автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование устойчивости и оптимизация систем вентилирования шахт

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ШАХТНАЯ ВЕНТМЛЯЩЯ. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ.

1.1. Шахтная вентиляция, ее особенности и требования к ней

1.2. Устройство и типы вентиляторов главного проветривания

1.3. Системы автоматического регулирования ВГП

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ САР ВГП.

2.1. Функциональная схема САР ВГП.

2.2. Уравнения элементов функциональной схемы САР ВГП —

Глава 3. ИССЩОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ САР ВГП.

3.1. Постановка задачи. Метод ^-разбиений.

3.2. Построение области устойчивости САР ВГП в плоскости (Ка,Ка/Та) методом £нразбиений.

3.3. Пример численного расчета области устойчивости

САР ВГП.

Глава 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ

ВЕНТИЛИРОВАНИЯ ШАХТЫ

4.1. Детерминированные методы решения задачи распределения информационных датчиков в системах вентилирования шахты

4.2. Бейесовские решающие правила в задаче контроля состояния дистанционно управляемых комплексов ВГП

В процессе эксплуатации шахт, как угольных, так и предназначенных для добычи других полезных ископаемых, необходимо обеспечить постоянное поступление чистого воздуха во все отделения шахты в необходимых количествах. Этот процесс называют вентилированием шахты, а совокупность специальных технологических устройств и оборудования предназначенного для этого-вентиляционным оборудованием. Вентиляция шахты обеспечивается устройством специальных вентиляционных стволов и штреков, а также различными вентиляционными установками. Вентиляция является чрезвычайно ответственным звеном в технологическом процессе шахтной добычи полезных ископаемых. От надежной качественной работы вентиляции существенно зависят производительность труда шахтеров, безопасность труда и себестоимость продукции. Качество проветривания шахты определяется не только количеством подаваемого воздуха, но также и его распределением внутри шахтных выработок. Обычно шахтные выработки представляют собой достаточно сложную систему горизонтальных и вертикальных выработок. Эффективность проветривания шахты определяется в равной мере как качеством наземного вентиляционного оборудования, так и системой внутришахтного воздухораспределения. В связи с этим задачу вентилирования шахты можно условно разбить на две подзадачи:

- создание эффективной системы внутришахтного проветривания;

- обспечение надежной и качественной работы наземного вентиляционного оборудования.

Первая задача может решаться теоретически на основе методов расчета аэродинамических систем. Такие расчеты сложны как теоретически, так и практически и требуются для их выполнения мощные ЭВМ и привлечение высококвалифицированных специалистов-механиков и математиков. Другой практически приемлемый путь решения этой задачи - создание размерной модели шахты и проведение на этой модели физических экспериментов и измерений. Такой путь позволяет достаточно просто определить качество вентилирования различных участков шахты и выявить возможные застойные зоны. По требованиям техники безопасности возникновение застойных зон недопустимо, поскольку в них может скапливаться метан. Это создает взрывоопасную ситуацию на шахте. В диссетарции основое внимание удельно решению второй задачи -надежной, устойчивой работе вентиляторов главного проветривания (ВГП), обеспечиваемой системой автоматического регулирования (САР).

Из статистики динамики объемов добычи на шахтах СРВ видно, что объем подземных выработок существенно, в несколько раз, меняется с течением времени. Это приводит к значительным изменениям в системе вентиляции шахты : установке дополнительных ВГП, модернизации старых, созданию новых вентиляционных стволов и т.д. По правилам техники безопасности в СНГ на одного шахтера должно подаваться 6 мэ/с. Во Вьетнаме ввиду высокой температуры и влажности наружного воздуха эта величина увеличивается до 8-9 м3/с. Кратковременное увеличение подачи воздуха между сменами (на 30-40 мин) вызывается необходимостью удаления пыли и газов. Оно должно проводиться между сменами в отсутствие шахтеров, так как очень интенсивное проветривание мешает нормальному ходу работ в шахте.

Таким образом можно констатировать, что система вентилирования шахты должна обеспечить безопасные комфортные условия работы шахтеров в условиях значительных изменений структуры горных выработок, метеорологических и суточных колебаний потребностей. На всех режимах работы система вентилирования должна работать устойчиво и экономично. Переход с одного режима работы на другой должен осуществляться быстро и без значительных пиковых перегрузок в электропотреблении.

Все вышесказанное подчеркивает актуальность данной темы, направленной на повышение эффективности систем вентиляции шахт.

