Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ СХЕМ ПРОВЕТРИВАНИЯ УЧАСТКОВ СО СПАРЕННЫМИ ЛАВАМИ 24
2.1. Математическое описание аэрогазодинамических процессов на участке 24
2.2. Принципы учета горнотехнических условий при построении моделей 35
2.3. Исследование аэродинамики участков с зависимым проветриванием лав 41
2.3.1. Алгоритм расчета утечек воздуха через выработанное пространство для участков
со спаренными лавами и общим выработанным пространством 41
2.3.2. Особенности вычисления утечек при наличии выработки, поддерживаемой в выработанном пространстве 50
2.3.3. Исследование закономерностей воздухорасп-ределения на участке с зависимым проветриванием лав методом численного эксперимента . 54
Выводы 69
3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КАК
ОБЪЕКТА С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ 71
3.1. Описание переходных аэрогазодинамических процессов в элементах вентиляционной схемы участка. 71
3.2. Разработка алгоритма моделирования процессов проветривания на участках с произвольной топологией схем вентиляции 79
3.3. Исследование процессов аэрогазодинамики участков со спаренными лавами как объекта с сосредоточенными параметрами 86
Выводы 99
4. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ, ОЕЕСПЕЧИВАЩИХ УПРАВЛЕНИЕ ПРОВЕТРИВАНИЕМ УЧАСТКА СО СПАРЕННЫМИ ЛАВАМИ 100
4.1. Постановка задачи управления проветриванием участка 100
4.2. Особенности контроля и расстановки исполнительных органов при управлении проветриванием участков с зависимой вентиляцией лав 102
4.3. Расчёт линейного безопасного управления проветриванием выемочного участка 108
4.4. Алгоритмическое обеспечение оптимального управления проветриванием участка с раздельными вентиляционными штреками И4
4.5. Управление проветриванием участка с общим вентиляционным штреком 125
Выводы 34
5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ УЧАСТКА С ЗАВИСИМОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ: ЛАВ 136
5.1. Структура и модель подсистемы управления проветриванием участка со спаренными лавами 136
5.2. Отработка алгоритма автоматизированного управления 141
5.3. Исследование алгоритмов оптимального управления 149
5.4.Реализация алгоритмов управления в условиях функционирования и развития подсистемы АТМОС . 160
Выводы 165
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
ЛИТЕРАТУРА 169
ПРИЛОЖЕНИЕ I 180
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 187
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 191
- СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Математическое описание аэрогазодинамических процессов на участке
- Описание переходных аэрогазодинамических процессов в элементах вентиляционной схемы участка.
- Постановка задачи управления проветриванием участка
- Структура и модель подсистемы управления проветриванием участка со спаренными лавами
Введение к работе
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусмотрено "обеспечить добычу угля в 1985 году в количестве 770-800 млн.тонн". При решении этой важной народнохозяйственной задачи необходимо "улучшать условия труда и технику безопасности".
В условиях интенсификации нагрузки на лаву и постоянного увеличения глубины разработки наблвдается значительный рост метановыделения, что приводит к сдерживанию производительности выемочной техники по газовому фактору и снижает безопасность труда горнорабочих. Важное значение при этом приобретает вентиляция как основное средство борьбы с метаном. Одним из основных путей повышения ее действенности является создание систем автоматизации проветривания выемочных участков и тахты в целом / I /.
Большой вклад в разработку научных основ управления проветриванием шахт внесли: академик АН УССР А.Н.Щербань, академик АН ГССР А.А.Дзидзигури, член-корр. АН УССР Ф.А.Абрамов, докт. техн.наук А.Д.Багриновский, В.А.Бойко, А.С.Бурчаков, А.А.Волков, Ф.С.Клебанов, Л.Г.Мелькумов, П.И.Мустель, Б.И.Медведев, С.Н.Осипов, Л.А.Пучков, Р.Б.Тян, К.З.Ушаков, Л.П.Фельдман, С.В.Цой, Л.А.Шойхет, канд.техн.наук К.Г.Акутин, И.Н.Засухин, Е.Ф.Карпов, И.М.Местер, В.Я.Потемкин, В.А.Святный и другие ученые. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в ИЩ им.А.А.Скочинского, МакНИИ, ИГД Каз.ССР, ЖД СО АН СССР, ГУА, ДонУГИ, ИГТМ АН УССР, КИА, КНИУИ, МГИ, ЛГИ, ДЛИ, ДГИ в угольной промышленности ведется поэтапная реализация методов и технических средств управления проветриванием. В стадии внедрения и дальнейшего развития находится подсистема диспетчерского контроля и управления проветриванием АСУ Тїї шахт АТМОС, разрабатывается система автоматического управления.
