Розробка та моделювання систем керування розподілом повітря в шахтних вентиляційних мережах

Размещено на http://www.allbest.ru

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.13.07-'' Автоматизація технологічних процесів''

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка та моделювання систем керування розподілом повітря в шахтних вентиляційних мережах

Сальман Сальман Абдуль Карим

ДОНЕЦЬК-1999

Дисертацiєю є рукопис

Робота виконана в Донецькому державному технiчному унiверситеті Міністерства освіти України

Науковий керiвник: доктор технiчних наук, професор

Володимир Андрійович Святний,

завідувач кафедри ЕОМ Донецького

державного технiчного унiверситету

Офiцiйнi опоненти: доктор технiчних наук, професор

Олексій Андрійович Бориcов,

завідувач кафедри АТ Донецького

державного технiчного унiверситету;

кандидат технiчних наук

Олег Васильович Михайловський

заступник директора мережної академії АМД

(агенство маркетингових досліджень, м. Донецьк).

Провідна установа: Науково-виробнича корпорація '' Київський інститут автоматики'' Міністерства промислової політики України,

відділ № 50 ПАС ''Прилади, автоматика, системи'' /м. Київ/

Захист вiдбудеться '' 29'' квітня 1999р. о 14 годинi на засiданнi

cпецiалiзованої вченої ради К 11.052.03 Донецького державного технiчного унiверситету за адресою:

340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 1, ауд. 201.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Донецького

державного технiчного унiверситету за адресою 340000, м. Донецьк

вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розiсланий '' 27'' березня 1999р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради

кандидат технiчних наук, доцент Мокрий Г. В.

Загальна характеристика роботи

Актуальнiсть и ступiнь дослiдження теми

Автоматизацiя провiтрювання шахт являє собою складну науково-технiчну проблему, у розв'язаннi якої приймають участь колективи рiзних науково-конструкторських iнститутiв й органiзацiй, вищих учбових закладiв, заводiв шахтної автоматики. До теперiшнього часу були сформульованi науковi основи автоматизацiї, методи i засоби контролю параметрiв шахтної атмосфери й регулювання потоків повiтря, створенi передумови для практичної реалiзацiї систем диспечерського (СДКП) i автоматичного (САКП) керування провiтрювнням шахт (пiдсистема АТМОС), ефективнiсть фукцiонування котрих в значнiй мiрi визначається їх алгоритмiчним забезпеченням.

Реалiзацiя систем керування провiтрюванням як пiдсистеми АСУ ТП шахт дозволить оперативно лiквiдувати загазованостi й знизити простої добувних машин за газовим фактором, створити передумови для пiдвищення гранично допустимих норм концентрацiї метану, знизити загальношахтну потрiбну кількість повiтря й споживання електроенергiї за рахунок рацiонального розподiлення повiтря й роботи вентилятора головного провiтрювання (ВГП) в економiчних режимах. Усе це пiдвищить безпечнiсть проведення гiрничих робiт і забезпечить певний економiчний ефект.

Досвiд розробки i експлуатацiї пiдсистеми АТМОС, поява нових засобiв обчислювальної технiки й програмного забезпечення висувають актуальнi дослiдницькi завдання, пов'язанi з алгоритмiзацiєю керування розподiлом повiтря у шахтних вентиляцiйних мережах (ШВМ), обгрунтування структури обчислювальних засобiв САКП як пiдсистеми iнтегрованної АСУ ТП шахти, створенням алгоритмiв безпосереднього цифрового керування виконавчими механiзмами регуляторiв потоків повiтря (РПП), розвитком методiв й засобiв моделювання ШВМ та систем керування ними.

Метою дисертацiйної роботи є розробка методу побудови дільничних і загальношахтних систем керування розподілом повітря, що підвищують ефективність вентиляції досягненням потрібної швидкодії і точності зміни повітряних потоків, з застосуванням напівнатурного моделювання та програмно - апаратних засобів реального часу.

Iдея побудови систем керування полягає в об'єднаннi принципiв вирiвнювання коефiцiєнтiв забезпеченостi (КЗ) повiтрям об'єктiв груп умовно паралельних гiлок й безпосереднього цифрового керування (БЦК) регуляторами потоків повiтря, розташованими на рiзних ступенях iєрархiї ШВМ, у рамках єдиної задачі реального часу, котра розв'язується на напiвнатурнiй цифровiй моделi з подальшим переносом на реальний керуючий комплекс.

Задачі дослiджень. Для досягнення поставленної мети у роботi розв'язуються наступнi задачі.

1. Розробка принципів і алгоритмiв автоматичного керування розподiлом повiтря, сумiсних з алгоритмiчним забезпеченням пiдсистеми АТМОС й орiєнтованих на iмплементацiю у програмно-апаратнiй системi реального часу.

2. Розробка цифрової моделі шахтної вентиляцiйної мережі і добувних дільниць як об'єктів автоматичного керування.

3. Розробка принципу і системи автоматичного керування провітрюванням добувних дільниць ШВМ.

4. Дослiдження ефективностi алгоритмiв i структур систем керування на напiвнатурнiй цифровiй моделi.

5. Розробка, відлагодження, експериментальнi дослiдження програмного забезпечення систем керування розподiлом повiтря на базi програмної системи реального часу.