Теория и практика проектирования систем управления техническими объетами базируется на работах в области детерминированных систем управления, теории принятия решений и оптимизации, принадлежащих отечественным ученым, таким, как В.Н. Афанасьев, A.A. Воронов, C.B. Емельянов, В.Б. Колмановский,

A.A. Красовский, H.H. Красовский, П.Д. Крутько, Ю.Э. Неймарк,

B.C. Михалевич, JI.A. Растрегин, Г.Е. Поспелов, Е.П. Попов, П.И. Чинаев, А.Н. Ширяев и др. Среди зарубежных ученых можно отметить Р. Беллмана, Дж. Дуба, Р. Калмана, К. Леондеса, К. Острема, Дж. Мелсу, А. Брайсона, А. Сейджа и др.

Целью исследования, результаты которого представлены в диссетарции, является разработка методики моделирования, исследования устойчивости САР ВГП и оптимизации количества датчиков и распределения их в шахтных выработках. На защиту выносится:

-система автоматического регулирования вентилятора главного проветривания;

- алгоритмы исследования устойчивости САР ВГП с помощью £)-разбиений;

- алгоритмы распределения информационных датчиков ВГП;

- численные расчеты по оптимальному облику САР ВГП и рекомендации по выбору технических параметров.

Научная новизна состоит в следующем:

- разработаны методы и алгоритмы оценки устойчивости оптимизации САР ВГП ;

- разработаны алгоритмы расположения информационных датчиков на основе оптимального покрытия заданной площади.

Методы исследований:

Выполненные теоретические исследования и практические расчеты базируются на теориях: исследования операций, математического программирования, оптимального управления, дифференциальных уравнений, а также современных методах компьютерного моделирования.

Общей методологической основой всех исследований является системный подход.

Достроверность:

Достроверность полученных теоритических и прикладных результатов подтвержзается строгими математическими выводами при построении и исследовании моделей и алгоритмов, результатами компьютерного моделирования, согласованностью полученных результатов с имеющимися в научно-технической литературе, данными, полученными при внедрении и практическом использовании методик, алгоритмических и программных комплексов на различных предприятиях и компаниях.

Практическая ценность и реализация работы:

Тема диссертации связана с планом научно-исследовательских работ института машинаведения им. А. А. Благонравова РАН -бюджетных и хоздоговорных (К 625). Результаты работы - методики, алгоритмы и компьютерные программы внедрены на фирме "Новый материальный центр" (Ханой, СРВ) с экономическим эффектом в 100 тысяч долларов США.

Диссетация состоит из четырех глав, введения, заключения, приложения и списка литературы.

В первой главе диссертации рассматриваются системы шахтной вентиляции, требования к ней, а также особенности проектирования и использования в условиях СРВ. Описываются устройство и типы вентиляторов главного проветривания, обеспечивающих доступ основных объемов воздуха в шахтное пространство. Рассматриваются схемы автоматического регулирования с замкнутой обратной связью от датчиков качества воздуштной среды шахты.

Во второй главе излагается методика синтеза математической модели САР ВГП. Рассматрена функциональная схема САР, ее основные элементы: воздухопровод, асинхронизированный синхронный двигатель, корректирующее звено, регулятор производительности вентилятора, компенсатор реактивной мощности и др. Приведены уравнения элементов функциональной схемы САР ВГП с учетом:

- уравнений движения привода;

- аэродинамических характеристик вентилятора;

- аэродинамических процессов в подземных выработках. Показано что в заисимости от параметров шахтной выработки, а также параметров регулятора производительности вентилятора, поведение САР ВГП может характеризоваться как устойчивыми, так и неустойчивыми режимами. Последние весома опасны для эксплуатации, так как могут привести к механическому разрушению электропривода и нарушению режима проветривания шахт.

Третяя глава посвящена исследованию устойчивости САР ВГП шахтных выработок. Для построения области устойчивости системы применялся метод ¡D-разбиений, основанный на линеаризации исходной системы и переходу к системе с меньшим количеством уравнений и переменных. Приведен численный алгоритм построения областей устойчивости. Эффективность математического аппарата иллюстрируется примерами численного расчета области устойчивости системы регулирования с электродвигателем АКН-2-16-57-12УУ, шахтным вентилятором ВЦ-31.5М и применительно к стандартному случаю воздухопровода в виде длинной штрекообразной выработки.

