Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.4.001.57

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТА МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ РОЗПОДІЛОМ ПОВІТРЯ В ШАХТНИХ ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ МЕРЕЖАХ

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

САЛЬМАН САЛЬМАН АБДУЛЬ КАРИМ

Донецьк - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник:

Володимир Андрійович Святний, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри ЕОМ Донецького державного технічного університету.

Офіційні опоненти:

Олексій Андрійович Бориcов, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри АТ Донецького державного технічного університету;

Олег Васильович Михайловський, кандидат технічних наук, заступник директора мережної академії АМД (агентство 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 відбудеться ''29'' квітня 1999р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.03 Донецького державного технічного університету за адресою: 340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 1, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету за адресою 340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розісланий '' 27'' березня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Мокрий Г.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність и ступінь дослідження теми. Автоматизація провітрювання шахт являє собою складну науково-технічну проблему, у розв'язанні якої приймають участь колективи різних науково-конструкторських інститутів й організацій, вищих учбових закладів, заводів шахтної автоматики. До теперішнього часу були сформульовані наукові основи автоматизації, методи і засоби контролю параметрів шахтної атмосфери й регулювання потоків повітря, створені передумови для практичної реалізації систем диспетчерського (СДКП) і автоматичного (САКП) керування провітрюванням шахт (підсистема АТМОС), ефективність функціонування котрих в значній мірі визначається їх алгоритмічним забезпеченням.

Реалізація систем керування провітрюванням як підсистеми АСУ ТП шахт дозволить оперативно ліквідувати загазованості й знизити простої добувних машин за газовим фактором, створити передумови для підвищення гранично допустимих норм концентрації метану, знизити загальношахтну потрібну кількість повітря й споживання електроенергії за рахунок раціонального розподілення повітря й роботи вентилятора головного провітрювання (ВГП) в економічних режимах. Усе це підвищить безпечність проведення гірничих робіт і забезпечить певний економічний ефект.

Досвід розробки і експлуатації підсистеми АТМОС, поява нових засобів обчислювальної техніки й програмного забезпечення висувають актуальні дослідницькі завдання, пов'язані з алгоритмізацією керування розподілом повітря у шахтних вентиляційних мережах (ШВМ), обґрунтування структури обчислювальних засобів САКП як підсистеми інтегрованої АСУ ТП шахти, створенням алгоритмів безпосереднього цифрового керування виконавчими механізмами регуляторів потоків повітря (РПП), розвитком методів й засобів моделювання ШВМ та систем керування ними.

Метою дисертаційної 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. Ідея побудови систем керування полягає в об'єднанні принципів вирівнювання коефіцієнтів забезпеченості (КЗ) повітрям об'єктів груп умовно паралельних гілок й безпосереднього цифрового керування (БЦК) регуляторами потоків повітря, розташованими на різних ступенях ієрархії ШВМ, у рамках єдиної задачі реального часу, котра розв'язується на напівнатурній цифровій моделі з подальшим переносом на реальний керуючий комплекс.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої мети у роботі розв'язуються наступні задачі.

1. Розробка принципів і алгоритмів автоматичного керування розподілом повітря, сумісних з алгоритмічним забезпеченням підсистеми АТМОС й орієнтованих на імплементацію у програмно-апаратній системі реального часу.

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

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

4. Дослідження ефективності алгоритмів і структур систем керування на напівнатурній цифровій моделі.

5. Розробка, відлагодження, експериментальні дослідження програмного забезпечення систем керування розподілом повітря на базі програмної системи реального часу.

Наукова новизна дисертації полягає у формалізації принципу вирівнювання коефіцієнтів забезпеченості (КЗ) повітрям об'єктів вентиляції у вигляді логічних співвідношень, котрі описують область усіх можливих станів ШВМ; у побудові алгоритму функціонування ієрархічної системи керування розподілом повітря як зв'язаної логічними співвідношеннями сукупності процедур вирівнювання коефіцієнтів КЗ на кожному рівні ієрархії, яка реалізується у рамках єдиної задачі реального часу; в розробці нової системи керування розподілом повітря зі змінною структурою, яка відрізняється швидкодією, потрібною точністю і відсутністю автоколивань, зумовлених запізнюванням; в розробці структури та алгоритму функціонування цифрового напівнатурного моделюючого комплексу для дослідження систем керування розподілом повітря 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 досліджень. В роботі застосовані методи математичного аналізу, теорії алгебраїчних й диференціальних рівнянь, теорії цифрових автоматів, обчислювальної математики, теорії керування, математичного моделювання, розвинуто методику моделювання систем керування на напівнатурних цифрових моделях.

