煤矿模糊排水控制系统设计(最终稿2)

煤矿排水系统模糊控制设计

钱宏琦周洁

（贵州大学机械工程学院贵州贵阳 550003）

摘要：传统的煤矿排水系统采用集水井定水位控制排水系统的启动停止，系统启停频繁，排水效率不高，排水系统受冲击大，影响设备寿命。采用模糊控制，可根据集水井水位和集水井水位变化率决定排水系统的启停与排水能力大小，使排水系统始终在高效率区间运行，节约能源，投资少。

关键词：煤矿排水模糊控制设计

The Design of Fuzzy Controlling Coal- Mine Drainsystem

Qian Hong Qi1 Zhou Jie1

（Mechanical Engineering ,Guizhou University,550003 Guiyang Guizhou)

Abstract: in traditional Coalmine-Drainsystem the Draining-Well ist used to set the Waterlevel in order to operate the Drainsystem. With the frequently Swith on/off , it causes the low Drainage Effect and suffers from the Impact, and reduce the life of the Equipment. With the fuzzy Controlling system we can set up the Status of the Drainsystem and its Capacity under Waterlevel and the Change of waterlevel of the Draining Well, make the system always more effective which saves the Energie and Inverstment.

Key words: Coal-mine Drainsystem fuzzy Control Desing

0 引言

煤矿排水系统在煤矿生产中占有十分重要的位置。排水系统是保证煤矿安全生产的重要设备，设备功率大，设备运行时间长，能耗大。设备投资大。地下涌水量受煤炭开采方式、季节、地表水渗透等因素影响，矿井中涌水量的变化非常大。其变化规律为非线性的。如果采用手动控制或传统的集水井高低水位控制，势必造成水泵机组的频繁启动与停止，系统运行区间往往偏离水泵的高效运行区域，这不仅增加了操作人员的工作强度，增加了耗电量，也加大了机组等设备的损耗，排水系统的运行的可靠性也难以保证。

采用模糊控制技术，我们对贵州大湾子煤矿排水系统进行改造，达到减少水泵启停次数、排水系统运行平稳、节约能源的目的。

1水泵机组的控制策略

目前，国内煤矿排水系统的水泵机组的控制，多数都是根据集水井水位决定水泵的运行。水位达到最高时水泵运行，水位降低到最低水位时停止运行。显然，仅按集水井水位高低来决定水泵运行的方法是不科学的，因水位只反映集水井中存储的水量多少，不能表示进水量的大小。因为排水系统是按矿井可能出现的最大涌水量配置的排水能力是远远高于平时的涌水量的。假如集水井起始水位很高，但进水量很小，必然很快将集水井中水排干，造成水泵的频繁启停。因此，排水系统的控制策略不能只考虑集水井的水位高低，还应考虑水位的变化率，根据集水井的进水流量优化决定排水系统的排水能力，使排水量追随涌水量的变化，维持两者基本平衡，力求使排水系统在高效区域工作。

由于煤矿井下涌水量具有非线性、大延迟特性，因此，传统的控制方法易出现控制滞后现象。采用计算机技术和先进的水位检测仪表后，能方便地测出集水井的水位差和水位变化率。通过引入模糊控制方法，利用水位变化率，可实现PD控制结构，能明显提高排水系统对涌水量变化的响应速度。

图1 排水系统模糊控制框图

Figure 1 Block diagram of fuzzy control

drainage system

模糊控制方法设计的主要工作是确定模糊论域、隶属函数、量化因子、模糊控制规则和模糊判决方法。[1] 2 煤矿排水系统

排水系统采用了4用1备的水泵配置。即4台水泵工作、1台检修备用。设1台水泵的运行为系统小排量运行， 2台水泵运行为中排量运行，3台水泵运行为大排量运行，4台水泵运行为最大排量运行。

3 排水系统模糊控制器设计 3.1模糊控制器语言变量

模糊控制器采用双输入单输出形式。U 为排水系统输出模糊变量。输入信号为压力传感器采集集水井水位信号 P s ，经模糊控制器与压力设定值P o 比较后，得到偏差E （o s P P E -=）和水位偏差变化率EC 作为模糊控制器的输入量。模糊控制器由PLC 编程实现，采样间隔为30s ，这种结构是非线性的PD 控制方式。[2] 3.2模糊论域和隶属函数

