部分：
1）确定输入变量和输出变量；
2）设计控制规则；
3）进行模糊化和清晰化；
4）确定量化因子和比例因子；
5）编写算法程序。
2.1瓦斯浓度模糊控制器结构
本文结合煤矿局部通风机的实际运行工况，实现动态智能调节的首要问题是消除被控对象的偏差变化问题以及控制输出偏差变化问题。本文研究的输入变量为给定瓦斯浓度值以及瓦斯传感器输出值的偏差e和偏差变化率ec，输出变量为执行机构控制信号u，故采用二维模糊控制器。
系统运行过程中，比较器计算出瓦斯浓度偏差e，微分后求出偏差变化率ec，再对其进行模糊量化处理分别得到E和Ec。控制器读入这两个输入量根据既定的控制规则计算得相应的模糊量，再进行清晰化得到输出控制量u。进而控制变频器改变电机转速，控制伺服电机调节叶片角度，达到控制局部通风机排风量和扬尘的目的。
2.2输入输出量的模糊化
确定了控制器的结构后，接下来需要将输入进行模糊化。瓦斯传感器输出值n与瓦斯给定值N的误差及其误差变化作为输入语言变量，把控制器的输出量用u。输入变量论域取值为{4，3，2，1，0}，模糊语言集为{Pa、Pb、Pc、Pz}，语言表示为{很大偏差、较大偏差、较小偏差、无偏差}。当E不属于整数时，采用四舍五入法将其归为最近的整数。同样选取E的论域为{4，3，2，1，0}模糊语言集为{Fa、Fb、Fc、Fy、Fz}，语言表示为{很大偏差、较大偏差、较小偏差、无偏差}。有既定的模糊控制规则得出相应的输出控制量u的论域为{8，7，6，5，4，3，2，1，0}，模糊语言集为{Ma、Mb、Mc、Mz}，语言表示为{转速与角度同时修正、转速修正、角度修正、无}。输出控制量u的隶属度赋值表如下：
2.3模糊控制规则的设计
模糊控制的核心部分为决策逻辑，决策逻辑是采用某种推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则导出模糊控制器的控制输出。控制器经中断采样获取被控制量的精确值，然后将精确值与给定值比较得到偏差信号，把这偏差信号作为模糊控制器的一个输入量，把其精确量进行模糊化变成模糊量，偏差的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到偏差的模糊语言集合的一个子集。再经推理、解模糊得到精确的数字量，经过DA转换变为精确地模拟量送至执行机构。现汇总控制过程中可能出现的各种情况以及相对应的控制策略如下表所示：
表1 模糊控制规则表
如上表1所示，改控制规则的设计首要考虑的是瓦斯浓度偏差e。
当e很大时，控制器作出Ma控制策略；
当e较大且瓦斯浓度变化率ec很高时，控制器同样作出Ma控制策略；
当e较大、e较小且ec很大以及较大时，控制器作出Mb控制策略；
当e较小且ec较小以及无、e无偏差但ec很大以及较大时，控制器作出Mc控制策略；
其余情况控制输出为Mz。
2.4 模糊控制器的判决方法
模糊控制器的判决又称为去模糊化，其方法包括最大隶属度法、中位数判决法以及加权平均判决法三种。本文研究的控制器为简单的二维模糊控制器，所以采用简单易行的最大隶属度法进行判决。控制器输出模糊集U对应的论域如下：最大隶属度判决即以模糊集对应隶属度的最大值作为判决输出。
2.5 模糊控制的应用程序
模糊控制算法是由计算机程序实现的。在控制过程中，计算机实时计算输入变量误差以及误差变化，并进行模糊处理，再通过查表法作出输出判断。本文中模糊逻辑推理算法采用简单的查表算法，其具有相当快的运算速度，完全能够满足瓦斯浓度的动态智能控制。
3 执行机构
本文以DSP为控制核心，当瓦斯浓度偏差很大且偏差变化率很大时，伺服电机与变频器同时工作，改变电机转速和叶片角度，迅速降低煤矿瓦斯浓度，保证生产的安全与稳定。如上文控制器部分所述，适当的控制变频器、伺服电机动态智能调节掘进工作面瓦斯浓度。通过传感器实时监测通风机转速以及叶片位置，反馈给DSP。DSP收到传感器送来的信号后，将通风机叶片的现有信息与要求调整的信息进行比较，发出指令给伺服电机进行相应的调节。
4 总结
本文以掘进工作面的局部通风机为控制对象，采用传感器技术与控制器相结合，寻找一种二维模糊控制算法。以变频器、伺服电机为执行机构，达到动态智能调节瓦斯浓度的目的。整个系统反应灵敏，提高了通风机的自动化程度和运行效率，矿井瓦斯浓度得到有效的控制，一定程度上提高了矿井生产的安全可靠性，有较好的实际应用价值。
参考文献
[1]沈学军，陈春平，黄蜂. 一种通风机叶片动态智能调节系统.实用新型专利.2013.11.
