【摘要】：煤礦主通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程是煤礦根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》,每月必須一次將當(dāng)前運(yùn)行的風(fēng)機(jī)切換到備用風(fēng)機(jī),以保證礦井工作的正常進(jìn)行,其切換過(guò)程的好壞直接影響井下風(fēng)量的平穩(wěn)和瓦斯?jié)舛?關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)。目前的煤礦通常采用順序控制策略,由操作者憑自身經(jīng)驗(yàn),通過(guò)預(yù)先制定的切換流程來(lái)進(jìn)行控制。這種實(shí)現(xiàn)方式常常造成井下風(fēng)量的大范圍波動(dòng),甚至?xí)䦟?dǎo)致風(fēng)機(jī)喘振。對(duì)于瓦斯突出礦井,這種實(shí)現(xiàn)方式易導(dǎo)致瓦斯超限引發(fā)事故。因此,為了保證礦井的安全生產(chǎn),在風(fēng)機(jī)切換期間,需要保證井下的風(fēng)量在一個(gè)合理的范圍內(nèi)且波動(dòng)較小。本課題面向一類(lèi)典型的風(fēng)機(jī)切換過(guò)程,研究建模與控制方法。煤礦主通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程是一個(gè)由多個(gè)裝置組合而成的復(fù)雜系統(tǒng),其主要體現(xiàn)在:1)多變量強(qiáng)耦合性。煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)包含7個(gè)狀態(tài)變量:井下風(fēng)量、2個(gè)主風(fēng)機(jī)風(fēng)道風(fēng)量和4個(gè)風(fēng)門(mén)風(fēng)道風(fēng)量。通過(guò)一個(gè)風(fēng)道的風(fēng)量嚴(yán)重影響其它風(fēng)道的風(fēng)量;2)參數(shù)不確定性。系統(tǒng)模型參數(shù)(井下風(fēng)阻、4個(gè)風(fēng)門(mén)風(fēng)阻、2個(gè)主風(fēng)機(jī)風(fēng)阻和慣性系數(shù)),其不僅與氣流性質(zhì)有關(guān),而且與過(guò)程運(yùn)行條件有關(guān),在實(shí)驗(yàn)室或工程現(xiàn)場(chǎng)中難以精確測(cè)量;3)動(dòng)態(tài)特性隨運(yùn)行條件變化。由于每次切換時(shí)氣流性質(zhì)的變化,系統(tǒng)模型參數(shù)(2個(gè)主通風(fēng)機(jī)風(fēng)阻)發(fā)生變化。由于井下工作環(huán)境的變化,使得井下風(fēng)阻往往發(fā)生大范圍跳變。系統(tǒng)參數(shù)的變化常常引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化。由于這些復(fù)雜綜合特性的存在,使得傳統(tǒng)的控制方法無(wú)法直接使用。因此,實(shí)現(xiàn)煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化控制,是礦井亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文在江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“礦山通風(fēng)安全與節(jié)能智能測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)(BE2016046)”的支持下,研究煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的建模與運(yùn)行優(yōu)化控制。本文的主要工作歸納如下:(1)利用流動(dòng)流體網(wǎng)絡(luò)理論,建立煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。首先,采用流動(dòng)流體動(dòng)力學(xué)和圖論的概念,建立煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的模型。接著,采用擾動(dòng)分析法分析模型參數(shù)的靈敏度,將模型參數(shù)劃分為兩類(lèi):“主要參數(shù)”和“非主要參數(shù)”。然后,在實(shí)際輸入輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用參數(shù)辨識(shí)算法辨識(shí)模型的主要參數(shù)。最后,將建立的模型與實(shí)際的切換過(guò)程進(jìn)行對(duì)比,以此來(lái)驗(yàn)證所建立模型的有效性。(2)在上一節(jié)所建立的動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上,充分考慮煤礦主通風(fēng)機(jī)壓頭的調(diào)節(jié),提出一種具有分散結(jié)構(gòu)的風(fēng)量控制器設(shè)計(jì)方法。這個(gè)控制器在保證兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的前提下,能夠保證井下風(fēng)量的平穩(wěn)和每個(gè)風(fēng)門(mén)的開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足其工藝要求。最后,建立分布式的煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái),并將提出的控制方法在該平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,該控制器能取得較好的控制效果,且能保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)針對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性、高非線性、參數(shù)不確定性和動(dòng)態(tài)特性隨運(yùn)行條件變化性,將非線性解耦PID控制器與自適應(yīng)算法相結(jié)合,提出一種多變量非線性自適應(yīng)解耦PID控制方法。這個(gè)非線性自適應(yīng)解耦PID控制器包括:一個(gè)線性自適應(yīng)解耦PID控制器、一個(gè)非線性自適應(yīng)解耦PID控制器和一個(gè)切換機(jī)制。線性自適應(yīng)解耦PID控制器能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)有界,而非線性自適應(yīng)解耦PID控制器可以提高系統(tǒng)的性能。上述這兩個(gè)自適應(yīng)解耦PID控制器在切換規(guī)則的選擇下,不僅可以保證閉環(huán)系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)有界,而且提高系統(tǒng)的性能。最后,通過(guò)半實(shí)物仿真驗(yàn)證所提方法的有效性。(4)由于風(fēng)門(mén)開(kāi)度的物理約束,風(fēng)門(mén)具有飽和非線性。考慮風(fēng)門(mén)的飽和特性,提出一種多變量非線性自適應(yīng)解耦PID抗飽和控制方法。這個(gè)非線性自適應(yīng)解耦PID抗飽和控制器由一個(gè)線性自適應(yīng)解耦PID抗飽和控制器、一個(gè)非線性自適應(yīng)解耦PID抗飽和控制器和一個(gè)切換準(zhǔn)則構(gòu)成。這個(gè)線性自適應(yīng)解耦PID抗飽和控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,非線性自適應(yīng)解耦PID抗飽和控制器提高系統(tǒng)性能。而這個(gè)切換機(jī)制同時(shí)保證上述兩個(gè)控制要求。最后,通過(guò)半實(shí)物實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證控制方法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP273;TD441
【圖文】：

