Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Наиболее кардинальный путь обеспечения безопасности работы угольных шахт - полная автоматизация подземных и наземных технологических комплексов. Один из важнейших наземных технологических комплексов - комплекс подготовки и подачи воздуха в шахту, включающий ряд взаимосвязанных технологических объектов: установки главного проветривания шахты, котельные и воздухонагревательные установки. Эти объекты характеризуются сложной структурой, наличием запаздываний в управлении, измерении и состояниях, влиянием контролируемых и неконтролируемых возмущений, нестационарностью внешних воздействий и внутренних свойств самих объектов. Такие свойства комплекса затрудняют алгоритмизацию управления им и это ведет к тому, что автоматизируются отдельные функции объектов без должной их взаимосвязи. Последнее, конечно, значительно снижает эффективность управления и дает снижение надежности работы всего комплекса.
К числу наиболее сложных задач относится управление объектами с запаздыванием в состоянии (с положительной внутренней обратной связью, с рециклом) и с распределенными управлениями. Известные методы и алгоритмы управления объектами с рециклами дают низкое качество управления. Управлению же объектами с распределенными управлениями при числе управляющих воздействий больше числа выходных воздействий до настоящего времени уделяется недостаточно внимания. Для большинства технологических процессов подготовки и подачи воздуха в шахту отсутствуют математические модели «в большом», построение которых связано с большими трудностями. В такой ситуации полезно применять схемы управления с физическими моделями объекта, что ведет к необходимости решения задач создания физических моделей, правил переноса результатов этих моделей на промышленный объект.
Кроме синтеза исходных структур алгоритмов управления сложными объектами для создания автоматизированной системы необходимо решать вопросы идентификации объектов и действующих на них возмущений, определение оптимальных траекторий управлений в условиях неопределенности, программно-технической реализации алгоритмов, проведения пуско-наладочных работ с оценкой эффективности полученных решений.
Решение всех перечисленных задач, многие из которых нетривиальные, в совокупности с известными методами и средствами управления дает основание для создания эффективных автоматизированных систем подготовки и подачи воздуха в шахту.
Диссертация выполнялась в соответствии с планами работ по грантам РФФИ №06-07-89042а «Комплексная система автоматизации управления на основе натурно-модельного подхода», №08-07-00226а «Идентификация объектов в процессе создания и эксплуатации систем управления», № 10-07-00193а «Разработка теоретических основ планирования и реализации автоматизированных промышленных комплексов на основе натурно-модельного подхода», проекта №2010-218-02-174 по постановлению Правительства РФ от 09.04.2010г. №218 «Создание автоматизированного энергоненерирующего комплекса, работающего на отходах углеобогащения».
Цель и задачи диссертации. Разработка, исследование и применение методов и алгоритмов для создания автоматизированных систем управления технологическими комплексами подготовки и подачи воздуха в шахту.
В рамках этой цели выделены задачи. 1. Выявление особенностей комплекса подготовки и подачи воздуха в шахту как объекта управления. 2. Разработка новых и развитие известных методов и алгоритмов управления объектами с рециклом, с распределенными управлениями, когда число управляющих воздействий больше числа выходных воздействий, управления с физической моделью, идентификации объектов комплекса, оптимизация траекторий управляющих воздействий. 3. Разработка и реализация экспериментальной автоматизированной установки для сжигания водношламового топлива как физической модели систем управления. 4. Разработка и внедрение автоматизированных комплексов подготовки и подачи воздуха на угольных шахтах.
Методы исследования. Обобщение практического опыта создания систем автоматизации управления, методы идентификации объектов в системах управления, теории автоматического управления объектами с запаздыванием, физической теории управления, динамического программирования.
Научная новизна. 1. Особенности комплекса подготовки и подачи воздуха в шахту как объекта управления, объединяющего котельную установку, калорифер и установку главного проветривания и отличающегося наличием рециклов и числом управляющих воздействий больше числа целевых выходных воздействий.
Структуры алгоритмов управления объектами с рециклом с оперативным оцениванием отношения объема рецикла и готового продукта и модельной компенсацией цепи рецикла, позволяющие обеспечить устойчивость систем управления при объеме рецикла меньше 50%.