[2]胡汉华，杨国增.矿井通风网络复杂度与风机控制力量化计算[J].中国安全生产科学技术.2014.07.
关键词：通风机叶片；动态智能调节系统
引言
目前，国内矿用主通风机领域尚无智能化通风机解决方案，市场上最多的也只有主通风机在线监测与故障诊断系统，只能监督电机轴承温升、定子温升、故障显示等。通风机的相关参数控制也只能利用变频电机进行调速控制。对于叶片角度调节只能采用停机手动调节。这种静态调节不能及时进行通风机参数确定，待开机试验不合格时，又要打开机组进行人工调节，如此反复工作给矿山通风带来诸多不便，可谓费时费力[1]。为解决现有技术中的上述问题，本文提出了一种在通风机工作过程中进行动态调节的新工艺方法，通过传感器监测以及智能模糊控制，实现通风机叶片角度动态智能调节。提高了风机运行效率。
1.动态智能调节系统
本文以TI公司的TMS320F28335芯片为核心，结合模糊控制技术，闭环控制技术，设计一个基于煤矿瓦斯浓度的通风机叶片动态智能调节系统。系统主要由瓦斯传感器、叶片角度调节机构、局部通风机、变频器以及二维自动调节模糊控制器组成。在矿井挖掘面分别放置瓦斯传感器对瓦斯浓度进行实时检测，将监测值送入模糊控制器，与预设值进行比较，依照其偏差与变化率自动调节输出信号电压，驱动私服电机对叶片角度进行相应的调节，以此来改变通风机扬尘；当瓦斯浓度变化率较大时，控制器通过变频器驱动局部通风机，以此来改变通风机排风量，进而降低瓦斯浓度，达到自动调节瓦斯浓度，提高矿井生产安全的目的。相对于传统的局部通风机控制系统来说，本文通过设置一个位置传感器，使得局部通风机在工作状态下，DSP能通过位置传感器发送来的信号计算出叶片角度参数并发出控制指令，从而实现对叶片旋转角度的实时控制，保证叶片停留在所需的工作位置，以此确保通风机始终在最佳工况范围内运行，进一步提高运行效率，节约能源。
2.瓦斯浓度模糊控制器设计
模糊逻辑控制器（Fuzzy Logic Controller）简称模糊控制器，因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件描述的语言控制规则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器[3]。本文实现的模糊控制器硬件结构与数字控制器相同，模糊控制算法主要以软件方式实现。这种方式使得控制器灵活性高、通用性强、资源开销小。
模糊控制器的的设计分为如下几部分：
1）确定输入变量和输出变量；
2）设计控制规则；
3）进行模糊化和清晰化；
4）确定量化因子和比例因子；
5）编写算法程序。
2.1瓦斯浓度模糊控制器结构
本文结合煤矿局部通风机的实际运行工况，实现动态智能调节的首要问题是消除被控对象的偏差变化问题以及控制输出偏差变化问题。本文研究的输入变量为给定瓦斯浓度值以及瓦斯传感器输出值的偏差e和偏差变化率ec，输出变量为执行机构控制信号u，故采用二维模糊控制器。
系统运行过程中，比较器计算出瓦斯浓度偏差e，微分后求出偏差变化率ec，再对其进行模糊量化处理分别得到E和Ec。控制器读入这两个输入量根据既定的控制规则计算得相应的模糊量，再进行清晰化得到输出控制量u。进而控制变频器改变电机转速，控制伺服电机调节叶片角度，达到控制局部通风机排风量和扬尘的目的。
2.2输入输出量的模糊化
