賀 娟，羅光毅

（遵義師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州遵義，563000）

模糊控制在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

賀 娟，羅光毅

（遵義師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州遵義，563000）

煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)強(qiáng)耦合的監(jiān)測系統(tǒng)。針對(duì)這一復(fù)雜系統(tǒng)，作者采用模糊控制理論和DSP技術(shù)，以DSP芯片和模糊控制器為監(jiān)控端，以PC機(jī)為遠(yuǎn)程管理中心，以各種傳感器來采集系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出了一套智能瓦斯監(jiān)測模糊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤礦瓦斯實(shí)時(shí)在線監(jiān)測功能，可為煤礦安全生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

模糊控制；DSP；煤礦瓦斯；在線監(jiān)測

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對(duì)煤炭和石油等能源資源的需求量也在不斷增加，為了保證我國能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和能源行業(yè)的安全生產(chǎn)，對(duì)能源生產(chǎn)企業(yè)的安全生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測就顯得非常重要。煤炭是我國的主要能源之一，煤礦傷亡事故如瓦斯爆炸等時(shí)有發(fā)生。從煤礦事故的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告來看，絕大多數(shù)的煤礦事故都是由瓦斯爆炸引起的。抑制這些事故發(fā)生最有效的手段是提高煤礦瓦斯監(jiān)測和控制的水平。目前，盡管我國的煤礦瓦斯監(jiān)測技術(shù)已有很大提高，但與國外先進(jìn)水平相比較，在硬件設(shè)施和技術(shù)裝備方面仍存在比較大的差距，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控可靠性也較差，需要解決互聯(lián)互通和資源共享等方面的問題。在軟件技術(shù)方面，監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理技術(shù)同樣也很落后，已有的信息處理技術(shù)只是簡單的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示和打印原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資源的深度挖掘和分析還做得不夠，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)報(bào)煤礦事故。因此，預(yù)防和控制瓦斯災(zāi)害一直是專家、學(xué)者和技術(shù)人員研究和亟待解決的重要課題[1-3]。

煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)強(qiáng)耦合的監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測過程由于隨機(jī)擾動(dòng)較大、監(jiān)測對(duì)象不確定、現(xiàn)場測試方法不完善等因素的存在，使得精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，同時(shí)受控對(duì)象難以控制，很難滿足控制性能的要求。對(duì)于這些復(fù)雜的控制對(duì)象，傳統(tǒng)的控制方法如PID等往往很難滿足其控制要求。因而，采用智能控制技術(shù)、設(shè)計(jì)智能控制器是解決這類復(fù)雜系統(tǒng)的可靠方法。在智能控制方法中，模糊控制[4-10]是一種可行的控制方法，它是利用專家的經(jīng)驗(yàn)來控制不確定系統(tǒng)的一種控制策略，此控制策略能夠?qū)Ψ蔷€性、時(shí)變性和強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。因此，本文將模糊控制理論和 DSP數(shù)字技術(shù)引入煤礦瓦斯在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括兩個(gè)部分：監(jiān)控端和遠(yuǎn)程管理中心。監(jiān)控端以TMS320LF2407A DSP為硬件核心，主要用來實(shí)現(xiàn)視頻和環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控；遠(yuǎn)程管理中心（PC）通過4G網(wǎng)絡(luò)來接收煤礦井下環(huán)境參數(shù)并予以顯示，同時(shí)這些參數(shù)通過模糊控制規(guī)則給出控制方案和策略。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 模糊控制原理