Одной из актуальных проблем, возникших в сязи с проектированием подсистем управления проветриванием АСУ ТП шахт, является задача учета горнотехнических условий практически во всех видах обеспечения подсистемы. В настоящей работе рассматриваются вопросы разработки математических моделей, алгоритмов управления и способов их реализации для условий выемочных участков со спаренными лавами.
Целью работы является установление закономерностей и построение математической модели процессов аэрогазодинамики выемочных участков со спаренными лавами с целью разработки алгоритмов управления вентиляцией таких участков для подсистемы управления проветриванием АСУ ТП шахты, повышающей эффективность вентиляции.
Идея работы - учесть взаимовлияние процессов аэрогазодинамики в лавах и вентиляционных штреках для разработки моделей и алгоритмов управления проветриванием участков со спаренными лавами.
Научные положения, разработанные лично соискателем,и новизна: математическая модель и алгоритмы расчета движения метано-воздушной смеси в пределах выемочного участка со спаренными лавами, отличающаяся учетом особенностей зависимой вентиляции лав; модель переходных аэрогазодинамических процессов для участков со спаренными лавами, новизна которой состоит в том, что она учитывает характер распределения утечек через выработанное пространство и может применяться для любых участковых схем с зависимой вентиляцией лав; зависимость утечек воздуха через выработанное пространство от расходов на соответствующих индивидуальных для каждой лавы вентиляционных штреках при W-образной схеме проветривания, отличающаяся тем, что имеет параболический характер.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, со- держащихся в работе. Теоретические исследования выполнялись методами операционного исчисления, теории матриц, теории оптимального управления, теории разностных схем. Исследования разработанных моделей и алгоритмов расчета процессов аэрогазодинамики осуществлялось методами математического моделирования на аналоговых, цифровых и гибридных вычислительных машинах. Относительное отклонение модельных результатов от данных шахтного эксперимента по параметрам переходных аэрогазодинамических процессов не превышает 10%.
Научное значение работы состоит в том, что математические модели и алгоритмы расчета процессов аэрогазодинамики участков со спаренными лавами развивают методы теории управления проветриванием шахт, позволяют уточнить зависимости процессов рудничной аэрологии.
Практическое значение работы заключается в том, что разработанные алгоритмы оптимального по быстродействию и автоматизированного управления проветриванием участков со спаренными лавами используются в подсистеме управления проветриванием АСУ ТП шахты АТМОС для расширения функций и области применения этой подсистемы, способствуют повышению эффективности управления вентиляцией.
Результаты диссертационной работы, включающие алгоритм оптимального по быстродействию управления проветриванием, использованы МакНИИ, ДЛИ, ДГИ в техническом задании "Программное обеспечение подсистемы диспетчерского (автоматизированного) контроля и управления проветриванием шахт (АТМОС-А)", а алгоритм автоматизированного управления проветриванием участка со спаренными лавами - в программном обеспечении подсистемы АТМОС на шахте им.газеты "Социалистический Донбасс", где внедряется эта подсистема.
Основное содержание работы и отдельные ее положения докла- дывались и были одобрены на У междуведомственном региональном семинаре "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (г.Новосибирск, 1981 г.), на всесоюзной конференции "Автоматизированные системы безопасности на шахтах и рудниках" (г.Киев, 1982 г.), на республиканской научно-технической конференции "Применение вычислительной техники и электронного моделирования в народном хозяйстве" (г.Хмельницкий, 1982 г.).
По материалам диссертационной работы опубликованы восемь статей.
