автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы автоматического управления электроприводом вентилятора при подземном сжигании угля

инистерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

ПЕТРОВ Вадим Леонидович

УДК 622.278 : 65.011.56 : 621.63-83

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВЕНТИЛЯТОРА ПРИ ПОДЗЕМНОМ СЖИГАНИИ УГЛЯ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. КОСТКЖ В. С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. ПЕВЗНЕР Л. Д., канд. техн. наук ШИТИЛОВ 10. В.

• Ведущее предприятие — ассоциация «Киселевскуголь».

Защита диссертации состоится « »' 1992 г.

в г. . час. на заседании специализированного совета К-053.12.03 в Московском горном институте по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинским пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

/ А -

Автореферат разослан « ... » 7<Х'ч<УЧ- . . 1992 г.

Ученый секретарь специалнзироваииого совета

канд. техн. наук, доц. ШЕШКО Е. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа В настоящее время как в отечественной, так п в зарубежной горной промышленности существенное внимание уделяется освоения ноши нетрадиционных способов разработки угольных нес-торощцзякй. одк~1 таких является технология подземного crni-ганил угля (ПСУ), цель которой - получекпэ п утилизация тепловой энергии продуктов сгорздптя . ПСУ позволяет привлечь в первую очо-рэдь к отработке le части запасов, добыча которых традициоштига гсшюлогпчэсга:?"! спосбзнл нерзнтабочьпа.

Эксплуатация экспэрг.;.'.01!талкз:х учс.с7г.ов технологии ПСУ Подаос-ксп'-ого, Донецкого и Кузнзщсого угольного бэссз^лоз показала, что су;:,бст:!>'к.''л:Д коалг.гло техгапестет: среде .и ио позволяет в долгиой v.o-рэ сбсспо'дхЕать нзоС-.оцг.;оо качэстго голошу тэхнологзчэского процесса îxpri собл2?,г.о!пм псрмальпдес. услоаЯ работа v.t^vx п оборудования, п состав которых входят Еенткл.тгсрпцэ устспокл. Особоо значение уделяетел проблз;.» автоматизации ц улр^глопня ПСУ из счзт пкэд-рзнпя современных рэгулпруегах элехтропр^сдзз езитиллторов.

Спецп&гсесгсне условия работа венталятороз пр:: с су: ПСУ, характеризующиеся сирскш диапазоном игтанэщш статических и дгшпчлчосхпх свойств езнтилг.пг.онной сети, создал? дополннтелыше трудности прл С1ШТ039 систеш автоматического рзгулкрования глэктро-прлводом ЕентиляторкоЗ установи-! з функции пори.'этров тэхнолопггос-кого процесса. Еосниказт пэобходкг.ость стслощисзкил пз'лзпеннл пзрэ-кэтров вэпталяциотюЗ сети как объекта управления для обеспечения устойчивой работы вентилятора в переходных por^sa-t .

•Таким образом, разработка систем гвтс:.:ат:тчзс::ого управлзттия электропривода вентилятора в условиях технологии ПСУ является г::-туальноЯ научной задачей.

Актуальность настоящей работы подтверцдеетсл тег), что сна т.люл-нялась в соотеэствии с общесоюзной научно-технической прогриездй 0.05.03 ГКНГ СССР " Разработать и освоить технологам и тэхничесетэ средсва ко;шлексного извлечения на пахтах угля, газа к тепловой энергии, получаемой от сяигаияя з недрах оставшихся запасов, обеспечивающие повышение производительности в 6-6 раз по сравнегсгп с традиционными способами добычи угля" и Отраслевой прогргммой по ро -пении ваетейией научно-технической проблемы на I9S6-I995 г.г. " Технология Углегаз" 0I25I0.

-1-

Цэлыо работа является установление зависимостей характеристик и состояния технологического процесса от рогоза работы ¡электропривода ьаншяяторной установки для разработки систем автоматического управления электроприводом вентилятора, обоспечпвапдзй заданный уровень качества процесса ц нормальнее условия эксплуатации вентилятора

Идея рПотн заключается в том, что управление технологически.! процессом ПСУ должно осуцэстелятся в функции утилизируемой тепловой модности путем реализации экстремальных алгоритмов управления с учо-тсг.1 кзменявдгхся динамических и статических свойств вентиляционной сети.

Научнио положения, разработанные дчио соискателем, и ноЕпзпа,

1. Математическая модель процесса ПСУ, отлпчащяяоя тем, что 011:1 учитываем "влияние изменения рою2,;ов работы электропривода воктилд-торной установки на основные технологические пар£.::о'гри и расчет этих режимов при управлении процессом.

2. Зависимости утилизируемой тепловой моцности подземного топлэ-генэратра, резкпмов работи вен.илятора и ого электропривода от врема-Ш1 при реализации экстремальной системы управления.

3. Структурная схема процедуры идентификации изг«оцяюцпхся .сша-мпчоских и статических свойств вентиляционной сета в условиях нормального функциохафовашш, отличахцаяся тем, что для получения ош-ра.ора пдвнтифщируемой части системы используется информация об аппроксимации импульсной переходной или переходной хсракторпстиш1 системы ортогональные функциями.

