ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Фесенко МИКОЛА СЕРГІЙОВИЧ

УДК 622.43/45:62-52

Розробка системи оптимального управління шахтними вентиляторами головного провітрювання

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Донецьк - 2005Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ульшин Віталій Олександрович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри комп’ютеризованих систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сілаєв Віктор Іванович, Донецька державна академія управління Міністерства освіти і науки України, професор кафедри менеджменту у виробничій сфері (м. Донецьк);

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Демченко Микола Петрович, ВАТ Науково-дослідний інститут гірничої механіки імені М.М. Федорова, завідувач лабораторії інформаційних систем і засобів (м. Донецьк).

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра технічної кібернетики (м. Київ).

Захист відбудеться 9 червня 2005 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.03 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, проспект 25 річчя РККА 1, корп. 8, ауд. 705.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, корп. 2.

Автореферат розісланий 5 травня 2005 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради К11.052.03

к.т.н., доц. Г.В. Мокрий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прямі витрати на вентиляцію шахт і рудників сягають до 7% вартості валового національного продукту, причому більшу частину з них становить вартість електроенергії, яку споживають вентиляторні установки. При цьому методи й алгоритми, що використовуються, не дозволяють домогтися високої ефективності й оперативності управління. На 75% ВГП не здійснюється оперативне й плавне регулювання продуктивності, близько 20 % вентиляторів узагалі не регулюються, що призводить до значних перевитрат електроенергії й передчасного зносу устаткування.

Одним із перспективних напрямків підвищення ефективності управління шахтними ВГП є використання більш досконалих засобів автоматизації й алгоритмів керування, що дають можливість створення єдиної централізованої системи управління провітрюванням. Це дозволить оперативно ліквідувати загазованість виробок і зменшити простої виймальних машин за газовим чинником, зменшити загальношахтну витрату повітря й споживання електроенергії за рахунок раціонального оперативного регулювання продуктивності ВГП.

Вибір теми дисертаційного дослідження й її актуальність визначається необхідністю підвищення ефективності управління шахтними ВГП шляхом удосконалювання алгоритмів і методів керування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з теми дисертації проводилися за тематичним планом Донбаського гірничо-металургійного інституту при виконанні НДР “Створення динамічної математичної моделі формування метановості гірничих виробок вугільних шахт” (№ державної реєстрації 0104U002167). Роль здобувача у виконанні цієї НДР полягала в розробці математичної моделі системи “Вентилятор-Мережа” та аналізі впливу її динамічних властивостей на процес виділення метану.

Мета роботи. Розроблення й дослідження алгоритмів оптимального управління шахтними вентиляторами головного провітрювання, обладнаними пристроями оперативного плавного регулювання продуктивності, які забезпечують підвищення безпеки гірничих робіт, зниження витрати електроенергії, скорочення часу простоїв очисних і прохідницьких вибоїв, зниження собівартості корисних копалин, що добуваються.

Для досягнення мети вирішувалися наступні основні задачі:

розроблення й дослідження методу й загальної структури системи управління шахтним ВГП;

розроблення й дослідження математичної моделі ВГП шахти, обладнаного пристроєм повороту лопаток робочого колеса на ходу;

синтез алгоритму оптимального регулювання продуктивності ВГП й дослідження його ефективності під час дії зовнішніх збурень і зміни параметрів вентиляційної мережі;

розроблення інформаційного, програмного й технічного забезпечення для системи управління вентиляторними установками головного провітрювання (ВУГП) як підсистеми управління провітрюванням шахти.

Об'єктом дослідження є процес провітрювання підземних гірничих виробок вугільної шахти головним вентилятором і автоматизоване управління ним.

Предметом дослідження є система управління вентиляторами головного провітрювання шахти з регулюванням продуктивності на ходу.

Методи досліджень. Під час розв’язування поставлених задач використовувалися: методи математичного аналізу; чисельні методи розв’язування алгебраїчних і диференційних рівнянь; методи теорії оптимального управління й цифрових систем; методи математичного моделювання. Чисельні розрахунки проводилися з використанням ПеоМ і пакетів програм MathCAD і Matlab. Вірогідність основних теоретичних положень і результатів перевірялася з використанням математичного й фізичного моделювання, перевіркою на експериментальних і реальних зразках.

