автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Синтез алгоритмов адаптивного управления проветриванием метанообильных угольных шахт

7

Я?

Государственный комитет СССР по народному образованию ^/¿уС^

ш • 1 —

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи БАХВАЛОВ Лев Алексеевич

УДК 519.2:622.4

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ МЕТАНООБИЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени тора технических наук

оОио"-

ШАХТ

Москва 1980

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Крг иого Знамени горном институте.,

Научный консультант

докт. техн. наук, проф. ПУЧКОВ Л. А.

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. МЕЛЬКУМОВ Л. Г.,

докт. техн. наук, проф. ФЕЛЬДМАН Л. П.,

докт. техн. наук ПЕТРОВ Н. Н.

Ведущая организация — Институт геотехнической механ ки АН УССР.

Защита диссертации состоится « . . . » . . . 1989

в . . . час. на заседании специализированного сове' Д.053.12.04 при Московском ордена Трудового Красного Зн мени горном институте по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-4 Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Моско ского горного инеп<тута.

Автореферат разослан « . . . ».....1989

Ученый секретарь специализированного совет

проф. ДЬЯКОВ В. ,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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-

нием 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.

2. 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.

3. 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.

4. Теория н 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 проветриванием по газовому фактору с учетом аэрогазодинамических свойств, новизна которого заключается в оперативной идентификации параметров динамических моделей аэрогазодинамических 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 па 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 и поддержку при подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работы в области автоматизации процессов управления проветриванием шахт ведутся в СССР свыше 20 лет. Большой вклад в развитие теоретических основ и практической реализации таких систем внесли коллективы институтов: Ав-томатуглепром, ГУА, ДГИ, ДонУГИ, ДПИ, ИГД АН КазССР, ИГД им. А. А. Скочинского, ИГД СО АН СССР, КНИУИ, МакНИИ, МГИ. Значительный вклад в решение проблемы внесли работы советских ученых: академика АН УССР А. А. Щербаня, член-кор. АН УССР Ф. А. Абрамова, а также А. Д. Багриновского, В. А. Бойко, А. А. Волкова, А. А. Дзидзигури, И. Н. Засухина, Е. Ф. Карпова, О. И. Касимова, Ф. С. Клебанова, Б. А. Клепикова, Б. И. Медведева, И. М. Местера, М. А. Патрушева, Н. Н. Петрова, В. Я. Потемкина, Л. А. Пучкова, Г. К. Рязанцева, В. А. Святного, Р. Б. Тяна, К. 3. Ушакова, Л. П. Фельдмана, С. В. Цоя и других ученых, трудами которых были созданы предпосылки для практической реализации систем управления проветриванием на шахтах.

■ В результате выполненных работ на первом этапе были созданы системы автоматизированного контроля газовых режимов в шахтах, нашедшие широкое применение как в СССР, так и за рубежом. Подобные системы значительно улучшили

и расширили возможности оперативного контроля газовой обстановки и существенно повысили безопасность ведения горных работ. Дальнейшее развитие систем автоматизированного контроля позволило создать ряд экспериментальных систем автоматизированного управления проветриванием с диспетчерской отработкой требуемых режимов воздухораспреде-ления. Накопленный опыт эксплуатации таких систем показал, что существенного повышения эффективности и надежности систем управления проветриванием можно добиться только за счет повышения оперативности (быстродействия) и точности управления воздухораспределением на основе перехода к качественно новым системам — системам автоматического управления проветриванием на базе современных серийных ЭВМ. Системы автоматического управления, позволяя повысить эффективность и надежность, в то же время более просты в эксплуатации, так как основные функции по управлению проветриванием выполняются ЭВМ, функционирующей в замкнутом контуре. Создание подобных систем требует учета реальных особенностей шахтных вентиляционных сетей, как объектов автоматического управления.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются основные особенности систем и алгоритмов автоматического управления проветриванием и задачи исследований.

В общем случае состояние атмосферы метанообильной угольной шахты характеризуется вектором концентраций метана с(0={с1(0» •••> СрУ)}, измеряемых в исходящих струях участков. Основным средством нормализации шахтной атмосферы являются расходы воздуха <2(0 ={?! (¿), 72(0. •••> ЧрЦ)} в горных выработках. Естественное воздухораспределе-ние в реальных ШВС, как объектах автоматического управления, описывается системой сетевых уравнений:

= 2 ?/(*) = £//(*), (1) гМ = п + АгДО; мо = йА + ддА(0; (2)

¿=1,2.....Ри /= 1, 2,... ,рг,

где г1 — аэродинамическое сопротивление г'-й ветви; Дг, (¿) — отклонение г-го сопротивления от среднего значения, вызванное нестационарностью во времени аэродинамических сопротивлений; ¿7/(0 —расход воздуха в г-й ветви; —депрессия вентилятора в й ветви; АНк (¿) — отклонение депрессии в контуре от среднего значения; иу (/) —утечки воздуха, приведенные к узлам; Мк — множество индексов ветвей, входящих в /г-й контур; /у — множество индексов ветвей, входящих в у'-й узел; р\—-число независимых контуров; — число узлов сети.

Аэрогазодинамические процессы на добычных участках, как объектах автоматического управления, описываются уравнениями вида

Иг

-¿=fk(ck(t), Q(t), gk(t), t), Л =1,2,...,рг, (3) dt

где ck (t) — концентрация метана в исходящей струе k-vo выемочного участка; gfc(t) —интегральный поток метановыделе-ний для k-ro участка; fk— некоторая функция своих аргументов; р3 — количество участков.