4. Зависимости для'определения параметров адаптивного регулятора производительности, позволящпе осуществлять его настройку ¡¡сходя из результатов процедури идонтн&шацпи п обеспечивать устойчивую работу вентиляторной установки и ое электропривода.

Обосновошюсть и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается корректным иснодьзо: анпам в работе опробиро-

ваннах мотодов анализа и синтеза систем автоматического управления, математического моделирования процессов в электромеханической породи намической системах электропривода и вентилятора; методов теории идо] тс&асации и количественной оцешси «в достоверности при уровне нормир ванной дисперсии 3-152; обоснованием уровня идентификации динамичаск] от.аыии „в для обеспечения синтеза систомы автоматического управления олактроприводом.

2аачеш!в работы. Научное значение рчключается в разработке матем; -

тггчесгоЛ мэдолл тэхиологпческсго процесса и впборэ принципов управления к;, методов I'^enTr^remni .цла'^гсестск элементов cncTetrj управло-!П!л электроприводом лепткляторпоЛ установки с проведением оптпшзацга процедура xy.enviri'Jisir^ï, опрзделеши урзвпзкй взаимосвязи кеяду по-рэдатси-гсЛ фупглтпоП пд5ят1г'"яцфус!:о?1 части систега шя элемента п результате"! процедуры nxciirr.'fntraus!.

Пргктгт-гзсксэ cuy:oir.:o работу зак-г-псзтсл в разработке методов рзс-.ота регтгкз работа ЕзнтпллтсрпоЛ узтмгоиет и ео электропривода ГфЛ осуг.остптап^л рЗГу."1:рОЕа;"1Л технологическим процессом ПСУ; рчз-■работко структурно.'! схе>.ц скстстл упрапдзнггл регулируем* электро-прттта;;-;, обосп:>-;,-н;з:г,лЧ стгС:тл:згц^э тсттавсЛ г.эпзоотп подзошого ':'с1.,гогогср"го;:т; рнзрзботко структурлсЯ счсч прсцодурп идонтл1^ка-ц:л; P.'.a'on'xoi5 с:;сте;"1 упрпмзгс'л о/злтрошглзодоя вентиляторной уста-копп; рг.зр^бог.со ст^устур'юЛ схегл ад"5!гггетсй спстега управления элоктропрлводса зеш-.чллгера, сб^сгс.^-с'.тг'.зЛ ластрэ^гу рзгулятора прс::з?одктолыгостл кз 'лг'зготтвея гэпг-т.гг.иснпоЯ еэтп.

Гопл::зс!г::л гшодоз percav3i!X,tnr.'î nniori. ГгзрзсГст.'чпал гатема-

•гпчоскся ¡юдоль процесса ГГСТ il структурпал схемз czcicrsi упрззлетя poryjrrpye:?.?! олзктрсп?:п;одсм Езнтп^лтсра, обзепз'птзкпал стабялпза-цпэ TCiUîCBOit r.'ciT.ocTi' подзллого тЕПЛогсператорз, ггрллги к гле^ро-

из Ю":ло-Лбнлс;;.оЛ статья "Подзэгтаз" при осуг.зствл-икт П"У на 15-см теплогенераторе.

Пргслршпапышя струп урзад схегз адтаги.юл слоте;,и щглукпзя злоктропрпЕодом геяталлторпоЯ устляотдл ncno^Df-m в isxirmcnc-H задо'сгл па проотстпровсяпэ Езптплятсра ВУГ, рз::р:;Сог;::з:ого в ::отлту-тэ Дснгкпроугдсмзп.

Расчотгсй! э::оиотст!зсжй г^фэкт от нпэдрззлл рззультгтов рчСотн составил 167,1 тис. рублей в год на одну вентиляторную установку (в цепах 17 квзртзлз 19Э1 г.).

Апробация работа. Основшге положения п результат;! дчссертзцнон-

ноЛ работа докладпва.д:сь автором на IV и 7 Всесоюзных конференциях

молодих учених " Иптепснфтгацпл горнорудного пропссодствз " г. Стмр-дловск, ИГД МЧМ СССР ISB9 г. ,1991 г.; X ЕсэсстззнсЛ ипучноЛ ксп^-э-ренцпл вузов СССР "йюяческиэ процессы горного производства" г.Носк-ва, МГИ; IX ВсесоюзпноЛ научно-техпическоЯ кокеренцпп "Электродвигатели срэднеЛ и малоЛ мо:дпости",г.Владтл,ВКГЛ1Ш15:!,19Э0; 2-or.i Международном сигяюзккуме "Автоматическое управление энергетическим объектами ограниченной моцностп",С.-Петербург, 1992.

-3-

Публикации. По теме диссертации опубликованы девять печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на /страницах машшс,—писного текста, ¿S рисунков, /J таблиц, списка использованной литературы из 102 наименс ваниЯ и трех приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Московском горном института разрабатывается новая нетрадиционная технология подземного сзаггания оставленных в недрах запасов угля (ПСУ). Главной отличительной особеностыо этого способа является использование всасывандего или нагнетателыю-всасывалдего способов поступления воздуха в очаг горения. Налболший вклад в становление и развитие нового направления нетрадиционной отработке угольных месторовдений внесли ученые: В.В. Ркевский, A.C. Бурчаков, Г.И. Селиванов, А.Б. Ковальчук, Г.А. Янченко, ИД!. Закорамэншй и др

В 1985 - 1991 г.г. под руководством Московского горного нститу-та были проведены первые промышленные испытания технологии П^У в Подмосковном и Донецком угольных бассейнах. Первый опыт экплуатации технологических участков ПСУ показал необходимость совершенствования г мплекса технических средств для качественного осуществления технологического процесса и разработки новых видов оборудования.

