Введение к работе
Актуальность работы. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, принятых XXVII съездом КПСС, предусмотрено «...В угольной промышленности обеспечить в 1990 году добычу 780—800 млн т угля. Получить весь прирост продукции за счет повышения производительности труда». Решение этой важной народнохозяйственной проблемы невозможно без интенсификации процессов добычи угля на основе применения высокопроизводительной, комплексно-механизированной техники, применения прогрессивных схем угледобычи, широкой автоматизации горных предприятий. Одним из факторов, сдерживающих процесс интенсификации угледобычи подземным способом, затрудняющим рост нагрузки на забой и освоение более глубоких горизонтов, является повышение метановыделений в шахтную атмосферу при увеличении темпов ведения горных работ.
Важнейшая роль в нормализации шахтной атмосферы ме-танообильных угольных шахт, в особенности — безопасности ведения горных работ, в создании нормальных климатических условий труда шахтеров принадлежит шахтной вентиляции. Совершенствование вентиляции действующих шахт возможно двумя способами: с помощью дальнейшего развития вентиляционных сетей за счет строительства новых вентиляционных скважин, ввода дополнительных вентиляторов главного проветривания и за счет повышения эффективности использования поступающего в шахту воздуха. Основным направлением совершенствования проветривания является второй путь, тем более, что для большого числа угольных шахт общее количество воздуха, подаваемого в шахту, обычно превышает требуемое, однако используется он нерационально. Повысить эффективность^использования воздуха можно только за счет оперативного перераспределения воздуха между различными участками и горизонтами с помощью автоматизированных (автоматических) систем управления проветриванием.
Сложность технической и программной реализации подобных систем обусловлена спецификой /шахтных вентиляционных сетей (ШВС), проявляющейся в пространственной рас-
пределенности, многосвязности, нестационарности и стоха-стичности объекта управления. При построении систем автоматизированного (диспетчерского) управления проветриванием, характеризующихся относительно небольшим быстродействием и точностью, нестационарность и стохастичность ШВС учитывается применением простейших алгоритмов (правил) управления, основанных на усреднении (сглаживании) экспериментальных данных. Требования к точности (адекватности) математических моделей аэрогазодинамических процессов в силу малого быстродействия таких систем, как правило, невысоки.
Переход к системам автоматического управления проветриванием (САУП) с ЭВМ в контуре обратной связи позволяет значительно повысить быстродействие и эффективность управления, однако при этом резко повышаются требования к точности математических моделей, что в условиях нестационарности и стохастичности ШВС приводит к необходимости синтеза адаптивных алгоритмов управления. Это обстоятельство существенно влияет как на структуру системы, состав технических средств, так и на архитектуру программного и информационного обеспечения.
Таким образом, синтез алгоритмов адаптивного автоматического управления проветриванием метанообильных угольных шахт, позволяющих повысить эффективных шахтных вентиляционных сетей и сократить простои добычных участков по газовому фактору, является актуальной научной проблемой, имеющей важный народнохозяйственный эффект и социальное значение.
Цель работы. Разработка теории, методов анализа и синтеза адаптивных алгоритмов для систем автоматического управления проветриванием метанообильных угольных шахт, позволяющих сократить простои добычных участков по газовому фактору, снизить затраты электроэнергии на проветривание и повысить безопасность ведения горных работ.
Идея работы. Использовать принципы управления по вектору отклонения состояния шахтной атмосферы от безопасного режима проветривания с оперативной идентификацией параметров математических моделей . аэрогазодинамических процессов в ШВС для синтеза алгоритмов адаптивного автоматического управления проветриванием.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:
1. Теория и структура обобщенного алгоритма автоматического управления воздухораспределением в шахтной вентиляционной сети, новизна которых заключается в аддитивном учете различных ограничений и условий экстремальности при формировании матрицы Гессе с последующим псевдообраще-
ниєм ее, что позволяет объединить в одной структуре известные алгоритмы управления воздухораспределением, существенно упростить и формализовать параметрический и структурный синтез алгоритмического обеспечения систем автоматического управления проветриванием.
-
Методы и алгоритмы анализа и синтеза систем автоматического управления проветриванием, новизна которых заключается в использовании дифференциальных уравнений чувствительности естественного воздухораспределения по отношению к вариациям аэродинамических сопротивлений и депрессий вентиляторов в сочетании с декомпозицией сети на основе метода фрагментации, что позволяет исследовать области управляемости сетей, диапазоны изменений регулирующих параметров, снизить размерности обращаемых матриц и определить аналитические выражения для матриц взаимовлияния воздушных потоков.
-
Теория и структура сетевого алгоритма адаптивного управления воздухораспределением в сети с известной топологией, новизна которого заключается в оперативной статистической идентификации параметров математических моделей воздухораспределения, что позволяет использовать сетевой алгоритм для управления воздухораспределением в условиях нестационарных и стохастических шахтных вентиляционных сетей.
-
Теория и структура адаптивного регрессионного алгоритма автоматического управления воздухораспределением в замкнутом контуре, новизна которого заключается в оперативной идентификации параметров регрессионных полиномиальных моделей воздухораспределения, минимизирующих обобщенную ошибку приближения.