1.2 煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀（Research of mine mafan switchover system）煤礦主通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程的好壞對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效益十分的重要，而這個(gè)實(shí)際問(wèn)題是一個(gè)具有強(qiáng)耦合、高非線性、參數(shù)不確定性、動(dòng)態(tài)特性隨運(yùn)行條件變化等特性的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，研究這個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題不僅具有實(shí)際價(jià)值，而且具有理論研究意義。于勵(lì)民，馬小平等提出了煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖 1-1 所示[6]。在通風(fēng)機(jī)的入口處附加了一個(gè)水平對(duì)空風(fēng)門(mén)，并提出一個(gè)控制方案用來(lái)保證井下風(fēng)量的不間斷。自此，這個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題引起了眾多工程師和專(zhuān)家的關(guān)注[7-13]。但是上述的研究主要側(cè)重于監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方案的改進(jìn)。根據(jù)工程師的操作經(jīng)驗(yàn)將順序控制流程寫(xiě)入 PLC，再設(shè)計(jì)一個(gè)上位機(jī)人機(jī)友好的監(jiān)控系統(tǒng)。因此，這種控制方式過(guò)度地依賴(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn)，屬于開(kāi)環(huán)控制。

8 3215(R0)2(R1c)1(R1s)3(R2c)4(R2s)M1M2 圖 2-3 煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Figure 2-3 Simplified topology of Mine Main Fan Switchover system 2.3.2 百葉窗式風(fēng)門(mén)的特性煤礦主通風(fēng)機(jī)切換系統(tǒng)的風(fēng)門(mén)通常設(shè)計(jì)成百葉窗式風(fēng)門(mén)的形式，其結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示。相對(duì)于傳統(tǒng)的閘板門(mén)，百葉窗式風(fēng)門(mén)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）風(fēng)門(mén)的調(diào)節(jié)需要較小的力矩；2）開(kāi)關(guān)速度快，在勻速運(yùn)動(dòng)情況下，百葉窗式風(fēng)門(mén)從全開(kāi)狀態(tài)到全關(guān)狀態(tài)只需 30 秒的時(shí)間。

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 風(fēng)阻與葉片角度之間的數(shù)值關(guān)系可以看出，當(dāng)葉片間時(shí)，風(fēng)阻隨葉片角度增加幅值增加很小，而當(dāng)葉片角度超片角度增加而迅速變大。因此，在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分段角度之間的函數(shù)關(guān)系。第一段對(duì)應(yīng)區(qū)間o o[0 60 ]，采用 5 階多項(xiàng)應(yīng)區(qū)間o o[60 90 ]，采用 2 階指數(shù)擬合。通過(guò)非線性曲線擬合之間關(guān)系的特性曲線如圖 2-5 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2778730