Основні наукові положення й результати, що виносяться на захист.

Наукові положення:

підвищення коефіцієнта корисної дії ВГП шахти забезпечується через автоматичне регулювання кута установлення лопаток робочого колеса на ходу за оперативною інформацією про продуктивність вентилятора;

підвищення точності автоматичного управління режимом ВГП досягається за рахунок використання запропонованої математичної моделі об'єкта регулювання, що адекватно відбиває реальні динамічні процеси.

Результати:

математична модель ВГП, обладнаного пристроєм регулювання продуктивності на ходу, що дозволяє з більшою точністю відтворити динамічні процеси в системі;

система оптимального регулювання продуктивності вентиляторів головного провітрювання зміною кута установлення лопаток робочого колеса на ходу;

інформаційне, програмне й технічне забезпечення для системи управління вентиляторними установками головного провітрювання як підсистеми управління провітрюванням шахти.

Наукова новизна отриманих результатів.

Запропоновано систему управління ВГП, яка відрізняється від відомих використанням оперативного оптимального регулювання продуктивності вентиляторів зміною кута установлення лопаток робочого колеса на ходу, що забезпечує підтримку роботи вентилятора в зоні економічного використання, зниження витрати електроенергії на провітрювання, підвищення безпеки гірничих робіт і зниження собівартості корисної копалини, що добувається.

Уперше розроблена математична модель вентилятора головного провітрювання, обладнаного пристроєм регулювання продуктивністю на ходу, що дозволяє з більшою точністю описати динамічні процеси в системі.

Розроблено систему й алгоритм оптимального управління вентиляторами головного провітрювання за критерієм мінімуму середньоквадратичної помилки при обмеженій енергії управління, які забезпечують оперативне регулювання продуктивністю вентиляторів головного провітрювання під час зміни вентиляційної ситуації в шахті.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджено: коректним використанням математичного апарата, адекватністю розроблених моделей реальним процесам, яку перевірено в ході обчислювальних експериментів та експериментів, проведених на ряді шахт України, і збігом результатів теоретичних і експериментальних досліджень - розбіжність становить 8,8% за надійної ймовірності 0,95, а також актами впровадження результатів досліджень на підприємствах вугільної галузі й позитивними результатами обговорення дисертаційних розробок на наукових конференціях.

Наукове значення отриманих результатів. Полягає в розвитку теорії управління вентиляцією шахт, динамічні властивості якої характеризуються розподіленими параметрами й запізнюванням на основі використання системи оперативного управління ВГП шахти з оптимальним регулюванням продуктивності вентиляторів на ходу.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

у розробленні системи автоматичного управління вентиляторами головного провітрювання з оптимальним регулюванням продуктивності вентиляторів на ходу;

у можливості створення типової промислової апаратури управління вентиляторами головного провітрювання, обладнаними пристроями повороту лопаток робочого колеса;

у розробленні інформаційного, програмного й технічного забезпечення для системи управління вентиляторними установками головного провітрювання як підсистеми управління провітрюванням шахти;

у розробленні блока збирання й оброблення інформації про параметри вентиляторної установки й вентиляційної мережі, що побудований за модульним принципом і виконує сполучення технологічних датчиків і виконавчих механізмів із керуючою ЕОМ.

Отримані результати дисертаційної роботи впроваджені в ВАТ “Автоматгірмаш ім. В.А. Антіпова” та державних підприємствах з видобутку вугілля, що підтверджується відповідними документами, які містяться в додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати отримані здобувачем особисто. У дисертації викладений авторський підхід до вирішення наукового завдання. Автору належить задум дослідження, основна ідея й вибір теми, постановка мети й задач дослідження, збір статистичних матеріалів, їхнє оброблення, розроблення теоретичних і практичних положень, логічна побудова дисертації й висновки. З наукових праць, що опубліковані в співавторстві, у дисертації використані тільки ті ідеї, положення й розрахунки, що є результатом особистих досліджень здобувача.

