ДонНТУ   Портал магістрів
   

Реферат за темою випускної роботи

Дослідження алгоритму оптимального управління технологічним процесом

Зміст


1. Мета магістерської роботи

Метою магістерської роботи є синтез оптимальних за критерієм швидкодії алгоритмів і систем диспетчерського управління провітрюванням виїмкових дільниць з обмеженням концентрації метану в перехідних і стаціонарних режимах на безпечному рівні для забезпечення підвищення рівня безпеки в шахтних вентиляційних мережах.


2. Актуальность теми

Системи провітрювання великих сучасних шахт є досить складними комплексами гірських споруд і установок, покликаних забезпечити безпечну та продуктивну роботу гірників. Без ефективної її роботи неможливо реалізувати основний технологічний процес видобутку вугілля. Тому систему вентиляції можна віднести до найважливішого технологічного процесу вугільних шахт, метою якого є забезпечення життєдіяльності та комфортних умов роботи гірників і ліквідація небезпечної концентрації метану в рудничної атмосфери.


3. Запланована наукова новизна результатів:

1) Розробити математичні моделі аеродинаміки гірських виробок шахтної вентиляційної мережі як об'єктів управління, що відрізняються урахуванням реального спектру аеродинамічних збурень.

2) Вивести рівняння газодинамічних процесів в гірських виробках і вироблених просторах, що відрізняються відображенням характерних властивостей виїмкових ділянок як об'єктів управління по газу за рахунок використання фізичних законів руху метано-повітряної суміші та реальних гірничотехнічних параметрів виробок.

3) Запропонувати структурно-функціональний підхід до моделювання керованої шахтно-вентиляційною системою(ШВС) з розподіленими параметрами, що відрізняється використанням топологічної композиції розроблених типових динамічних компонентів мережі.

4) Модифікувати метод оптимального безпечного по газу управління провітрюванням виїмкових ділянок шляхом використання ковзних режимів відпрацювання управляючих впливів.


4. Плановані практичні результати:

1) Математичний опис та розробка математичних моделей перехідних аеродинамічних процесів в керованих гірських виробках шахтних вентиляційних мереж, оптимальних за складністю та адекватних динамічних властивостям реальних виробок в істотному для шахтної мережі спектрі частот аеродинамічних збурень і керуючих впливів.

2) Математичний опис і розробка достовірних динамічних моделей виїмкових ділянок як об'єктів управління по газу з урахуванням реального частотного спектра аерогазодинамічних збурень і фільтраційних властивостей виробок і вироблених просторів видобувних дільниць.

4) Синтез квазіоптимальних за критерієм швидкодії алгоритмів диспетчерського автоматизованого управління аерогазодинамічних процесами в мережі з обмеженням концентрації метану на допустимому рівні в стаціонарному і перехідному режимах провітрювання.

5) Дослідження кількісних і якісних характеристик розроблених алгоритмів і засобів програмної підтримки контуру диспетчерського управління провітрюванням видобувних дільниць.

Об'єкт дослідження

Об'єктом досліджень є аерогазодинамічні процеси в шахтних вентиляційних мережах при управлінні вентиляцією виїмкових дільниць з газового фактору.

Предмет дослідження

Предметом дослідження є оптимальна за критерієм швидкодії система диспетчерського управління провітрюванням видобувних дільниць з обмеженням концентрації метану на безпечному рівні при відпрацюванні розрахункових значень дебітів витрати повітря.

Методи досліджень

При розробці аеродинамічних моделей гірських виробок будуть використані загальні телеграфні рівняння аеродинамічних процесів пневматичних каналів як об'єктів з розподіленими параметрами, на основі яких побудовані адекватні наближені моделі з урахуванням обмеженого спектра реальних виробничих збурень по повітрю в шахтної мережі.