Задача управления проветриванием шахты в общем виде заключается в том, что для объекта управления (1) — (3) необходимо определить такие законы изменений аэродинамических сопротивлений регуляторов расхода воздуха (РРВ) — {x*{t), x2*(t), ..., х"т (0) и управляемых напоров воздуха (jCm-i-i (£),... , x*m4k{t)}, при которых концентрации метана в исходящих струях будут удовлетворять условию

Ck(t)^ck*, k = 1, 2,..., ра, (4)

при дополнительных условиях:

— расходы воздуха в контролируемых ветвях будут ограничены значениями

¿=1, 2,,.., р4; (5)

— управляющие воздействия ограничены значениями

X;miu < Xi (t) < Ximax ; (6)

— изменения qt(t) ограничены значениями

(7)

dt

— управляющие воздействия удовлетворяют условию минимума мощности, затрачиваемой на проветривание:

р

/=■(*,, х2, ... , xm+Ä) = min 2 t~i I qt |3. (8)

Решению общей задачи (1) — (8) и ряда ее частных постановок посвящено значительное количество работ, причем лишь в некоторых из них решение доведено до алгоритмической реализации, приемлемой для целей автоматизированного управления. Анализ,этих работ позволяет разбить всю совокупность разработанных алгоритмов на три большие группы: участковые алгоритмы управления концентрацией метана в исходящих струях добычных участков; алгоритмы управления воздухораспределением в ШВС; алгоритмы управления

перераспределением воздуха в ШВС по газовому фактору. Алгоритмы управления концентрацией метана на исходящих струях обычно рассматриваются как алгоритмы высшего уровня, определяющие уставки (вектор требуемых расходов воздуха) для алгоритмов управления воздухораспределениём. Алгоритмы управления перераспределением воздуха по газовому фактору объединяют первые две группы алгоритмов в одной структуре.

К алгоритмам первой группы следует отнести, прежде всего, алгоритм диспетчерского управления МакНИИ и алгоритм, рекомендуемый Р. Б. Тяном. Отличительной чертой этих алгоритмов является их простота и интуитивная ясность. Эти алгоритмы реализуют гибкую обратную связь, широко известную в теории автоматического управления. Весьма содержательными в теоретическом плане, но трудно реализуемыми практически, являются оптимальные по минимуму времени переходных процессов алгоритмы управления, разработанные в работах А. А. Волкова, И. П. Лыткина, Ю. Н. Соколова, А. Н. Петречука, Л. П. Фельдмана, В. А. Святного, В. В. Лапко. Алгоритмы (а точнее методы), предложенные в этих работах, основаны на использовании теории оптимального управления. К алгоритмам этой же группы следует отнести алгоритмы плавного многоступенчатого регулирования, разработанные Абрамовым Ф. А., Шевелевым Г. А., Грецин-гером Б. Э., Тяном Р. Б. и алгоритм (а точнее метод) частотного регулирования Местера И. М. Наиболее перспективным для применения в САУП является алгоритм комплексного безопасного управления Л. А. Пучкова, который учитывает дискретный характер опроса датчиков и является оптимальным по быстродействию, так как выводится из условия компенсации нулей и полюсов дискретной передаточной функции.

Алгоритмы второй группы, ориентированные на управление воздухораспределением, целесообразно разбить на два класса — оптимизационные алгоритмы, в которых не используются оперативные данные от датчиков, и алгоритмы управления в замкнутом контуре с использованием оперативной информации. Алгоритмы первого класса подробно исследовались С. В. Цоем, С. Цхаем, Е. М. Роговым, Г. К. Рязанцевым, Ф. А. Абрамовым, Р. Б. Тяном, В. Я- Потемкиным, А. А. Волковым, К. Г. Акутиным, Е. И. Филипповичем, А. Г. Евдокимовым и др. и широко используются для решения задач оптимизации сетей. Использование же этих алгоритмов в замкнутом контуре управления проблематично из-за значительных затрат машинного времени. Непосредственно на САУП ориентированы алгоритмы оперативного управления воздухораспределением Р. Б. Тяна, В. Я. Потемкина, Л. П. Фельдмана, Б. А. Клепикова, В. А. Святного, И. М. Местера, которые, однако, не являются оптимальными по быстродействию.

Третью группу алгоритмов управления проветриванием составляют алгоритмы перераспределения воздуха между добычными участками по газовому фактору, причем ограничения на концентрации метана рассматриваются как ограничения на управляемые переменные при условии минимизации мощности на проветривание. Алгоритмы такого класса рассматривались А. А. Волковым, В. А. Бойко, Ф. А. Абрамовым, Р. Б. Тяном, В. Я. Потемкиным, А. Г. Евдокимовым. Однако применение предложенных алгоритмов в САУП весьма затруднительно, так как почти все они основаны на использовании сетевых моделей и не рассчитаны на использование оперативной информации от датчиков.

В целом обзор существующих алгоритмов управления показывает, что отсутствует единый теоретический подход к синтезу алгоритмов управления проветриванием, объединяющий в единых рамках все возможные подходы независимо от вида используемых математических моделей, критериев управления и ограничений. Общим недостатком существующих алгоритмов автоматического управления является то, что в них не учитывается нестационарность и стохастичность реальных ШВС, вследствие чего разработанные алгоритмы или не обеспечивают той точности, быстродействия и эффективности, которых можно достичь при использовании ЭВМ для целей управления, либо требуют периодической, достаточно трудоемкой настройки на оптимальные режимы функционирования.

Принципиально учесть нестационарность и стохастичность ШВС при автоматическом управлении можно либо пользуясь уравнениями (1) — (3) с оперативной идентификацией (адаптацией) их параметров, либо используя эмпирические зависимости С} = р1(К, Я, 0 и с = Р2(С}, с, /), которые должны автоматически уточняться (адаптироваться) в процессе эксплуатации системы. Последний случай позволяет реализовать алгоритмы автоматического управления и в случае неопределенной или неизвестной топологии ШВС.

По результатам анализа состояния проблемы синтеза алгоритмов автоматического управления поставлены и решены следующие задачи:

теоретическое обобщение задачи синтеза алгоритмов автоматического управления воздухораспределением, позволяющее объединить в рамках единого подхода известные алгоритмы управления воздухораспределением и формализовать задачу синтеза конкретных алгоритмов и программных комплексов САУП;

разработка эффективных методов анализа, синтеза и имитационного моделирования САУП, включая методы снижения размерности сетевых задач, и программного обеспечения систем имитационного моделирования САУП на ЭВМ;

разработка теоретических основ, численных методов, алгоритмов и программ оперативной идентификации параметров математических моделей воздухораспределения и аэрогазодинамики добычных участков;

экспериментальные исследования и имитационное моделирование процессов адаптации математических моделей с целью изучения эффективности, точности и сходимости;

синтез алгоритмов адаптивного управления проветриванием в условиях многосвязности, стохастичности, нестационарности и неопределенности ШВС;

исследования эффективности, быстродействия, точности, сходимости адаптивных алгоритмов управления проветриванием методами имитационного моделирования и в шахтных условиях;

разработка архитектуры алгоритмического, программного и информационного обеспечения адаптивных САУП;

экспериментальные исследования функционирования САУП в режимах адаптивного автоматического управления проветриванием, опытно-промышленные испытания и оценка экономической эффективности функционирования системы.