Апробація результатів дисертації. Основні результати проведених досліджень, висновки й пропозиції доповідалися, обговорювалися й були схвалені на кафедрі автоматизованого управління технологічними процесами паливно-енергетичного комплексу Донбаського гірничо-металургійного інституту (1998 - 2003), щорічних науково-технічних конференціях “Тиждень гірника” (Алчевськ, ДГМІ, 1998 - 2004), V і VI міжнародних конференціях “Університет і регіон” (Луганськ, СНУ, 1999,2002), на міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка й електромеханіка на порозі XXI століття” (Луганськ, СНУ -2001), 1-ій Всеукраїнській науково-технічній конференції аспірантів і студентів “Автоматизація технологічних об’єктів і процесів. Пошук молодих.” (Донецьк, ДонДТУ, 2001), у ВАТ Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім. М.М. Федорова (2002, 2004), на науково-практичній конференції “Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли” (Макіївка, МакНДІ, 2004).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 друкованих праць, у тому числі 8 статей у фахових виданнях ВАК України, 4 статті в збірниках наукових праць, матеріалах і тезах доповідей наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація містить: титульний лист; зміст; вступ; 4 розділи основної частини; висновки; список використаних літературних джерел; додатки. Дисертаційний рукопис представлено на 156 сторінках, рисунків - 40, таблиць - 15, додатків - 6, бібліографічних джерел - 140.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й задачі досліджень. Викладено основні наукові й практичні результати, отримані в роботі, а також основні положення, що виносяться на захист.

Перший розділ - “Аналіз стану питання, мета й завдання досліджень”, присвячений аналізу сучасного стану вентиляторних установок головного провітрювання й вентиляційних мереж шахт Донбасу, а також еволюції вентиляційних мереж та їх параметрів. Обґрунтовано необхідність оперативного управління системою вентиляції за рахунок оптимального регулювання продуктивністю вентиляторів головного провітрювання. Аналіз ефективності й надійності існуючих методів і пристроїв регулювання продуктивності вентиляторів головного провітрювання показав, що найбільш доцільним способом регулювання продуктивності осьових вентиляторів головного провітрювання є плавний поворот лопаток робочого колеса без зупинки. Розроблено рекомендації щодо сфери застосування різних способів регулювання продуктивністю ВГП. Розроблено вимоги до систем автоматичного управління ВГП.

На підставі аналізу сформульовано мету й задачі досліджень, що викладені вище.

Другий розділ - “Розроблення математичної моделі й структури системи управління головною вентиляторною установкою”. Шахтна вентиляційна мережа є складним багатомірним і багатозв’язним об'єктом зі змінними в часі й розподіленими в просторі параметрами. Одне з основних місць у вентиляційній системі шахти займає система регулювання продуктивності вентиляторів головного провітрювання, яка разом із дільничними регуляторами розподілу повітря дозволяє ефективно управляти режимом провітрювання шахти.

Вентиляторну установку головного провітрювання, як об'єкт управління, неможливо розглядати окремо від шахтної вентиляційної мережі, на яку вона працює. Стан гірничих виробок, аеродинамічні й газодинамічні властивості вентиляційної мережі визначають статичні й динамічні режими роботи вентилятора.

Проведені дослідження показали, що під час регулювання вентилятора зміною кута установки лопаток робочого колеса загальне рівняння статики об'єкта - ланки “Вентилятор - Мережа” є лінійним щодо кута установлення лопаток, що пояснюється повною взаємною компенсацією нелінійностей характеристик мережі й вентилятора.

Дослідження, проведені на шахтах ДП “Ровенькиантрацит” і ДП “Луганськвугілля”, дозволяють стверджувати, що ланка “Вентилятор-Мережа”, яка являє собою осьовий ВГП, обладнаний пристроєм повороту лопаток робочого колеса з гідравлічним приводом і котрий працює на шахтну вентиляційну мережу, у системі автоматичного управління можна представити аперіодичною ланкою другого порядку із запізнюванням. Залежно від характеристик вентилятора й вентиляційної мережі параметри передавальної функції можуть змінюватися в широких межах.