Наукова новизна дисертацiї полягає у формалізації принципу вирівнювання коефiцiєнтiв забезпеченостi (КЗ) повiтрям об'єктiв вентиляції у виглядi логiчних спiввiдношень, котрi описують область усiх можливих станiв ШВМ; у побудові алгоритму функцiонування ієрархічної системи керування розподiлом повiтря як зв'язаної логiчними спiввiдношеннями сукупностi процедур вирiвнювання коефiцiєнтiв КЗ на кожному рівні ієрархії, яка реалiзується у рамках єдиної задачі реального часу; в розробці нової системи керування розподiлом повітря зi змінною структурою, яка відрізняється швидкодією, потрібною точністю і відсутністю автоколивань, зумовлених запізнюванням; в розробці структури та алгоритму функцiонування цифрового напiвнатурного моделюючого комплексу для дослiдження систем керування розподiлом повiтря в режимах реального часу та модифікації методу побудови ШВМ, що у сукупності дало можливість побудувати дільничні та загальношахтні системи керування розподілом повітря нового наукового рівня, що перевершують відомі системи за якістю забезпеченості повітрям споживачів та динамікою функціонування.

Методи дослiджень. В роботi застосованi методи математичного аналiзу, теорiї алгебраїчних й диференцiальних рiвнянь, теорiї цифрових автоматiв, обчислювальної математики, теорiї керування, математичного моделювання, розвинуто методику моделювання систем керування на напiвнатурних цифрових моделях.

Практичне значення результатiв дисертацiї полягає в тому, що розробленi алгоритми функцiонування i структура системи керування розподiлом повiтря можуть бути використанi при розвитку пiдсистеми АТМОС за рахунок застосування у її cкладi персональної ЕОМ з операцiйною системою реального часу i мовою програмування PEARL. Розроблений напiвнатурний цифровий моделюючий комплекс може бути використаним як складова частина засобiв автоматизованого проектування систем керування провiтрюванням шахт, а також для навчання персоналу, що обслуговує цi системи на шахтах.

На захист виносяться : шахтний вентиляційний керування цифрова

1. Принцип автоматичного керування розподiлом повiтря, формалiзований у виглядi логiчних спiввiдношень, які охоплюють область усiх можливих станiв ШВМ i реалiзуються як процедури вирiвнювання коефiцiєнтiв забезпеченостi повiтрям об'єктiв вентиляцiї, розташованих на різних рівнях ієрархії ШВМ.

2. Принцип побудови і методика синтезу системи керування розподiлом повiтря з змінною структурою за критеріями оптимальної швидкодії і точності регулювання.

3. Модифiкацiя методу безпосереднього iнтегрування, на основi якої будується цифрова модель ШВМ як багатомірного об'єкту автоматизації.

4. Напiвнатурний цифровий моделюючий комплекс для дослiдження й розробки систем керування розподiлом повiтря.

Декларацiя особистого внеску. Особистий внесок автора полягає у розробцi алгоритму керування розподiлом повiтря на основi об'єднання принципiв вирівнювання коефiцiєнтiв забезпеченостi i безпосереднього цифрового керування як рiвневих процедур, у побудовi перспективної структури технiчних засобiв, модифiкацiя методу безпосереднього iнтегрування стосовно побудови блочно - орiєнтованої цифрової моделi ШВМ, у розробцi структури, алгоритмiв функцiонування i програмного забезпечення напiвнатурного цифрового моделюючого комплексу, у проведеннi широкоосяжних модельних експериментiв.

Обгрунтованiсть та достовірність наукових положень і результатiв. Науковi положення, висновки i результати дисертацiйної роботи достатньо достовірні й обгрунтованi: математичнi моделi будуються на основi рiвнянь, фiзична відповідність котрих доведена попереднiми дослiдниками; похибки цифрового моделювання ШВМ як об'єкта керування за стаціонарними величинами потоків повiтря знаходяться у межах 2,5%; працездатнiсть алгоритму, правильнiсть функцiонування системи керування пропонованої структури доведенi експериментами на напiвнатурнiй моделi. Цi результати не суперечать даним, добутим розробниками пiдсистеми АТМОС при її шахтних випробуваннях.

Апробацiя роботи. Основнi положення дисертацiї доповiдались і обговорювались на семiнарах кафедри ЕОМ ДонДТУ (1990, 1992, 1995, 1997), на наукових конференцiях ДонДТУ (1991, 1993, 1995), на семiнарi одного з розробникiв мови PEARL, iнституту автоматизацiї i програмного забезпечення керуючих систем (IAS) Штутгартського унiверситету (1990), на семiнарi ДонДТУ, фiрми GPP i IAS щодо САПР EPOS ( Донецьк , 1994).

Публiкацiї. Результати дисертацiї опубліковані у 8 друкованих працях, 4 з них у наукових фахових виданнях Україна.