Во второй главе диссертационной работы дано теоретическое обоснование алгоритмов автоматического управления воздухораспределением в замкнутом контуре. С этой целью ШВС рассматривается как многосвязная, нелинейная система управления, описываемая уравнениями

91 = Л (Гь гГ1... , г„, А,, Л2,..., АД ¿=1,2, ...,р,

где ¿7,—регулируемые расходы воздуха, гу-—аэродинамические сопротивления РРВ, /г,—депрессии регулируемых вентиляторов главного проветривания (ВГП).

Вводя новые обозначения, эту систему можно записать в виде

I, — . ■*«,). ¿=1,2, ... , р, т = п + к. (9)

Предположим, что в г-й ветви ШВС требуемое значение расхода воздуха равняется у*. Тогда можно составить уравнения

/1 {хх, х2, ... , хт) = у*

или

/¡(х1,х„...,хп)-у,* = 0, г = 1,2, ...,/>, (10)

причем ¡({х\, х%, ..., хт)—у,— реальное, а г/,*—желаемое значение расхода воздуха в г'-й ветви. :

Значения хх*, х2*, ..., хт*, обращающие (9) в тождество, определяют управляющие воздействия (значения аэродинамических сопротивлений и депрессии управляемых ВГП).

В случае, когда никаких ограничений на значения у1 и X] не накладывается, математическая сущность задачи управления воздухораспределением заключается в решении алгебраических уравнений (10). В частном случае при т = р для решения могут быть использованы классические численные методы — метод Ньютона, метод итераций, метод градиента. Каждый из этих методов определяет рекуррентную (итерационную) формулу для пошагового уточнения решения.

Эти формулы можно привести к общему виду: *<'41>в;с</) -б"1 (Р(хМ)-у*), /=1,2, ... , V, (11)

где х, у, /(х*'')—вектора с компонентами {лгь х2, ..., хт},

(УЛ Л*,..., У/'}. 1Л (*<'>), Л (*<"), ..., Л (*<")}•

Все отличие рекуррентных формул, построенных на основе различных численных методов решения системы (10), заключается в способе определения матрицы й, которая в случае т=р и использования метода Ньютона является матрицей Якоби с элементами д\1/дх) .

При реализации автоматического управления с ЭВМ в контуре связи на основе формулы (11) алгоритм управления получен в виде

Л«+1> ((д-(-1) Ы) = х^ (пМ) — О-1 (х<г> (лЛ*)) X

Х(/7(*(,)(яА0)-У1,(лд*)). (12)

/ = 1,2,..., V,

где ^(х<0) («Л/)) —у(пА^\ у{пЫ)—экспериментально измеренное с помощью датчиков значение управляемых переменных; А( — интервал опроса датчиков; — интервал регулирования.

Синтез алгоритма управления в данном случае заключается в определении значений А/, V и выборе оптимальной (по некоторому критерию) матрицы й.

В общем; случае при тфр при необходимости учета ограничений вида (5)—(7) и условий (8) алгоритм управления получен на основе решения с минимальной нормой системы (10) с помощью псевдообратной матрицы Мура-Пенроуза ч методов учета активного набора ограничений типа линейных неравенств, предложенных Гиллом-Мюрреем. Полученный обобщенный, регуляризованный алгоритм экстремального управления По критерию (8) имеет вид:

*<'+'> ((л +1) Щ = х<п {пМ)~ Аи Аи + !<'» £)«X

X (ЛГо $ (*<" (пМ)) - <2* (пЩ + 2 ^П Ап ё1{1))> (13)

где / = О, 1, 2, ..., v; А0 — матрица Якоби; Аи , A2¡, gn, éf"2¿ — матрицы и вектора для учета ограничений (5); Лзг, Ац, gzh gi¡ —матрицы и вектора для учета ограничений (6); вектор-столбец с элементами dF(x)/dxj для учета условия (8); W¡ — веса, учитывающие важность выполнения условий (5) — (8); Q(*(0) (nAt)) = Q(nAt) —экспериментально измеренный вектор расходов; Q* (nAt)—требуемое воздухораспределе-ние в сети; положительно определенная матрица DU) и регу-ляризующий параметр к<1) описаны в работе.

Замечательным свойством алгоритма (13) является аддитивный характер учета ограничений и условий экстремальности. Это означает, что при конкретной реализации алгоритма новые ограничения учитываются добавлением требуемых сумм в правую часть (13) без изменения всей структуры алгоритмического и программного обеспечения.

Синтез оптимального алгоритма управления определяет структуру программного обеспечения и заключается в формализации процедур и правил определения параметров алгоритма (13). Показано, что в зависимости от wlt A¡, v, A, D можно получать самые различные варианты алгоритмов управления, причем принципиальный характер имеет способ определения значений dq¡/dXj=A0(i, j) и Q(x(¡) (tiAt)), l>0. Они могут определяться по сетевым уравнениям (1) — (2), регрессионным уравнениям воздухораспределения в ШВС или непосредственно по экспериментальным данным. Всю совокупность возможных алгоритмов управления, которые следуют из (13), целесообразно разбить на группы, выделив в ней: детерминированные (оптимизационные) алгоритмы, не использующие экспериментальных данных; сетевые адаптивные алгоритмы автоматического управления, для которых dqJdXj и q¿l\ í>0 оцениваются по статистическим сетевым моделям, а вектор Q(0) оценивается по экспериментальным данным; адаптивные регрессионные алгоритмы автоматического управления, для которых dQ/dxj, Q(i), />0 оцениваются по регрессионным уравнениям, a Q(0) оценивается по экспериментальным данным.