Результати дослідження на ЕОМ математичної моделі ланки “Вентилятор-Мережа” показали, що смуга пропускання об'єкта за регулюючим впливом лежить у межах 0-1 рад/сек, а за збуренням - у межах 0-0,5 рад/сек. На частоті 0,25-0,3 від верхньої частоти смуги пропускання є яскраво виражений резонансний пік?(рис.1), де модуль комплексного коефіцієнта передачі зростає в півтора - два рази в порівнянні зі статичним коефіцієнтом передачі, що пояснюється резонансними властивостями вентиляційної мережі.

Аналіз збурень прикладених до системи “Вентилятор-Мережа”, проведений за експериментальними даними, показав, що найбільше впливають низькочастотні квазістаціонарні збурення, зумовлені безперервною хаотичною зміною загальношахтного аеродинамічного опору через рух підземного транспорту, піднімальних посудин, зміну положення вентиляційних дверей, вікон, а також добові коливання природної тяги й високочастотні стаціонарні збурення, викликані турбулентним характером потоку повітря по гірничих виробках.

Кореляційний аналіз центрованих графіків добових коливань продуктивності ВГП дозволив одержати нормовану автокореляційну функцію, що апроксимується рівнянням:

(1)

де ?1=0,15ч0,2 ?ек-1; б2=0,01ч0,05 ?ек-1 - показник згасання;

с1=0,2; с2=0,8.

Рис.1. Перехідні й частотні характеристики ланки “Вентилятор-Мережа”

Наявність двох доданків у рівнянні (1) пояснюється наявністю джерел збурення двох типів. Швидко загасаючий перший доданок, зумовлений турбулентною пульсацією потоку повітря, а повільно згасаючий другий доданок, зумовлений хаотичною зміною аеродинамічного опору. Отримані автокореляційні функції й відповідні їм спектральні площини дозволяють зробити висновок, що максимальна частота пропускання каналу обмежена частотою 0,4-0,5 рад/сек. Отже, під час синтезу системи регулювання продуктивності ВГП за верхню межу граничної частоти спектра збурень необхідно брати частоту 0,5 рад/сек.

Для загального управління вентилятором головного провітрювання шахти запропоновано функціональну схему автоматичної системи (рис. 2), яка складається з наступних блоків: ЦОМ - цифрова обчислювальна машина, Рег. ВГП - оптимальний регулятор, ВБ - виконавчий блок, ДП - датчик положення лопаток робочого колеса вентилятора, РКУ - регулятор кута установлення лопаток робочого колеса, ПУ - перетворювальний пристрій, ВП - вимірювальний пристрій ЕЗ - електромагніт-золотник, СП -сервопривод, ГЦ-Р - силовий гідроциліндр і редуктор.

Рис. 2. Функціональна схема САУ ВГП під час регулювання зміною кута установлення лопаток робочого колеса вентилятора

З урахуванням усіх елементів передавальну функцію об'єкта управління остаточно приймаємо у вигляді:

,

де k- коефіцієнт підсилення виконавчого блоку;

kВ - коефіцієнт підсилення ланки “Вентилятор-Мережа”;

ТВ - постійна часу ланки “Вентилятор-Мережа”;

- апроксимація запізнювання першим членом ряду Пада;

s - оператор Лапласа.

Адекватність отриманої моделі підтверджено результатами обчислювальних і експериментальних досліджень, проведених на ряді шахт ДП “Ровенькиантрацит”, ДП “Павлоградвугілля”, і ДП “Луганськвугілля”. При цьому відхилення результатів моделювання від результатів, отриманих експериментально, не перевищують 9% із надійною ймовірністю 0,95.