模糊控制理論是在模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的基礎(chǔ)上建立起來的一種邏輯控制理論，它利用模糊邏輯來描述事物的本質(zhì)和模擬人類的邏輯思維，同時(shí)對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊語言變量由模糊集定義，然后由有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜医⒕C合的控制評(píng)價(jià)?？刂评碚撌腔陲@式控制系統(tǒng)模型及控制器的設(shè)計(jì)僅限于隨時(shí)間變化的、有限維和線性的理論。但傳統(tǒng)的控制理論在沒有數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)，而模糊控制的特點(diǎn)是無需建立精確的數(shù)學(xué)模型，模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，模糊控制器的結(jié)構(gòu)決定了一個(gè)模糊控制系統(tǒng)性能的好壞。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器實(shí)際上就是一個(gè)微計(jì)算機(jī)，可以用單片機(jī)也可以用 DSP來控制。各種功能的傳感器是模糊控制系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器可以把控制對(duì)象或多種過程的控制量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，傳感器的精度直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。

3 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了滿足煤礦的實(shí)際需要，本文把監(jiān)控端和遠(yuǎn)程管理中心劃分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要由各種單片機(jī)處理器和各種傳感器（風(fēng)傳感器，壓力傳感器，瓦斯傳感器和采礦設(shè)備開停傳感器等）組成，各種傳感器分別安裝在井下的不同監(jiān)測點(diǎn)，用來采集井下各種氣體的濃度和含量、井下空氣狀況和設(shè)備運(yùn)行情況等數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場總線RS-485將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄谔幍谋O(jiān)測站，監(jiān)測站再根據(jù)情況進(jìn)行處理；井上部分主要由現(xiàn)場總線RS-485、DSP芯片、模糊控制器和遠(yuǎn)程管理中心組成。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 模糊控制器設(shè)計(jì)

鑒于模糊控制技術(shù)是針對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)來進(jìn)行控制的技術(shù)，所以本系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)來設(shè)計(jì)控制器。模糊控制器是反映輸入語言變量、輸出語言變量、語言控制規(guī)則及其模糊定量關(guān)系算法結(jié)構(gòu)的裝置，其功能是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)與給定輸入進(jìn)行比較所得的精確輸入轉(zhuǎn)換為模糊輸入信息，由控制器得出輸出量的模糊集，再經(jīng)解模糊集得到精確量，最后作用于被控對(duì)象。

瓦斯?jié)舛饶：刂破魅鐖D4所示。由圖4可以看出，經(jīng)過特殊裝置處理的瓦斯?jié)舛纫话憧梢苑譃槿N：管道高濃（瓦斯?jié)舛萅1）、風(fēng)流稀釋低濃和混合風(fēng)流低濃（瓦斯?jié)舛萅3）。

4.1 量程轉(zhuǎn)化及精確量模糊化

濃度N1：N1=[10%，70%]，論域取為X={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}

圖3 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 瓦斯?jié)舛饶：刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖

濃度N3的誤差E：E=[-0.6%，1.4%]，論域取為E={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3,4，5}

4.2 確定語言值

將N1和N3兩個(gè)變量模糊處理可以得到：N1變量的模糊語言集為{NL,NS,ZO,PS,PL}，相應(yīng)的語言變量表示為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}；N3變量誤差E變化范圍的模糊語言集為{PL，PS，ZO，NS，NL}，相應(yīng)的語言變量表示為{正大偏差，正小偏差，無偏差，負(fù)小偏差，負(fù)大偏差}。

4.3 確定隸屬函數(shù)

采用三角形和梯形函數(shù)分布來定義模糊語意（見圖5和表1）。

圖5 N3的偏差E、N1的隸屬度函數(shù)

N3的偏差E、N1的隸屬度函數(shù)賦值如表1。

表1 N3的偏差E、N1的隸屬度函數(shù)賦值表

4.4 確定模糊控制規(guī)則表

模糊控制規(guī)則表如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

4.5 解模糊化確定模糊控制查詢表

采用Min-Max重心法作為去模糊策略，可以得到如表3的模糊控制查詢表。

表3 模糊控制查詢表

確定好查詢表，把它作為“文件”保存在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，根據(jù)查詢表和輸入信息來查詢所需要的控制量。

