Настройка нечеткого регулятора концентрации метана в системе автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты

В качестве объекта управления рассмотрен технологический процесс проветривания тупиковой выработки угольной шахты. Для усовершенствования САР было предложено использовать адаптивные методы настройки ПИД‐регулятора концентрации метана в тупиковой выработке. Было выполнено моделирование системы автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты с применением регулятора концентрации метана, настроенного методами нечетких множеств. В результате исследований были получены данные, на основе которых можно сделать вывод, что система с регулятором, настроенным методами нечетких множеств, показывает лучшие результаты относительно системы с классической настройкой ПИД‐регулятора.

Ключевые слова: Вентиляция угольной шахты, нечеткая логика, ПИД‐регулятор, база правил, Зиглер‐Никольсон, вентилятор местного проветривания.

The technological process of ventilation of a dead‐end coal mine is considered as an object of control. To improve the AСS, it was proposed to use adaptive methods of adjusting the PID regulator of methane concentration in a dead-end mine. The simulation of the automatic control system for the local ventilation fan of a coal mine was performed using a methane concentration regulator configured by fuzzy set methods. As a result of the research, data were obtained on the basis of which it can be concluded that a system with a controller configured by fuzzy set methods shows the best results relative to a system with a classical PID controller setup.

Keywords: Coal mine ventilation, fuzzy logic, PID controller, rule base, Ziegler‐Nicholson, local ventilation fan.

В статье [1] авторами была рассмотрена и проанализирована система автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты; предложена концепция по реализации данной задачи. 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. В источнике [2] был проведен анализ адаптивной системы автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты. Предложена концепция технологического процесса проветривания как объекта управления, выполнено обоснование принятого решения автоматизации. Было выявлено, что система автоматического управления является многосвязной с принципом управления по отклонению. САУ проветриванием тупиковой выработки непрерывно учитывает текущую информацию с датчиков рудничной атмосферы. Для реализации адаптивной САУ ВМП угольной шахты необходима тонкая и точная настройка нечеткого регулятора. Определение параметров fuzzy‐регуляторов концентрации метана и скорости воздуха, создание базы правил и тестирование является целью данной публикации.

На основании разработанной концепции САУ вентилятора местного проветривания составлена структурная схема (рис.1).

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.

Рассмотрим использование управления на основе методов теории нечетких множеств на примере системы автоматического регулирования (САР) ВМП с ПИД‐регулятором концентрации метана. Для решения задачи регулировании мы должны получить три условных терма – мало (s), норма (m), много (l). Эти параметры определяются экспериментальных путем [1] и являются П‐составляющей регулятора. Это является первым этап настройки нечеткого регулятора – фазификация. Дифференцируя и интегрируя данные параметры получим фазифицированные параметры И‐ и Д‐составляющей регулятора. Для фазификации будем использовать треугольные функции. Функции растут по мере приближения к заданной величине, и уменьшаются по мере удаления. На рисунке 2 приведен вид входов нечеткого регулятора концентрации метана по Мамдани.

На основе экспериментальных данных [1], создадим деффазифицированных выход fuzzy‐регулятора. Настройка данных параметров осуществляется по тому же принципу, что и фазификация. На рисунке 3 приведен вид выходов нечеткого регулятора концентрации метана по Мамдани.

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 в воздушном потоке тупиковой выработки (рис.4).

На рис.5 приведены переходные характеристики концентрации метана в тупиковой выработке.

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 местного 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.

В качестве объекта управления рассмотрен технологический процесс проветривания тупиковой выработки угольной шахты. Для усовершенствования САР было предложено использовать адаптивные методы настройки ПИД‐регулятора концентрации метана в тупиковой выработке. Для выполнения поставленной задачи управления было предложено использовать систему нечетких множеств для настройки регулятора. Выполнено обоснование принятого решения автоматизации системы проветривания тупиковой выработки.

В данной статье было выполнено моделирование системы автоматического управления вентилятором местного проветривания угольной шахты с применением регулятора концентрации метана, настроенного методами нечетких множеств. Благодаря исследованиям, проведенным в статьях [1] и [2], была реализована настройка ПИД‐регулятора на основе fuzzy‐логики. По полученный данным регулятор вырабатывает управляющий сигнал, который, благодаря частотному преобразователю, управляет вентилятором местного проветривания, как рабочим, так и резервным. В результате были получены данные, на основе которых можно сделать вывод, что система с регулятором, настроенным методами нечетких множеств, показывает лучшие результаты относительно системы с классической настройкой ПИД‐регулятора.

Список литературы

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. Наумов М.А., Жукова Н.В. Анализ адаптивной системы автоматического управления вентиляцией проходческой выработки угольной шахты. Наумов М.А., Жукова Н.В. 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.