Третій розділ - “Розроблення й дослідження системи оптимального управління ВГП”, присвячений синтезу оптимальної системи управління ВГП. Синтез оптимального регулятора проводився на основі методу динамічного програмування. Отриманий оптимальний закон управління при квадратичному критерієві якості

має вигляд:

,

де y(n) - n- а похідна за часом вихідної координати, n = 0,1,2;

;

q, r - параметри квадратичного критерію якості;

К12, К13, К22, К3, К33 - коефіцієнти, що обчислюються за системою шести нелінійних алгебраїчних рівнянь під час виконання критерію Сильвестра.

Отриманий закон управління є неперервною функцією, однак реалізований він на базі цифрової техніки. Адекватність застосування методів оптимального управління для дискретної системи і точність фізичної реалізації оптимального регулятора на базі цифрового пристрою перевірена з використанням апарата Z - перетворення й моделювання на ЕОМ. Виходячи з необхідної точності був визначений максимально допустимий період квантування, який становив 10.13 с, що більше застосовуваного під час дослідження та фізичної реалізації - 1 с. Результати свідчать про достатню адекватність 98% аналоговим процесам.

Схему моделі цифрової системи зображено на рис. 3.

На рис. 3 прийнято наступні позначення: U - керуючий вплив (кут установлення лопаток робочого колеса вентилятора), Y - вихідна координата (кількість повітря, що надходить у гірничі виробки), s - оператор Лапласа, Т0 - постійна часу об'єкта, k - коефіцієнт підсилення, t - час чистого запізнювання, Y* - завдання вихідної координати.

Дослідженнями системи оптимального управління ВГП на ЕОМ установлено, що найбільше впливають на якість управління співвідношення коефіцієнтів квадратичного функціонала якості, коефіцієнт підсилення й постійна часу об'єкта.

Рис. 3. Структурна схема цифрової системи оптимального управління

Четвертий розділ - “Розроблення й експериментальні дослідження системи управління ВГП шахти”, присвячений розробці й дослідженню системи управління провітрюванням для умов шахти №10 ім. Артема ДП “Луганськвугілля”.

На підставі аналізу вентиляційної системи шахти №10 ім. Артема ДП “Луганськвугілля” отримані дані для синтезу системи управління, розроблений алгоритм функціонування й програмне забезпечення для підсистеми управління ВГП АСУТП провітрювання шахти, схема якої подана на рисунку 4. Система складається з об'єктів управління (вентилятора головного провітрювання й вентиляційної мережі шахти), джерел первинної інформації Qj, fi, Nk, каналів передавання інформації, блоків сполучення 7, 8 і 9, центральної ПЕОМ (1,2,3,4), локальних регуляторів витрати 6 і пристрою регулювання продуктивності вентилятора 5. До вентиляційної мережі належать регульовані опори гілок. Джерелами первинної інформації є датчики витрати (швидкості повітря), депресії й положення регулювальних органів.

Запропонована структура загальної системи управління провітрюванням, що складається з підсистеми оптимального регулювання продуктивності вентилятора й підсистеми розподілу повітря, має дворівневу ієрархію. Нижній рівень утворюють локальні регулятори витрати й продуктивності вентиляторів, а верхній забезпечує оптимальне управління провітрюванням. Розроблено принципові схеми системи управління провітрюванням шахти на базі ПЕОМ і мікропроцесорного блока для зв'язку ПЕОМ із технологічними датчиками й виконавчими механізмами. Розроблено алгоритм керування продуктивністю ВГП залежно від вентиляційної ситуації в шахті, який реалізовано у виді програмного забезпечення для ПЕОМ.

Рис. 4. Функціональна схема системи управління провітрюванням шахти

Проведена експериментальна перевірка програмного забезпечення на шахтах ДП “Ровенькиантрацит”, ДП “Павлоградвугілля” і ДП “Луганськвугілля” показала високу надійність, а порівняння отриманих даних з розрахунковими показали, що відхилення становить менш 9% з надійною ймовірністю 0.95.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена наукова задача синтезу системи управління вентиляторною установкою головного провітрювання шахти з використанням системи оптимального регулювання продуктивністю головного вентилятора, що забезпечує поліпшення якості управління процесом.

