Система автоматического регулирования шахтного вентилятора с применением теории нечетких множеств

Аннотация

Баталов М. С. Система автоматического регулирования шахтного вентилятора с применением теории нечетких множеств Рассмотрены проблемы организации эффективной шахтной вентиляции. Описаны преимущества и недостатки использования ПИД-регулятора и его модификации на основе методов нечеткой логики. Разработана и исследована модель САР ВМП с ПИ-регулятором с блоком автонастройки на основе нечеткой логики.

В горной промышленности важнейшей проблемой, при шахтной добыче, является организация эффективной вентиляции шахтных выработок. В техническом плане ключевым вопросом организации вентиляции шахт является искусственное проветривание горных выработок и создание нормальных атмосферных условий на горном предприятии [1].

Экономический аспект проблемы заключается в высокой энергоемкости привода вентиляторов, обслуживающих шахту. Экономика работы шахтных систем вентиляции зависит не только от правильного выбора вентилятора и согласования его аэродинамических характеристик и вентиляционной сети шахты, но и от способа и эффективности регулирования режимов его работы [2].

Воздух к потребителям в тупиковых пространствах может подводиться с помощью специальных вентиляторов, называемых вентиляторами местного проветривания (ВМП). Абсолютное большинство ВМП комплектуется электроприводом в виде асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Управление ВМП осуществляется путем изменения скорости вращения рабочего колеса с помощью преобразователя частоты. Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей [4]. Управление частотным преобразователем осуществляется с помощью программного регулятора, обеспечивающего выдачу управляющего воздействия на основе собранных данных.

Как правило, для формирования управляющего сигнала в данных системах используется ПИД-регулятор, который является наиболее распространенным типом регулятора в АСУ ТП. Причинами столь высокой популярности являются простота построения и промышленного использования, ясность функционирования, пригодность для решения большинства практических задач и низкая стоимость. Несмотря на долгую историю развития, остаются проблемы в вопросах автоматической настройки и адаптации ПИД-регуляторов. В современных системах управления динамика часто неизвестна, измерения сильно зашумлены, технологические процессы непрерывны [5]. Кроме того ПИД-регуляторы имеют плохие показатели качества при управлении нелинейными и сложными системами, а также при недостаточной информации об объекте управления. Характеристики регуляторов в этих случаях можно улучшить с помощью методов нечеткой (фаззи-) логики [5].

Нечеткая логика в ПИД-регуляторах используется преимущественно двумя путями: для построения самого регулятора и для организации подстройки коэффициентов ПИД-регулятора. Настройка ПИД-регулятора по формулам обычно не является оптимальной, поскольку аналитически полученные результаты основываются на сильно упрощенных моделях объекта, и может быть улучшена с помощью дальнейшей подстройки. Подстройка может быть выполнена оператором на основании эвристических правил. Эти правила получены из опыта, теоретического анализа и численных экспериментов.

Кроме того подстройка может быть выполнена автоматически, с помощью блока нечеткой логики. Блок нечеткой логики использует базу правил и методы нечеткиткого вывода. Фаззи-подстройка позволяет уменьшить перерегулирование, снизить время установления и повысить робастность ПИД-регулятора. Для решения задачи организации эффективной вентиляции шахтных выработок предлагается разработка нечеткой экспертной системы, определяющей оптимальные настройки ПИД-регулятора, для его адаптации к объекту управления.

Рассмотрим использование управления на основе методов теории нечетких множеств на примере системы автоматического регулирования (САР) ВМП с ПИ-регулятором. Для моделирования был использован пакет Matlab (Simulink). Была создана модель САР ВМП с блоком автонастройки (рис.1-2).

Рисунок 1 – Модель САР ВМП с блоком автонастройки на основе нечеткой логики.

Рисунок 2 – Внутренняя структура блока Mine Fan System (ВМП).

Ниже приведена структура фаззи-блока автонастройки (рис.3). В рамках настройки блока логического вывода производится фаззификация входных и выходных лингвистических переменных. Графики функций принадлежностей входных лингвистических переменных представлены ниже (рис.4-5).

Рисунок 5 – Функции принадлежности выходных переменных P (Пропорциональный коэффициент) и I (Интегральный коэффициент).

Следующий этап заключается в создании базы правил. Исходя из общих рекомендаций, проведенных экспериментов в редакторе FLT, а также опыта экспертов-наладчиков систем автоматизации, был предложен список правил (рис.6).

Рисунок 6 – База правил блока автонастройки на основе нечеткой логики.

На заключительном этапе было проведено компьютерное апробирование нечеткой модели. Настройка регулятора проводилась методом Зиглера-Николса. Значения настроек равны P=0.15, I=45.22, а переходный процесс удовлетворяет основным показателям качества. Затем была проведена проверка нечеткого адаптера при известных условиях. Нечеткая система выдала следующие результаты: P=1.5, I=438.8. Также получен переходный процесс регулирования при данных настройках для ПИ-регулятора (рис.7).

Рисунок 7 – Реакция замкнутой системы с ПИ-регулятором на скачок r(t), импульс помехи n(t) и возмущении d(t): слева – при P=0.15, I=45.22; справа – после работы блока автонастройки (P=1.5, I=438.8).

Как видно, перерегулирование G не превышает 8 %, что допустимо, а время регулирования уменьшилось, по сравнению с предыдущим, приблизительно на 1 секунду (рис.7). В разработанной модели системы автоматического регулирования ВМП с применением теории нечетких множеств были устранены основные недостатки классического ПИД-регулятора: повышены показатели качества управления, улучшена работа при наличии возмущений и помех, добавлена возможность автоматической настройки коэффициентов регулятора. Таким образом, применение модификаций ПИД-регулятора на основе методов нечеткой логики в системах управления вентиляции шахт позволит не только надежно решить техническую проблему создания нормальных атмосферных условий на горном предприятии без остановов, но и снизить затраты на энергопотребление, за счет потребления энергии ровно такого количества, какое требуется для снижения концентрации вредных веществ в подземных горных выработках до допустимого уровня.

Список использованной литературы

1. Дроздова Л. Г. Стационарные машины: учеб. пособие. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. – 15 с.
2. Ивановский И. Г. Шахтные вентиляторы: Учеб. пособие. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. —196 с. илл. 86, табл. 7.
3. Шахтные вентиляторные установки [Электронный ресурс]/ ООО Теплогазстрой – Электрон. дан. – М.: 614990, Пермь, 2009.
4. Масандилов Л. Б., Москаленко В. В. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. – 96 с., ил. (Б-ка электромонтера; Вып. 469).
5. Денисенко В. В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. // СТА. – М: СТА-ПРЕСС, 2006. № 4. С. 66–74; 2007. № 1. С.78–88.