Ведущую роль в комплексе технических средств ПСУ занкма; вентиляторные установки, осуществляющие отсос продуктов сгорания из подземного очага горения. При этом следует отметить, что вентилятор с регулируемой произво,г '.тельностыо практически является единственным каналом оп ративного управления процессом горения.

Технологический процесс ПСУ определяет ряд требований к условиям регулирования вентиляторной установки:

- высокая экономичность,т.е. регулирование должно осуществляться без дополнительных потерь энергии с максимально возможным к.п.д. установки;

- высокая надежность в работе т.е. устойчивость к агрессивной с рода и высоким температурам;

- возмоиюсть увеличения производительности вентилятора на (К)-:-?: '/% выше номинальной производительности;

- ьозмокность повышения давления (разряже!шя) лри требуемой производительности в случае увеличения аэродинамического сопро-

-к-

тивлепия вентиляционной сети;

- возможность реализации овтоглатического регулирования производительности в Функции параметров токологического процэсса;

- возможность бнстрого перехода на форсированный рекм работа с йнтепслвной пглачеЯ оютслитоля при 1!ннцналпз8ции очага горения.

' Дполиз известных способов регулирования вентиляторных устаповок показал, что наиболее полно удовлетворяет требованиям технологии ПСУ использование рэгулируегсых электроприводов,поз: злягхда плавно изменять углову» скорость вентилятора.

Для .решения задачи управления подзо?£пдл сгигшшем угля в фучд-цли параметров технологического процесса пооОходиии исслэдовг тй>: ого свойств как объекта управления .

0б!цзе математическое описэ'шэ процесса горения угля в подзем-П011 теплогенераторе из-за налитая большого количества пеконтрол!-руекнх возмуцаьцих воздействий,обусловленных як'.енепкем горпо-гео-логических условий в ходе гжсплуатащш подззиюго теплогенератора,пэ ггаглт Сеть представлено в полком виде. 1Го при разработке математической модели процесса дачного уровня достаточно определить основные закономерности рзгулироват'л ДЛЯ ЕИбСръ прип^пов и алгоритмов управления,а неучтонпке процессы представать в виде стахостических воздействий.

При разработке математической г,'одели теплогенератор представлен подземным каналом горения, возхухоподагдей д газоотвод^ей екпаглшаст и участк&'Я горных мгработок, прдашащях к 1гсч .

В исследованиях,посвященных математическому и ^'.зическо.'.ц' описапно процессоз.протекашлх в подземном очаге гс_)е!сл, которая представляется в виде канала цилиндрическая форуц, проф. Ь.В.КрсЛни-нкм получена зависимость, описыващая изменение концентрации окислителя при его прохождении по каналу, образованному в угольке» блоке: с Г О.Об ч

я ехр--— • Ъ , (I)

С0 I г-Пе0-2 j

где Пе - критерий Рейнольдоэ, Ие=у-2-г/ч;

г - радиус цилиндрического кэиала.м.;

V - сг-^с.ь прохождения газа в канале,м/с;

V - кинематическая вязкость газа ь канале,чг/с;

з - длина участке протекания газа.м;

С - концентрация окислителя в канале орояня;

С - концентрация окислителя на входе в к.-лтл горения.

Пологим, что при перемещении в канале с.сисяителя ( массовый рас--5-

ход окислителя С0,кг/с) на расстояние ¿12 происходит выгорание угля на величину <3г за время . В этом случае интенсивность горения угля определяется зависимостью

сЮ

сЮ ---— - -. кг/с, (2)

у С„

о о

где У0 - удельный расход окислителя, требуемый на

сжигание единицы массы угля,кг/кг. Зависимость для интенсивности горения угля, исходя из приращения сечения канала горения имеет вид:

От

сЮ » р -2-ъ-тч&--, кг/с, • (3)

у у <И

где ру - плотность угля, кг/ы3 .

Приравняв (2) и (3) с учетом (I), получим вырагоние, ошсывахце

закономерности расшрения канала горения,

йг С„ 0.06 Г 0.06 1

2-чс-г-р •---2- • -— ехр|--—г ■ Ц (4)

' « У0 г-Ле Ч г- Ие • J•

Форма канала горения определяется как результат интегрирования выражения (4)

г ~

Ja-b-dt = J r1-ft-exp|—~ô7ïj'(*r' (5)

Го

где приняты следующие ос5означе!шя :

%-р -v ,0.2

fis, у Г

—-— ; ь =

2Gn J

-. (б)

2-*ЛЛ

При выводе зависимостей (5) и (6) принято, что скорость газа в шшало горения определяется зависимостью

v --, .

