煤矿主通风机切换系统建模与控制

发布时间：2020-08-02 15:48

【摘要】：煤矿主通风机切换过程是煤矿根据《煤矿安全规程》,每月必须一次将当前运行的风机切换到备用风机,以保证矿井工作的正常进行,其切换过程的好坏直接影响井下风量的平稳和瓦斯浓度,关系到矿井的安全生产。目前的煤矿通常采用顺序控制策略,由操作者凭自身经验,通过预先制定的切换流程来进行控制。这种实现方式常常造成井下风量的大范围波动,甚至会导致风机喘振。对于瓦斯突出矿井,这种实现方式易导致瓦斯超限引发事故。因此,为了保证矿井的安全生产,在风机切换期间,需要保证井下的风量在一个合理的范围内且波动较小。本课题面向一类典型的风机切换过程,研究建模与控制方法。煤矿主通风机切换过程是一个由多个装置组合而成的复杂系统,其主要体现在:1)多变量强耦合性。煤矿主通风机切换系统包含7个状态变量:井下风量、2个主风机风道风量和4个风门风道风量。通过一个风道的风量严重影响其它风道的风量;2)参数不确定性。系统模型参数(井下风阻、4个风门风阻、2个主风机风阻和惯性系数),其不仅与气流性质有关,而且与过程运行条件有关,在实验室或工程现场中难以精确测量;3)动态特性随运行条件变化。由于每次切换时气流性质的变化,系统模型参数(2个主通风机风阻)发生变化。由于井下工作环境的变化,使得井下风阻往往发生大范围跳变。系统参数的变化常常引起系统动态特性的变化。由于这些复杂综合特性的存在,使得传统的控制方法无法直接使用。因此,实现煤矿主通风机切换系统的运行优化控制,是矿井亟待解决的关键问题。本文在江苏省重点研发计划项目“矿山通风安全与节能智能测控关键技术研发(BE2016046)”的支持下,研究煤矿主通风机切换系统的建模与运行优化控制。本文的主要工作归纳如下:(1)利用流动流体网络理论,建立煤矿主通风机切换系统的动态数学模型。首先,采用流动流体动力学和图论的概念,建立煤矿主通风机切换系统的模型。接着,采用扰动分析法分析模型参数的灵敏度,将模型参数划分为两类:“主要参数”和“非主要参数”。然后,在实际输入输出数据的基础上采用参数辨识算法辨识模型的主要参数。最后,将建立的模型与实际的切换过程进行对比,以此来验证所建立模型的有效性。(2)在上一节所建立的动态模型的基础上,充分考虑煤矿主通风机压头的调节,提出一种具有分散结构的风量控制器设计方法。这个控制器在保证两台主通风机安全运行的前提下,能够保证井下风量的平稳和每个风门的开关满足其工艺要求。最后,建立分布式的煤矿主通风机切换系统的半实物仿真平台,并将提出的控制方法在该平台上进行验证。结果表明,该控制器能取得较好的控制效果,且能保证闭环系统的稳定性。(3)针对煤矿主通风机切换系统的强耦合性、高非线性、参数不确定性和动态特性随运行条件变化性,将非线性解耦PID控制器与自适应算法相结合,提出一种多变量非线性自适应解耦PID控制方法。这个非线性自适应解耦PID控制器包括:一个线性自适应解耦PID控制器、一个非线性自适应解耦PID控制器和一个切换机制。线性自适应解耦PID控制器能够保证闭环系统的输入输出信号有界,而非线性自适应解耦PID控制器可以提高系统的性能。上述这两个自适应解耦PID控制器在切换规则的选择下,不仅可以保证闭环系统的输入输出信号有界,而且提高系统的性能。最后,通过半实物仿真验证所提方法的有效性。(4)由于风门开度的物理约束,风门具有饱和非线性。考虑风门的饱和特性,提出一种多变量非线性自适应解耦PID抗饱和控制方法。这个非线性自适应解耦PID抗饱和控制器由一个线性自适应解耦PID抗饱和控制器、一个非线性自适应解耦PID抗饱和控制器和一个切换准则构成。这个线性自适应解耦PID抗饱和控制器保证闭环系统的稳定性,非线性自适应解耦PID抗饱和控制器提高系统性能。而这个切换机制同时保证上述两个控制要求。最后,通过半实物实验仿真验证控制方法的有效性。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;TD441
【图文】：

切换系统,通风机

1.2 煤矿主通风机切换系统的研究现状（Research of mine mafan switchover system）煤矿主通风机切换过程的好坏对煤矿的安全生产和生产效益十分的重要，而这个实际问题是一个具有强耦合、高非线性、参数不确定性、动态特性随运行条件变化等特性的复杂系统。因此，研究这个实际工程问题不仅具有实际价值，而且具有理论研究意义。于励民，马小平等提出了煤矿主通风机切换系统的结构，如图 1-1 所示[6]。在通风机的入口处附加了一个水平对空风门，并提出一个控制方案用来保证井下风量的不间断。自此，这个实际工程问题引起了众多工程师和专家的关注[7-13]。但是上述的研究主要侧重于监控系统的设计和方案的改进。根据工程师的操作经验将顺序控制流程写入 PLC，再设计一个上位机人机友好的监控系统。因此，这种控制方式过度地依赖于操作者的经验，属于开环控制。

风门,百叶窗,叶片角度,风阻

8 3215(R0)2(R1c)1(R1s)3(R2c)4(R2s)M1M2 图 2-3 煤矿主通风机切换系统的简化网络拓扑 Figure 2-3 Simplified topology of Mine Main Fan Switchover system 2.3.2 百叶窗式风门的特性煤矿主通风机切换系统的风门通常设计成百叶窗式风门的形式，其结构如图 2.4 所示。相对于传统的闸板门，百叶窗式风门具有以下优点：1）风门的调节需要较小的力矩；2）开关速度快，在匀速运动情况下，百叶窗式风门从全开状态到全关状态只需 30 秒的时间。

特性曲线,叶片角度,风阻,特性曲线

0 0.156 10 0.273 20 0.42 30 0.69 40 1.5 50 2.7 60 4.2 70 9.6 80 34.8 90 120 2-1 风阻与叶片角度之间的数值关系可以看出，当叶片间时，风阻随叶片角度增加幅值增加很小，而当叶片角度超片角度增加而迅速变大。因此，在这些数据的基础上，分段角度之间的函数关系。第一段对应区间o o[0 60 ]，采用 5 阶多项应区间o o[60 90 ]，采用 2 阶指数拟合。通过非线性曲线拟合之间关系的特性曲线如图 2-5 所示。

【参考文献】