Реалізація результатів роботи. Дисертація виконувалась як складова частина пошукових робіт кафедри ЕОМ щодо проблеми автоматизації провітрювання, що проводяться разом з МакНДІ та шахтами галузі. Принцип та алгоритми керування розподілом повітря використані МакНДІ у розробці технічного завдання на проектування нової версії системи АТМОС -А, в якій поряд з диспетчерським керуванням вентиляцією передбачено застосування алгоритмів автоматичного керування, запропонованим автором. Напівнатурний моделюючий комплекс буде використано в галузевому проекті моделюючого та сервісного центру, що забезпечить прив'язку АТМОС - А до умов шахт України. Він використовується в навчальному процесі для виконання курсових та дипломних проектів.

Структура й обсяг роботи. Дисертацiя складається iз вступу, чотирьох роздiлiв, висновку, викладених на 144 сторiнках машинописного тексту, мiстить 53 рисунки, 6 таблиць, список лiтератури iз 89 найменувань, 38 сторiнок додатка.

Змiст дисертації

У вступi обгрунтовано актуальнiсть теми, сформульовано мету й задачі досліджень, наведено основнi положення, якi виносяться на захист.

У першому роздiлi надано аналiз стану розробок i реалiзацiї алгоритмiв i структур систем керування провiтрюванням шахт, методiв та засобiв їх моделювання. Визначена загальна характеристика ШВМ як об'єкта керування, постановка задач керування провiтрюванням з урахуванням рiзних критерiїв. В проблемі автоматизації провітрювання виділено її суттєву частину - автоматизацію керування розподілом повітряних потоків в ШВМ.

Основним керованим елементом у ШВМ є схема вентиляції виїмкової дільниці, яка має два рiвня керування : керування концентрацiєю метану С шляхом змiни повітряних потоків (ПП) i керування потоку Q шляхом змiни регульованого аеродинамiчного опору чи депресiї дiльниці.

ШВМ являє собою об'єкт iз зосередженими параметрами, динамiчнi процеси розподiлу повiтря у мережі описуються системою звичайних диференцiальних i алгебраїчних рiвнянь.

Iснуючi алгоритми функцiонування системи диспетчерського (СДКП) i системи автоматичного керування провiтрюванням (САКП) можна роздiлити на три групи: алгоритми САКП, що реалізуються апаратно, алгоритми програмного керування i алгоритми iтерацiйного керування розподiлом повiтря. Реалiзацiя цих алгоритмiв виконується з урахуванням перехiдних аерогазодинамiчних процесiв, що виникають при регулюваннi вентиляцiйного режиму.

Для реалiзацiї алгоритма автоматичного керування розподiлом потоків повiтря в ШВМ перспективною є мова програмування реального часу PEARL. При програмуваннi завдань повиннi задовольнятися два види вимог до часової обробки даних: вимоги до своєчасностi i вимоги до одночастностi. Операцiйна система реального часу RTOS - UH здiйснює паралельне виконання завдань за їх пріоритетами.

В останнiй час зростає роль цифрових моделей (ЦМ) у зв'язку з припиненням виробництва засобiв для реалiзацiї аналогових моделей (АМ). Для побудови ЦМ застосовуються блочно - орiєнтованi й рівнянна - орiєнтованi мови моделювання. Теоретичне i практичне значення має побудова напiвнатурної ЦМ для дослiдження алгоритмiв i структур систем автоматичного керування розподiлом повiтря.

На основi аналiзу сформульованi задачі дослiджень, наведені вище.

У другому роздiлi ''Розробка алгоритмiв керування розподiлом повiтря у шахтнiй вентиляцiйнiй мережі'' в основу розробок покладено принцип вирівнювання КЗ i принцип безпосереднього цифрового керування, починаючи з дiльниць першого рiвня до вентилятора головного провiтрювання ( ВГП).

Рух повiтря у гірничій виробці описується лінеарізованим рiвнянням:

, (1)

де Т - постійна часу, яка характеризує інерційність повітряного потоку, Q - потік повітря, Н - депресія, Ку - коефiцiєнт передачі об'єкта за керуючою дією, ? - запізнювання у каналі керування.

Коефiцiєнт забезпечення повiтрям - це вiдношення дiйсних значень повітряних потоків (ПП) і-ої дiльниці до потрiбних величин:

. (2)

Алгоритм передбачає два етапи керування. Перший - вирівнювання регуляторами КЗ i зведення їх до значення, що дорівнює одиницi, другий - регулювання ВГП для запезпечення мiнiмальних енерговитрат на провiтрювання. Процедури вирівнювання КЗ починаються з груп паралельних дiльниць першого рiвня, у котрих установлюються однакові КЗ шляхом змiни регулюючих аеродинамiчних опорів. Значення КЗ вирiвнюються iз значенням КЗ базової виробки, яка належить важкопровiтрюваному напрямку (ВПН):

, (3)

де - КЗ i - ої дільниці; - КЗ базової виробки.

Згiдно з принципом керування провiтрюванням КЗ i -ої дільниці, яка належить ВПН, має дорiвнювати одиницi, тобто =1, а депресiя .

На - ому рiвнi керування вирiвнювання КЗ здiйснюється зведенням їх значень до базових КЗ вiдповiдних груп; таким чином, вирівнювання усiх КЗ - го рiвня можна реалiзувати виконанням умови:

, (4)

де - коефiцiєнт забезпеченостi - ої гiлки (j+1) - го рівня;

- базовi коефiцiєнти забезпеченостi груп -го рівня, для яких -ті виробки (j+1) -го рівня є груповими;

- базовi коефiцiєнти забезпеченостi виробки (j+1) -го рiвня, яка належить ВПН мережі.