5 仿真

本系統(tǒng)以煤礦瓦斯為監(jiān)測對(duì)象，通過大量實(shí)驗(yàn)，給定 N3=1%，N2恒定不變，N1的變化范圍為0～100%，對(duì)所建控制模型進(jìn)行仿真，控制規(guī)則的輸入是根據(jù)模糊控制規(guī)則表2給出的規(guī)則來進(jìn)行模糊推理。將N1和N3輸入控制系統(tǒng)，得到仿真曲線如圖6所示。由圖6可以看出輸入信號(hào)N1在0～100%范圍內(nèi)變化時(shí)，只要N3未超過給定瓦斯?jié)舛戎档?%，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)就能達(dá)到預(yù)期的控制效果。

圖6 仿真曲線

6 結(jié)束語

（1）本文設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)綜合應(yīng)用了模糊控制理論和DSP技術(shù)。

（2）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了智能化、自動(dòng)化的優(yōu)化改造，提高了系統(tǒng)的綜合防災(zāi)抗災(zāi)能力。

（3）可以減少安全事故隱患，使井下安全生產(chǎn)得到保障，提高了系統(tǒng)的控制精度和安全可靠性。

（4）實(shí)驗(yàn)表明，與以往的監(jiān)測系統(tǒng)相比較，該監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、參數(shù)選擇合理，具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]王秀明,傅貴,祝楷,等.基于設(shè)備設(shè)施分類角度的煤礦瓦斯爆炸事故原因分析[J].煤礦安全,2015,46(11):241-244.

[2]徐耀松,郭磊,王丹丹.多傳感器模糊信息融合算法在煤礦瓦斯監(jiān)測中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,35(3):42-44.

[3]姜維維,栗繼祖.基于模糊DEA煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理體系評(píng)價(jià)模型[J].煤礦安全,2015,46(11):238-244.

[4]史震,馬文橋,張玉芳.基于模糊控制的復(fù)合控制導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2015,(2):1-8.

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[6]郭瑞,呂曉.模糊控制在測爆裝置中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電, 2009,5(5):75-77.

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[9]劉文平,李文斌,王維.基于模糊控制技術(shù)的帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾偏裝置的設(shè)計(jì)與仿真[J].煤礦機(jī)械,2014,(11):265-267.

[10]姜媛媛，李振壁，范辰東.基于DSP實(shí)現(xiàn)的煤礦瓦斯移動(dòng)抽排系統(tǒng)的模糊控制[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35（3）：48-52.

（責(zé)任編輯：朱 彬）

Application of Fuzzy Control to Colliery Gas Monitoring System

HE Juan,LUO Guang-yi
（School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Zunyi Normal College,Zunyi 563002,China）

Colliery gas monitoring system is a complicated monitoring system with nonlinear,time variation and multi parameter strong coupling.In view of this complex system,we adopt the fuzzy control theory and DSP technology;the DSP chip and fuzzy controller are used for monitoring terminal;the PCis used for the remote management center;the required data of the system is collected with a variety of sensors;a set of intelligent fuzzy control system for gas monitoring is designed.The system realizes the function of real-time online monitoring of Colliery gas,which provides a certain theoretical and practical value for the safety production of coal mine.

Fuzzy control;Digital signal processor;Colliery gas;On-line monitoring

TD685

A

1009-3583（2017）-0100-04

2017-01-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11464052）；貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長基金項(xiàng)目（黔省專合字（2012）87）；貴州省科學(xué)技術(shù)

基金項(xiàng)目（黔科合LH字[2016]7018,黔科合LH字[2015]7043,黔科合LKZS[2014]05號(hào)）；貴州省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（黔教合KY字（2013）171）；貴州省教育廳電子制造產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（黔教合KY字[2014]230號(hào)）；貴州省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（黔學(xué)位辦[2013]18號(hào)）

賀 娟，女，湖南雙峰人，遵義師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院副教授，碩士，主要從事信號(hào)處理、在線監(jiān)測和魯棒控制等方面的教學(xué)和研究。