Практичне значення результатів дисертації полягає в тому, що розроблені алгоритми функціонування і структура системи керування розподілом повітря можуть бути використані при розвитку підсистеми АТМОС за рахунок застосування у її складі персональної ЕОМ з операційною системою реального часу і мовою програмування PEARL. Розроблений напівнатурний цифровий моделюючий комплекс може бути використаним як складова частина засобів автоматизованого проектування систем керування провітрюванням шахт, а також для навчання персоналу, що обслуговує ці системи на шахтах.

На захист виносяться:

1. Принцип автоматичного керування розподілом повітря, формалізований у вигляді логічних співвідношень, які охоплюють область усіх можливих станів ШВМ і реалізуються як процедури вирівнювання коефіцієнтів забезпеченості повітрям об'єктів вентиляції, розташованих на різних рівнях ієрархії ШВМ.

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

3. Модифікація методу безпосереднього інтегрування, на основі якої будується цифрова модель ШВМ як багатомірного об'єкту автоматизації.

4. Напівнатурний цифровий моделюючий комплекс для дослідження й розробки систем керування розподілом повітря.

Декларація особистого внеску. Особистий внесок автора полягає у розробці алгоритму керування розподілом повітря на основі об'єднання принципів вирівнювання коефіцієнтів забезпеченості і безпосереднього цифрового керування як рівневих процедур, у побудові перспективної структури технічних засобів, модифікація методу безпосереднього інтегрування стосовно побудови блочно - орієнтованої цифрової моделі ШВМ, у розробці структури, алгоритмів функціонування і програмного забезпечення напівнатурного цифрового моделюючого комплексу, у проведенні широкоосяжних модельних експериментів.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень і результатів. Наукові положення, висновки і результати дисертаційної роботи достатньо достовірні й обґрунтовані: математичні моделі будуються на основі рівнянь, фізична відповідність котрих доведена попередніми дослідниками; похибки цифрового моделювання ШВМ як об'єкта керування за стаціонарними величинами потоків повітря знаходяться у межах 2,5 %; працездатність алгоритму, правильність функціонування системи керування пропонованої структури доведені експериментами на напівнатурній моделі. Ці результати не суперечать даним, добутим розробниками підсистеми АТМОС при її шахтних випробуваннях.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на семінарах кафедри ЕОМ ДонДТУ (1990, 1992, 1995, 1997), на наукових конференціях ДонДТУ (1991, 1993, 1995), на семінарі одного з розробників мови PEARL, інституту автоматизації і програмного забезпечення керуючих систем (ІAS) Штутгартського університету (1990), на семінарі ДонДТУ, фірми GPP і ІAS щодо САПР EPOS (Донецьк, 1994).

Публікації. Результати дисертації 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. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, викладених на 144 сторінках машинописного тексту, містить 53 рисунки, 6 таблиць, список літератури із 89 найменувань, 38 сторінок додатка.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й задачі досліджень, наведено основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі надано аналіз стану розробок і реалізації алгоритмів і структур систем керування провітрюванням шахт, методів та засобів їх моделювання. Визначена загальна характеристика ШВМ як об'єкта керування, постановка задач керування провітрюванням з урахуванням різних критеріїв. 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 рівня керування: керування концентрацією метану С шляхом зміни повітряних потоків (ПП) і керування потоку Q шляхом зміни регульованого аеродинамічного опору чи депресії дільниці.

ШВМ являє собою об'єкт із зосередженими параметрами, динамічні процеси розподілу повітря у мережі описуються системою звичайних диференціальних і алгебраїчних рівнянь.

Існуючі алгоритми функціонування системи диспетчерського (СДКП) і системи автоматичного керування провітрюванням (САКП) можна розділити на три групи: алгоритми САКП, що реалізуються апаратно, алгоритми програмного керування і алгоритми ітераційного керування розподілом повітря. Реалізація цих алгоритмів виконується з урахуванням перехідних аерогазодинамічних процесів, що виникають при регулюванні вентиляційного режиму.

