煤矿主通风机控制系统控制器优选

王 静

（山西平舒煤业有限公司，山西 寿阳 045000）

0 引言

通风机为煤矿通风系统的关键设备，其通过对工作面输送新鲜的空气，降低工作面有害气体的浓度，降低工作面粉尘浓度，为工作面人员和设备提供一个安全、舒适的工作环境。目前，针对煤矿通风系统的控制以人工控制为主，即通风机在很长一段时间内均以恒速状态运行，并不会随着工作面有害气体或者粉尘浓度进行自适应调整控制。总的来讲，当前通风机的控制方式不仅容易造成电能浪费，而且会导致工作面的空气质量不合格，严重威胁工作面的安全生产。本文将重点完成通风机的智能化、自适应控制。

1 通风机自适应智能控制理论基础

通风机根据其工作方式的不同，可分为压入式通风机、抽出式通风机以及混合式通风机。其中，压入式通风机的工作原理为将新鲜的空气通过风筒压入综采工作面的同时将污浊的空气排出；抽出式通风机的工作原理为将污浊的空气通过风筒抽出，在工作面形成负压使得新鲜空气进入工作面；混合式通风机集成了抽出式通风机和压入式通风机的优点，具有极强的通风性能。本文将以混合式通风机为例开展研究。

1.1 通风机的能耗分析

当通风机的叶片安装角度、转速等参数一定时，通风机的风压、轴功率以及效率与其风量呈现如图1所示的关系[1-2]。

图1 通风机的特性曲线

由图1 可以看出，当通风机在稳定的运行状态处于稳定工作区域时，随着风量的增加，对应通风机的风压、轴功率以及效率等均在减小。为了达到通风机的节能控制目标，在满足工作面实际通风需求的基础上，可采取如下措施：一是当通过减小挡风板的开度减小通风机风量时，对应通风机的风压也随着减小，对应所消耗的电能也减小。二是当通过减小通风机叶片安装角度减小通风机风量时，由于其工况点发生变化，对应的通风机的风量减小，风压也随着减小，从而达到节能的效果。但是，通过改变叶片安装角度实现节能的效果，其操作难度较大，容易在调节过程中发生故障。三是当通过减小通风机的转速减小通风机风量时，对应的通风机的风量和风压均减小，对应轴功率降低，从而达到节能效果。

对比上述三种节能控制方式，对通风机转速进行控制为最简单、最有效的方式[3]。因此，本文将以改变通风机转速实现其自适应、智能控制的目的。

1.2 煤矿综采工作面的环境特性

对通风机自适应、智能控制的主要依据为对工作面现场有害气体浓度和粉尘浓度的监测。当工作面有害气体浓度和粉尘浓度超标时，通风机自适应、智能控制系统增大风量，尽快保证工作面粉尘和有害气体的浓度满足相关规定。结合《煤矿安全生产》的相关规范，要求综采工作面的环境条件满足要求如表1 所示。

表1 综采工作面环境条件

2 通风机自适应智能控制器的设计

2.1 通风机自适应智能控制功能要求

对于通风机自适应智能控制功能实现，在对工作面现场有害气体浓度、粉尘浓度等准确监测的基础上，考虑到煤矿通风机系统相对复杂多变，要求对应的自适应智能控制系统具有较强的控制精度和鲁棒性。

目前，在工业控制中常采用的控制器包括普通PID 控制器、模糊控制器以及基于神经网络算法的控制器。鉴于煤矿通风系统主要表现为时滞性、多边性以及复杂性等特点，单纯地采用PID 控制器、神经网络控制器以及模糊控制器无法达到与其的控制效果。因此，为了保证通风机最终的自适应和智能化控制效果，本文拟采用能够结合PID 控制算法、模糊控制算法以及神经网络控制算法的原理和优点，设计ANFIS-PID控制器。ANFIS-PID 控制原理如图2 所示。

图2 ANFIS-PID 控制器原理

由图2 可以看出，ANFIS-PID 控制器的核心为能够根据实时采集工作面有害气体浓度、粉尘浓度与标准值的偏差量为输入，以模糊控制算法、最小二乘算法以及神经网络算法对PID 控制器中比例、积分以及微分三个环节的系数进行动态调整，以达到最佳的控制效果。

2.2 ANFIS-PID 控制效果仿真分析

本小节将结合煤矿实际生产工作面所配套通风机的具体工作参数完成PID 控制器、模糊PID 控制器以及ANFIS-PID 控制器的设计，并通过基于Simulink验证不同控制器对应的控制效果。本文所研究通风机的具体型号为DK45-4 NO.11，该型通风机的具体参数如表2 所示[4]。

表2 DK45-4 NO.11 通风机具体参数

根据不同控制器对比例、积分以及微分环节三个参数的整定原理，并参照DK45-4 NO.11 通风机的运行状态，实时对参数进行调整。对于普通PID 控制器而言，对应的三个环节的参数为固定值，其中比例环节系数为0.75、微分环节系数为0.16、积分环节系数为0.45；模糊PID 和ANFIS-PID 控制器将在上述参数的基础上分别对其进行整定修改。三种控制器对通风机自适应智能控制的动态性能对比如表3 所示。

表3 不同控制器对应的控制效果对比

由表3 可知，ANFIS-PID 控制器相比传统PID 控制器和模糊PID 控制器能够在更短的时间内使得通风机达到稳态；而且，在整个控制过程中ANFIS-PID控制器的稳定性更好。因此，采用ANFIS-PID 控制器对通风机的自适应智能控制可以满足控制要求。

3 结语

通风机为煤矿通风机系统的核心设备，传统主要依靠人工对其进行控制，一般情况下设备处于恒速运行状态，无法根据工作面现场有害气体浓度、粉尘浓度对其转速进行自适应智能控制。为此，为保证综采工作面的安全生产以及设备的节能控制，实现对通风机的自适应智能控制是非常必要的。通过研究发现，采用ANFIS-PID 控制器与传统PID 控制器和模糊PID 控制相比，在稳态所需时间、超调量以及误差等方面均表现出较大的优势。即说明，ANFIS-PID 控制器具有更快的响应速度，在控制过程中的稳定性更好。