гдэ рш - плотность газа в канале горония, кг/м 3. При составлении математической модели удобно выразить знача-шш радиуса через его прирадение за время At r(t+At) = r(t) + Ar(t). Используя (4), получим выражение для радиуса канала

"•2 ш-. г\ -и о • 2

0.03 G( г ) f * рк V 1 Г

r(UAt)=r(tH-—------—1-яр •

*р T(t) V0 l 2 J L Г Не * * PB V ^0.2-, <

•(t+At). -(Г)

2Л -6-

Л

Рассмотрим далее закономерности изменения температуры в канала произвольной форы

т ^г (1" С*Ь (8)

о р

где Т0 - тэшоратура газов на входе в канал горения, К ;

Ну - теплота сгорания угля.кДгУкг;

С - изобарная теплоемкость газа,кДя/(кг-°К).

В случае, когда радиус канала является величиной , зависящей от г, и учитывая принятые обозначений (6), Еырахение (8) будет иметь вид

Ну г а(*> Г а<г> 1

г = т°+ V— ^"ТГ'^ЬгГ(9)

о р 0 (г) 4 (г)

Наряду с процоссами.протекащими в канале горения, немаловаи-ноо значение для оценки экергетаа подззнного сглтгашзя угля имеют явления теплообмена и теплопередачи в газоотводящэй скваише . Уравнение,описнваищее эти процессы при охлаждении газа в цилиндрическом копакэ,будет пмэть елд:

егр--г\ , (10)

Т - Т . - -

о р

гдо х - температура газов па входе в канал охла-

ждения, °К ;

Т(т) - температура газов в канала охлаядэппя,"К ; Ц. - коэффициент нестационарного тешюобмэ-

иа,вт/(м2-°К); з - длина путл перемещения газа ,м.

Для определения расхода окислителя в канале горэюя необходимо учитывать'свойства естественных характеристик вентилятора п вентиляционной сети. При этом учитывается воемоеность гзгу.-фоветлл производительно ста вэптилятсра за счет изменения регнм.ч работа ого регулируемого электропривода. Точка работы вентилятора определяется путем совместного репенкя уравнений вентиляционной сети и характеристики вентилятора.

Как показали окспергменталышэ исследования прл натурном го-делировашш ПСУ на ход процесса оказывают существенное влияние случайное изменение в оснонком двух параметров:аэрод2Н22лческого сопротивления вентиляционной сети п коэффициента потерь дутья. В исследуемой модели эти процессы учтены путем использования методов статистического анализа и синтеза численных значений этпх величии.

что позволяло получив нроцосс максимально приблигаэнный к реальному.

Для нахоздеция случайной величины с заданным законом распре- 1 деления использовано соотношение

£

| Г(1;) сП = 7. III)

*

где С - искомое значение случайной величины,

ГШ - функция плотности вероятностг случайной величины на интервале (а,в), 7 - значение случайной величины,равномерно распределенной на интервале (0,1). То есть, поставленная задача решается путем наховдения корней нелинейного уравнения (II) относительно верхнего предела интегрирования при заданном псевдослучайном 7 .

При обосновании выбора принципов управления технологическим процессом ПСУ в работе был проанализирован имеющийся опыт синтеза систем управления процессами горения в теплоэнергетических установках.

Конечной целью процесса управления в данной работе пре^агаотся считать получение на выходе продуктивных газов с заданной постоянной тепловой мощность». Такая постановка целевой задачи управления обусловлена использованием теплоутилизационного оборудования, ныекцего номинальные рохаг а по тепловой нагрузке, и требованиями, ввдпигаеними потребителями к источникам тепловой опоргии .

Мощность утилизируемого —шла в тешюоб!.:эЕпп;о при прохождении чероз него продуктивных газов определяется известным соотношением тсплоеого баланса

и = с -а -т - с"-о -т , (12)

г г г г г г г

где Т - температура газов на входе в .теплоб.мешшй аппарат,°К ;

Т - Температура газов на выходе из теплооб-иенного аппарата, °К ;

• С - теплоемкость газов при тешературе Т-- Тг,кДа/кг-°К;

Сг-- теплоемкость газов при температуре Т= Тг,кДз/кг- °К; масса газа, проходящего через теплообмен-, 1ШЙ аппарат, б единицу времени,кг/с.

Для роивния таких гадач управления осичао пршзняют экотре-шыиак систем:: рогулпрзвшзш, ирш:цил работы которых ^снован на использовании пробных воздействий, позволявдих экспериментально

определить напраьление и интенсивность изменения регулируемой ве-

-у-

пгпшы.

Исходя из свойств объекта упра ления при синтезе экстремальной зистемы управления в качество основного регулирующего сигнала наиболее рационально использовать квадрат рассогласовшшя менду уровнями заданной и действительной мощностей. Работа экстремальной САР нзправ-тана на минимизация этого сигнала.

На основании мзтематг-тасгсого описания прои"сса, регулировочных характеристик вентилятора и регулируемого электропривода, приведенных ) работ", на рис.1 представлена згтаиутяя структурная схема екстро-гальной систем! управления электроприводом вентиляторной уст^чс-.п! з условиях технологии ПСУ в функции утилизируемой тепловой мощности юдземного теплогенэратра.