По роботі можна зробити основні наступні висновки:

1. Значна частина шахтних вентиляторів головного провітрювання працює з к.к.д. 0,35 - 0,37, тобто витрачає непродуктивно понад 60% електроенергії через значні витоки повітря й неоптимальне й несвоєчасне регулювання продуктивністю.

2. Динаміка зміни аеродинамічних параметрів вентиляційних мереж шахт Донбасу досягає 15% за рік, продуктивність ВГП змінюється на 330% за термін його роботи, а тиск на 500%.

3. Використовуваний у теперішній час на більшості шахт алгоритм керування вентиляторами головного провітрювання здійснюється або за рахунок використання постійного резерву з продуктивності, або за рахунок зниження кількості повітря, що подається в гірничі виробки, не забезпечує виконання вимог (зниження споживаної електроенергії, підвищення точності й оперативності регулювання, підвищення безпеки гірничих робіт та ін.).

4. Показано, що найбільшу глибину й плавність регулювання параметрів ВГП забезпечує спосіб зміни кута установлення лопаток робочого колеса на ходу для осьових вентиляторів, і зміни частоти обертання для відцентрових вентиляторів. При цьому пристрої повороту лопаток робочого колеса, що мають гідравлічний привід, мають найбільшу надійність і безвідмовність.

5. Показано, що статичні характеристики ланки “Вентилятор-Мережа” під час регулювання продуктивністю вентилятора зміною кута установлення лопаток робочого колеса - лінійні, оскільки нелінійність статичних характеристик вентиляторів головного провітрювання компенсується нелінійністю характеристик вентиляційних мереж.

6. Показано, що об'єкт управління - ланка “Вентилятор-Мережа” як об'єкт автоматичного управління може бути представлений аперіодичною ланкою першого порядку з чистим запізнюванням із змінними параметрами: коефіцієнт підсилення залежить від довжини виробки; постійна часу є нелінійною функцією від опору виробок, акустичної маси й довжини виробок; час чистого запізнювання пропорційний довжині виробок, але значно менший постійної часу. При цьому відхилення результатів моделювання від результатів, отриманих експериментально, не перевищують 9% з надійною ймовірністю 0,95.

7. Показано, що основними збуреннями на об'єкт управління є навантаження на вибій, рух транспорту й положення вентиляційних дверей. Експериментальними дослідженнями встановлено, що за припущень стаціонарності й ергодичності випадкових процесів оцінки змін опорів виробок для умов шахти №81 “Київська” ДП “Ровенькиантрацит" становлять: математичне сподівання - у межах 0,46 - 1,7 , за середньої тривалості впливів 0,6 - 18 хвилин; автокореляційні функції мають періодичну складову, зумовлену технологічними процесами, які мають періодичний характер (час спаду автокореляційної функції 10 - 16 хвилин).

8. Розроблено функціональну схему й математичну модель дворівневої системи автоматичного управління продуктивністю ВГП, яка формує на підставі інформації про фактичні значення продуктивності вентилятора, витрати повітря в мережі, а також топології й аеродинамічні опори виробок сигнал завдання для підсистеми регулювання продуктивності ВГП, і модель головної вентиляторної установки з вентиляторами, котрі обладнано регулювальним пристроєм, що дозволяє з більшою точністю відтворювати динамічні процеси, які відбуваються в системі.

9. Методом динамічного програмування при квадратичному критерії якості синтезований оптимальний регулятор продуктивності ВГП, математичну модель якого представлено диференційним рівнянням третього порядку. Дослідженнями встановлено, що найбільший вплив на якість управління мають: коефіцієнти підсилення об'єкта з входів керування й збурення, постійна часу об'єкта, коефіцієнт підсилення моделі виконавчого механізму (пристрій повороту лопаток робочого колеса на ходу), вхідний сигнал завдання. Показано, що стійкість САУ ВГП гарантована при всіх можливих змінах параметрів мережі в статичних і динамічних режимах провітрювання шахти.