5. Огляд досліджень і розробок по даній темі

Дослідження аерогазової динаміки ШВС, математичний опис нестаціонарних процесів в ШВС, розробка алгоритмів безпечного диспетчерського та автоматичного управління газодинаміки видобувних дільниць, апаратури контролю станом рудничної атмосфери і способів управління розподілу потоків повітря ведеться в Україні, Росії і за кордоном більше 50 років . Істотний внесок у вирішення цих завдань внесли галузеві та академічні інститути, вищі навчальні заклади (ГУА, МакНДІ, ДГІ, ДонНТУ, МГІ, ДонВУГІ, ІГД ім. Скочинського, ІГД СО АН СРСР, КІА, ІГТМ АН України, інститут кібернетики АН України), підприємства шахтної автоматики. Найбільш важливі теоретичні та експериментальні дослідження, розробки апаратно-програмних засобів контролю та управління ШВС були виконані під керівництвом Ф.А.Абрамова[8], В.О. Бойко, К.К. Бусигіна, Н.Н.Петрова, О.І. Касимова, Ф.С. Клебанова, Л.А. Пучкова, Р.Б. Тяна, Л.А.Шойхета, Л.П. Фельдмана[4,6], В.А. Святного[9], В.В.Лапко, І.В. Местер, Ю.А.Іванова.

Подальше зростання навантаження на видобувні дільниці та збільшення глибини видобутку вугілля в даний час значно підвищують вимоги до якості роботи систем управління і, отже, до точності математичних моделей ШВС і виїмкових дільниць як об'єктів управління. Тому розробка достовірних математичних моделей регульованих виробок ще потребує доопрацювання. Особливу актуальність має проблема розробки наближених математичних моделей, параметри яких визначаються фізичними властивостями виїмкових дільниць, геометричними, аеродинамічними і акустичними характеристиками ШВС. Важливе наукове і практичне значення має завдання вдосконалення систем диспетчерського управління за критерієм швидкодії з обмеженням концентрації метану на безпечному рівні в штатних режимах провітрювання ділянок. При цьому прогрес в області теорії автоматизованих систем, комп'ютерних систем управління, методів і засобів моделювання об'єктів управління створює передумови для якісно нового вирішення цієї складної науково-технічної проблеми створення працездатних і безпечних систем управління провітрюванням шляхом використання сучасної моделюючого середовища для оперативної оцінки результатів диспетчерського маневрування потоками повітря в ШВС, підтримки процесів проектування систем.


6. Практичні значення

1. Реалізувати модель керованої ШВС. Запропонувати прямий метод відображення топології керованої мережі з використанням методів структурної композиції розроблених типових динамічних локальних компонентів мережі, в тому числі з розподіленими параметрами.

2. Удосконалити структуру, алгоритми систем автоматизованого диспетчерського управління провітрюванням видобувних дільниць і систему програмної підтримки ручного автоматизованого регулювання, що забезпечує максимальну швидкодію при відпрацюванні необхідних режимів вентиляції ділянок і збереженні умов безпечної роботи гірників по газовому фактору.

3. Розробити модель керованої ШВС, яка буде використана при налагодженні програмного забезпечення системи опитування датчиків в типовому комплексі аеро-газодинамічної інформації (КАГІ).


7. Короткий виклад власних результатів наявних до моменту завершення роботи над авторефератом

Власними результатами на даний момент, є розроблена модель об'єкта управління системи провітрювання виїмкової дільниці шахти яка представлена нижче. Математична модель виїмкової ділянки розроблялася для розрахункової схеми, представленої на малюнку 1.

Рис.1. Анімація розрахункової схеми вентиляції виїмкової ділянки; кількість кадрів: 11, кількість повторень: 6, об'єм: 7.68 кб Помаранчевим кольором показані земні породи, жовтим - атмосфера виїмкової ділянки, блакитним - поширення повітря для провітрювання


Тут в гілках, відповідних лаві (Rл), відкатувальному (R1.2) і вентиляційному (R1.1) штреку прийнятий квадратичний закон опору. Зосереджені опору витоків повітря через вироблений простір (R 'і R'') описують проміжний між ламінарним і турбулентним (лінійним і квадратичним) законами опору [2,7,10]. Тоді система рівнянь, що описують аеродинаміку виїмкової ділянки, буде мати вигляд:

где Q - витрата повітря; H - депресія; k - коефіцієнт, що визначає інертність потоку повітря.