В состав схемы включены сладущаа ее элементы: регулятор троизводительности (Р<Э),вептилятср(В) с регулируемым электроприводом (ЭП),вентиляционная сеть (ВС), генератор значений аэродинег/и-lecKoro сопротивления вентиляционной срти и генератор значений тотерь дутья (ГСЗ), комплекс подземного теплогенератора (ГГГ) и утилизатор тепловой энергии (ТО). Управлявши по..действием для тодземного теплогенератора является массовая производительность ззнтилятора, з выходным - температура газоз на Еыходе пз продуктивной сквашны. Формирование случайных значений аэродинамического сопротивления R0(t). значений потерь fí (т) дутья производится coi iacno алгоритму, описанному вызе. Ten.f" обменный аппарат представлен в зиде инерционного звена второго порядка с входным сигналом массового расхода газа Qr с температурой Тг и внходним-масс-вого расхода газа с тешературой Тг! Управляющее устройство(УУ), обеспечизает поиск резжма работы электропривода вентиляторной установки, который удовлетворяет условию минимума квадрата рассогласования ие>';дУ задатки уров-гам тепловой мощности и действительным. Упраапянадс! воздействием для зсей систем является задающее нгпря:::еш; з регулируемого злекч^оприводя зентилятора. Необходимый уровень утилизируемой мощности мог-юсти зад?,-этся от внеиего задатчика и определяется номинальны?.* регэтмом теплооо -•энных аппаратов .„та требуемой заявкой потребители.

На рис.2 и рис.3 представлены графики залтсиюствЛ утилизируемой тепловой мощности модели npoi'ecca ПСУ при осуществлении экстремального алгоритма управления.

При моделировании системы управления рассматривались следующие зозмогаые параметры регулируемых приводов:

I. Вентилятор с регулируемым электроприводом г. диапазоном рагу-

я

*

Рис.1

Структурная схема экстремальная са-гемы управления елэктроприводом Евнтзлятора при подземном сетгании угля в функции.утилизируемая тепловоз точности

2 Гг;-0::к зав;:с::кост^ утилизируемой мощности от времена дез экстремальном регулирования с диапазоном изменения ско^ооги электропривода • 2:1.

18 (X10Ö)

Í

гол

лирования по скорости 2:1 при заданном уровне стабилизируемой мощности на выходе 2 !©т (рис.2).

2. Вентилятор с регулируемым электроприводом с диапазоном регулирования по скорости 10:1 при заданном уровне стабилизируемой мощности на выходе I МВт и 2 МВт (рис.З).

Полученные графические зависимости показывают, что для обеспечения качественного процесса управления утилизируемой тепловой мощностью преду} ивных газов с максимальным диапазоном величины стабилизируемой мощности при заданном уровне изменения параметров теплогенератора необходим диапазон регулирования частота вращения рабочего колеса Езнтилятора не менее 10:1-9:1.

Дальнейший анализ существующих систем регулируемого электропривода показал, что наиболее полно удовлетворяет требованиям технолога« систо!ч электропривода, основанные на частотном способе управления асинхропннм двигателем с короткоз&мхнуткм ротором. В работе проведен анализ возможных регямов работы и совместит механических характерно-тик вентилятора и его электропривода при различных значениях аэродинамического сопротивлеш1я вентиляционной сети, который показал, что при реализации частотно - регулируемого электропривода вентилятора привод будет и«еть существенный запас по развиваемому момэцту.

Исследования проведенные автором работы на экспериментальном участке ПСУ б. и. Киреевская ПО' "Тулауголь" покг-али,что параметры вентиляционной сети, на которую работает вентилятор, изменяются в достаточно пироксм диапазоне. Причем, изменяются не только статические, по и дш'гмические свойства вентиляционной сети.

В третьей главе диссертационной работы рассматривала и анализируются переходные процессы в аэродиш. .нческой и электромеханической системах вентиляционной сети, вентилятора и его электропривода. Установлено, что на качество переходных процессов, а такта на устойчивость работа система " электропривод - вентилятор - вентиляционная сеть " вллявт:

- сил передаточной Функции вентиляционной сета, предстг з-лешюй как дпшжгюскнй элемент с распределенными параметрами;

- вид аэродинамической характеристики вентилятора, имеющей зону неустойчивой работы.

Предотвращение отрицательного влияния зоны неустойчивой работы вентиляторной установки на качество переходных процессия достигается путем разработки новых аэродинамических схем вентилятора, характеристики которых имеют минимальну зону неустойчивой работы и

-13-

больиой запас по максимальному давлению .

№ рис.4 и рис.5 представлена зависимости переходных процессов в аэродинамической и электромеханической систомах вентиляционной сети, вентилятора п ого злектропршюда, имавдиа колебательный характер и достаточно длительное тремя протекания из-за сложной передаточной функции вентиляционной сети, представленной в вида операторной проводимости:

СНр.О) -аЬу-1

У(р.О) =

н(р,о) ъ- (г-скт-иг-впт !)

_ А>- V К

/ 0-С.+ с'

где ■ Ъ = / —^—^т - волновое сопротивление вентиляционной

' " " сети;

7 = -/(р Ьв+Нц)" (р-Ь0+Пд) - постоянная распространения

волны;-

Ъ^ - азродзша.шческое сопротивление нагрузиз.

Для обеспечешм требуемого качества переходных процессов и устойчивой работы вентилятора необходимо производить идентификацию перэ-даточной Функции аэродг 'амической система и формировать на основе информации процедуры пдентифшации регулятор производительности в условиях нормального функционировать.

