ДонНТУ   Портал магистров
   

Реферат по теме выпускной работы

Исследование алгоритма оптимального управления технологическим процессом

Содержание


1.Цель магистерской работы

Целью магистерской работы является синтез оптимальных по критерию быстродействия алгоритмов и систем диспетчерского управления проветриванием выемочных участков с ограничением концентрации метана в переходных и стационарных режимах на безопасном уровне для обеспечения повышения уровня безопасности в шахтных вентиляционных сетях.


2. Актульность темы

Системы проветривания крупных современных шахт являются достаточно сложными комплексами горных сооружений и установок, призванных обеспечить безопасную и производительную работу горняков. Без эффективной работы систем проветривания невозможно реализовать основной технологический процесс добычи угля, и поэтому её можно отнести к важнейшему технологическому процессу на угольных шахтах, целью которого является обеспечение жизнедеятельности и комфортных условий работы горняков и ликвидация опасной концентрации метана в рудничной атмосфере.


3. Запланированная научная новизна результатов

1. Разработать математические модели аэродинамики горных выработок шахтной вентиляционной сети как объектов управления, отличающиеся учетом реального спектра аэродинамических возмущений.

2. Вывести уравнения газодинамических процессов в горных выработках и выработанных пространствах, отличающихся отражением характерных свойств выемочных участков как объектов управления по газу за счет использования физических законов движения метано-воздушной смеси и реальных горнотехнических параметров выработок.

3. Предложить структурно-функциональный подход к моделированию управляемой шахтно-распределённой системмой(ШВС) с распределенными параметрами, отличающийся использованием топологической композиции разработанных типовых динамических компонентов сети.

4. Модифицировать метод оптимального безопасного по газу управления проветриванием выемочных участков путем использования методов нечёткой логики.


4. Запланированные практические результаты

1. Математическое описание и разработка математических моделей переходных аэродинамических процессов в управляемых горных выработках шахтных вентиляционных сетей, адекватных динамическим свойствам реальных выработок в существенном для шахтной сети спектре частот аэродинамических возмущений и управляющих воздействий.

2. Математическое описание и разработка достоверных динамических моделей выемочных участков как объектов управления по газу с учетом реального частотного спектра аэрогазодинамических возмущений и фильтрационных свойств выработок и выработанных пространств добычных участков.

3. Синтез квазиоптимальных по критерию быстродействия алгоритмов диспетчерского автоматизированного управления аэрогазодинамическими процессами в сети с ограничением  концентрации метана на допустимом уровне в стационарном и переходном режимах проветривания.

4. Исследование количественных и качественных характеристик разработанных алгоритмов и средств программной поддержки  контура диспетчерского управления проветриванием добычных участков.

Объект исследования

Объектом исследований являются аэрогазодинамические процессы в шахтных вентиляционных сетях при управлении вентиляцией выемочных участков по газовому фактору.

Предмет исследования

Предметом исследования является оптимальная по критерию быстродействия нечёткая система диспетчерского управления проветриванием добычных участков с ограничением концентрации метана на безопасном уровне при отработке расчетных значений дебитов расхода воздуха.

Методы исследований

При разработке аэродинамических моделей горных выработок будут использованы общие телеграфные уравнения аэродинамических процессов пневматических каналов как объектов с распределенными параметрами, на основе которых построены адекватные приближенные модели с учетом ограниченного спектра реальных производственных возмущений по воздуху в шахтной сети.


5. Обзор исследований и разработок по данной теме

Исследование аэрогазовой динамики шахтной вентиляционной сети (ШВС), математическое описание нестационарных процессов в ШВС, разработка алгоритмов безопасного диспетчерского и автоматического управления газодинамикой добычных участков, аппаратуры контроля  состоянием рудничной атмосферы и способов управления распределения потоков воздуха ведется в Украине, России и за рубежом более 50 лет. Существенный вклад в решение этих задач внесли отраслевые и академические институты, высшие учебные заведения (ГУА, МакНИИ, ДГИ, ДонНТУ, МГИ, ДонУГИ, ИГД им. Скочинского, ИГД СО АН СССР, КИА, ИГТМ АН Украины, институт кибернетики АН Украины), предприятия шахтной автоматики. Наиболее важные теоретические  и экспериментальные исследования, разработки аппаратно-программных средств контроля и управления ШВС были выполнены под руководством Ф.А.Абрамова[8], В.О. Бойко, К.К. Бусыгина, Н.Н.Петрова, О.И. 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, И.В. Местера, Ю.А.Иванова.

Дальнейший рост нагрузки на добычные участки и увеличение глубины добычи угля в настоящее время значительно повышают требования к качеству работы систем управления и, следовательно, к точности математических моделей ШВС и выемочных участков как объектов управления. Поэтому разработка достоверных математических моделей регулируемых выработок еще требует доработки. Особую актуальность имеет проблема разработки приближенных математических моделей, параметры которых определяются физическими свойствами выемочных участков, геометрическими, аэродинамическими и акустическими характеристиками ШВС. Важное научное и практическое значение имеет задача совершенствования систем диспетчерского управления по критерию быстродействия с ограничением концентрации метана на безопасном уровне в штатных режимах проветривания участков. При этом прогресс в области  теории автоматизированных систем, компьютерных систем управления, методов и средств моделирования объектов управления создает предпосылки для качественно нового решения этой сложной научно-технической проблемы создания работоспособных и безопасных систем управления проветриванием путем использования современной моделирующей среды для оперативной оценки результатов диспетчерского маневрирования потоками воздуха в ШВС, поддержки процессов проектирования систем.