Таким чином, при переходi на наступний рiвень керування початковою iнформацiєю для вирівнювання є не величини потоків у групових виробках, а базовi коефiцiєнти забезпеченостi груп попереднього рiвня. Операцiя формування даних для розрахунку керуючих дій полягає у переприсвоюваннi

. (5)

Алгоритм будується з врахуванням того, що ШВМ має рiвнiв керування; на - рiвнi маємо:

, (6)

де - коефiцiєнт забезпеченостi -ої виробки -го рiвня;

- базовий коефiцiєнт забезпеченостi виробки (r-1) -го рiвня.

Для апаратурної реалiзацiї PEARL-алгоритма запропоновано використати розроблені процедури вирiвнювання КЗ та відхилення потоків ?Q, які вводяться у систему автоматичного керування потоками повiтря (САК ПП), що пiдтримують ПП на заданих рiвнях з допустимими похибками.

З огляду на помітну інерційність дільничних схем провітрювання і наявність запізнювання ? у каналі керування запропоновано оптимальну систему (САK ПП) зі змінною структурою і принцип її реалізації (рис.1). При великих відхиленнях регульованого параметру від заданого значення система працює за критерієм оптимальної швидкодії; при досягненні параметром області, близької до заданого значення, система переводиться у лінійний режим. Це забезпечує в оптимальній релейній системі усунення автоколивальних режимів, зумовлених присутністю запізнення і задану точність у лінійному режимі.

Систему реалізовано у двох варіантах: як розімкнута, для регулювання потоку повітря за положенням регулюючого органу, у випадках, коли є труднощі безпосереднього вимірювання потоків датчиками у шахтних умовах, і як замкнута за сигналами датчика ПП, коли труднощі вимірювань не існують.

Задачу синтезу релейної системи, оптимальної за швидкодією, поставлено наступним чином.

Для лінеаризованої системи з критерієм керування

, (7) математичною моделлю (1), приведеній у формі

(8)

і обмеженнями , (9)

потрібно перевести об'єкт із стану x0(t0)=0 у стан xn(tn) за мінімальний час. Тут х - вихідна координата ( потік повітря на дільниці), u - керуюча дія ( ступінь відкриття керуючого органу), - максимальне значення u, Кд - коефіцієнт передачі виконавчого двигуна.

У випадку програмної (розімкнутої) САК ПП моменти перемикання максимальної керуючої дії визначені на базі принципу максимума:

, (10)

де - допустимий корінь, який є розв'язком рівняння

, (11)

де - коефіцієнт передачі системи, - корінь характеристичного рівняння (8).

У випадку замкнутої системи керування, при виміренні потоків повітря датчиками, оптимальний закон керування отримано у вигляді:

, (12)

де , - початкова умова щодо потоку повітря.

Синтез системи з ПІ-законом керування для лінійного режиму при заданому затуханні перехідного процесу проведено за інтегральним критерієм

(13)

де - поточна помилка регулювання, задане значення х (уставка щодо потоку повітря).

Реалізація системи зі змінною структурою у шахтних умовах не викликає труднощів, оскільки закони керування формуються у комп'ютері, а безпосередньо на дільниці знаходяться лише релейний елемент та асинхронний виконавчий двигун.

Якщо потрiбнi значення ПП досягнутi на усiх u дiльницях з точнiстю до зони нечутливостi , то для кожної групи визначається функцiя зменшення ПП (''Груповий Регулятор Менше''-). На другому рiвнi керування маємо

, (14)

де ; - номери ГРПП - 2, iнцидентних РПП; - вiдповiдно кiлькiсть РПП у групах дiльниць, iнцидентних груповим регуляторам ГРПП -2, причому u - кiлькiсть дiльниць мережі; РОi - логiчна змінна, що кодує стан РПП: якщо регулятор досягає повнiстю вiдкритого стану, то РО надається значення '1', в iншому випадку РО -'0'; i - номер дільниці (гiлки ШВМ).

На s-ому рiвнi функцiя ГРМ має вигляд

, (15)

де ; ; - остання група (s-1) -го рiвня, iнцидентна останньому ГРПП s - го рiвня, - теж саме, що РО, але для групових регуляторiв j-ої дiльниці рівня s-1; - кiлькiсть ГРПП (s-1)- рiвня, iнцидентних ГРПП s - рiвня.

Функцiя зменшенння ПП на (r+1) - ому рiвнi ('' ДВигун менше'' - ДВМ) описується формулою

ДВМ=, (16)

де ДВМ - логiчна змінна, що кодує стан ВГП : якщо продуктивнiсть вентилятора зменшується , то ДВМ надається '1', у iншому випадку ДВМ - '0'; ; - кiлькiсть ГРПП - r, iнцидентних ВГП; - логiчна змінна, яка кодує стан j-го ГРПП r-го рiвня: якщо вiн повнiстю вiдкритий, , iнакше .

Якщо потрiбних значень ПП на деяких дiльницях першого рiвня не досягнуто, то визначається максимальне неузгодження ?Qупр, яке повинне керувати груповими регуляторами другого рiвня (ГРПП-2 ) у кожнiй групi:

, (17)

де j=1,...,G2; Q i -допустиме вiдхилення на i- й дільниці.