Работа выполнена на кафедре электронных вычислительных машин Донецкого политехнического института, связана с планом и тематикой научно-исследовательских работ, выполняемых на кафедре по проблеме автоматизации управления проветриванием шахт, а также с работами в рамках целевой комплексной научно-исследовательской программы 0.Ц.026 раздел 03 "Разработка и внедрение в практику создания АСУ ТП методов автоматизированного проектирования АСУ ТП и их программного обеспечения", разработанной ГКНТ СМ СССР.
Состояние вопроса и задачи исследований
Процесс управления проветриванием выемочных участков угольных шахт преследует своей целью поддержание расхода воздуха и концентраций метана в выработках на уровнях, установленных Правилами безопасности. С учетом возрастающей интенсификации ведения горных работ, разработки пластов на все больших глубинах повышается метанообильность шахт. Так, абсолютная метанообиль-ность выемочных участков за последние 13 лет увеличилась в 2,1 раза, а удельный вес сверхкатегорных шахт к 1990 году предположительно составит 80$ / 2 /. Для улучшения указанных показателей МакНИИ, ДонГОї, ИГД им.А.А.Скочинского проводятся работы по совершенствованию вариантов схем проветривания выемочных участков. Разработаны схемы, позволяющие повысить производительность лав за счет разбавления метана по источникам поступления / 3 , 2 /.
Наиболее перспективными здесь являются схемы с разбиением лавы на части по способу проветривания, разработанному в ИГД им.А.А.Скочинского / 4 /, в сочетании с обособленным разбавлением метана по источникам поступления. Такие схемы позволяют увеличить нагрузку на лаву в 10-15 раз, в то время как только при разбиении лавы ее нагрузка может возрасти в 1,3-1,7 раза / 2 /. учитывая при этом, что применение спаренных лав дает возможность повысить концентрацию горных работ на выемочном участке / 5 /, их использование достаточно перспективно. Это подтверждается динамикой распространения участков со спаренными лавами: в 1980 году на шахтах Минуглепрома УССР таких участков насчитывалось 107 (7,1$ от общего количества), а в 1983 году их число превысило 200 и составило 12$.
Управление проветриванием выемочных участков со спаренными лавами соїфяжено с рядом трудностей: достаточно сложная вентиляционная схема (с учетом утечек через выработанное пространство), зависимость аэрогазодинамических процессов в лавах друг от друга, а также от фильтрационных процессов в выработанных пространствах. Это сильно усложняет ручное управление распределением воздушных потоков и оптимизацию этого процесса. Поэтому создание на участках с зависимым проветриванием лав автоматизированных и автоматических систем управления вентиляционным режимом является актуальной задачей.
Объектом управления в такой системе является вентиляционная сеть выемочного участка, которая математически представляет собой нелинейный многосвязный объект с распределенными во времени и пространстве параметрами. Аэрогазодинамика участка также в большой степени определяется его топологией. На рис.1.1 приведены варианты схем вентиляции выемочных участков с зависимым проветриванием лав и последовательным разбавлением метана по источникам поступления.
Сущность схем проветривания с разделением лавы на части (как правило, две) состоит в том, что метан в каждой части лавы разбавляется своей свежей струей (рис.1.1). При необходимости снижения концентрации метана на исходящей струе участка может применяться обособленное разбавление с помощью дополнительных струй воздуха.
Математическое описание аэрогазодинамических процессов на участке
Использование описания процессов проветривания выемочного участка уравнениями, изложенными в п.2.1, для синтеза автоматических и определения характеристик диспетчерских систем управления затруднительно. Это объясняется многомерностью уравнений в частных производных и их нелинейностью. Кроме того теоретические методы синтеза систем регулирования более часто предполагают, что объект описан обыкновенными дифференциальными уравнениями. Поэтому необходимо иметь более простую математическую модель с достаточной точностью отражающую существо явлений на выемочном участке. При этом должно быть учтено требование учета многообразия схем проветривания, т.е. чтобы разработанная модель легко настраивалась на заданную конфигурацию участковой схемы проветривания. Применение такой универсальной модели для описания процессов на участках со спаренными лавами целесообразно ввиду сложности схем проветривания этих участков.
Обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие движение воздуха в выработках, могут быть получены путем интегрирования выражения (2.8) по длине рассматриваемой выработки. Учитывая, что при нормальных изменениях режимов проветривания воздух можно считать несжимаемым, уравнение, определяющее зависимость между расходом воздуха, депрессией и параметрами і -той выработки, имеет вид /57 /: расход воздуха и депрессия; Rl, Kl - аэродинамическое сопротивление выработки и коэффициент, определяющий инерционность потока воздуха.
При построении универсальной модели можно воспользоваться общностью аэрогазодинамических процессов в выработках и, аппроксимируя утечки через выработанное пространство сосредоточенными потоками, рассматривать участковую схему проветривания как совокупность однотипных элементов. Их взаимосвязь будет определяться конфигурацией схемы проветривания, а также особенностями движения утечек и, следовательно, схемой их аппроксимации.
class2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КАК
ОБЪЕКТА С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ class2
Описание переходных аэрогазодинамических процессов в элементах вентиляционной схемы участка.
Процесс управления проветриванием включает контроль газовой обстановки участка и изменение в случае необходимости его вентиляционного режима. Режим контроля обеспечивает достоверный сбор информации о расходах воздуха и концентрациях метана. Он заканчивается анализом аэрогазодинамической обстановки в установленных Правилами безопасности пунктах выемочного участка и принятием решения на управление. В автоматическом режиме последнее действие выполняется управляющей вычислительной машиной, при диспетчерском (автоматизированном) управлении, основываясь на рекомендациях ЭВМ, решение принимает диспетчер. Инициализация акта управления - плановая:с частотой, определяемой Правилами безопасности аварийная- в случае превышения заданного уровня концентрации метана.
Задачу изменения режима проветривания на выемочном участке можно сформулировать следующим образом.
Состояние объекта управления - вентиляционной схемы выемочного участка, которое может быть описано уравнениями (3.8) -(3.13) по методике, изложенной в разделе 3.2, определяется вектором расходов воздуха О. и концентраций метана С в определенных пунктах участка. Тогда изменение вентиляционного режима сводится к переводу объекта из текущего состояния Q , С в требуемое Qj , Ст Поскольку & является управляющим для С, то требуемые расходы рассчитываются таким образом, чтобы обеспечивался режим Ort Ст
Особенности шахтной вентиляционной сети, а также требования Правил безопасности накладывают на процесс изменения состояния объекта ограничения: в установившихся и переходных режимах элементы вектора С должны удовлетворять условию: где Сдоп с - элемент вектора допустимых величин концентраций метана; - число элементов с; расходы воздуха должны находиться в пределах, лимитируемых Правилами безопасности: где /77- количество элементов вектора Q ; сопротивления отрицательных регуляторов расхода воздуха должны быть практически реализуемыми, т.е.: где Й - величина 6-го регулируемого сопротивления.
Ограничение (4.1) требует управления расходом воздуха с определенной скоростью изменения, что позволяет учитывать характер переходных процессов при увеличении Q , Иногда, например, в случае превышения концентрацией допустимого уровня или при необходимости уменьшить длительность переходного процесса по газу, имеющего значительную инерционность, целесообразно применять оптимальное по быстродействию управление.
Исходя из предпосылки, что оптимальное управление должно обеспечивать уменьшение времени загазованности участка можно ограничить его применение только случаем снижения концентрации метана, что в практическом смысле оправдано / 51 / Такая постановка задачи оптимального по быстродействию изменения вентиляционного режима является более узкой, чем в работах / 15 , 40 , однако позволяет произвести оценку величины управляющего воздействия и значительно упростить алгоритм управления, что важно в условиях спаренных лав.
В работах /68, 69, 70, 71, 14 / сформулированы принципы и алгоритмы воздухораспределения, обеспечивающие минимизацию энергозатрат на проветривание в масштабах шахтной вентиляционной сети. В этой связи следует отметить, что в случае отработки воздухораспределения в сети по указанным алгоритмам это следует учитывать при управлении проветриванием на участке, т.е. окончательное достижение заданного режима проветривания выполняется на старших уровнях управления. Тогда цель управления на участках -установление необходимого баланса расходов в параллельных ветвях при одном полностью открытом регуляторе /14 /.