根据现场对集水井水位变化情况的了解及煤矿排水系统的要求，三个控制变量的论域量化关系如下：

1、水位差E 分为6档11级，即{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，}，其模糊子集选取如下语言值：{ NB(负大)， NM （负中），NS （负小），

PS （正小），PM （正中），PB （正大）}

2、水位变化率EC 分为5档7级，即{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，其模糊子集选取如下语言值：

{ NB(负大)， NS （负小），Z （零），PS （正小），PB （正大）}。

3、控制变量U 分为5档5级，即{0，1，2，3，4，}其模糊子集选取如下：{零，小，中，大，很大}。

在选择各变量隶属函数时，不同形状隶属函数所代表的控制含义不同。模糊子集的隶属函数形状较尖时，反映模糊集合具有高分辨特性，其控制的灵敏度较高；模糊子集的隶属函数形状较宽，反映模糊集合具有较低分辨率特性，其控制的灵敏度较低，控制特性比较平缓，系统稳定性好。

4、量化关系 根据现场集水井工作情况，集水井最大深度为6m ，要求水位变化范围在1.5m ~5.5m 之间，取3.5m 为水位基准值，水位差的变化范围为（-2m ，+2m ）之间，通过以下公式可得到水位与水位差论域元素之间的变换关系

()??

?

???+--=

b a x a b 2110y （3-1） 式中 [a ，b]即水位范围[1.5m ，5.5m]，x 为水位值，y 为量化级数。[3]

集水井的水位变化率可通过计算获得，根据实测，集水井最大可能进水量为500m 3

/d ，4台泵的最大排水量为600m 3

/d ，根据集水井容积，30s 内的最大水位变化率为±0.1m ，得到水位变化率的量化关系为

()??

????+--=

b a a b 21X 6Y （3-2） 式中[a ，b]即水位变化范围[－0.1m/30s ，0.1m/30s]，X 为水位值，Y 为量化级数。

基于上述分析，结合实际控制要求，选择水位

差变量隶属函数形状较宽，使水位引起的控制作用减弱，控制特性平缓，满足需要消除水泵频繁启动的情况。选择水位变化率隶属函数形状较尖，使水位变化率引起的控制作用加强，使控制作用对涌水

量变化的反映比较灵敏，以适应实际控制中要求尽可能按涌水量排水的要求。为了计算方便，对水位变化率和控制变量采用三角函数形式。

表3.1 水位差变量E 隶属度

表3.2 水位变化率变量EC 隶属度

根据资料和操作人员经验的总结，模糊控制规则可综合如表3-3所示的控制状态表。

表3-3控制状态表

根据控制状态表可以采用以下方法得到模糊控制的总模糊关系矩阵：

i R R R R 21∨∨∨=

式中：R 为总模糊关系；R i 为每条规则的模糊关系。

每条规则所代表的模糊关系，可用下面方法得到：

()()()U EC E 1NB NB R 零??=

()()()U EC E 2NM NB R 零??=

表3-4 模糊控制查询表

以上模糊控制可通过PLC 编程实现，将表3-4内容存放在PLC 内存中，作为控制查询表来实现控制规则。PLC 间隔30s 检测集水井水位，根据式（3-1）和（3-2）计算得到E 和EC 计算的量化级数，将级数转换为控制表位置，查询得到实际应启动的水泵台数。

结束语 大方县大湾子煤矿采用模糊控制系统以后，提高了排水系统的运行效率，节电效果明显，集水井水位可保持在3m ~4m 之间，运行2~4台水泵，泵循环工作方式运行良好，避免了水泵频繁启动的情况。

贵州省科技厅工业攻关项目：黔科合GY 字[2009]3041 参考文献：

[1] 许力，智能控制与智能系统[M]，北京：机械工业出版社，2007年1月.

[2] 张化光，智能控制理论及应用[M]，北京：机械工业出版社，2005年12月.

[3] 朱德忠.用PLC,VVVF 实现的恒压交频供水控

制系统[J].电气传动2002，（4）：45~48.

作者简介：钱宏琦，男，1956年1月生，1981年贵州工业大学矿山机电专业毕业，学士学位，副教授，硕士生导师，研究方向机电传动与控制。贵州

大学机械工程学院

贵州 贵阳 550003联系电话：135********

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