В четвертой главе рассматривается задача оптимизации информациональных процессов в системах вентилирования шахт, в частности определяется количество информациональных датчиков в шахтных стволах и их оптимальное расположение. Синтезированы алгоритмы, обеспечивающие определение оптимального распределения точек замеров параметров воздуха в выработках и алгоритмы оптимизации процессов передачи данных в системе управления с учетом возникающих шумов и сбоев в каналах связи.

В приложении помещены подробные результаты компьютерных расчетов по синтезу САР ВГП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе систематизации и обобщения . имеющихся теоретических и прикладных результатов сформулирована и решена актуальная научная и прикладная проблема исследования и оптимизации систем управления и информационного оборудования технических комплесков вентилирования промышленных шахт. Рассмотрены различные типы вентиляторов главного проветривания, синтезированы математические модели систем автоматического регулирования вентиляторов, дан анализ устойчивости систем управления. Решена задача оптимизации расположения информационных датчиков в вентиляционных стволах подземных выработок шахт.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1) В связи с тем, что как показано в работе объем выработок и характеристики воздушной среды выработок существенно меняются со временем. САР ВГП должна обеспечивать устойчивости вентилирования, используя обратную связь от системы датчиков, расположенных в разных точках шахты и измеряющих различные характеристики воздушной среды в выработках.

2) Синтезированные в работе математические модели САР ВГП, основанные на математических моделях систем управления вентиляторов и математических моделях аэродинамических процессов в подземных выработках, являются эффективным аппаратом определения условий устойчивости систем вентилирования.

3) Построенные с помощью метода ^-разбиений области устойчивости систем главного проветривания шахтных выработок позволяют синтезировать эффективные режимы различных систем вентилирования шахт: всасывающей, нагнетательной и нагнетательно-всасывающей.

4) С помощью методики интерполяции нелинейных функций и алгоритмов решения дискретной задачи о покрытии множеств синтезированы численные алгоритмы оптимизации количества и распределения информационных датчиков в шахтных выработках и обеспечивающих измерения -Ьких! характеристик воздушной среды.

Полученные в диссертационной работе научные и прикладные результаты реализованы в виде методик и компьютерных программ и внедрены на предприятии "Новый материальный центр" (СРВ, Ханой) с экономическим эффектом в 100 тыс. долл. США.

1. Аведьян Э.Д. Модифицированный алгоритм Качмажа для оценки параметров линейных объектов/Автоматика и телемеханика. -1978.-N 5.-С. 64-72.

2. Аведьян Э.Д., Цыпкин Я.З. Обобщенный алгоритм Качмажа//Авто-матика и телемеханика. 1979.-N 1.-С. 72-78.

3. Андропов A.A., Витт Э.Р., Хайкин С.Э. Теория колебаний. -М.: Физматгиз, 1962.

4. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Мир, 1979.-536 с.

5. Бабенко K.M. Основы численного анализа. М.: Наука, 1986. -744 с.

6. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование: Теория и алгоритмы. М.: Мир, 1982.-584 с.

7. Белоусов Е.Г. Введение в выпуклыйанализ и целочисленное программирование. М.: Изд-во МГУ, 1977.-196 с.

8. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: Наука, 1966.-632 с.

9. Библиотека алгоритмов 16-506. М.: Сов. радио, 1975.-176 с.

10. Библиотека алгоритмов I0I6-I506. М.: Сов. радио, 1978.-128 с.

11. Библиотека алгоритмов 1516-2006. М.: Радио и связь, 1981.-184 с.

12. Болнокин В.Е., Чинаев П.М. Справочник: Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. Алгоритмы и программы. М.: Радио и связь, I991.-257 с.

13. Брайсон А., Хо Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. М.: Мир, 1972.-544 с.

14. Брамер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана-Быоси. М.: Наука, 1982.-200 с.

15. Быков В.В. Цифровое моделирование в статисческой радиотехнике. М.: Сов. радио,1971.-328 с.

16. Вентцель Е.С. Элементы динамического программирование. М.: Наука, 1964.-174 с.

17. Высшая математика. Специальные главы/Под ред. ILM. Чинаеев.- Киев: Вища школа, 1977.-368 с.

18. Гихман М.И., Скороход A.B. Стохастические дифференциальные уравнения. Киев: Наукова думка, 1968.-328 с.

19. Гихман И.И., Скороход A.B. Теория случайных процессов. В 3-х т. - М.: Наука, -T.I.-I97I; Т.3.-1975.

20. Гриценко Н.С. и др. Адаптивное оценивание//Зарубежная радиоэлектроника. 1983.-N 7.-С. 3-27.