10. Розроблені цифрова модель системи оптимального управління ВГП і визначені умови її реалізації, схема й алгоритм функціонування, програмне і технічне забезпечення системи управління ВУГП на основі обчислювального комплексу, який складається з ПеоМ і мікропроцесорного пристрою для сполучення з об'єктом автоматичного управління як підсистеми САУП вугільної шахти.

11. Показано, що основними джерелами економічної ефективності від упровадження системи управління ВГП є: зменшення часу простою очисних вибоїв з вини провітрювання на 20 хв. за зміну, зниження витрати електроенергії, що споживається ВГП на 15%, скорочення обслуговуючого персоналу на 15 осіб, збільшення міжремонтних термінів на 40%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ За ТЕМою дисертації

1.

2. Фесенко Н.С. Математическое описание системы автоматического управления проветриванием шахт // Вісник Східноукраїнського державного університету. - 2000. - № 1 (23). - С. 38 - 47.

3. Фесенко Н.С. Синтез системы управления проветриванием угольной шахты // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2000. - № 8 (30). - С. 155 - 159.

4. Фесенко Н.С. Исследование динамических свойств оптимальной САУ проветриванием угольной шахты // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2001. - № 3 (37). - С. 22 - 31.

5. Фесенко Н.С. Имитационное моделирование систем автоматического управления проветриванием шахт // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. -2002. - № 1 (47). - С. 222 - 225.

6. Ульшин В.А., Фесенко Н.С. Разработка и исследование системы управления вентиляцией шахты // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2003. - № 4 (62). - С. 31 - 36.

Особистий внесок автора: запропонована математична модель системи управління ВГП шахти як підсистеми АСУ провітрювання.

7.

Особистий внесок автора: розрахований максимально допустимий інтервал дискретизації під час реалізації системи оптимального управління.

8.

Особистий внесок автора: запропонована методика розрахунків та проведена математична обробка на ЕОМ.

9.

10. Фесенко Н.С. Синтез оптимальной системы управления проветриванием угольной шахты // Зб. наук. пр. - Луганськ: СНУ.- 2000.- С. 101-103.

11. Фесенко Н.С. Структура автоматизированной системы управления проветриванием угольной шахты // Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих. Зб. наук. пр. I Всеукраїнської науково-технічної конференції аспірантів і студентів. - Донецьк: ДонДТУ. - 2001. - С. 234 - 235.

12. Ульшин В.А., Ирклиевский В.Д., Фесенко Н.С. Разработка системы управления проветриванием шахты // Уголь-Mining technologies 2003. Сб. науч. тр. Международной научно-практической конференции посвященной 60-летию “Луганскгипрошахт”. - Алчевск: ДГМИ. - 2003.-С.175-182.

Особистий внесок автора: розроблена функціональна схема системи управління провітрюванням шахти.

АНОТАЦІЯ

Фесенко М.С. Розробка системи оптимального управління шахтними вентиляторами головного провітрювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів. Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена вивченню та розробці теоретичних і практичних питань щодо удосконалювання алгоритмів управління шахтними вентиляторами головного провітрювання, обладнаними пристроями оперативного плавного регулювання продуктивністю, які забезпечують підвищення безпеки гірничих робіт, зниження витрати електроенергії, скорочення часу простоїв очисних і прохідницьких вибоїв, зниження собівартості корисних копалин, що добуваються.

Розроблена система здійснює управління вентиляторами головного провітрювання шахти через оптимальне регулювання продуктивністю за критерієм мінімуму середньоквадратичної помилки при обмеженій енергії управління зміною кута установлення лопаток робочого колеса на ходу та забезпечує підтримку роботи вентилятора в зоні економічного використання під час зміни вентиляційної ситуації в шахті.

Ключові слова: провітрювання шахти, продуктивність вентилятора, математична модель, динамічні характеристики, оптимальне управління, алгоритм, мікропроцесорна система.