Использование адаптивного регрессионного алгоритма позволяет:
реализовать режимы автоматического управления воздухораспределением в сетях с неизвестной или переменной топологией, основываясь только на показаниях датчиков расходов воздуха и датчиков состояний регулирующих устройств;
повысить быстродействие и точность функционирования системы управления в автоматическом режиме по сравнению с системами, функционирующими в замкнутом контуре на основе матриц взаимовлияния.
5. Теория и структура оптимального по быстродействию
адаптивного алгоритма автоматического управления провет
риванием по газовому фактору с учетом аэрогазодинамиче
ских свойств, новизна которого заключается в оперативной
идентификации параметров динамических моделей аэрогазо
динамических процессов.
Использование адаптивного алгоритма автоматического управления по газовому фактору позволяет:
реализовать режим автоматического управления газодинамикой добычных участков, основываясь только на показателях датчиков концентраций метана и датчиков состояний регулирующих устройств;
минимизировать объем информационной базы данных и добиться повышения быстродействия и точности управления газодинамическими процессами.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
сопоставимостью результатов теоретических исследований, результатов имитационного моделирования предложенных алгоритмов с результатами экспериментальной проверки алгоритмов и программ в шахтных условиях в пределах 7—10% относительных величин оцениваемых параметров;
результатами опытно-промышленной эксплуатации системы автоматического управления проветриванием в режимах адаптивного автоматического управления воздухораспределе-нием и адаптивного автоматического управления проветриванием по газовому фактору.
Научное значение работы состоит в разработке теории анализа и синтеза адаптивных алгоритмов автоматического управления, методов и алгоритмов оперативной идентификации параметров и моделей аэродинамических процессов, что является дальнейшим развитием теории автоматического управления проветриванием шахт.
Практическое значение работы состоит в разработке:
пакета программ имитационного моделирования систем автоматического управления проветриванием на ЭВМ, который может использоваться при проектировании и исследовании эффективности САУП;
пакетов программ сетевого и регрессионного адаптивного управления воздухораспределением, которые могут быть использованы в программном обеспечении САУП;
программного комплекса статистического оценивания аэродинамических сопротивлений вентиляционной сети, который может быть использован для моделирования и оптимизации воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Алгоритмическое и программное обеспечения системы адаптивного автоматического управления проветриванием, разработанные на основе научных результатов диссертационной работы, внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию в экспериментальной системе автоматического управления проветриванием
ш. «Коммунист» ПО «Октябрьуголь». Расчетный годовой экономический эффект от внедрения научных результатов работы на ш. «Коммунист» при промышленной эксплуатации системы составляет 477 тыс. руб.
Разработанный пакет программ имитационного моделирования использован на ЭВМ СМ-4 Московского горного института для решения научно-исследовательских и учебных задач при подготовке инженеров-системотехников, по специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления».
Результаты исследований, полученные в диссертации, используются в ряде учебных пособий автора, курсовом и дипломном проектировании, при проведении практических, самостоятельных и лабораторных работ.
Ряд разработанных алгоритмов и программ включен в Государственный фонд алгоритмов и программ (номера госрегистрации П00869, П002252, П002253, П001963, П001964, П002729). Программный модуль сетевого управления возду-хораспределением прошел опытную апробацию на ЭВМ и принят для использования в условиях шахт ВНР. Система автоматического управления проветриванием ш. «Коммунист» успешно экспонировалась на ВДНХ СССР.
Связь темы диссертации с планом работы института.
Автор принимал участие в решении проблемы создания экспериментального образца системы автоматического управления проветриванием ш. «Коммунист» в качестве ответственного исполнителя тем, выполнявшихся Московским горным институтом в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.026, заданием 01.22 (Постановление ГКНТ и Госплана СССР № 476-ГК/429-ГП от 12.12.1980 г.). Диссертационная работа является составной частью этих исследований (отчеты МГИ: 02840003099 (1983 г.); 02850005177 (1984 г.); 02860009752 (1985 г.); 02870014728 (1986 г.); 01870043434 (1987 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном научном симпозиуме «Алгоритмическое обеспечение АСУ» (Алма-Ата, 1974 г.); Всесоюзных научных конференциях по планированию и автоматизации эксперимента (Москва, МЭИ, 1972, 1976, 1980, 1983 гг.); Всесоюзной научно-технической конференции «Применение ЭВМ в управлении горнодобывающей промышленностью» (пос. Ильинское, Московская обл., 1984 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития технологии подземной разработки рудных месторождений» (Москва, МГИ, 1985 г.); Всесоюзной научной конференции «Актуальные проблемы организации и управления в горном производстве» (Москва, МГИ, 1986 г.);
VII Всесоюзном совещании «Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах» (Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1987 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании «Разработка и применение систем автоматизированного проектирования и АСУ горного производства» (Алма-Ата, КазПТИ, 1987 г.); Московском научно-техническом семинаре «Планирование эксперимента» (Москва, МДНТП, 1980, 1985 гг.); IV Всесоюзной научно-технической конференции «Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУТП» (Ташкент, 1988 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 28 научных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 297 стр. машинописного текста, содержит 48 рисунков и 11 таблиц, список литературы из 165 наименований и два приложения с описанием практической реализации адаптивной системы автоматического управления проветриванием.
Автор благодарит сотрудников кафедры АСУ Московского горного института и в особенности научного консультанта, заведующего кафедрой проф. Пучкова Л. А. за внимание ч поддержку при подготовке диссертации.