确定了控制器的结构后，接下来需要将输入进行模糊化。瓦斯传感器输出值n与瓦斯给定值N的误差及其误差变化作为输入语言变量，把控制器的输出量用u。输入变量论域取值为{4，3，2，1，0}，模糊语言集为{Pa、Pb、Pc、Pz}，语言表示为{很大偏差、较大偏差、较小偏差、无偏差}。当E不属于整数时，采用四舍五入法将其归为最近的整数。同样选取E的论域为{4，3，2，1，0}模糊语言集为{Fa、Fb、Fc、Fy、Fz}，语言表示为{很大偏差、较大偏差、较小偏差、无偏差}。有既定的模糊控制规则得出相应的输出控制量u的论域为{8，7，6，5，4，3，2，1，0}，模糊语言集为{Ma、Mb、Mc、Mz}，语言表示为{转速与角度同时修正、转速修正、角度修正、无}。输出控制量u的隶属度赋值表如下：
2.3模糊控制规则的设计
模糊控制的核心部分为决策逻辑，决策逻辑是采用某种推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则导出模糊控制器的控制输出。控制器经中断采样获取被控制量的精确值，然后将精确值与给定值比较得到偏差信号，把这偏差信号作为模糊控制器的一个输入量，把其精确量进行模糊化变成模糊量，偏差的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到偏差的模糊语言集合的一个子集。再经推理、解模糊得到精确的数字量，经过DA转换变为精确地模拟量送至执行机构。现汇总控制过程中可能出现的各种情况以及相对应的控制策略如下表所示：
表1 模糊控制规则表
如上表1所示，改控制规则的设计首要考虑的是瓦斯浓度偏差e。
当e很大时，控制器作出Ma控制策略；
当e较大且瓦斯浓度变化率ec很高时，控制器同样作出Ma控制策略；
当e较大、e较小且ec很大以及较大时，控制器作出Mb控制策略；
当e较小且ec较小以及无、e无偏差但ec很大以及较大时，控制器作出Mc控制策略；
其余情况控制输出为Mz。
2.4 模糊控制器的判决方法
模糊控制器的判决又称为去模糊化，其方法包括最大隶属度法、中位数判决法以及加权平均判决法三种。本文研究的控制器为简单的二维模糊控制器，所以采用简单易行的最大隶属度法进行判决。控制器输出模糊集U对应的论域如下：最大隶属度判决即以模糊集对应隶属度的最大值作为判决输出。
2.5 模糊控制的应用程序
模糊控制算法是由计算机程序实现的。在控制过程中，计算机实时计算输入变量误差以及误差变化，并进行模糊处理，再通过查表法作出输出判断。本文中模糊逻辑推理算法采用简单的查表算法，其具有相当快的运算速度，完全能够满足瓦斯浓度的动态智能控制。
3 执行机构
本文以DSP为控制核心，当瓦斯浓度偏差很大且偏差变化率很大时，伺服电机与变频器同时工作，改变电机转速和叶片角度，迅速降低煤矿瓦斯浓度，保证生产的安全与稳定。如上文控制器部分所述，适当的控制变频器、伺服电机动态智能调节掘进工作面瓦斯浓度。通过传感器实时监测通风机转速以及叶片位置，反馈给DSP。DSP收到传感器送来的信号后，将通风机叶片的现有信息与要求调整的信息进行比较，发出指令给伺服电机进行相应的调节。
4 总结
本文以掘进工作面的局部通风机为控制对象，采用传感器技术与控制器相结合，寻找一种二维模糊控制算法。以变频器、伺服电机为执行机构，达到动态智能调节瓦斯浓度的目的。整个系统反应灵敏，提高了通风机的自动化程度和运行效率，矿井瓦斯浓度得到有效的控制，一定程度上提高了矿井生产的安全可靠性，有较好的实际应用价值。
参考文献
[1]沈学军，陈春平，黄蜂. 一种通风机叶片动态智能调节系统.实用新型专利.2013.11.
[2]胡汉华，杨国增.矿井通风网络复杂度与风机控制力量化计算[J].中国安全生产科学技术.2014.07.