Для реалізації алгоритму автоматичного керування розподілом потоків повітря в ШВМ перспективною є мова програмування реального часу PEARL. При програмуванні завдань повинні задовольнятися два види вимог до часової обробки даних: вимоги до своєчасності і вимоги до одночасності. Операційна система реального часу RTOS - UH здійснює паралельне виконання завдань за їх пріоритетами.

В останній час зростає роль цифрових моделей (ЦМ) у зв'язку з припиненням виробництва засобів для реалізації аналогових моделей (АМ). Для побудови ЦМ застосовуються блочно - орієнтовані й рівнянна - орієнтовані мови моделювання. Теоретичне і практичне значення має побудова напівнатурної ЦМ для дослідження алгоритмів і структур систем автоматичного керування розподілом повітря.

На основі аналізу сформульовані задачі досліджень, наведені вище.

У другому розділі ''Розробка алгоритмів керування розподілом повітря у шахтній вентиляційній мережі'' в основу розробок покладено принцип вирівнювання КЗ і принцип безпосереднього цифрового керування, починаючи з дільниць першого рівня до вентилятора головного провітрювання (ВГП).

Рух повітря у гірничій виробці описується лінеарізованим рівнянням:

, (1)

де Т - постійна часу, яка характеризує інерційність повітряного потоку, Q - потік повітря, Н - депресія, К_у - коефіцієнт передачі об'єкта за керуючою дією, t - запізнювання у каналі керування.

Коефіцієнт забезпечення повітрям - це відношення дійсних значень повітряних потоків (ПП) і-ої дільниці до потрібних величин:

. (2)

Алгоритм передбачає два етапи керування. Перший - вирівнювання регуляторами КЗ і зведення їх до значення, що дорівнює одиниці, другий - регулювання ВГП для забезпечення мінімальних енерговитрат на провітрювання. Процедури вирівнювання КЗ починаються з груп паралельних дільниць першого рівня, у котрих установлюються однакові КЗ шляхом зміни регулюючих аеродинамічних опорів. Значення КЗ вирівнюються із значенням КЗ базової виробки, яка належить важкопровітрюваному напрямку (ВПН):

, (3)

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

Згідно з принципом керування провітрюванням КЗ і -ої дільниці, яка належить ВПН, має дорівнювати одиниці, тобто =1, а депресія:

.

На - ому рівні керування вирівнювання КЗ здійснюється зведенням їх значень до базових КЗ відповідних груп; таким чином, вирівнювання усіх КЗ - го рівня можна реалізувати виконанням умови:

, (4)

де - коефіцієнт забезпеченості - ої гілки (j+1) - го рівня;

- базові коефіцієнти забезпеченості груп -го рівня, для яких -ті виробки (j+1) -го рівня є груповими;

- базові коефіцієнти забезпеченості виробки (j+1) -го рівня, яка належить ВПН мережі.

Таким чином, при переході на наступний рівень керування початковою інформацією для вирівнювання є не величини потоків у групових виробках, а базові коефіцієнти забезпеченості груп попереднього рівня. Операція формування даних для розрахунку керуючих дій полягає у переприсвоюванні:

. (5)

Алгоритм будується з врахуванням того, що ШВМ має рівнів керування; на - рівні маємо:

, (6)

де - коефіцієнт забезпеченості -ої виробки -го рівня;

- базовий коефіцієнт забезпеченості виробки (r-1) -го рівня.

Для апаратурної реалізації PEARL-алгоритму запропоновано використати розроблені процедури вирівнювання КЗ та відхилення потоків DQ, які вводяться у систему автоматичного керування потоками повітря (САК ПП), що підтримують ПП на заданих рівнях з допустимими похибками.