Аннотация

Фесенко Н.С. Разработка системы оптимального управления шахтными вентиляторами главного проветривания. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов. Донецкий национальный технический университет Министерства образования и науки Украины, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена изучению и разработке теоретических и практических вопросов совершенствования алгоритмов управления шахтными вентиляторами главного проветривания, оборудованными устройствами оперативного плавного регулирования производительности, обеспечивающих повышение безопасности горных работ, снижение затрат электроэнергии, сокращение времени простоев очистных и проходческих забоев, снижение себестоимости добываемого полезного ископаемого.

Показано, что эффективность и надежность проветривания шахт напрямую зависит от правильности и точности регулирования параметров вентиляторов главного проветривания. При этом экспериментальные исследования показали, что значительная часть шахтных вентиляторов главного проветривания расходует непроизводительно свыше 60% электроэнергии из-за значительных утечек воздуха и неоптимального и несвоевременного регулирования производительности.

В результате проведенных исследований установлено, что распределения относительных скоростей изменения потребного расхода воздуха и эквивалентного отверстия шахт Донецкого каменноугольного бассейна приближается к нормальному закону распределения. Из этого следует что в среднем при такой скорости изменения параметров вентиляционных сетей шахт к.п.д. вентиляторов главного проветривания снижается в среднем на 1.5% - 2% в год.

Разработаны рекомендации относительно области применения различных способов регулирования вентиляторов. Показано, что наибольшей надежностью и экономичностью отличается способ регулирования производительности вентиляторов за счет плавного поворота лопаток рабочего колеса на ходу.

При регулировании производительности вентилятора изменением угла установки лопаток рабочего колеса нелинейность статических характеристик вентиляторов главного проветривания компенсируется нелинейностью характеристик вентиляционных сетей, поэтому статические характеристики объекта регулирования звена “Вентилятор -Сеть” линейные.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что в каждый момент времени между входными и выходными величинами вентиляционной сети существует вполне определенная и однозначная динамическая связь, которую можно описать дифференциальными уравнениями конечного порядка. Исходя из этого предложена математическая модель звена “Вентилятор-Сеть” как объекта управления в виде дифференциального уравнения третьего порядка.

Разработана система автоматического управления вентиляторами главного проветривания шахты за счет оптимального регулирования производительности по критерию минимума среднеквадратичной ошибки при ограниченной энергии управления, путем изменения угла установки лопаток рабочего колеса на ходу.

Проведен анализ влияния на качество управления параметров объекта управления и установлено, что наибольшее влияние на качество управления оказывают: коэффициенты усиления объекта по управляющему и возмущающему входам, постоянная времени объекта. Показано, что устойчивость предложенной системы оптимального управления шахтным вентилятором главного проветривания гарантирована при всех возможных изменениях параметров сети в статических и динамических режимах проветривания шахты.

Определены условия физической реализации и разработаны практические рекомендации по применению предложенной системы оптимального управления без потери качества и скорости управления технологическим процессом.

Ключевые слова: проветривание шахты, производительность вентилятора, математическая модель, динамические характеристики, оптимальное управление, алгоритм, микропроцессорная система.

Annotation

Fesenko N.S. Working out of the system of the main mine fans optimum control. - Manuscript.

A thesis for the competition of candidate’s degree in science in specialty 05.13.07 - Automation of technological processes. The Donetsk national technical university of the education and science of Ukraine Ministry, Donetsk, 2005.

The thesis is devoted to studying and working out both theoretical and practical questions concerned with the improving of the algorithms of the main fans control, equipped with the devices promoting smooth operation efficiency regulation that provides better mining safety, electrical energy expenses reduction, breakage faces and workings standing idle decrease, and the cost price reduction of the mineral mined.

The system worked out expense the main mine fans control at the expense of the optimum efficiency regulation due to the criterion of a mean quadrate mistake minimum with the limited energy of the control by means of changing the angle of installation of a driving wheel blades in motion that provides the fan operation maintenance in the zone of economical use, in case the ventilation situation in the mine changes.

Key words: ventilation of a mine, efficiency of a fan, mathematical model, dynamic characteristics, optimum control, algorithm, microprocessor system.