21. Гроссман К., Каплан A.A. Нелинейное программирование на основе безусловной минимизации. Новосибирск: Наука, 1981.

22. Гумбель Э. Статис.тика экстремельных значений. М.: Мир, 1965.-450 с.

23. Демидович Б.Ч., Марон И.А. Основы вычислительной математики.- М.: Наука, 1970.-664 с.

24. Демин Н.С., Жадан JI.M. Некоторые адаптивные варианты фильтра Калмана-Бьси для дискретных систем/Адаптация и обучение в системах управления и приниятия решений. Новосибирск: Наука, 1982.-С. 61-70.

25. Джермейн К. Программирование на IBM/360. М.: Мир, 1971. -870 с.

26. Емельянов C.B., Коровин С.К., Сизиков В.M. Управление свободным движением динамических систем с использованием координатно-параметрических и параметрических обратных связей//Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. -1982.-N 4.-С. 136-143.

27. Ершов A.A. Стабильные методы оценки параметров/Автоматика и телемеханика. 1978.-N 8.-С. 66-100.

28. Ершов A.A., Липцер Р.Ш. Робастный фильтр Калмана в дискретном времени//Автоматика и телемеханика.-1978.-И З.-С. 60-69.

29. Зойинтендейк Г. Методы возможных направлений. М.: МЛ, 1963.-198 с.

30. Зубов В.И. Лекции по теории управления. М.: Наука, 1975. -496 с.

31. Ибрагимов М.А., Хасьминский Р.З. Асимптотическая теория оценивания. М.: Наука, 1979.-528 с.

32. Известия АН СССР. Техн. кибернетика. -1983.-N I.-208 с.

33. Калман Р7, Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Мир, I97I.-400 с.

34. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука,1980.-256 с.

35. Колмановский В.Б., Носов В.Р. Устойчивость и периодические режимы регулируемых систем с последействием. М.: Наука,1981.-448 с.

36. Корбут A.A., Финкелыитейн Ю.Ю. Дискретное программирование. М.: Наука, 1969.-368 с.

37. Корнейчук Н.П. Сплайны в теории приближений. М.: Наука, I981.-352 с.

38. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. М.: Энергия, 1980.-424 с.

39. Кошлеков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. -М.: Физматгиз, 1962.

40. Красовский A.A. Аналитическая форма субоптимального адаптивного упрвления нелинейными объектами//Мзв. АН СССР. Техн. кибернетика. -1983.-N 2.-С. 137-146.

41. Красовский A.A., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.: Энергоиздат, 1962.-600 -с.

42. Красовский H.H. Теория управления движением. М.: Наука, 1968.-476 с.

43. Крутько П.Д. Статистическая динамика импульсных систем. -М.: Сов. радио, 1963.-560 с.

44. Крутько Г1.Д. Вариационные методы синтеза систем с цифровыми регуляторами. М.: Сов. радио, 1967.-440 с.

45. Крутько II.Д., Максимов A.M., Скворцов JI.M. Алгоритмы и программы проектирования автоматических систем. М.: Радио и связь, 1988.-304 с.

46. Кудрицкий В.Д., Синица М.А., Чинаев П.И. Автоматизация контроля радио-электронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1977. -244 с.

47. Кудрявцев Е.М. Исследование операций в задачах, алгоритмах и программах. М.: Радио и связь, 1984.-184 с.

48. Курант Р. Дифференциальнные уравнения в частных производных.- М.: Мир, 1968.

49. Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. -Т.2.- М.: Гостехиздат, 1951.

50. Лебедев В.Н., Соколов А.П. Введение в систему программирования ОС ЕС. М.: Статистика, 1978.-144 с

51. Летов А. М. Динамика полета и управления. М.: Наука, 1969. -360 с.

52. Липцер Р.Ш., Ширяев А.Н. Статистика случайных процессов.- М.: Наука, 1974.-696 с.

53. Маркл Я. Ускорение сходимости алгоритма Качмажа в случае временной корреляции входного процесса/Автоматика и телемеханика. -1980.-N 8.-С. 70-73.

54. Мелса Дж., Джонс Ст. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления.-М.: Машиностроение, I981.-200 с.

55. Местер И.М. Электропривод и автоматика различных вентиляторных установок главного проветривания. М.: Недра, 1964.

56. Михалевич B.C., Волкович B.JI. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.: Наука, 1982. -288 с.