В третьей главе диссертации разрабатываются математические методы анализа и синтеза управляемых ШВС. Необходимость разработки этих методов объясняется следующими обстоятельствами. Во-первых, синтез САУП требует анализа управляемости ШВС с целью исследования областей управ- . ления и выбора наилучших вариантов размещения РРВ. Во-вторых, как это следует из структуры общего алгоритма уп- . равления, реализация сетевых алгоритмов автоматического . управления требует определения производных dQ/drj и текущих значений расходов Q по сетевым моделям. В-третьих, для алгоритмов автоматического управления воздухораспре-

делением время вычисления управляющих воздействий является важнейшим фактором и поэтому целесообразно в темпе с изменениями положений РРВ и РВГП отслеживать изменения векторов <2 и дQ/дrj за время А/, уточняя решение, найденное на предыдущем шаге.

Для получения эффективных методов и алгоритмов анализа и синтеза ШВС в работе предложено использовать дифференциальные уравнения чувствительности ШВС к изменениям управляющих параметров (аэродинамических сопротивлений РРВ и депрессий ВГП), которые представляют собой обобщение выведенных С. В. Цоем характеристических уравнений. В матричном виде дифференциальные уравнения чувствительности ШВС к изменению аэродинамического сопротивления г, имеют вид:

аГ[

= - (/у Р^ (Р/ Г,)г\ (14)

йг1 с1Г[

где <2 ния;

-р-мерный вектор естественного воздухораспределе-

25/? И1

; г =

Л ' о'

5 — структурная матрица контуров размером кХр, причем к — число независимых контуров; А — структурная узловая матрица размером йХр, причем й — число узлов сети; Я — (рХр)-мерная диагональная матрица с элементами г1 з1дп(<7; ); Я,—/с-мерный вектор правых частей контурных уравнений; г, — аэродинамическое сопротивление РРВ, размещенного в 1-й ветви.

В работе получены в явной форме выражения для элементов матриц (Т7/ Р[) и d(F¡г Р^/йг;, что существенно облегчает интегрирование систем (14), и выражения для элементов матрицы взаимовлияния ¿^/с?^. Аналогичными системе (14) являются и дифференциальные уравнения чувствительности к вариациям депрессий ВГП.

С целью расширения возможностей использования дифференциальных уравнений чувствительности при управлении сетями повышенной размерности разработан принцип фрагментации, позволяющий разбить шахтную вентиляционную сеть на управляемую и контролируемую часть, содержащую ветви с РРВ, РВГП, ИСВ, и неуправляемую часть, включающую в себя большую часть ветвей ШВС. Для реальных ШВС ко-

личество ветвей в первой (управляемой) части, как правило, не превышает 20—30, в то время как общее количество ветвей достигает 500—1000. Принцип фрагментации, основанный на алгебре блочных матриц, позволяет получить дифференциальные уравнения чувствительности в виде

с1г1

: (/=п' /=7) У, - В12 (/=■„ /Т/ /V + Р*) У„ (15) — Вг2 Р/ У1 — В2Х РУ[, (16)

аг1

¿Я"-1 йР

= (17)

аг1 аг1

где

^12- ¿V Р 12 (^22 Рц РII1 Ри)

В22 = (Р12-Р21Рй1 Р^ (18)

В21 = — В„ р21 Р^1.

В этих формулах вектор С^ составляет управляемые и контролируемые расходы воздуха; вектор С}2 соответствует расходам неуправляемой части ШВС; Р1 и Р2— соответствующие расходам <31 и (32 блоки матрицы .Р; Р22, Р2ь Р12, -Рц — соответствующие блоки матрицы РтР.

В формуле (15) первый член описывает связь между параметрами управляемого фрагмента и расходами воздуха <3ь а второй член отражает влияние неуправляемой части сети на управляемую часть.

На основе полученных дифференциальных уравнений чувствительности предложен эффективный метод расчета и коррекции естественного воздухораспределения в управляемых ШВС, названный методом динамической балансировки (МДБ). Разработаны алгоритм и программа РУМЫй, реализующие МДБ. Исследована эффективность и сходимость ИУМЫй для различных сетей в управляемых режимах. Определены оптимальные параметры алгоритма 1?УЛШО, при которых коррекция векторов ¿2 и йСЦйг1 заканчивается не более чем за 15 итераций МДБ при любых допустимых значениях аэродинамических сопротивлений РРВ. На основе алгоритма ИУМЫО разработан пакет программ имитационного моделирования САУП, включающий в себя: блоки имитационного моделирования естественного воздухораспределения в условиях возмущений Дг4 (¿), блоки имитаци-

онного моделирования аэрогазодинамических процессов на добычных участках; блоки имитационного моделирования технических средств и каналов связи и т. д.

В четвертой главе диссертации рассматриваются задачи синтеза и анализа эффективности сетевых адаптивных алгоритмов автоматического управления воздухораспределением в ШВС. Основой для синтеза таких алгоритмов является обобщенный регуляризованный алгоритм управления (13), причем для вычисления расходов воздуха Q(хw (nAt)) и их производных используются сетевая статистическая модель воздухораспределения и дифференциальные уравнения чувствительности (14). Изменяющиеся параметры ШВС (аэродинамические сопротивления добычных участков и некоторых других ветвей) оцениваются (уточняются) по оперативной информации о расходах воздуха и депрессиях ВГП, поступающей от датчиков ИСВ и ВГП. Оценки аэродинамических сопротивлений при малых погрешностях измерений находятся на основе линейного метода наименьших квадратов. С этой целью контурные уравнения ШВС преобразуются к виду

S f i qt* sign (qt) = - 2 О qj2 sign (qj) + Ht, (19)

ieMt' jeMt"

где М/ — множество индексов ветвей с оцениваемыми сопротивлениями г,) М("—множество индексов ветвей с известными сопротивлениями г¡\ = + причем Aqt—случайная ошибка измерения расхода qt.

Получены фундаментальная и нормальная системы уравнений для оценивания вектора неизвестных сопротивлений R\ при различных предположениях о статистических свойствах ошибок измерений Aqt. Выведены формулы для оценок Гаусса-Маркова, которые в матричной форме имеют вид:

£t = (Фт W-1 (R,) Ф)-1 Фт W-1 (Rt) У, (20)

А

где R1 — m-мерный вектор априорных оценок; R\— вектор апостериорных оценок; №-1(/?i)—корреляционная матрица суммарных ошибок фундаментальных уравнений; У — n-мерный вектор с элементами Yt =.Sri a2{Aqt) +2гуа2(Д^;); элементы матриц Ф и W определены в явной форме в работе.