Область эффективного применения алгоритмов управления объектами с рециклом, показывающая, что системы с типовыми законами регулирования всегда не устойчивы для объектов без самовыравнивания; устойчивы для объектов с самовыравниванием при соотношениях времен запаздывания в рецикле и в прямой цепи больше 38; имеют худшие показатели точности регулирования, чем алгоритмы регулирования с модельной компенсацией цепи рецикла.
Структуры алгоритмов управления объектами с числом управляющих воздействий больше числа целевых выходных воздействий и разной динамикой каналов управления, позволяющие уменьшить затраты на управление при сохранении точности регулирования.
Структура системы управления с физической моделью, включающая блоки динамического подобия натурных и модельных воздействий, и позволяющие применять физические модели при проектировании и при эксплуатации систем управления.
Метод определения оптимальных траекторий управляющих воздействий в условиях неопределенности, объединяющий планирование и постановку эксперимента, идентификацию объектов и процедуры динамического программирования.
Метод синтеза идентификаторов в виде замкнутых динамических систем с модельным и натурным наложением псевдослучайных двоичных последовательностей на испытательные воздействия, что дает возможность для построения моделей сложных по структуре объектов.
Динамические характеристики каналов преобразования регулирующих воздействий установки сжигания водношламового топлива с вариацией коэффициентов моделей в диапазоне ±60% от номинальных значений.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы
- при разработке информационного, математического, программного и технического обеспечения систем автоматизации управления комплексами под-
6 готовки и подачи воздуха в шахту, а также отдельными объектами этого комплекса; установками подготовки и сжигания водношламового топлива;
- при идентификации промышленных объектов сложной структуры;
- при алгоритмизации управления объектами с рециклом и числом
управляющих воздействий больше числа выходных целевых воздействий;
при определении оптимальных траекторий управляющих воздействий в условиях неопределенности;
для обучения студентов и повышения квалификации специалистов в области создания и эксплуатации систем автоматизации.
Реализация результатов. Результаты работы внедрены на 13 угольных шахтах, в частности, «Березовская» (г. Березовский), «Большевик» (г.Новокузнецк), «Ерунаковская-8» (г. Новокузнецк), «Южная» (г. Кемерово), «Алардинская» (г. Калтан), «Байкаимская» (г. Полысаево), «Красногорская» (г.Прокопьевск).
Предмет защиты. На защиту выносятся
особенности комплекса подготовки и подачи воздуха в шахту как объекта управления;
алгоритмы управления объектами с рециклом и области их эффективного применения;
алгоритмы управления объектами с числом управлений больше числа целевых выходных воздействий и минимизацией затрат на управление;
структура системы управления с физической моделью и блоками динамического подобия натурных и модельных воздействий;
методы определения оптимальных траекторий управляющих воздействий в условиях неопределенности и построения идентификаторов в виде замкнутых динамических систем;
система автоматизации управления подготовкой и сжигания водношламового топлива как элемента системы управления с физической моделью;
внедренные на 13 угольных шахтах системы автоматизации управления комплексами подготовки и подачи воздуха в шахту и отдельных объектов комплекса.
Личный вклад автора заключается в исследовании действующих систем автоматизации и выявления особенностей комплекса подготовки и подачи воздуха, развитии структур и исследовании алгоритмов управления объектами; проведении экспериментов и обработке материалов для идентификации и оп-
7 тимизации технологических объектов; разработке разделов информационного, алгоритмического, программного и технического обеспечения систем автоматизации, выполнении пуско-наладочных работ и анализе результатов внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на шести научно-практических конференциях, в том числе: Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2009г., 2011 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2009 г., 2011 г.), «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» (Новокузнецк, 2010 г.), «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2010 г.), на ежегодных технических советах Объединенной компании «Сибшахтострой» (г. Новокузнецк), ЗАО «Гипроуголь» (г. Новосибирск).
Выполненные разработки вошли в состав комплексной работы «Современные системы автоматизации управления обогатительными фабриками и технологическими комплексами угольных шахт нового поколения», за которую автору в составе коллектива присуждена Премии Правительства РФ 2009 года в области науки и техники (постановление Правительства РФ от 17 марта 2010 года).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе десять в изданиях рекомендованных ВАК, одна монография, два патента на изобретение и четыре патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и содержит 147 страниц основного текста, включая таблицы и рисунки.
