局部通风机变频调速模糊控制器的开发

摘要

近几年，随着煤炭工业向着高度智能化的方向发展，其安全事故发生的情况也有所改善，但瓦斯事故总数和瓦斯事故死亡人数的比例却没有下降。矿井掘进工作面是瓦斯事故的多发地点，而局部通风机是井下掘进生产中的主要设备，其工作的可靠性直接影响着掘进工作面生产的安全性，其工作的智能化程度取决于控制系统的先进性和自适应性。传统的掘进巷道通风系统智能化程度低，大多是手动调速;目前，部分矿井采用变频调速，但依旧是手动设置风机转速来控制风量，没有达到先进的自动化程度，通风系统能耗大，瓦斯集聚“一风吹”的问题没有得到彻底的解决，这种局面严重制约我国煤炭工业的发展。
　　针对上述问题，本文对煤矿掘进工作面局部通风理论进行了深入的研究，提出了一种基于双模自调整模糊控制算法的局部通风机变频调速模糊控制系统的设计方法，对该方法进行了建模仿真，并组建了相应的实验平台，进行了实验调试，实验结果表明，本文所设计的系统方案正确有效，实验平台可以按照控制规则正确运行。本文的具体研究内容如下:
　　阐述了目前煤矿瓦斯处理方法及关键技术，介绍了国内外矿用局部通风机及其风量调节技术、局部通风机智能控制技术的研究现状，结合掘进巷道局部通风理论，分析了我国局部通风机智能调速系统的技术现状、装备布置及其控制系统的控制策略、功能，提出了本文所设计的局部通风机智能调速模糊控制器的各项技术指标，制定了详细的控制方式，确定了局部通风机变频调速模糊控制器的总体方案。
　　依据工况确立了控制系统中模糊控制方法的隶属度函数和模糊控制规则，分析对比了几种模糊控制器的动态性能。根据系统所要实现的功能，在常规二维模糊控制算法的基础上采用自调整因子优化控制器性能，并通过MATLAB对该模型进行仿真。结果表明，采用自调整因子优化的控制器响应速度快。分析了三相异步电机的矢量控制方法，并对该种调制方式进行了MATLAB仿真，仿真结果表明该种调制方式可满足控制系统设计的指标，为硬件的编程做准备。
　　在完成系统仿真的基础上，设计了控制系统主回路，确定了DSP(DigitalSignal Processor)型号，设计了硬件系统，包括控制电路电源模块、信号采样及调理电路模块、通讯模块、APS Inverter(Applied Power System Inverter)故障锁存及缓冲电路模块等的结构，选取了电路参数，进行了数据测试。测试结果表明:各部分硬件电路结构合理，参数正确，稳定性好。
　　在硬件平台的基础上，确定了局部通风机变频调速模糊控制器的软件整体方案，采用C语言编写了控制器的主程序及子程序，包括中断子程序、模糊控制子程序、变频子程序等功能模块子程序，并对各功能模块子程序进行了调试。调试结果表明，系统软件编写合理，功能灵活，可移植性强。通过软硬件的联合调试证明，局部通风机变频调速模糊控制系统的控制方案正确有效，实验平台可以按照控制规则正确运行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 煤矿瓦斯处理方法及关键技术现状

1．3 矿用局部通风机及其控制技术的研究现状

1．3．1 矿用局部通风机国内外研究现状

1．3．2 矿用通风控制系统国内外研究现状

1．4 模糊控制技术的国内外发展现状

1．5 本文的研究目标及主要内容

第二章 局部通风机智能调速模糊控制系统的总体设计

2．1 井下掘进巷道的局部通风理论

2．1．1 局部通风机的工作方式

2．1．2 掘进巷道瓦斯涌出的特点及规律

2．1．3 掘进工作面相关设备的布置情况

2．2 局部通风机调速方式的选择

2．3 控制系统实验平台技术指标

2．4 局部通风机变频调速模糊控制器的设计方案

2．5 本章小结

第三章 瓦斯浓度智能模糊控制器的设计与仿真

3．1 模糊控制器的设计建模与仿真

3．1．1 常规模糊控制器的基本原理

3．1．2 常规二维模糊控制器的设计

3．1．3 自调整模糊控制器的设计

3．1．4 PID模糊控制器的设计

3．1．5 双模自调整模糊控制器的设计

3．2 SVPWM技术在系统中的应用

3．2．1 空间电压矢量调制技术

3．2．2 SVPWM的实现及仿真

3．3 本章小结

第四章 局部通风机智能调速模糊控制系统的硬件开发

4．1 控制系统主电路的设计

4．1．1 系统主回路功率开关器件选型

4．1．2 交流侧LC滤波的计算

4．2 系统控制电路的设计

4．2．1 控制芯片指标

4．2．2 控制电路电源的设计

4．2．3 信号检测及调理电路的设计

4．2．4 APS故障锁存和缓冲电路设计

4．2．5 通讯电路的设计

4．2．6 PCB板的设计

4．3 本章小结

第五章 软件开发及编程的实现

5．1 开发环境及编程语言

5．2 软件总体结构及流程

5．3 本章小结

第六章 系统实验结果分析

6．1 实验装置的构成

6．2 硬件电路调试实验

6．2．1 电压电流检测电路调试

6．2．2 APS逆变部分的电路调试

6．3 软件程序调试实验

6．4 控制系统实验

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