Выражение (20) позволяет по мер^ поступления новых

наблюдений оперативно уточнять оценки сопротивлений Ri. Для случая медленных изменений сопротивлений r(t) во времени выведены формулы статистического оценивания при групповых измерениях.

А

Использование оценок Ri при расчете векторов Q и dQ/dii требует анализа влияния их точности (дисперсии оценок Ri) на точность оценивания Q и dQ/dr¡.

Методами имитационного моделирования исследовалйбь

л

процессы сходимости оценок Я, определяемых по оперативным данным, к их истинным значениям. Установлено, что уже первые 5 итераций по уточнению оценок дают приемлемые для практики результаты для случая, когда изменения сопротивления Аг({) на интервале времени достаточно малы. Исследовано влияние на точность оценивания вектора естест-

д ■

венного расхода воздуха дисперсий оценок Я и определены границы дисперсий о2{гу}, при которых управление воздухо-распределением в ШВС невозможно без контура оперативной идентификации аэродинамических сопротивлений. Исследованы вопросы оптимального планирования экспериментов при оперативной идентификации аэродинамических сопротивлений. Показано, что хотя оптимальное планирование эксперимента сокращает количество итераций оценивания для достижения заданной точности, эффект оптимального планирования несколько ниже, чем наблюдается в других задачах. Анализ показал, что снижение эффективности объясняется зависимостью элементов информационной матрицы от откликов.

На основе обобщенного регуляризованного алгоритма (13), метода динамической балансировки и формул для оценивания сопротивлений (20) выведен адаптивный сетевой алгоритм автоматического регулирования (сетевой регулятор), который описывается соотношениями

■*<'+!> ((/1+1) д*)=(пМ) + (А/ Л0 + Л т Л3 4- Л / Л4 + Ш)Г*Х

X (А,? (ф'> (#)- С?*) + А £ ¿у'» + А? gi% (21)

где х —вектор аэродинамических сопротивлений РПВ; (2(х

Я) —вектор измеренных значений расходов воздуха

л

в управляемых ветвях; 0(х<'> , Я), /> 1—вектор оценок расхода воздуха, найденный из сетевых уравнений с помощью

МДБ при Я = Я\ <2*—-вектор требуемых значений расходов воздуха; Л0, Л3, Л4, к, §4 описаны выше; 1=1,

2, ..., V.

Алгоритм (21) реализован в виде программного модуля ЗЕТИЕСл, вошедшего в состав программного обеспечения САУП ш. «Коммунист». Его работоспособность и эффективность исследовались методами имитационного моделирования и в реальных условиях функционирования САУП ш. «Коммунист». Была исследована работоспособность ЭЕТИЕО в условиях. случайных ошибок регистрации расходов воздуха; при наличии неконтролируемых случайных утечек; при наличии неконтролируемых источников тяги в ШВС. Выполненные ис-

2

17

следования позволили определить максимально допустимую точность отработки требуемых режимов, скорость и характер сходимости воздухораспределения к требуемому, влияние на сходимость случайных и систематических помех и подтвердили работоспособность и эффективность адаптивного сетевого регулятора воздухораспределения.

Особую роль для САУП играют адаптивные регрессионные алгоритмы управления воздухораспределением, рассмотренные в главе 5 диссертации.

Алгоритмы этого класса используются в тех случаях, когда сетевые уравнения, описывающие стационарное воздухо-распределение, либо неизвестны, либо неадекватны реальной сети. Практически такие случаи могут возникнуть в случае наличия неконтролируемых, нестационарных утечек в выработках шахты, а также тогда, когда размерность вентиляционной сети и взаимосвязанность потоков в ней велики. Другим важным случаем, когда алгоритмы, рассматриваемые в этой главе, предпочтительней, является случай построения контуров управления воздухораспределением, опирающихся только на оперативную информацию от датчиков скорости (расхода) воздуха и датчиков положения РРВ. В этом случае, как показано в работе, математическое и информационное обеспечение задач управления воздухораспределением будет особенно компактным и, следовательно, менее критическим к объему оперативной памяти и быстродействию управляющей ЭВМ.

Основой для разработки адаптивных регрессионных алгоритмов автоматического управления воздухораспределением является математический аппарат регрессионного анализа. Однако в отличие от классического случая, когда целью регрессионного анализа является несмещенное оценивание коэффициентов уравнений регрессии, в нашем случае основной задачей является получение наиболее точных уравнений, описывающих взаимосвязь основных переменных, характеризующих состояние воздухораспределения в шахте. Такими переменными являются аэродинамические сопротивления регуляторов расхода воздуха г1 и расходы воздуха в лавах Ни те, ни другие непосредственно в условиях САУП измерены быть не могут. Вместо них фиксируются положение (состояние) РРВ // и скорость движения воздуха . Однако, зная расходные характеристики РРВ, нетрудно пересчитать положение РРВ /ь в его аэродинамическое сопротивление г,, а зная сечение горной выработки 5,-, нетрудно получить расход воздуха <7/, при известной скорости Итак, для выработки управляющих воздействий в режиме автоматического управления мы располагаем наборами значений: (г^пА^),

г2(Ш), ..., гт(Ш)}, {?7(М/), Я2(пМ), ..., (¡р(пМ)}, /1=1,2.....

..., N.

Установив зависимости ^^/¡{/"[(яД/), Гг(дД0> •••> гт (лА^)}» мы сможем рассчитать управляющее воздействие, т. е. значения {г/*}, при которых в ШВС устанавливается требуемое воздухораспределение.

Важным вопросом при практической реализации регрессионных алгоритмов управления воздухораспределением является точность восстановления функции [(х) по конечному числу экспериментальных данных с ошибками. Показано, что если то задача восстановления функции /(х) с минимальной обобщенной ошибкой является некорректной, по А. Н. Тихонову, задачей, поэтому под решением /|| (х) целесообразно понимать квазирешение, определенное на компакте Щ(2)е12((2), Нахождение квазирешений }ц{х) представляет собой не простую задачу, за исключением случая, когда в определено воспроизводящее ядро. Особенно просто, как показано в работе, решается задача приближения функции с минимальной обобщенной ошибкой по конечному числу наблюдений в пространстве целых функций конечной степени, определенных в Ет и обладающих свойствами двойной ортогональности. Обоснованы метод и алгоритм построения оценок /ц в этом классе. Рассмотрены вопросы построения функций двойной ортогональности в конечномерных классах функции, среди которых наиболее удобным является класс полиномиальных функций от т переменных. Разработаны алгоритм и программа построения регрессионных уравнений в дважды ортогональном полиномиальном базисе.