Процес масопереносу метану у виробках можна описати лінійної системою диференціальних рівнянь, виведених на підставі закону збереження маси метану [1,3] в обсязі V:

де ρ - щільність метану; Т - постійна часу; V- об'єм вентиляційного штреку;

В - максимальна маса метану в елементі виробленого простору;

с - концентрація метану на вихідному струмені;

М - маса метану, який накопичився у виробленому;

Qм, Qом - дебіт метану в поточному та сталому режимах.

Для реалізації аеро-газодинамічних моделі в середовищі MATLAB система рівнянь перетвориться наступним чином:

Модель була розроблена з використанням Simulink в середовищі MATLAB і має блочну структуру. Це дозволяє распараллелівати процес моделювання.

При проведенні обчислювального експерименту уточнювалися параметри ділянки шахти «Холодна балка» № 3 (табл.1), де проводився натурний експеримент [5].

Таблиця 1. Параметри розрахункової схеми

Результати цього експерименту наведені на рис.2. Тут здійснювався переклад концентрації метану з 0.4% до 0.33%. При цьому стався сплеск концентрації метану до 0.56%. Результати моделювання (рис.3) підтверджують адекватність обраної моделі та її параметрів. Середнє квадратичне відхилення модельних результатів і даних натурного експерименту становить 9.65%.

Рисунок 2. Результати практичного експерименту

Рис. 3. Результати моделювання в середовищі Matlab

Висновки

Розроблена модель аерогазодинамічних процесів на виїмкової дільниці вугільної шахти в середовищі MATLAB. Проведена ідентифікація параметрів моделі з використанням даних натурного експерименту. Розроблена модель може використовуватися при проектуванні систем автоматизованого управління провітрюванням виїмкових дільниць.


Важливо
При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.


Список джерел

  1. Драний В. О. Розробка та дослідження систем управління провітрюванням ділянок за за газовим фактором при схемах з відокремленим розведенням. – дис. канд. тех. наук. – Донецьк, 1980. – 191с.

  2. Ушаков К. З., Бурчаков А. С., Медведів І. І. Руднична аерологія. – М.:Недра,1978.-440с.

  3. Питання моделювання процесів розповсюдження метану в підготовчих виробітках./ Святний В. А. , Ковалбов С. О., Ефремов С. С. і ін. – В сб.: Розробка родовищ корисних копалин. Київ:Техніка, 1983, вип. 65, с 11-16.

  4. Фельдман Л. П. Дослідження динаміки та синтез систем автоматичного управління провітрюванням вугільних шахт. – діс. докт. техн. наук. – Донецьк,1974,-395 с.

  5. Святний В. А. Дослідження процесів управління провітрюванням виїм очних ділянок вугільних шахт методами математичного моделювання. діс. к.т.н. – Донецьк

  6. Фельдман Л. П. Касімов О. І. , Слепцов А. І. Основні закономірності та математична модель газодинамічних процесів на виїмачних ділянках шахт. – В кн. : Розробка родовищ корисних копалин. – Київ:Техніка, 1973, вип. 34, с.35-41.

  7. Местер І. М., Засухін І. Н. Автоматизація контролю та регулювання рудничного провітрювання. –М.: Недра,1974, -240с.

  8. Абрамов Ф. А., Фельдман Л. П., Святний В. А. Моделювання динамічних процесів рудничної аерології. – Київ: Наукова думка, 1981, - 552 с.

  9. Святний В. А. , Ковалбов С. О., Ефремов С. С. Моделювання перехідних аерогазодінамічних процесів на ділянках з стовбовою системою розробки. – Известия вузові. Гірський журнал, 1982, №4, с. 38-42.

  10. Назаренко В. І. Розробка та дослідження методами матиматиного моделювання системи диспетчерського управління провітрюванням. – автореф. діс. канд. техн. наук. – Донецьк, 1975,-25 с.