Функцiя збільшення ПП (''Груповий Регулятор Бiльше''- ) на другому рiвнi визначається формулами:

; (18)

умова (18) означає, що збільшення ПП у j-й (j=1,...,G2) груповiй виробцi вiдбувається до тих пiр, доки максимальне iз вiдхилень залишається більшим , тобто , i у гiлках, iнцидентних ГРПП -2, є хоч би один РПП, який досягнув повнiстю вiдкритого стану i j-й ГРПП-2 не повнiстю вiдкритий .

На s-ому рiвнi керування функцiя збiльшення ПП (ГРБ) має вигляд

, (19)

де k=1,...,.

Керування вентилятором на збiльшення ПП ( ''ДВигун Бiльше '' - ) на r+1-ому рiвнi має вигляд

, (20)

де ДВБ - приймає значення '1', якщо продуктивнiсть вентилятора збiльшується, iнакше ДВБ - '0'.

Дослiдження працездатностi й ефективностi пропонованих алгоритмiв функцiонування i структури системи керування розподiлом повiтря - це складна задача, розв'язання якої можливе лише з застосуванням методiв моделювання. Побудові математичних моделей, необхiдних для цих дослiджень, присвячується роздiл 3 ''Розробка математичних моделей системи керування розподілом повітря.''

Цифрова модель системи автоматичного керування потоком повiтря на добувній дільниці (САК ПП) розроблена на основi блочно - орiєнтованої мови моделювання ISRSIM за рiвняннями :

Q=Q т -Q(t);

U=f(Q);

; (21)

;

R'=a;

.

Розроблена методика побудови цифрової моделi ШВМ, iлюстрованої схемою, приведеною на рис.2. Система вузлових i контурних рiвнянь записується у виглядi:

Q1=Q2+Q5+Q6;

Q2=Q3+Q4;

;

; (22)

;

;

Q7=Q2;

Q8=Q1.

де;;;;;;;;

;.

Згідно з ISRSIM - алгоритмом, кожному рiвнянню системи (22) вiдповiдає ланцюжок блокiв, необхiдних для виконання усiх операцiй розв'язання цього рiвняння. Особливiсть системи (22) полягає в тому, що правi частини контурних рiвнянь мають похiднi. При побудовi цифрових моделей за найбiльш простим методом безпосереднього iнтегрування виникають замкнутi алгебраїчнi контури, якi складаються iз суматорiв та iнверторiв. Цi контури викликають нестабільність моделей фiзично сталих мережних об'єктiв. Запропонована модифiкацiя методу, суть якої полягає у тому, що до схем розв'язання контурних рiвнянь додаються iнерцiйнi cуматори з малою постiйною часу Tп. Так, для визначення Q3 iз системи (22) за методом безпосереднього iнтегрування отримуємо

, (23)

де - вихiдна величина iнтегратора. Замiсть (23) пропонується диференцiальне рiвняння:

, (24)

де Тп - постiйна часу, набагато менша, нiж постiйнi часу гiлок ШВМ; Qi - значення потоків у модифiкованій моделi, які вiдрiзняються вiд потоків вихiдної моделi на деякі величини ?Qi; i=1,...,8.

Рiвняння модифiкованої системи (22) з урахуванням (24) записуються у формi:

Q1=Q2+Q5+Q6;

Q2=Q3+Q4;

;

;

;

;

Q7=Q2;

Q8=Q1.

Експериментальна перевiрка показала стабільність i працездатнiсть цифрової моделi, побудованої за модифiкованим методом безпосереднього iнтегрування. Перехiднi процеси вiдповiдають фiзичному змiсту задачі, величини Qi(t) у модифiкованiй моделi збiгаються з їх тестовими значеннями з точністю не гірше 2,5%.

Розроблено цифрову напiвнатурну модель системи керування розподiлом повiтря, структуру якої приведено на рис.3. Модель об'єкта керування (ШВМ) реалiзується на IBM - сумiснiй персональнiй ЕОМ (ПЕОМ), моделi РПП, ГРПП, РВГП i алгоритма керування - на ПЕОМ, яка має операцiйну систему RTOS-UH, мову програмування реального часу PEARL i за параметрами вiдповiдає керуючому обчислювальному комплексу.

Отриманi у цифровiй моделi ШВМ значення потоків повiтря вводяться PEARL-алгоритмом у модель керуючої ЕОМ. Аналiз стану ШВМ проводиться за масивом , який формується спiввiдношеннями

де i - номер гiлки.

Функцiї керування регуляторами мають вигляд:

1.Функцiя зменшення ПП на i - й- дiльниці :

2. Функцiя збiльшення ПП на -й - дiльниці :

Основною особливiстю керованої ШВМ є наявнiсть Пr регуляторiв рiзних рiвнiв (РПП, ГРПП, РВГП ), для керування котрими потрiбно формування Пr задач. Моделi регуляторiв рiзних рiвнiв мають єдину структуру. При рiзнiй кiлькостi Пr i рiзнiм розташуваннi регуляторiв щодо рiвнiв, змiнюються набори задач, а загальна схема обмiну налагоджується засобами мови PEARL.