Подробно исследован вопрос применимости многомерных полиномиальных регрессионных уравнений для описания зависимостей расходов воздуха от аэродинамических сопротивлений РРВ. В частности, показано, что для удовлетворительного описания воздухораспределения в управляемых ветвях при полном диапазоне изменения аэродинамических сопротивлений достаточными по точности являются уравнения регрессии третьей степени. Исследовано поведение критерия Фишера, характеризующего точность уравнений регрессии от случайной и систематической ошибок измерений. С помощью системы имитационного моделирования исследована работоспособность регрессионного регулятора воздухораспределения, функционирующего в замкнутом контуре. В частности, исследовано влияние на быстродействие и точность регулятора дисперсий ошибок измерений расходов воздуха. Выполненные исследования подтвердили работоспособность и достаточную точность регрессионного регулятора воздухораспределения, который реализован в программном обеспечении САУП ш. «Коммунист» и прошел опытно-промышленные испытания.

В шестой главе рассматриваются адаптивные алгоритмы

2*

19

многосвязного автоматического управления газодинамическими режимами шахты. Отличительными особенностями этил алгоритмов являются: использование авторегресспонных уравнений с подстраиваемыми коэффициентами для описания аэрогазодинамики добычных участков; регрессионных уравнений для описания воздухораспределения между участками; систем дифференциальных уравнений для описания переходных (по воздуху) процессов в ШВС. В общем случае уравнения, описывающие аэродинамику добычного участка, могут быть записаны в виде:

ск ((п +1) и) = |ач {ск (п Д *), ск ((я-1 )М),...,ск ((« - и,) М,)

Як (пМ), дк {{п - 1) Ы),... , цк ({п — т2) А*)), (22)

где ск (/Д/) —концентрация метана в исходящей струе в момент времени /Д/; —расход воздуха на проветривание лавы в момент времени 1М\ ц>к. (•) —полиномиальные функции своих аргументов; ак. —коэффициенты уравнений, которые уточняются в процессе функционирования системы.

В этой же главе подробно рассматриваются методы и алгоритмы оперативной идентификации параметров дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в вентиляционной сети, возникающие при изменении режимов работы ВГП или положений РРВ. Длительность этих переходных процессов соизмерима с интервалом управления vД/, поэтому для их описания уравнения вида (22) непригодны и приходится обращаться к обыкновенным дифференциальным уравнениям, которые в общем виде могут быть записаны так:

НУ), А), (23)

где <2 — вектор расходов воздуха; / — вектор-функция; — вектор аэродинамических сопротивлений РРВ; Н(()—вектор неизвестных (оцениваемых) параметров.

Разработаны алгоритмы и программы оценивания коэффициентов А при условии, что наблюдается лишь часть компонент вектора С}. Рассмотрены метод и алгоритм оценивания на основе линейного метода наименьших квадратов с восстановлением ненаблюдаемых компонент вектора (2 и метод Маркуардта. Показано, что при небольших размерностях системы (23) целесообразнее применять метод Маркуардта.

Здесь же получено выражение для оптимального по быстродействию цифрового регулятора газовыми режимами шахты по критерию минимума отклонений вектора концентраций с((я+1)Д0 от вектора заданных значений с*. Иссле-

дованы быстродействие и чувствительность цифровых регуляторов в режимах отработки установок при наличии случайных н систематических ошибок измерений и при различных погрешностях в оценке параметров моделей аэрогазодинамики участков. Показано, что оптимальные по быстродействию регуляторы обладают определенными преимуществами по сравнению с классическими ПИ- и ПИД-регуляторами. Результаты исследований позволили синтезировать структуру и программную реализацию адаптивного алгоритма автоматического перераспределения воздуха между добычными участками по газовому фактору, успешно прошедшего опытную эксплуатацию в условиях САУП ш. «Коммунист».

В приложении к диссертации описывается техническая н программная реализация экспериментального образца системы автоматического управления проветриванием ш. «Коммунист» ПО «Октябрьуголь». САУП ш. «Коммунист» представляет собой сложный комплекс аппаратных и программных средств, включающий:

— двухмашинный (из двух ЭВМ СМ-1420) вычислительный комплекс, в состав которого входят процессор СМ-2420, магнитные диски СМ-5400, графические и алфавитно-цифровые дисплеи, печатающие устройства СМ-6315 и устройство сопряжения УКБ-200;

— комплект регулируемого электропривода вентилятора главного проветривания ПЧД-2;

— комплекс «Метан», состоящий из датчиков метана ДМТ-4, аппаратов сигнализации АС-5, стойки приема информации СПИ-1;

— телемеханические системы передачи данных ТКУ-2-1А и ТКУ-2-4А;

— четыре телеуправляемых регулятора расходов воздуха полидиафрагменного типа с датчиками положений штор и концевыми датчиками-выключателями;

— измерители скорости движения воздуха в горных выработках ИСВ-2;

— устройство искробезопасное согласующее УИС (рис. 1).

Программное обеспечение САУП состоит из двух подсистем— информационной и управляющей. Информационная подсистема предназначена для автоматического централизованного контроля за параметрами шахтной атмосферы, обработки и представления информации. Управляющая подсистема обеспечивает выполнение функций формирования и реализации управляющих команд на изменение производительности вентилятора главного проветривания и проходного сечения участковых регуляторов расхода воздуха, осуществляя, тем самым, автоматическое оперативное регулирование рас-

пределения воздуха по горным выработкам с целью поддержания заданных значений концентраций метана в исходящих струях добычных участков (рис. 2).

