Рисунок 1. Анализ технологического процесса проветривания тупиковой выработки как объекта управления
Авторы: М. А. Наумов, Н. В. Жукова
Источник: Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов XXII Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов (в рамках 8‐го Международного научного форума «Инновационные перспективы Донбасса»). 2022. С. 253‐256.
Актуальность темы
В источнике [1] авторами была предложена концепция построения системы автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты. В качестве объекта управления был рассмотрен технологический процесс проветривания тупиковой выработки угольной шахты, а также выполнен анализ технологического процесса проветривания тупиковой выработки как объекта управления с точки зрения основных информационных переменных. Исходя из проведенного анализа можно сделать вывод, что система имеет достаточно высокий показатель скорости дегазации тупиковой выработки. Для формирования управляющего сигнала применен ПИД‐регулятор, который является наиболее распространенным типом регуляторов в АСУ ТП. В реальных условиях функционирования систем упра.вления на объект действуют возмущения, являющиеся объективной реальностью, условно‐постоянные параметры объекта изменяются, сигналы от датчиков зашумлены. В связи с этим актуальсть приобретают адаптационные методы управления, основанные на алгоритмах нечеткой лигики [2].
Для решения задачи организации эффективной вентиляции шахтных выработок предлагается разработка нечеткой экспертной системы, определяющей оптимальные настройки параметров ПИД‐регулятора, для его адаптации к реальным условиям функционирования выработки [3, 4]. Исходя из вышесказанного, задача разработки метода адаптации ПИД‐регулятора, реализующего опыт наладчиков, становится актуальной. Определение настроечных параметров ПИД‐регулятора концентрации метана с помощью алгоитмов нечеткой локиги является целью данной публикации.
Методика решения задачи
Проанализировав работу разработанной ранее системы, необходимо усовершенствовать систему контроля безопасности проведения тупиковых выработок для осуществления процессов управления и контроля. Внедрить в процессы управления методы нечеткой логики. Концепция САУ ТП проветривания тупиковых выработок угольной шахты представлена на рис.1.
Рисунок 1. Анализ технологического процесса проветривания тупиковой выработки как объекта управления
Концепция САУ заключается в поддерживании двух основных параметров атмосферы тупиковой выработки: концентрация метана и количество пыли. Замкнутая САУ состоит из двух главных обратных связей (ОС) – концентрации метана и количества пыли; и одной местной (корректирующей) ОС – скорости воздуха, подаваемого в выработку. Основные возмущающие воздействия системы – выделение газа метана и пыли при ведении горных работ. Схема моделирования адаптивной САР проветривания тупиковой выработки приведена на рис.2.
Рисунок 2. Схема моделирования САР вентилятором местного проветривания
Следующий этап заключается в создании базы правил. Исходя из общих рекомендаций, проведенных экспериментов в редакторе FLT, а также опыта экспертов‐наладчиков систем автоматизации, был разработан список правил настройки ПИД‐регулятора концентрации метана и ПИ‐регулятора скорости воздушного потока тупиковой выработки.
На рис.3 приведен переходной процесс скорости воздуха в тупиковой выработке.
Рисунок 3. Переходный процесс скорости воздуха в тупиковой выработке с изменением возмущающего воздействия
Как видно из приведенного графика (рис.3), установившееся значение скорости воздуха в проходческой выработке с настройкой регулятора методами нечеткой логики, дает более высокие значения, чем регулятор, настроенный методом Зиглера‐Никольсона. За счет методов нечеткой логики переходный процесс скорости воздуха имеет более плавный характер как при наборе установившегося значения, так и при реакции на возмущающее воздействие. В свою очередь, для регулятора, настроенного методами фаззи‐логики, скорость переходного процесса увеличивается и длится 700с., а с регулятором, настроенным классическим методом – 200с. (рис.4).
Рисунок 4. Выходные значения ПИД-регулятора
На рис.5 приведены переходные характеристики концентации метана в тупиковой выработке.
Рисунок 5. Переходный процесс концентрации метана с изменением возмущающего воздействия
Как видно из графика (рис.5) система с адаптационным блоком автонастройки имеет значительно быстрый переходный процесс (300 секунд) по сравнению с регулятором, настроенным методом Зиглера‐Никольсона (750 секунд). Также из приведенного графика видно, что система с нечетким множеством быстрее отрабатывает возмущающее воздействие, приложенное в момент времени 1000 секунд. Время отработки возмущающего воздействия методом Зиглера‐Никольсона — 700с, а методом с применением автонастройки — 300с. Перерегулирование в обоих методах настройки регуляторов отсутствует.
Анализируя представленные выше результаты исследования, можно сделать вывод, что более целесообразно применить теорию нечетких множеств для управления вентилятором месного проветривания (ВМП). Управление на основе нечетких множеств позволит обеспечить соответствие состава рудничной атмосферы в тупиковой выработке Правилам безопасности в угольных шахтах. Применение частотно‐регулируемого электропривода вентилятора местного проветривания, управляемого фаззи-логикой, позволит повысить энергоэффективность функционирования вентилятора местного проветривания без снижения безопасности ведения горных работ в тупиковой выработке.
Выводы
1. В качестве объекта управления рассмотрен технологический процесс проветривания тупиковой выработки угольной шахты. Предложена концепция технологического процесса проветривания как объекта управления, выполнено обоснование принятого решения автоматизации. Система автоматического управления является многосвязной с принципом управления по отклонению. САУ проветриванием тупиковой выработки непрерывно учитывает текущую информацию с датчиков рудничной атмосферы, а управление ВМП реализовано на основе нечетких множеств, что в свою очередь обеспечило более быстрый переходный процесс по концентрации метана.
2. Внедрение данного решения обеспечит экономию расходов на электроэнергию и обслуживание ВМП, продлит срок службы системы вентиляции проходческой выработки за счет внедрения адаптивной системы автоматического проветривания проходческой выработки. В разработанной модели САР ВМП с применением теории нечетких множеств устранены основные недостатки классического регулятора: повышено качество регулирования при наличии возмущений и помех, обеспечена возможность автоматической настройки коэффициентов регулятора в процессе функционирования системы.
3. Применение модификаций регулятора на основе методов нечеткой логики в системах управления вентиляцией шахт позволит не только надежно решить техническую проблему создания нормальных атмосферных условий на горном предприятии без остановов, но и снизить энергозатраты за счет потребления требуемой электроэнергии для снижения концентрации вредных веществ в подземных горных выработках до допустимого уровня.
4. Использование нечетких адаптивных регуляторов позволит более эффективно управлять технологическим процессом проветривания тупиковой выработки в угольных шахтах без их остановки процесса проходческой деятельности, а дальнейшее введение нейрокомпьютера может привести к самообучающейся адаптации по определению оптимальных настроек без корректировки базы правил.
1. Наумов М.А., Жукова Н.В. Концепция построения системы автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты. / Наумов М.А., Жукова Н.В. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов XXI Международной научно‐технической конференции аспирантов и студентов (в рамках 7‐го Международного научного форума «Инновационные перспективы Донбасса»). 2021. С. 242‐245.
2. Нечеткое моделирование и управление / А. Пегат; пер. с англ. – 2‐е изд. – М. : БИНОМ. Лаборатория издания, 2020. – 798 с.: ил. – (Адаптивные и интеллектуальные системы). – ISBN 978-5-9963-1495-9.
3. Timothy Ross J. “Fuzzy logic with engineering applications”, University of New Mexico, USA, pp. 583. 2017.
4. Денисенко В. В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. // СТА. – М: СТА-ПРЕСС, 2006. № 4. С. 66‐74; 2007. № 1. С.78‐88.