Модель, що реалiзує PEARL алгоритм керування розподiлом повiтря у ШВМ, використовує модуль CONTROL, який викликає процедури з параметрами регуляторiв i ознаками регулювання.

У четвертому роздiлi ''Реалiзацiя напiвнатурного моделюючого комплекса й експериментальне дослiдження PEARL-алгоритма '' розглядаються апаратно - програмнi аспекти побудови напiвнатурного двомашинного моделюючого комплексу. Передача iнформацiї проводиться через послiдовний порт IBM PC, а передача даних у керуючу ЕОМ - ресурсами OC RTOS-UH.

Для реалiзацiї моделей схем провітрювання дільниць створена пiдпрограма виконання обмiну, яка забезпечує зв'язок мiж машинами рiзних типiв через послiдовний порт RS 232. Програмне забезпечення (ПЗ) являє собою сукупнiсть процедур, якi входять до складу iнтерфейсу користувуча i процедур функцiонування САК ПП.

Структура ПЗ моделi ШВМ аналогiчна структурi ПЗ добувної дільниці. Рiзниця полягає у рiзнiй кiлькостi рiвнянь, якi описують дiльницю, ШВМ i регулятори.

При розробцi програм моделi ВГП використано метод, який полягає у плавному змiщеннi напiрної характеристики вентилятора H(Q) уздовж осi H у функцiї параметра , де - кутова швидкiсть обертання вентилятора.

Проведено компонування технiчних засобiв, налагодження i експериментальнi дослiдження двомашинного напiвнатурного цифрового моделюючого комплексу iз iнтерфейсом користувача, орiєнтованим на дослiдження систем керування розподілом повітря. Пiдтверджено працездатнiсть комплексу у режимi реального часу.

Розроблено й відлагоджено програми PEARL-алгоритма автоматичного керування розподiлом повiтря, проведено експериментальнi дослiдження на напiвнатурнiй цифровiй моделi.

Показано, що цифровi моделi регуляторiв функцiонують вiдповiдно до PEARL-алгоритма. Взаємовплив регульованих потоків не виходить за рамки допустимих вiдхилень.

Визначення контура ВПН та його змiна проходять за запропонованим алгоритмом вiдповiдно реальним динамiчним режимам провiтрювання. Iмiтацiя рiзних комбiнацiй завад та потрiбних режимiв провiтрювання на моделi системи керування показала, що PEARL-алгоритм вирішує задачу мiнiмiзацiї енерговитрат на розподiл повiтря у ШВМ у всiх випадках i може бути рекомендованим для практичного використання.

Результати модельних експериментiв пiдтверджують, що розроблена система керування розподiлом повiтря i її програмне забезпечення можна використовувати для розвитку пiдсистеми АТМОС.

У висновках сформульованi результати i практичне значення виконаної роботи.

У додатку подані програми, якi реалiзують моделi ШВМ і алгоритми автоматичного керування розподiлом повiтря, довідки про практичне використання результатів дисертації.

ВИСНОВКИ

На основi теоретичних i експериментальних дослiджень у дисертацiйнiй роботi дано нове розв'язання наукових задач розвитку методів керування потоками повітря та напівнатурного моделювання керованих ШВМ як багатомірних об'єктів ієрархічної структури, що дало можливість побудувати дільничні та загально-шахтні системи керування розподілом повітря нового наукового рівня, які перевершують відомі системи за якістю забезпеченості повітрям споживачів та динамікою функціонування. Результати виконаних дослiджень зводяться до наступного:

1. Розроблено принцип і алгоритм автоматичного керування розподілом повітря в ієрархічній ШВМ, який враховує розташування регуляторів на r рівнях. В основу алгоритма покладено принцип вирівнювання коефiцiєнтiв забезпеченостi повiтрям, формалiзований у виглядi логiчних спiввiдношень, що охоплюють область усiх можливих станiв ШВМ i реалiзуються як порiвневi процедури вирівнювання.

2. Запропонована нова система керування потоком повітря зі змінною структурою , яка відрізняється тим, що в області великих відхилень потоку на дільниці забезпечує швидке переведення в заданий режим, а в області малих - задану точність за рахунок усунення коливальних процесів, зумовлених запізнюванням. Зформульовані умови реалізації системи шляхом її розподілу на незмінну підземну частину та алгоритмічну частину, що імплементується в центральній ЕОМ.

3. У відповідності з ієрархічністю ШВМ і порівневою організацією керування розподілом повітря запропонована ієрархічна структура системи керування і технічних засобів її реалізації, яка забезпечує розвиток підсистеми АТМОС i її модифiкацiй з додержанням структурної та алгоритмiчної спадкоємностi.

4. Розроблено методику побудови цифрових моделей ШВМ з використанням блочно-орiєнтованої мови моделювання динамiчних систем. Модифiкацiя методу безпосереднього iнтегрування дозволила ліквiдувати можливу нестабiльнiсть цифрової моделi. Цифрова модель керованої ШВМ має похибки за стаціонарними значеннями потоків до 2,5%.

5. Розроблено математичнi моделi cистеми керування розподілом повітря на основi принципу декомпозицiї систем i вiдповiдностi засобiв моделювання рангу модельних задач, якi розв'язуються. При цьому визначені завдання моделювання дiльничих систем, групових регуляторiв, ШВМ як об'єкта керування i всiєї системи у цілому.