В развитие теории идентификации большой вклад внесли многие отечественные и зарубегшыэ ученые:Я.З.Цыпкин .П.Эйкхсфф .Н.С.Райбман , В.В.Солодовников ,Л.Ш.Дейч , Д.В.Волпш , Д.Гропп и многие другие. В их работах приведены основные принципы, классификация методов и алгоритмов идентификации и достаточно полное их математическое описание. Наиболее эффективным и математически корректным методом решения задачи идентификации является способ предваритолы. зй аппроксимации импульсной переходной характеристики (ЮЩ системы ортоганалънкм функционалом Лагерра с последующим нахождением коэффициентов этого

разложения. При этом ШК представляется как

00

где р - коэффициенты разлог.енип ИТХ;

3 С1

Ьаа(Я) = - функция Лагерра;

1=0

а - показатель функционала Лагерра.

Функции Лагерра обладают значительном преимуществом перед остальными в виду возмо"ности осуществления над ними преО' ^азов°ний Лапласа, Ч7'0 существенно упрощает наховдение взаимосвязи мехщу значениями когЛ-

.44-

тора при разомкнутом контуре управления.

Рис. 5. Переходные процессы в электромеханической с;,оу</;: г-лэктгопркводз при ргзомкнуюм контуре уп;..':.л:::1 я.

фициеитов разложения и параметрами или видом передаточной функции систоми , а также возможностью схемотехнической реализации -

Передаточная функция идентифицируемой части систоми представляется в следующем вядо-:

я (р)=

р+а

р-а Г Р-« 1 Г р-<х 1*1

/ 2 а Д г р-а ч п

(14)

р+а

Выражение (4.9) является операторным изображением модели иде ти-Фицируемого объекта или системы. Ее параметрами являются коэффициенты разложения рп,р1...р и оптимизирующий коэффициент а .

При исследовании реальных объектов ограничиваются максимальным порядком функции к=4-6, что обосновэ-о в работе при проведении идентификации элементов системы регулируемого электропривода вентилятора и рассмотрении возможных вариантов оптимизации.

Выражение для определения коэффициентов разложения ШК можно получить из (13)

00

= -Г 'пъ1Ч-\атдл - (15)

о

Подставляя в (15)общ8б выражение для функции Лагеррэ, получил 11 С1

рка - /¡Та-■^-т^-(2-а)1-|е-а"1-(-т)1-11в(г)йт . (16) 1 = 0

Проинтегрировав выражение для Функции Лагерра, можно оцош1ть но только импульсную переходную характеристику, но и переходную. Функция Лагерра для переходной характеристики будет 'иметь вид

" а1""-(-1)п

1=0

Переходную характеристику системы можно представить как

Т п п 'С п

*ССГ -Г I ^ = I = I (17)

ол=о ¿=о о ;) = о

Выражение (17) позволяет определить функциональную взаимосвязь между коэффициентами разложения импульсной переходной характеристики системы и переходной ее характеристикой.

На основании выражений, описывающих процесс идентификации, в работе представлены соотношения для определения па; эметртв изменяемой части системы и коэффициентов разложения ИПХ. Причем,рассмот-

рено два варианта:

- априорно известная структура ( передаточная функция):

- априрно неизвестная структура.

Для вывода уравнений взаимосвязи, в первом случав, использовано Еыразкение для производной передаточной функции

Ге"аг- (-1)^(1x11 = 571

(а)

о

Последовательно дифференцируя виракенив (14) и передаточную функцию идентифицируемого объекта, в работе определены уравнения взаимосвязи между коэффициентами разложения ИПХ и параметрам передаточной функции.

Для вывода уравнений взаимосвязи в случае неизвестной структура * юнтифицируемого объекта его передаточная функция представляется в виде отношения двух лапласових полиномов, коэффициенты которых определяется путем приведения подобных членов в выражении (14) -ри предварительном ограничении порядка к.

При определении вида передаточной функции идентифицируемого объекта или ее параметров существенное значение имеет определение оптимального показателя функционала Лагорра а, так как от его величины зависят значения коэффициентов разложения ИПХ.

В работе проведены исследования, позвол? щиэ определить оптимальное значение а с использованием интегральных оценок достоверности восстановления ИПХ. В качестве критерия определения аопт принято условна !глпт!.1ума нервированной дисперсии аппроксимированной МТС

Р(а) I- а -1 где о (а) =--нормированная дисперсия,

Ьб(1)с11

[[^>-1 р»

V = п

'«*> = II РкаЧа(а)

2

(11 - среднеквадратичное

о

отклонение восстанавливаемой ИПХ объекта или системы от ее истинного значения.

Решение оптимизационной задачи определения аопт осуществлялось в работе с использованием известных численных методов. При этом рассматривались варианты идентификации динамического объекта как с известной, гак и с неизвестней структурой. При известной структуре задавалась

конкретная передаточная функция динамического объекта, а при неизвестной aoni определялся для ИПХ, измеренной экспериментально на реальном вентиляторе, оснащенном регулируемым электроприводом. В результате получены зависимости нормированной дисперсии от парметра а. Из характера этих зависимостей в работе сделан вывод о том, что при ограничении порядка аппроксимирующего ИПХ функционала функция нормированной дисперсии всегда имеет глобальный минимум при определенном aoDJ.