Система автоматического управления проветриванием в силу разнообразия и сложности выполняемых функций имеет развитое программное обеспечение, включающее в себя:

— программный диспетчер PUSKADAPT, осуществляющий синхронный запуск программ комплекса на выполнение;

— программы ведения файлов реального времени (VT 3000, VT 3001, START, WRITE);

— программы и подпрограммы опроса датчиков, проверки каналов связи, состояния РРВ и РВГП (OVRM, SBROS, VOT, PS, OPR, INPNK и др.);

— программы и подпрограммы вычисления управляющих воздействий, идентификации и оптимизации сети (DISMN, SETREG, IDNPAR, COMPLEX, REGREG);

— подпрограммы автоматической и автоматизированной отработки управляющих воздействий (UPRRRV, UPRVGP, RRV, VGP);

— вспомогательные подпрограммы адаптивного контура автоматического управления (RVMNG, ЕХРК.ОМ, POL, DPOL, MINV, INDEX и др.);

— программы и подпрограммы протоколирования и отображения информации (PRINT, INFORM, VT 7000, VT 9000);

— подпрограммы создания и ведения информационной базы (VT 1000, VT 1001 и др.).

В диссертации описывается выбранная архитектура программно-информационного обеспечения комплекса (рис. 3), приведены результаты экспериментальных исследований функционирования САУП в решении адаптивного, автоматического управления и исследований эффективности работы системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы синтеза алгоритмов адаптивного автоматического управления проветриванием метанообильных угольных шахт с учетом многосвязности, нестационарности и стохастичности реальных шахтных вентиляционных сетей, что является существенным вкладом в теорию автоматического управления проветриванием и позволяет практически реализовать алгоритмическое и программное обеспечение адаптивных САУП, направленных на сокращение простоев добычных участков по газовому фактору, экономию электроэнергии и повышение безопасности ведения горных работ.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Предложен обобщенный алгоритм автоматического управления воздухораспределением, который объединяет в своей структуре все известные алгоритмы управления воздухораспределением, включая управления по отклонению от заданного воздухораспределения и экстремальные алгоритмы управления по минимуму мощности в условиях различных ограничений, что позволяет существенно упростить параметрический и структурный синтез конкретных алгоритмов управления воздухораспределением за счет использования типовых алгоритмических (программных) блоков.

2. Разработан математический аппарат дифференциальных уравнений чувствительности воздухораспределения в ШВС, который в сочетании с принципом фрагментации является эффективным аппаратом анализа, синтеза и имитационного моделирования систем автоматического управления воздухораспределением и позволяет существенно снизить размерность исследуемых сетей, исследовать на стадии проектирования области управляемости сетей, диапазоны изменений регулируемых параметров и эффективность САУП, определить аналитические выражения для матриц взаимовлияния воздушных потоков.

3. Разработан метод динамической балансировки, основанный на дифференциальных уравнениях чувствительности, и реализующий его программный модуль, который более предпочтителен любого из известных методов расчета естественного воздухораспределения при использовании его в САУП, так как позволяет оперативно отслеживать вектор расхода воздуха и вектора производных расходов воздуха по управляющим параметрам, и может рекомендоваться для включения в алгоритмическое и программное обеспечение САУП.

4. Разработан сетевой алгоритм адаптивного управления воздухораспределением в сети с известной топологией, который в сочетании с оперативной идентификацией параметров ШВС позволяет реализовать автоматическое управление в условиях нестационарных вентиляционных сетей.

5. Показано, что алгоритм оперативной идентификации параметров ШВС позволяет снизить неопределенность оценок аэродинамических сопротивлений до 5% относительных величин и в 2—3 раза повысить точность управления воздухораспределением по критерию минимума отклонений в условиях нестационарности ШВС.

6. Разработан регрессионный алгоритм адаптивного автоматического управления воздухораспределением, который позволяет повысить быстродействие и точность функционирования системы, реализовать режим автоматического управления

воздухораспределением, основываясь только на" показаниях датчиков состояний регулирующих устройств в условиях неизвестной топологии ШВС.

7. Показано, что наиболее перспективными для реализации регрессионных алгоритмов адаптивного автоматического управления в САУП являются многомерные, полиномиальные регрессионные уравнения воздухораспределения с минимальной ошибкой, использующие дважды ортогональный базис. Точность таких уравнений, перестраиваемых в процессе функционирования САУП, стабилизируется после 20—30 шагов адаптации вне зависимости от точности начального уравнения.

8. Предложен адаптивный алгоритм оптимального по быстродействию автоматического управления проветриванием по газовому фактору с учетом динамических свойств воздухораспределительной сети, основанный на оперативной идентификации параметров динамических характеристик воздухораспределительной сети и использовании авторегрессионных уравнений добычных участков, который характеризуется наиболее простой структурой информационного и программного обеспечения, легко настраивается на любые конфигурации технических средств, является оптимальным по быстродействию и может быть рекомендован для широкого применения в САУП.

9. Разработана архитектура информационно-программного комплекса с центральным программным диспетчером, которая является гибкой, надежной, допускаег эксплуатацию системы в автоматическом и автоматизированном режимах, и в то же время является достаточно универсальной, обеспечивая возможность подключения любых программных модулей для выработки управляющих воздействий.

10. Результаты диссертационной работы в виде алгоритмического и программного обеспечения системы адаптивного автоматического управления проветриванием использованы при создании и внедрении в опытно-промышленную эксплуатацию САУП на ш. «Коммунист» ПО «Октябрьуголь». Расчетный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на ш. «Коммунист» составляет 477 тыс. руб.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Бахвалов JI. А., Круг Г. К. Синтез оптимальных конечных последовательностей для идентификации динамических объектов//Изв. вузов. Электромеханика. — 1974. — № 6.— С. 600—604.

2. Бахвалов JI. А., Лецкий Г. К. Об одной задаче синтеза входного сигнала при статистической идентификации линейных динамических си-стем//Изв. АН СССР, — 1974, —№ 3. —С. 191—196.

3. Бахвалов JI. А., Шейль В. Г. Идентификация динамических объектов с помощью Д-оптимальных последовательностей//Тр. МЭИ. — М., 1973.— Вып. 176.—С. 70—74.

4. Бахвалов JI. А., Никифоров Е. С. Построение точных Д-оптимальных планов//Госфонд алгоритмов и программ, П000869. — М., 1974.— 18 с.

5. Бахвалов JI. А., Прахова Р. А. Нелинейный регрессионный анализ// Госфонд алгоритмов и программ, П002252. — М., 1976.— 14 с.

6. Бахвалов JI. А., Прахова Р. А. Регрессионный анализ многомерных полиномиальных моделей//Госфонд алгоритмов и программ, П002253. — М„ 1976. — 12 с.