6. Розроблено структуру напівнатурної цифрової моделі ієрархічної системи керування розподілом повітря, що містить апаратно - програмні засоби реального часу.

7. Розроблено й дослiджено алгоритми функцiонування модельної та напiвнатурної частин цифрової моделi, якi вiдрiзняються модульнiстю, однотипнiстю функцiональних блокiв i застосованістю у реальнiй керуючій ЕОМ.

8. Побудовано, вiдлагоджено i експериментально дослiджено двомашинний моделюючий комплекс з iнтерфейсом користувача, орiєнтованим на моделювання системи керування провiтрюванням.

9. Експериментально доведено, що розробленi цифровi моделi РПП, ГРПП, РВГП функцiонують правильно: усi можливi комбiнацiї потрiбних потоків забезпечуються стабільно, взаємовплив схем провiтрювання дiльниць зведено до мiнiмальних вiдхилень вiд потрiбних величин потоків; фiзично правильно йде взаємодiя засобiв регулювання '' по вертикалi'', тобто вплив РПП на ГРПП, РВГП й назад.

10. Розроблено програмне забезпечення (ПЗ) системи керування розподiлом повiтря на основi мови реального часу PEARL.

Дослiдженнями на напiвнатурному моделюючому комплексi пiдтверджена правильнiсть iдей побудови PEARL-алгоритма автоматичного керування розподiлом повiтря, iмiтацiя рiзних комбiнацiй збуджень i потрібних режимiв провiтрювання показала, що PEARL-алгоритм розв'язує завдання мiнiмiзацiї енерговитрат на провiтрювання й може бути рекомендованим для практичного використання на шахтах .

Розпочато практичне застосування результатів, отриманих в дисертації. Принцип та алгоритм керування розподілом повітря використано МакНДІ в алгоритмічному забезпеченні системи АТМОС - А. Напівнатурний моделюючий комплекс використовується у навчальному процесі ДонДТУ для виконання курсових та дипломних проектів. Є перспектива його застосування в галузевому моделюючому і сервісному центрі, який буде розробляти та реалізовувати проекти прив'язки АТМОС - А до умов шахт України.

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦIЇ ОПУБЛIКОВАНО НАСТУПНI ПРАЦІ

1. Мокрый Г. В., Сальман С. А. Система оптимального управления проветриванием добычного участка шахты. Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия вычислительная техника и автоматизация вып.3.- Донецк, 1999 С. 107-114.

2. Сальман С. А. Полунатурная цифровая модель для исследования систем управления проветриванием шахт. В сб.: Информатика, кибернетика и вычислительная техника, 1997. Вып.1. - Донецк, С. 254 - 256.

3. Сальман С. А. Блочно-ориентированная ЦМ переходных аэродинамических процессов в ШВС. -Уголь Украины, 1998, № 6, С. 39 - 40.

4. Сальман С. А. Реализация алгоритмов управления воздухораспределения на базе языка реального времени. - Уголь Украины, 1998, № 6, С. 40 - 42.

5. Святный В. А., Сальман С. А., Разинков В. В. Разработка цифровой математической модели шахтной вентиляционной сети с применением моделирующей системы ISRSIM. - Рукопись представлена Донецк. гос. техн. ун-том .-Донецк, 1993-33с.-Деп. в ГНТБ Украины, 07.02.95 № 258-УК-95.

6. Святный В. А., Сальман С. А., Демьяненко О. И. Организация инструментальной двухмашинной вычислительной системы моделирования управляемой шахтной вентиляционной сети. - Рукопись представлена Донецк. гос. техн. ун-том.-Донецк,1995-31с. Деп. в ГНТБ Украины, 07.02.95 № 259-УК-95.

7. Святный В. А. , Сальман С. А. Разработка и моделирование алгоритмов управления проветриванием шахт на базе управляющих систем реального времени . Рукопись представлена Донецк. гос. техн. ун-том.- Донецк, 1995-26с.-Деп. в ГНТБ Украины, 24.02.95 № 260-УК-95.

8. Святный В. А., Сальман С. А. Исследование алгоритмов автоматического управления воздухораспределением в шахтной вентиляционной сети на полунатурной цифровой модели. - Рукопись представлена Донецк. гос. техн. ун-том.-Донецк, 1996-23с.- Деп. в ГНТБ Украины, 05.06.96 № 1340-УК-96.

АННОТАЦИЯ

Сальман. С. А. Разработка и моделирование систем управления воздухораспределением в шахтных вентиляционных сетях. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - ''Автоматизация технологических процессов''. - Донецкий государственный технический университет. г. Донецк, 1999г.