Постановка задачи управления проветриванием участка
Процесс управления проветриванием включает контроль газовой обстановки участка и изменение в случае необходимости его вентиляционного режима. Режим контроля обеспечивает достоверный сбор информации о расходах воздуха и концентрациях метана. Он заканчивается анализом аэрогазодинамической обстановки в установленных Правилами безопасности пунктах выемочного участка и принятием решения на управление. В автоматическом режиме последнее действие выполняется управляющей вычислительной машиной, при диспетчерском (автоматизированном) управлении, основываясь на рекомендациях ЭВМ, решение принимает диспетчер. Инициализация акта управления - плановая:с частотой, определяемой Правилами безопасности аварийная- в случае превышения заданного уровня концентрации метана.
Задачу изменения режима проветривания на выемочном участке можно сформулировать следующим образом.
Состояние объекта управления - вентиляционной схемы выемочного участка, которое может быть описано уравнениями (3.8) -(3.13) по методике, изложенной в разделе 3.2, определяется вектором расходов воздуха О. и концентраций метана С в определенных пунктах участка. Тогда изменение вентиляционного режима сводится к переводу объекта из текущего состояния Q , С в требуемое Qj , Ст Поскольку & является управляющим для С, то требуемые расходы рассчитываются таким образом, чтобы обеспечивался режим Ort Ст .
Структура и модель подсистемы управления проветриванием участка со спаренными лавами
Исходя из принципов преемственности существующих разработок, рассмотренные выше алгоритмы управления проветриванием участков, учитывающие особенности зависимой вентиляции лав, могут быть реализованы с использованием технических средств и аппаратуры подсистемы диспетчерского контроля и управления проветриванием АСУ ТП шахты АТМОС.
На рис,5.1 приведена структура подсистемы АТМОС, в которой выделены элементы, связанные с реализацией указанных алгоритмов. Подземный полукомплект оборудования включает датчики концентрации метана и расходов воздуха (на рис.5«I не показаны) и регуляторы расхода воздуха (РРВ). Передача информации осуществляется системой телемеханики или по свободным телефонным парам. Поверхностная часть подсистемы состоит из управляющего вычислительного комплекса, блока искробезопасных согласующих устройств (ИСУ), аппарата управления распределением воздуха (АУРВ). В составе управляющего вычислительного комплекса на рис.5.1 выделены устройства связи с объектом (УСО), обеспечивающие ввод и вывод данных контроля и управления; периферийные устройства (ПУ), предназначенные для вывода обрабатываемой УВК информации; базовый вычислительный комплекс (ЕВК).
В связи с тем, что вентиляционная схема участка является частью шахтной вентиляционной сети (ШВС), обработку контролируемых параметров на участке целесообразно производить в составе соответствующих векторов подсистемы в целом ( С и G на рис.5.1). То же самое можно сказать и о режиме управления, когда отработка требуемых расходов воздуха осуществляется в масштабах всей регулируемой части ШВС и вектор Uyv входит в состав U , Тогда программа, реализующая алгоритмы управления проветриванием со спаренными лавами, является одним из модулей программного обеспечения подсистемы.
Синтез алгоритмов управления (п.п. 4.3, 4.4, 4.5) выполнен на основе линеаризованных моделей аэрогазодинамических процессов. Перед включением их в состав алгоритмического и программного обеспечения подсистемы АТМОС необходимо провести исследования этих алгоритмов на работоспособность в условиях структуры средств, приведенной на рис.5.1 и с учетом нелинейности схем проветривания участков как объектов управления. Как показывает опыт разработки подсистемы АТМОС, такие исследования целесообразно проводить методом математического моделирования с применением аналого-цифровых вычислительных систем / 51 , 78 /.
Моделирование подсистемы управления проветриванием участка со спаренными лавами на аналого-цифровом комплексе дает возможность исследовать как качественные стороны процесса управления, так и оценить необходимые для реализации алгоритмов вычислительные ресурсы управлящей ЭВМ.