На основании приведенных зависимостей и исследований в работе предложена структурная схема идентификации элементов система управления электроприводом вентилятора с определением оптимального показателя функционала Лагерра (рис.6)

Схема состоит из следующих основных функциональних блоков:

1. БФ ИПХ - блок формирования ИПХ системы или объекта.

2. ВШ - блок формирования модели системы или объекта.

3. БМ - блок модели объекта.

4. БЭР - блок экстремального поиска показателя функции Лагерра.

5. ВУ - блок вычислительного устройства, обеспечивающий опреде-

ление параметров передаточной функции идентифицируемой системы через уравнения взаимосвязи коеффициентов разложения и параметров передаточной функции.

Дальнейшим этапом является синтез системы управления электроприводом вентилятора с адаптивным регулятором производительности (рис.7) Суть адаптации сводится к формированию передаточной функции регулятора по море изменения передаточной функции вентиляционной сети. В работе автором рассмотрены несколько вариантов структуры регулятора ; производительности. При использовании стандартных настроэк ГЫ и ГСЩ регуляторов с переменными параметрами компенсируются только соответственно одна или две постоянные времени идентифицируемой системы. Приче!. установлено, что при настройке рогулятора идентификации необходимо подвергать только систек!у " вентилятор - внтшшционная соть", так как при идентификации системы " электропривод - вентилятор - вентиляционная сеть" в состав модели передаточной функции будет входить механическая постоянная времени, не подлежащая компенсации. Стандартные настройки регуляторов практически обеспечивают отсутствие колебательных процессов в аэродинамической и электромеханической системах вентилятора и его электропривода, но время регулирования уменьшается незначительно. Для увеличения быстродействия отработки управляющего воздействия npi сохранении устойчивости в аэродинамической и электромеханической системах автором предложено осуществлять формирование

-.18-

Рас.б Структурная схема идонпфлсацш параметров элементов системы автоматического

управления электроприводом вентилятора

Рис. 7. 2ш.инутая структурная схема сг.стам! управлением э.щктрспрпЕодэ?' вентилятора с адаптивны:,! регулятором производительности

составного адаптивного регулятора производительности. Структура регулятора определяется результатами идентификации системы тремя и одной функцией Лагерра при априорно неизвестной структуре идентифицируемой системы. Передаточная функция регулятора будет иметь вид:

(Т-р + 1)э

я»а(Р> = Ква' -1—:- ' (18)

р3 ра Т^р- (Т1 -р + 1 )

где 5^= —постоянная времени объекта управлега!я, идентифи-

т _

1 а1

Ч

хй

цируемая тремя функциями Лагерра; -постоянная времени объекта управления, идентифицируемая одной функцией Лагерра; показатель функционала, определенный при идонтифн ции одной функцией Лагерра;

ции тремя функциями Лагерра.

Коэффициент передачи регулятра производительности (18) определяется с учетом определенного коэффициента передачи идентифвдируемой части спстеш и настройки на оптимум по модулю.

На рис.О и рис.9 представлены зависимости переходных процессов от времени при настройке адаптивного регулятора чв соответствии с выражением (18). Как видно из этих зависимостей, время регулирования сократилось почти в два раза, но сравнению с временем регулирования в разомкнутой системе . Следовательно, определенная структура регулятора (18) достаточно эффективно компенсирует отрицательное влияние изменения динамических свойств вентиляционной сети и улучшает качество переходных процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, состоящее в разработке структурных схем системы автоматического управления электропривода вентилятра в условиях технолога! подземного езкгания угля, которые позволяют обеспечить необходимое качество управления технологическим процессом, устойчивость работы вентиляторной установки в переходных режимах .

Теоретические и экспериментальные исследования позволил сделать следующие вывода:

I. Управление технологическим процессом подзешюго сяигания угла моэ^ю обеспечить за счет внедрения регулируемых электроприводов вентиляторных установок с диапазоном регулирования по скорости

-

1,2

а;

0,5

ел

0.2 О

/I '1.......Г 1 ] ■-?-■ ■! — 1— Iм У" Г'ГЧ- ..^ГГТ?^.....:........... Г-|-1-ГТ'"Г "

lid -

/

/

- / *■

7 i 1 1 1 ! 1 1 1 1 1 Г ! 1 lililí"

а

20

«

ТМо 8 ПбРбхотпшо процессы в оэродвиошгсесьхы

0 "gSoiw» вентилятора к вентиляционной сети

при адаптивном регулировании производите-ш^о^ь

г

1.5

0.5

- ¡1 , , ,—J—,...j._J—г -1-,.. 1 "Г.ГТ. , J

-

/ •

г 1 1 ! [ 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 '"-I

0 10 20 30 tí ■

PI'C 9 П°сеходные процессы в электромеханической системе Й'0, 9 электропривода вент и лят opa nP«Tf,^57™0pa.

регулировании производительности венти^тора.

-íl-

::е менее 8:1-10:1.

2. В качества управляемой велзпины следует принять утилизи-руе:.!5'п тзплозую мсгзгссть подпо!!ного теплогенератора, стабилизация уровня■которой обеспечивает сптхпяалыг^З рзг^лм работа поверхностного коллапса подзс-пого с^топня угля (ПСУ) и запеку ттотрзСптолл.

