基于ARM的煤礦井下供水智能控制系統(tǒng)

張雅潔 張自強

（安徽水利水電職業(yè)技術學院，安徽 合肥231603）

0 引言

針對淮滬煤電丁集礦井下供水的特殊情況，為了更好地保證井下供水安全，降低井下閥門和管道的損耗，防止管道在水壓過大時，發(fā)生爆管的事情。根據(jù)井下供水的要求，必須保證井下管道的壓力在2～3MPa之間，而由于供水又是采用自流水的形式，流量不確定，井口到井下的距離有800多米，水從井口到井下都需要一定的時間，且會有沖擊效應，這些都會對控制閥門的開度產(chǎn)生一定的影響，且井下壓力的顯示也滯后于執(zhí)行機構(gòu)，因此，該系統(tǒng)很難建立精確的數(shù)學模型，另外以往的井下供水系統(tǒng)對于檢測量又比較單一，建成的都是單輸入的控制系統(tǒng)，控制效果不佳，因此本人設計了基于ARM的煤礦井下供水多輸入模糊控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及其功能特點

1.1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要部件及組成主要有：水壓壓力傳感器、ARM智能控制器、電動球閥、流量傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和自動供水流程圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)的功能特點

（1）該系統(tǒng)能夠根據(jù)井下壓力的要求及時自動調(diào)節(jié)電動閥門，確保井下水壓在設定范圍內(nèi)，并能夠根據(jù)要求隨時更改設定壓力值；

（2）該系統(tǒng)利用井下壓力傳感器和井上流量傳感器傳來的數(shù)據(jù)作為控制器的輸入，具有提前預測的能力，極大地提高了控制系統(tǒng)的可靠性和精度；

（3）該系統(tǒng)具有實時顯示井下水壓的能力；

（4）該系統(tǒng)還根據(jù)實際情況安裝了排氣閥和安全閥，同時解決了管道中有水汽和控制器失效時壓力過大的問題；

（5）本系統(tǒng)采用光纖傳輸；

（6）本系統(tǒng)在硬件上采用了先進的ARM920T作為嵌入式控制器，控制策略采用多輸入模糊控制；

（7）本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對主井和副井同時控制。

2 系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)淮滬煤電丁集礦井下供水的實際情況，本系統(tǒng)采用一個壓力傳感器和一個流量傳感器分別來測量井下供水壓力p和井上水流速度v；將p和v作為系統(tǒng)的輸入量來控制井上閥門的開度。其中壓力傳感器將測得的值先傳給KZC127礦用隔爆兼本安型信號轉(zhuǎn)換器，然后KZC127再通過光纖將值傳給KJJ121型礦用隔爆型網(wǎng)路控制器，最后KJJ121通過工業(yè)以太網(wǎng)將值傳給井上的控制器。

系統(tǒng)中電動球閥F1是執(zhí)行機構(gòu)，通過調(diào)整它的開度可以控制井下管道內(nèi)的水壓，保證其在安全范圍內(nèi)；安全閥是在控制器或執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障時，及時排出管道內(nèi)多余的水，降低管道內(nèi)的水壓，降低由于水壓過高對管壁和閥門的損耗；排氣閥的作用是排出水流帶入管道內(nèi)的氣體，解決由于氣體壓縮造成壓力傳感器誤判的問題。

3 智能控制器的設計

由于在整個供水過程中，系統(tǒng)具有很大的不確定性、高度的非線性，要建立一個線性系統(tǒng)是不可能的，因此在綜合考慮現(xiàn)場各種環(huán)境的情況下，本系統(tǒng)選用多輸入模糊控制的控制策略。

3.1 多輸入模糊控制器的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的控制策略的控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 自動供水流程圖

圖3 井下供水多輸入模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.2 多輸入模糊算法

1）輸入輸出變量尺度變換及模糊化處理

v流量：v=[20,166],離散論域定為：V={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；

p的誤差變化范圍:e=[-0.5,0.5],論域定為：E={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；

p的誤差改變量的變化范圍：Δe=[-1,1],論域定為：EC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；

控制量u1和u2輸出范圍：u1=u2=[4mA,20mA],論域定為：

令V、E、EC、U1和U2的模糊分割后的集合為：{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},且隸屬函數(shù)采用最常用的三角函數(shù)來描述，則煤礦井上管道內(nèi)水的流量V、煤礦井下管道內(nèi)水壓P誤差E、誤差改變量EC、控制量U1和U2的隸屬度賦值表如表1所示。

表1 V、E、EC、U1和U2的隸屬度賦值表

2）模糊控制規(guī)則表和模糊控制總表的設計

通過現(xiàn)場調(diào)查和現(xiàn)場專家及技術人員的經(jīng)驗，制定了輸出U1和輸出U2模糊控制規(guī)則表。

根據(jù)Mamdani模型的模糊推理的并行法可知：各模糊規(guī)則的模糊蘊含關系分別是R1，R2，…，Rj，且Ri=Ai1×Ai2×…×Aij×Bi，如果系統(tǒng)的當前狀態(tài)為：A’1，A’2,…，A’j，則所有模糊規(guī)則的輸出為：

由此可得該控制器的最終輸出為：B’=B’1∪B’2∪…∪B’j

再根據(jù)面積中心法進行解模糊運算，從而得到該控制器的模糊控制總表，如表2所示。

表2 模糊控制總表

將以上算法用C語言進行編程，并將其移植到ARM中去，從而增強了控制的快速性，大大提高了控制器的控制精度，防止了由于計算而造成的延遲，消除了以往用PLC來控制要通過上位機來計算而造成的時間延遲。

4 系統(tǒng)仿真

本系統(tǒng)模擬淮滬煤電丁集礦自動供水的實際情況用MATLAB進行系統(tǒng)仿真，煤礦井下水壓可以快速地控制在安全范圍內(nèi)，同時也保證了井下供水的要求，達到了預期設想的控制效果。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)綜合采用了多輸入模糊控制、ARM、光纖傳輸、工業(yè)以太網(wǎng)等技術，實現(xiàn)了井下供水無人看守的自動控制，解決了深井井下供水存在的問題，同時也大大降低了生產(chǎn)成本，此系統(tǒng)具有很強的抗干擾性能、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、魯棒性好等特點。

［1］許力.智能控制與智能系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006,12.

［2］張曾科,編.模糊數(shù)學在自動化技術中的應用.北京:清華大學出版社,1999.

［3］劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真.電子工業(yè)出版社,2003.