7. Бахвалов Л. А., Правниченко С. П. Алгоритм исследования систем цифрового управления линейными объектами с запаздыванием//Госфонд алгоритмов и программ, П001963. — М., 1976.— 28 с.

8. Бахвалов Л. А., Белова Т. Б., Корнюшко В. Ф. Дискриминации нелинейных моделей//Госфонд алгоритмов и программ, П001964. — М., 1976. — 16 с.

9. Бахвалов Л. А., Косякин А. А., Королев Е. С. Оптимальные регуляторы в системах непосредственного цифрового управления//Изв. вузов. Электромеханика. — 1978. — № 8. — С. 846—850.

10. Бахвалов Л. А., Прахова Р. А. Принципы организации н функциональная схема системы программ множественного регрессионного анали-за//Госфонд алгоритмов и программ, П002729. — М., 1979.— 148 с.

11. Бахвалов Л. А. Оптимальное в метрике L2 оценивание отклика в классе функций с воспроизводящим ядром//Всесоюзная конференция по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (Москва, 1—3 октября 1980 г.). —Тез. докл., часть I. — М., МЭИ, 1980.— 42 с.

12. Бахвалов Л. А., Корнюшко В. Ф. Пакет прикладных программ для планирования и управления экспериментов//У1 Всесоюзная конференция по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (Москва, 1—3 октября 1980 г.). —Тез. докл., часть I, — М., МЭИ, 1980.— 137 с.

13. Бахвалов Л. А. Оптимальное оценивание отклика в классе функций с воспроизводящим ядром//Заводская лаборатория. — М.: Металлургия, 1982,—Т. 48, —№ 6, —С. 46—51.

14. Пакет программ оценивания параметров дифференциальных уравнений одного класса/Л. А. Бахвалов, В. Ф. Корнюшко, Р. А. Прахова, А. В. Нетушил//Автоматика и телемеханика. — М.: Изд-во АН СССР, 1982. — № П. —С. 143—153.

15. Бахвалов Л. А., Темкин И. О. Статистические модели оперативного воздухораспределения в шахтной вентиляционной сетн//Изв. вузов. Горный журнал. — 1983. — № 12. — С. 43—46.

16. Бахвалов Л. А., Темкин И. О. Статистическое оценивание аэродинамических сопротивлений шахтных вентиляционных сетей//Механизация горных работ на угольных шахтах. — Тула, 1984. — С. 66—71.

17. Бахвалов Л. А., Мутанов Г. М. Прогнозирование установившихся режимов воздухораспределения вентиляционных шахт и рудников на основе дифференциальных уравнений чувствителыюсти//Всесоюзпая научио-технич. конф. — Перспективы развития технологии подземной разработки рудных месторождений. Тез. докл.: М., МГИ, 1985.— С. 47—48.

18. Бахвалов JI. А., Пучков JI. А., Сарафанов А. И. Оптимальное планирование эксперимента для статистического уточнения аэродинамических сопротивлений горных выработок//Изв. вузов. Горный журнал.— 1985.— № 7. — С. 57—62.

19. Автоматизированные системы управления. Лабораторный практикум для студентов вузов по спец. АСУ//Л. А. Бахвалов, А. Г. Мамиконов, Л. А. Пучков, Н. И. Федунец, В. В. Попов/Под ред. А. Г. Мамикоиова. — М.: Высшая школа, 1985. —95 с.

20. Бахвалов Л. А. Оптимальное оперативное управление по отклонению от заданного воздухораспределения в шахтной вентиляционной се-ти//Изв. вузов. Горный журнал, — 1986. — № 7, —С. 123—12&.

21. Бахвалов Л. А. Математические модели и алгоритмы оперативного управления воздухораспределепием в ШВС//Изв. вузов. Горный журнал. — 1986. — № 5. — С. 112—116.

22. Бахвалов Л. А., Темкин И. О., Сарафанов А. И. Планирование и обработка эксперимента при идентификации шахтных вентиляционных се-тей//Планирование эксперимента. Материалы семинара. — М., МДНТП, 1985, —С. 45—49.

23. Бахвалов Л. А., Темкин И. О. Статистические алгоритмы управления в АСУ проветриванием шахт//Тез. докл. Всесоюзной научной конф. Актуальные проблемы организации и управления в горном производстве,—М„ МГИ, 1986.— С. 38.

24. Бахвалов Л. А., Пучков Л. А,, Темкин И. О. Анализ результатов опытно-промышленной эксплуатации системы автоматического управления проветриванием//Тез. докл. Всесоюзного научно-технического совещания: Разработка и применение систем автоматизированного проектирования н АСУ горного производства (24—27 сент. 1987 г.). — Алма-Ата, 1987. — С. 105—106.

25. Бахвалов Л. А., Пучков Л. А., Кравченко А. Г. Математическое обеспечение системы автоматического управления нроветрнванием//Изв. вузов. Горный журнал, — 1987. —№ 9. — С. 103—105.

26. Бахвалов Л. А., Пучков Л. А., Кушнаренко М. В. Принципы построения микропроцессорных систем автоматического управления проветриванием угольных шахт//Изв. вузов. Горный журнал. — 1988.—№ 9. — С. 103—109.

27. Бахвалов Л. А., Пучков Л. А. Система автоматического управления проветриванием угольных шахт. Проспект ВДНХ СССР. — М., МГИ, 1988,—С. 5.

28. Бахвалов Л. А., Егорова Т. Т., Пучков Л. А. Алгоритмическое и программное обеспечение системы автоматического управления провег-риванием//Тез. докл. IV Всесоюзной научно-технической конференции «Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечние АСУТП». — Ташкент, 11—13 октября, 1988. — С. 151.

Номплйкс технически* ср&Зстё СЯУП

Рис./

Ä^oA-- с

С&У/7

Архитектура прсщхг/-гмного/fortnnexea

Канапш с&лли

^ПМЛГТХУ'

РВГП

шве Ctt)-F(C,ç,Q,t)

Ш

at)

г

У->СГ, аеггц/

Kof—G/jtb

Mçyrt-'Ljmt-HbJU

tí. ¿Ten,

tacacoS M0. 9e>mwt/*o6

Béap (пелуцву

!U ¿osbucet rracrCSh —

З&сф

Рис. 3

Рис. г