З огляду на помітну інерційність дільничних схем провітрювання і наявність запізнювання t 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 x_n(t_n) за мінімальний час. Тут х - вихідна координата (потік повітря на дільниці), u - керуюча дія (ступінь відкриття керуючого органу), - максимальне значення u, К_д - 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)

- коефіцієнт передачі системи, a - 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 потрібні значення ПП досягнуті на усіх u дільницях з точністю до зони нечутливості , то для кожної групи визначається функція зменшення ПП (''Груповий Регулятор Менше''-). На другому рівні керування маємо:

, (14)

де ; - номери ГРПП - 2, інцидентних РПП; - відповідно кількість РПП у групах дільниць, інцидентних груповим регуляторам ГРПП -2, причому u - кількість дільниць мережі; РО_{і -} логічна змінна, що кодує стан РПП: якщо регулятор досягає повністю відкритого стану, то РО надається значення '1', в іншому випадку РО -'0'; і - номер дільниці (гілки ШВМ).

На s-ому рівні функція ГРМ має вигляд:

, (15)

де ; ; - остання група (s-1) -го рівня, інцидентна останньому ГРПП s - го рівня, - теж саме, що РО, але для групових регуляторів j-ої дільниці рівня s-1; - кількість ГРПП (s-1)- рівня, інцидентних ГРПП s - рівня.

Функція зменшення ПП на (r+1) - ому рівні (''двигун менше'' - ДВМ) описується формулою:

ДВМ=, (16)

де ДВМ - логічна змінна, що кодує стан ВГП: якщо продуктивність вентилятора зменшується, то ДВМ надається '1', у іншому випадку ДВМ - '0'; ; - кількість ГРПП - r, інцидентних ВГП; - логічна змінна, яка кодує стан j-го ГРПП r-го рівня: якщо він повністю відкритий, , інакше .

Якщо потрібних значень ПП на деяких дільницях першого рівня не досягнуто, то визначається максимальне неузгодження DQ_упр, яке повинне керувати груповими регуляторами другого рівня (ГРПП-2) у кожній групі:

, (17)

де j=1,...,G₂; DQ _і -допустиме відхилення на і- й дільниці.

Функція збільшення ПП (''Груповий Регулятор Більше''- ) на другому рівні визначається формулами:

, (18)

умова (18) означає, що збільшення ПП у j-й (j=1,...,G₂) груповій виробці відбувається до тих пір, доки максимальне із відхилень залишається більшим , тобто , і у гілках, інцидентних ГРПП -2, є хоч би один РПП, який досягнув повністю відкритого стану і j-й ГРПП-2 не повністю відкритий .

На s-ому рівні керування функція збільшення ПП (ГРБ) має вигляд:

, (19)

де k=1,...,.

Керування вентилятором на збільшення ПП (''ДВигун Більше '' -) на r+1-ому рівні має вигляд:

, (20)

де ДВБ - приймає значення '1', якщо продуктивність вентилятора збільшується, інакше ДВБ - '0'.

Дослідження працездатності й ефективності пропонованих алгоритмів функціонування і структури системи керування розподілом повітря - це складна задача, розв'язання якої можливе лише з застосуванням методів моделювання. Побудові математичних моделей, необхідних для цих досліджень, присвячується розділ 3 ''Розробка математичних моделей системи керування розподілом повітря''.

Цифрова модель системи автоматичного керування потоком повітря на добувній дільниці (САК ПП) розроблена на основі блочно - орієнтованої мови моделювання ІSRSІM за рівняннями:

DQ=Q _т -Q(t);

U=f(DQ);

; (21)

;

R'=a a²;

.

Розроблена методика побудови цифрової моделі ШВМ, ілюстрованої схемою, приведеною на рис. 2. Система вузлових і контурних рівнянь записується у вигляді:

Q₁=Q₂+Q₅+Q₆;

Q₂=Q₃+Q₄;

;

; (22)

;

;

Q₇=Q₂;

Q₈=Q₁.

де;;;;;;;;

;.