На основе теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе дано новое решение научных задач развития методов управления расходами воздуха и полунатурного моделирования управляемых ШВС как многосвязных объектов иерархической структуры, что позволило разработать участковые и общещахтные системы управления воздухораспределением нового научного уровня, превосходящие известные системы по качеству обеспеченности воздухом потребителей и динамике функционирования. Результаты выполненных исследований сводятся к следующему:

1. Разработан принцип и алгоритм автоматического управления воздухораспределением иерархической ШВС, учитывающий расстановку регуляторов по уровням. В основу алгоритма положен принцип выравнивания коэффициентов обеспеченности воздухом, формализованный в виде логических соотношений, охватывающих область всех возможных состояний ШВС и реализуемых как поуровневые процедуры выравнивания. Предложена новая участковая система управления проветриванием с переменной структурой, отличающаяся тем, что в области больших отклонений расхода воздуха обеспечивает быстрый перевод в заданный режим, а в области малых - заданную точность путем исключения автоколебательных процессов, обусловленных запаздыванием. Сформулированы условия реализации системы путём её разделения на неизменяемую подземную часть и алгоритмическую часть, имплементируемую в центральной ЭВМ. В соответствии с иерархичностью ШВС и поуровневой организацией управления воздухораспределением, предложена иерархическая структура системы управления и технических средств её реализации, обеспечивающая развитие подсистемы АТМОС и её модификаций с соблюдением структурной и алгоритмической преемственности.

2. Разработана методика построения цифровой модели ШВС как объекта управления с применением блочно-ориентированного языка моделирования динамических систем. Модификация метода непосредственного интегрирования позволила устранить возможную нестабильность цифровой модели. Цифровая модель управляемой ШВС имеет погрешность по установившимся значениям расходов до 2.5%. Разработаны математические модели подсистем управления проветриванием на основе принципа декомпозиции системы и соответствия средств моделирования рангу решаемых модельных задач. При этом введены задачи моделирования участковых систем, групповых регуляторов, ШВС как объекта управления и всей системы в целом. Разработана структура полунатурной цифровой модели иерархической системы управления проветриванием, которая содержит аппаратно-программные средства реального времени. Разработаны и исследованы алгоритмы функционирования модельной и полунатурной частей цифровой модели, которые отличаются модульностью, однотипностью функциональных блоков и применимостью в реальном УВК. Построен, отлажен и экспериментально исследован двухмашинный моделирующий комплекс с пользовательским интерфейсом, ориентированным на моделирование системы управления проветриванием.

3. Экспериментально показано, что разработанные цифровые модели РРВ, ГРРВ, РВГП функционируют правильно: все возможные комбинации требуемых расходов отрабатываются устойчиво, взаимовлияние схем проветривания участков сводится к минимальным отклонениям от требуемых расходов; физически правильно идет взаимодействие средств регулирования '' по вертикали'', т. е. влияние РРВ на ГРРВ, РВГП и обратно. Разработано программное обеспечение (ПО) системы управления воздухораспределением на основе языка реального времени PEARL. Исследованиями на полунатурном моделирующем комплексе подтверждена правильность идей построения PEARL-алгоритма автоматического управления воздухораспределением. Имитация различных комбинаций возмущений и требуемых режимов проветривания показала, что PEARL-алгоритм решает задачу минимизации энергозатрат на проветривание и может быть рекомендован для практического применения на шахтах.

Ключевые слова: шахта, шахтная вентиляционная сеть, автоматическая система управления, цифровая модель, полунатурный моделирующий комплекс, алгоритм реального времени.

АНОТАЦІЯ

Сальман С. А. Розробка та моделювання систем керування розподілом повітря в шахтних вентиляційних мережах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07-''Автоматизація технологічних процесів.'' Донецький державний технічний університет, м. Донецьк, 1999р.

Дисертація присвячена розв'язанню актуальних задач проблеми автоматизованого керування вентиляцією вугільних шахт. Розроблено принцип та алгоритм автоматичного керування шахтними вентиляційними мережами (ШВМ) з урахуванням ієрархічного розташування керуючих засобів на r рівнях. Запропоновано методику синтезу дільничних систем керування вентиляцією, що мають змінну структуру та забезпечують оптимальну швидкодію переводу об'єкта керування в потрібний режим роботи. Розроблено ієрархічну структуру загальношахтної системи керування відповідно до принципу та алгоритму функціонування. Розроблено та досліджено цифрові математичні моделі ШВМ та системи керування ними. Запропонована системна організація моделей у вигляді напівнатурного моделюючого комплексу з використанням апаратно - програмних засобів вирішения задач реального часу.

Ключові слова: шахта, шахтна вентиляційна мережа, автоматична система керування, цифрова модель, напівнатурний моделюючий комплекс, алгоритм реального часу.

ABSTRACT

Salman S. A. Working out and modeling of airspreading control systems of mine ventilation networks. Manuscript.

Dissertation for seeking of scientific degree of a candidate of technical sciences on speciality 05.13.07- automatization of technological processes. Donetsk State Technical University, Donetsk, 1999.

Dissertation is devoted to the solving of actual tasks of problems of mine ventilation automatic control. One worked out the principle and the algorithm of mine ventilation network automatic control taking into account hieratic placing of control means on r levels. One offered the methodics of synthesis of section ventilation control systems that have changeable structure and provide optimal quickaction of transition of control object to the necessary work regime. Hieratic structure of general mine control system was worked out according to principle and algorithm of functioning.

Digital mathematical models and their control systems were worked out and investigated. One offered systematical organization of models in form of semi-natural model complex with applying mechanically-program means of solving of real time tasks.

Key words: mine, mine ventilation network, automatic control system, digital, semi-natural simulation complex, real time algorithm.

Размещено на Allbest.ru

...