57. Мишин В.П., Осин М.И. Введение в машинное проектирование летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978.-174 с.

58. Моисеев H.H. Элементы теории оптимальных систем. М.:Наука,1975.-318 с.

59. Неймарк Ю.Э. Динамические системы и управляемые системы.- М.: Наука, 1978.

60. Новоселов A.C., Болнокин В.Е., Чинаев II.И., Юрьев А.Н. Системы адавтипного управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1987.-280 с.

61. Носов В.Р. Алгоритмы решения задач линейной алгебры. М.: МИЭМ, 1983.-80 с.

62. Носов В.Р., Бан H.H. Исследование устойчивости системы вентилирования шахт. М.: ММАШ, 1994.-52 с.

63. Основы кибернетики/Под ред. Пупкова К.А. М.: Высшая школа,1976.-408 с.

64. Острем К. Введение в стохастическую теорию управления. М.: Мир, 1973.-324 с.

65. Пакет прикладных программ по автоматизированному проектированию цифровых оптимальных и адаптивных систем управления1. МИФМ. М.: 1980.-60 с.

66. Переход от ДОС ЕС к ОС ЕС: Справочное пособие. М.: Статистика, 1980.-232 с.

67. Полак Э. Численные методы оптимизации.-М.: Мир, 1974.-376 с.

68. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В. Математическая теория оптимальных процессов.-М.: Наука, 1969.-392 с.

69. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1979.-256 с.

70. Пропой A.M. Элементы теории оптимальных дискретных систем.- М.: Наука, 1973.-210 с.

71. Растригин Л.А. Вычислительные машины, системы, сети. М.: Наука, 1982.-224 с.

72. Растригин Л.А. Системы экстремального управления. М.: Наука, 1974.-632 с.

73. Ройтенберг Я.Н. Автоматического управление. М.: Наука, 1978.-552 с.

74. Руководство по проектированию систем автоматического управления/Под ред. Бесекерского В.А. М.: Высшая школа, 1983. -296 с.

75. Сборник задач потеории автоматического регулирования и управления/Под ред. Бесекерского В.А.- 3-е изд. М.: Наука, 1969.

76. Сборник научных программ на Фортране. Вып. I.- М.: Наука, 1982.-200 с.

77. Сергиенко И.В., Лебедева Т.Т., Рощин В.А. Приближенные методы решения дискретных задач оптимизации. Киев: Наукова думка, 1980.-276 с.

78. Скороход А.В. Стохастические уравнения для сложных систем.- М.: Наука, 1983.-192 с.

79. Спровочник по теории автоматического управления/Под ред.

80. Красовского A.A. М.: Наука, 1987.-712 с.

81. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1975.

82. Трауб Дж., Вожьняковский X. Общая теория оптимальных алгоритмов. М.: Мир, 1983.-384 с,

83. Фиакко А., Мак-Кормин Г. Нелинейное программирование: Методы последовательной безусловной минимизации. М.: Мир, 1972. -240 с.

84. Финкелынтейн Ю.Ю. Приближенные методы, и прикладные задачи дискретного программирования. М.: Наука, 1976.

85. Форсайт Д.1., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980.-280 с.

86. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.-534 с.

87. Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ. -М.: Мир, 1989.-656 с.

88. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1982.-200 с.

89. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. -М.: Наука, 1977.-560 с.

90. Чермалых В.М., Родькин Д.И., Каневский В.В. Системы электропривода и автоматики рудничных стационарных машин и установок. М.: Недра, 1976.

91. Черноусько Ф.Л., Ваничук Н.В. Вариационные задачи механики и управления. М.: Наука, 1973.-252 с.

92. Чинаев П.М. Методы анализа и синтеза многомерных автоматических систем. Киев: Техника, 1969.-378 с.

93. Чинаев П.М., Сильвестров А.Н. Идентификация и оптимизация автоматических систем. М.: Энергоавтомиздат, 1987.-198 с.

94. Шапиро E.H. Стабильное решение задачи нелинейной фильтрации в дискретном времени//Автоматика и телемеханика. -1980.-N 5.-99-105.

95. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. М.: Мир, 1982. -240 с.

96. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: Мир, 1975.-688 с.

97. Эльсгольц Л.Э., Норкин С.Б. Введение в теорию дифференциальных уравнений с отклоняющимся аргументом. М.: Наука, 1971.

98. Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г. Линейное программирование: Теория, методы и приложение. М.: Наука, 1969.-424 с.