Згідно з ІSRSІM - алгоритмом, кожному рівнянню системи (22) відповідає ланцюжок блоків, необхідних для виконання усіх операцій розв'язання цього рівняння. Особливість системи (22) полягає в тому, що праві частини контурних рівнянь мають похідні. При побудові цифрових моделей за найбільш простим методом безпосереднього інтегрування виникають замкнуті алгебраїчні контури, які складаються із суматорів та інверторів. Ці контури викликають нестабільність моделей фізично сталих мережних об'єктів. Запропонована модифікація методу, суть якої полягає у тому, що до схем розв'язання контурних рівнянь додаються інерційні cуматори з малою постійною часу T_п. Так, для визначення Q₃ із системи (22) за методом безпосереднього інтегрування отримуємо:

, (23)

- вихідна величина інтегратора. Замість (23) пропонується диференціальне рівняння:

, (24)

де Т_п - постійна часу, набагато менша, ніж постійні часу гілок ШВМ; Q_і - значення потоків у модифікованій моделі, які відрізняються від потоків вихідної моделі на деякі величини DQ_і; і=1,...,8.

Рівняння модифікованої системи (22) з урахуванням (24) записуються у формі:

Q₁=Q₂+Q₅+Q₆;

Q₂=Q₃+Q₄;

;

;

;

;

Q₇=Q₂;

Q₈=Q₁.

Експериментальна перевірка показала стабільність і працездатність цифрової моделі, побудованої за модифікованим методом безпосереднього інтегрування. Перехідні процеси відповідають фізичному змісту задачі, величини Q_і(t) у модифікованій моделі збігаються з їх тестовими значеннями з точністю не гірше 2,5 %.

Розроблено цифрову напівнатурну модель системи керування розподілом повітря, структуру якої приведено на рис. 3. Модель об'єкта керування (ШВМ) реалізується на ІBM - сумісній персональній ЕОМ (ПЕОМ), моделі РПП, ГРПП, РВГП і алгоритму керування - на ПЕОМ, яка має операційну систему RTOS-UH, мову програмування реального часу PEARL і за параметрами відповідає керуючому обчислювальному комплексу.

Отримані у цифровій моделі ШВМ значення потоків повітря вводяться PEARL-алгоритмом у модель керуючої ЕОМ. Аналіз стану ШВМ проводиться за масивом , який формується співвідношеннями:

де і - номер гілки.

Функції керування регуляторами мають вигляд:

1.Функція зменшення ПП на і - й- дільниці :

.

Рис. 3. Структура моделі системи керування розподілом повітря.

2. Функція збільшення ПП на -й - дільниці :

.

Основною особливістю керованої ШВМ є наявність П_r регуляторів різних рівнів (РПП, ГРПП, РВГП), для керування котрими потрібно формування П_r задач. Моделі регуляторів різних рівнів мають єдину структуру. При різній кількості П_r і різнім розташуванні регуляторів щодо рівнів, змінюються набори задач, а загальна схема обміну налагоджується засобами мови PEARL.

Модель, що реалізує PEARL алгоритм керування розподілом повітря у ШВМ, використовує модуль CONTROL, який викликає процедури з параметрами регуляторів і ознаками регулювання.

У четвертому розділі ''Реалізація напівнатурного моделюючого комплексу й експериментальне дослідження PEARL-алгоритму'' розглядаються апаратно-програмні аспекти побудови напівнатурного двомашинного моделюючого комплексу. Передача інформації проводиться через послідовний порт ІBM PC, а передача даних у керуючу ЕОМ - ресурсами OC RTOS-UH.

Для реалізації моделей схем провітрювання дільниць створена підпрограма виконання обміну, яка забезпечує зв'язок між машинами різних типів через послідовний порт RS 232. Програмне забезпечення (ПЗ) являє собою сукупність процедур, які входять до складу інтерфейсу користувуча і процедур функціонування САК ПП.

Структура ПЗ моделі ШВМ аналогічна структурі ПЗ добувної дільниці. Різниця полягає у різній кількості рівнянь, які описують дільницю, ШВМ і регулятори. шахтна вентиляційна автоматичне управління

При розробці програм моделі ВГП використано метод, який полягає у плавному зміщенні напірної характеристики вентилятора H(Q) уздовж осі H у функції параметра w, де w - кутова швидкість обертання вентилятора.

Проведено компонування технічних засобів, налагодження і експериментальні дослідження двомашинного напівнатурного цифрового моделюючого комплексу із інтерфейсом користувача, орієнтованим на дослідження систем керування розподілом повітря. Підтверджено працездатність комплексу у режимі реального часу.

Розроблено й відлагоджено програми PEARL-алгоритма автоматичного керування розподілом повітря, проведено експериментальні дослідження на напівнатурній цифровій моделі.