6. Практическое значение

1. Реализовать модель управляемой ШВС. Предложить прямой метод отображения топологии управляемой сети с использованием методов структурной композиции разработанных типовых динамических локальных компонентов сети, в том числе с распределенными параметрами.

2. Усовершенствовать структуру, алгоритмы систем автоматизированного диспетчерского управления проветриванием добычных участков и систему программной поддержки ручного автоматизированного регулирования, обеспечивающую максимальное быстродействие при отработке требуемых режимов вентиляции участков и сохранении условий безопасной работы горняков по газовому фактору.

3. Разработать модель управляемой ШВС, которая будет использована при отладке программного обеспечения системы опроса датчиков в типовом комплексе аэро-газодинамической информации (КАГИ).


7. Краткое изложение собственных результатов имеющихся к моменту завершения работы над авторефератом

Собственными результатами на данный момент, является разработанная модель объекта управления системы проветривания выемочного участка шахты которая предствалена ниже. Математическая модель выемочного участка разрабатывалась для расчетной схемы, представленной на рисунке 1.

Рис.1. Анимация расчетной схемы вентиляции выемочного участка; количество кадров: 11, количество повторений: 6, объём: 7.68 кб Оранжевым цветом показаны земные породы, жёлтым - атмосфера выемочного участка, голубым - распространение воздуха для проветривания


Здесь в ветвях, соответствующих лаве (Rл), откаточному (R1.2) и вентиляционному(R1.1) штрекам принят квадратичный закон сопротивления. Сосредоточенные сопротивления утечек воздуха через выработанное пространство (R’ и R’’) описывают промежуточный между ламинарным и турбулентным (линейным и квадратичным) законами сопротивления [2,7,10]. Тогда система уравнений, описывающих аэродинамику выемочного участка, будет иметь вид:

где Q - расход воздуха; H - депрессия; k - коэффициент определяющий инертность потока воздуха.

Процесс массопереноса метана в выработках можно описать линейной системой дифференциальных уравнений, выведенных на основании закона сохранения массы метана [1,3] в объеме V:

где ρ - плотность метана; Т - постоянная времени; V- объем вентиляционного штрека;

В - максимальная масса метана в элементе выработанного пространства;

с - концентрация метана на исходящей струе;

М - масса метана, который накопился в выработанном;

Qм, Qом - дебит метана в текущем и установившемся режимах.

Для реализации аэро-газодинамической модели в среде MATLAB система уравнений преобразуется следующим образом:

Модель была разработана с использованием Simulink в среде MATLAB и имеет блочную структуру. Это позволяет распараллеливать процесс моделирования.

При проведении вычислительного эксперимента уточнялись параметры участка шахты «Холодная балка» №3 (табл.1), где проводился натурный эксперимент [5].

Таблица 1. Параметры расчетной схемы


Результаты этого эксперимента приведены на рис.2. Здесь осуществлялся перевод концентрации метана с 0.4% до 0.33%. При этом произошел всплеск концентрации метана до 0.56%. Результаты моделирования (рис.3) подтверждают адекватность выбранной модели и ее параметров. Среднее квадратичное отклонение модельных результатов и данных натурного эксперимента составляет 9.65%.

Рисунок 2. Результаты практического эксперимента

Рисунок 3. Результаты моделирования в среде Matlab


Выводы.

Разработана модель аэрогазодинамических процессов на выемочном участке угольной шахты в среде MATLAB. Проведена идентификация параметров модели с использованием данных натурного эксперимента. Разработанная модель может использоваться при проектировании систем автоматзиованного управения проветриванием выемочных участков.


Важное замечание
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.


Список источников

  1. Драный А. Разработка и исследование систем управления проветриванием участков по газовым фактором при схемах с обособленным разведением. - Донецк, 1980. - 191с.

  2. Ушаков К. З., Бурчаков А. С., Медведев И. Рудничная аэрология. -М.: Недра, 1978.-440С.

  3. Вопросы моделирования процессов распространения метана в подготовительных выработках. / Святный В. А., Ковалбов С. А., Ефремов С. С. и др.. - В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Киев: Техника, 1983, вып .. 65, с 11-16.

  4. Фельдман Л. П. Исследование динамики и синтез систем автоматического управления проветриванием угольных шахт. - дис. д. т. н. Донецк, 1974, -395 с.

  5. Святный В. А. Исследование процессов управления проветриванием съем глазных участков угольных шахт методами математического моделирования. - дис. к.т.н. Донецк

  6. Фельдман Л. П. Касимов А. И., Слепцов А. И. Основные закономерности и математическая модель газодинамических процессов на выемочних участках шахт. - В кн. Разработка месторождений полезных ископаемых. - Киев: Техника, 1973, вып. 34, с.35-41.

  7. Местер И. М., Засухин И. Н. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания. - М.: Недра, 1974,-240с.

  8. Абрамов Ф. А., Фельдман Л. П., Святный В. А. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии. - Киев: Научное мнение, 1981, - 552 с.

  9. Святный В. А., Ковалбов С. А., Ефремов С. С. Моделирование переходных аерогазодинамичних процессов на участках стволовых систем разработки. - Известия вузов. Горный журнал, 1982, № 4, с. 38-42.

  10. Назаренко В. И. Разработка и исследование методами математического моделирования системы диспетчерского управления проветриванием. - автореф. дис. к.т.н. - Донецк, 1975, -25 с.