3. Иэобхо:г"-се качество управление технологияпроцессом достигается путем реализации экстремального алгоритма управления при

'г.зтгл кпа.^ата рассогласования г.е:хду тэку™тм значенном утплн-зтфусмой тзпловоЛ ?:о™юстя и задглтш.

4. 0:'.спер::ме:1талы:ыо И теореигмекпо ::сследог;а*п!Я рзг^'.оп работ гз:п:1л.тгср::сЛ устаповет и ее электропривода при осуществлении ПСУ /.с::езат.1 мэ необходимость учета при спнтззо систем петсчгупгчзского упраплзтгпя изменений дапс.'.сгсоскпх я статических спойстз розталяписл-исЗ сотя для обеспечения устойчивости работа г.ептидяторпоЛ устатогля л пэрэзюдшх

5. Для хздгнтг.Глхацнп дпга-'ичесшх и статических свсйстз пентнля-1ус\7:оЛ сети пеподьзуотел метод разлсг:зш:л г;чтульс;;сЛ пзряголюй характеристика система в ряд ертегопальпих СзгккцвЛ Лагеррп с аослэ-

пахсг^зштеи коз^пг'ептез этого разложения.

6. Ссуг.остзлзнпз оптжлзоцпи процедуры илзятИ'1':асзц-!л позголлз? определить параметра и структуру пэродаточней Сункцда ндептк'лпяру-е;:оЛ части слстг-;-л с уровнем нор"ировзпясй дисперсии восстглоплегаюЗ гмлульсной кзрпходноЯ хпрасторис ики 3-15 «:.

7. !Ь основе информации проведенной процедура ядзитпр.кшцяи систоги "езнтялятер - вентиляционная сеть" осуг.ествляется синтез с;:стс-::ч автематичвекого управления электроприводом вептшшторяоЛ установки с адаптивным регулятором производительности, структура

и парзмзтрн которого определяются исходя из значений уровня идонти-ф:кацкп п коэффициентов разлсг.:е1шя импульсной переходной характерис-т:п:и системы.

, 8. Структурная схема экстремальной систем! управления технологи-чгекпм процессом ПСУ , обеспечивакцая стабилизацию тепловой мсдноста прлгнята к Енедрению на Юглю-Абинской станщш "Подземгаз" при осуществлении ПСУ на 15-и,1 теплогенераторе.

Принципиальная структурная схема адаптивной системы управления электроприводам вгнтиляторной установки использованы в техническом задании на проектирование вентилятора ВУГ разработанного в петиту-те Донгилроуглемаш.

Расчетный экономический эффект от внедрения результатов работы

составил 167,1 тыс. рублей в год на одну вентиляторную установку.

Основные положения диссертационной опубликованы в следующих работах:

1. Костюк B.C., Переслегин Н.Г., Петров В.Л. Автоматическое управления электроприводом вентиляторов технологии "Углегаз". / Получение различных видов энергии при подземном сжигании угля по технологии "Углегаз".Сб. научн. тр. -М.:МГИ,1Э89, с.151-152. -

2. Костюк B.C., Фащиленко В.Н., Петров В.Л. Регулируемый электропривод дымососов и вентиляторов технологии "Углегаз",- / Получение различных видов энергии при подземном сжиганни угля по технологии "Углегаз".Сб. научн. тр. -М.:МГИ,1939,-с.160-165.

3. Костюк B.C., Петров В.Л. Исследование механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ¡гатором при управлении от преобразователя частоты с предварительной идентификацией параметров схемы замещения./ "Электродвигатели переменного тона средней и малой мощности": Тез. докл. IX Всесоюзной научно-технической конференции. - Владимир: ВНИШТИЭМ,1990.

4. Костюк B.C., Петров В.Л. Экспериментальные исследования режимов работы дымососов при подземном сжигании угля.-В сб. научи, тр.: Комплексное освоение угольных месторождений. -М.:ИГИ,1989,-C.II4-II6..

5. Петров В.Л. Автоматизированный электропривод вентиляторной установки технологии нетрадиционной добычи угля./ "Интенсификация горнорудного производства": Тез. докл. IV Всесоюзной коя-$еренции молодых ученых..Свердловск,ИГД МЧМ СССР,1989,-с.65.

6. Петров В.Л. Идентификация параметров системы автоматизированногс электропривода шахтных вентиляторов. / "Интенсификация горнорудного производства": Тез. докл. IV Всесоюзной конференции молодых ученых., Свердловск,ИГД та! СССР,1991,-с.87.

7. Петров В.Л., Костюк B.C. Оперативное управление электроприводом вентилятора главного проветривания газовой шахты.- В сб.: Ссзремзн-Ш18 проблемы организации и управления горными предприятиями.-Ы.,МГИ, 1989, С.62-65.

8. Петров В.Л. Адаптивное управление электроприводом на основе идентификации параметров и структуры элементов»? условиях нормального функционирования/ "Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности": Тез.докл. Н-го Международного симпозимума, С-Т Петербург,1992,с. 78.

,2k-

9. Селиванов Г. И., Каркашадзе Г. Г., Петров В. Л. Зако-жерности формирования подземного канала горения угля/ Физические процессы горного производства»: Тез. докл.

Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием зучно-исследовательских институтов. М.: МГИ, 1991.— . 113.

Подписано в печать 12.11.92 г. Формат 00x90/16 Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1310.

гпография Московского горного института. Ленинский проспект, 6