【摘要】：煤礦主通風機切換過程是煤礦根據《煤礦安全規(guī)程》,每月必須一次將當前運行的風機切換到備用風機,以保證礦井工作的正常進行,其切換過程的好壞直接影響井下風量的平穩(wěn)和瓦斯?jié)舛?關系到礦井的安全生產。目前的煤礦通常采用順序控制策略,由操作者憑自身經驗,通過預先制定的切換流程來進行控制。這種實現方式常常造成井下風量的大范圍波動,甚至會導致風機喘振。對于瓦斯突出礦井,這種實現方式易導致瓦斯超限引發(fā)事故。因此,為了保證礦井的安全生產,在風機切換期間,需要保證井下的風量在一個合理的范圍內且波動較小。本課題面向一類典型的風機切換過程,研究建模與控制方法。煤礦主通風機切換過程是一個由多個裝置組合而成的復雜系統,其主要體現在:1)多變量強耦合性。煤礦主通風機切換系統包含7個狀態(tài)變量:井下風量、2個主風機風道風量和4個風門風道風量。通過一個風道的風量嚴重影響其它風道的風量;2)參數不確定性。系統模型參數(井下風阻、4個風門風阻、2個主風機風阻和慣性系數),其不僅與氣流性質有關,而且與過程運行條件有關,在實驗室或工程現場中難以精確測量;3)動態(tài)特性隨運行條件變化。由于每次切換時氣流性質的變化,系統模型參數(2個主通風機風阻)發(fā)生變化。由于井下工作環(huán)境的變化,使得井下風阻往往發(fā)生大范圍跳變。系統參數的變化常常引起系統動態(tài)特性的變化。由于這些復雜綜合特性的存在,使得傳統的控制方法無法直接使用。因此,實現煤礦主通風機切換系統的運行優(yōu)化控制,是礦井亟待解決的關鍵問題。本文在江蘇省重點研發(fā)計劃項目“礦山通風安全與節(jié)能智能測控關鍵技術研發(fā)(BE2016046)”的支持下,研究煤礦主通風機切換系統的建模與運行優(yōu)化控制。本文的主要工作歸納如下:(1)利用流動流體網絡理論,建立煤礦主通風機切換系統的動態(tài)數學模型。首先,采用流動流體動力學和圖論的概念,建立煤礦主通風機切換系統的模型。接著,采用擾動分析法分析模型參數的靈敏度,將模型參數劃分為兩類:“主要參數”和“非主要參數”。然后,在實際輸入輸出數據的基礎上采用參數辨識算法辨識模型的主要參數。最后,將建立的模型與實際的切換過程進行對比,以此來驗證所建立模型的有效性。(2)在上一節(jié)所建立的動態(tài)模型的基礎上,充分考慮煤礦主通風機壓頭的調節(jié),提出一種具有分散結構的風量控制器設計方法。這個控制器在保證兩臺主通風機安全運行的前提下,能夠保證井下風量的平穩(wěn)和每個風門的開關滿足其工藝要求。最后,建立分布式的煤礦主通風機切換系統的半實物仿真平臺,并將提出的控制方法在該平臺上進行驗證。結果表明,該控制器能取得較好的控制效果,且能保證閉環(huán)系統的穩(wěn)定性。(3)針對煤礦主通風機切換系統的強耦合性、高非線性、參數不確定性和動態(tài)特性隨運行條件變化性,將非線性解耦PID控制器與自適應算法相結合,提出一種多變量非線性自適應解耦PID控制方法。這個非線性自適應解耦PID控制器包括:一個線性自適應解耦PID控制器、一個非線性自適應解耦PID控制器和一個切換機制。線性自適應解耦PID控制器能夠保證閉環(huán)系統的輸入輸出信號有界,而非線性自適應解耦PID控制器可以提高系統的性能。上述這兩個自適應解耦PID控制器在切換規(guī)則的選擇下,不僅可以保證閉環(huán)系統的輸入輸出信號有界,而且提高系統的性能。最后,通過半實物仿真驗證所提方法的有效性。(4)由于風門開度的物理約束,風門具有飽和非線性�？紤]風門的飽和特性,提出一種多變量非線性自適應解耦PID抗飽和控制方法。這個非線性自適應解耦PID抗飽和控制器由一個線性自適應解耦PID抗飽和控制器、一個非線性自適應解耦PID抗飽和控制器和一個切換準則構成。這個線性自適應解耦PID抗飽和控制器保證閉環(huán)系統的穩(wěn)定性,非線性自適應解耦PID抗飽和控制器提高系統性能。而這個切換機制同時保證上述兩個控制要求。最后,通過半實物實驗仿真驗證控制方法的有效性。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP273;TD441
【圖文】：

1.2 煤礦主通風機切換系統的研究現狀（Research of mine mafan switchover system）煤礦主通風機切換過程的好壞對煤礦的安全生產和生產效益十分的重要，而這個實際問題是一個具有強耦合、高非線性、參數不確定性、動態(tài)特性隨運行條件變化等特性的復雜系統。因此，研究這個實際工程問題不僅具有實際價值，而且具有理論研究意義。于勵民，馬小平等提出了煤礦主通風機切換系統的結構，如圖 1-1 所示[6]。在通風機的入口處附加了一個水平對空風門，并提出一個控制方案用來保證井下風量的不間斷。自此，這個實際工程問題引起了眾多工程師和專家的關注[7-13]。但是上述的研究主要側重于監(jiān)控系統的設計和方案的改進。根據工程師的操作經驗將順序控制流程寫入 PLC，再設計一個上位機人機友好的監(jiān)控系統。因此，這種控制方式過度地依賴于操作者的經驗，屬于開環(huán)控制。

8 3215(R0)2(R1c)1(R1s)3(R2c)4(R2s)M1M2 圖 2-3 煤礦主通風機切換系統的簡化網絡拓撲 Figure 2-3 Simplified topology of Mine Main Fan Switchover system 2.3.2 百葉窗式風門的特性煤礦主通風機切換系統的風門通常設計成百葉窗式風門的形式，其結構如圖 2.4 所示。相對于傳統的閘板門，百葉窗式風門具有以下優(yōu)點：1）風門的調節(jié)需要較小的力矩；2）開關速度快，在勻速運動情況下，百葉窗式風門從全開狀態(tài)到全關狀態(tài)只需 30 秒的時間。

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 風阻與葉片角度之間的數值關系可以看出，當葉片間時，風阻隨葉片角度增加幅值增加很小，而當葉片角度超片角度增加而迅速變大。因此，在這些數據的基礎上，分段角度之間的函數關系。第一段對應區(qū)間o o[0 60 ]，采用 5 階多項應區(qū)間o o[60 90 ]，采用 2 階指數擬合。通過非線性曲線擬合之間關系的特性曲線如圖 2-5 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2778730