Показано, що цифрові моделі регуляторів функціонують відповідно до PEARL-алгоритму. Взаємовплив регульованих потоків не виходить за рамки допустимих відхилень.

Визначення контуру ВПН та його зміна проходять за запропонованим алгоритмом відповідно реальним динамічним режимам провітрювання. Імітація різних комбінацій завад та потрібних режимів провітрювання на моделі системи керування показала, що PEARL-алгоритм вирішує задачу мінімізації енерговитрат на розподіл повітря у ШВМ у всіх випадках і може бути рекомендованим для практичного використання.

Результати модельних експериментів підтверджують, що розроблена система керування розподілом повітря і її програмне забезпечення можна використовувати для розвитку підсистеми АТМОС.

У висновках сформульовані результати і практичне значення виконаної роботи. У додатку подані програми, які реалізують моделі ШВМ і алгоритми автоматичного керування розподілом повітря, довідки про практичне використання результатів дисертації.

ВИСНОВКИ

На основі теоретичних і експериментальних досліджень у дисертаційній роботі 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 досліджень зводяться до наступного:

1. Розроблено принцип і алгоритм автоматичного керування розподілом повітря в ієрархічній ШВМ, який враховує розташування регуляторів на r рівнях. В основу алгоритму покладено принцип вирівнювання коефіцієнтів забезпеченості повітрям, формалізований у вигляді логічних співвідношень, що охоплюють область усіх можливих станів ШВМ і реалізуються як порівневі 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 і її модифікацій з додержанням структурної та алгоритмічної спадкоємності.

4. Розроблено методику побудови цифрових моделей ШВМ з використанням блочно-орієнтованої мови моделювання динамічних систем. Модифікація методу безпосереднього інтегрування дозволила ліквідувати можливу нестабільність цифрової моделі. Цифрова модель керованої ШВМ має похибки за стаціонарними значеннями потоків до 2,5 %.

5. Розроблено математичні моделі системи керування розподілом повітря на основі принципу декомпозиції систем і відповідності засобів моделювання рангу модельних задач, які розв'язуються. При цьому визначені завдання моделювання дільничих систем, групових регуляторів, ШВМ як об'єкта керування і всієї системи у цілому.

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

7. Розроблено й досліджено алгоритми функціонування модельної та напівнатурної частин цифрової моделі, які відрізняються модульністю, однотипністю функціональних блоків і застосовністю у реальній керуючій ЕОМ.

8. Побудовано, відлагоджено і експериментально досліджено двомашинний моделюючий комплекс з інтерфейсом користувача, орієнтованим на моделювання системи керування провітрюванням.

9. Експериментально доведено, що розроблені цифрові моделі РПП, ГРПП, РВГП функціонують правильно: усі можливі комбінації потрібних потоків забезпечуються стабільно, взаємовплив схем провітрювання дільниць зведено до мінімальних відхилень від потрібних величин потоків; фізично правильно йде взаємодія засобів регулювання '' по вертикалі'', тобто вплив РПП на ГРПП, РВГП й назад.

10. Розроблено програмне забезпечення (ПЗ) системи керування розподілом повітря на основі мови реального часу PEARL.

11. Дослідженнями на напівнатурному моделюючому комплексі підтверджена правильність ідей побудови PEARL-алгоритму автоматичного керування розподілом повітря, імітація різних комбінацій збуджень і потрібних режимів провітрювання показала, що PEARL-алгоритм розв'язує завдання мінімізації енерговитрат на провітрювання й може бути рекомендованим для практичного використання на шахтах.

12. 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 ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО НАСТУПНІ 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 ІSRSІM. - 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.

Особистий внесок дисертанта у публікаціях:

[5] - модифікація методу безпосереднього інтегрування і організація модельних експериментів.

[6] - PEARL - алгоритм і програми функціонування двомашинного обчислювального комплексу.

[7] - алгоритм керування провітрюванням і метод його моделювання з використанням операційної системи реального часу RTOS-UH.

[8] - Методика моделювання, програма досліджень і результати моделювання PEARL - алгоритму на напівнатурній моделі.

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, 1999 г.

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, 1999 р.

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 вирішення 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 specialty 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 quick action 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

...