книги из ГПНТБ / Местер, И. М. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания

Следует отметить, что вопросы динамики оптимального управле­ ния распределением воздуха по горным выработкам рассмотрены только для класса легкоуправляемых вентиляционных сетей, для которого удалось получить достаточно обоснованные, сравнительно простые технические решения, частично внедренные или находя­ щиеся в стадии внедрения.

Рассмотрим этот вопрос подробнее.

При синтезе системы и обосновании метода оптимального динами­ ческого управления воздухораспределением целесообразно ориенти­ роваться на наиболее общий критерий оптимальности, учитывающий не только показатель качества (минимизация рассогласования в каж­ дый момент времени между потребными и фактическими расходами воздуха при минимуме напора, развиваемого ВГП), но и сложность, надежность и стоимость автоматизированной системы управления.

Таким образом, основой при разработке АСУ вообще и в первую очередь систем техники безопасности является создание систем минимальной сложности.

В решении рассматриваемой задачи существуют два независимых направления.

Первое направление предусматривает использование хорошо разработанных статических методов расчета разветвленных венти­ ляционных сетей, основанных на использовании методов нелинейного программирования [2, 3].

Второе направление, принципиально отличающееся от первого, связано с использованием методов теории автоматического регули­ рования [4—9].

Рассмотрим каждое из направлений. Статические методы расчета разветвленных вентиляционных сетей основаны на следующих принципиальных положениях [10]. Любая вентиляционная сеть произвольной конфигурации и сложности, представляющая собой полный связной граф, содержащий р ветвей и п узлов, описывается полностью 3р параметрами (р расходов, р сопротивлений и р потерь напора в каждой ветви).

Для расчета сети могут быть составлены следующие независимые уравнения:

а) уравнения узлов (2г/,- = 0); число таких уравнений равно п — 1, так как если расходы ветвей удовлетворяют этому уравнению для п — 1 узлов, то они удовлетворяют ему также и для п-го узла; б) уравнения контуров (2 АН{ = 0); количество таких незави­ симых уравнений равно цикломатическому числу сети, т. е. коли­

получаем 2р уравнений.

Так как всего имеется 3р параметров и 2р уравнений, то для определения всех параметров необходимо иметь р исходных данных.

Искомые параметры определяют прямыми измерениями Qt и ДН і при выполнении депрессионных съемок.

10

В системе автоматизированного контроля и управления провет­ риванием исходные данные следует систематически вводить в упра­ вляющее устройство от соответствующих первичных датчиков. Так как сопротивления ветвей не могут быть непосредственно замерены с помощью датчиков, то, очевидно, вся исходная, первичная, инфор­ мация должна формироваться с помощью датчиков расхода воздуха и датчиков напора (или перепада давления).

Количество, вид и месторасположение датчиков зависят от ха­ рактера поставленной задачи. Например, если ставится чисто ин­ формационная задача определения в любой момент времени распреде­ ления воздуха по горным выработкам, то теоретически необходимо иметь р датчиков независимых расходов. Однако решение общей задачи управления с помощью средств регулирования (регулируемые на ходу вентиляторы, дистанционно управляемые регулирующие вентиляционные устройства), естественно, усложняется, так как для единственности решения необходимо, чтобы заданное распределение воздуха осуществлялось при минимуме мощности. В этом случае помимо р датчиков независимых расходов необходимо иметь допол­ нительно п — 1 датчиков перепада давлений (напоров). В результате получаем р первичных датчиков.

Таким образом, автоматизированная система управления провет­ риванием, функционирование которой основано на изложенных выше принципах, должна содержать р первичных датчиков, рассредоточен­ ных по основным шахтным выработкам, специальную телеметриче­ скую систему передачи информации, управляющую вычислительную машину, и S телеуправляемых вентиляционных регулирующих устройств (S ^ р), соединенных с выходами УВМ также соответ­ ствующими линиями телемеханики.

Важнейшими элементами такой системы являются первичные датчики расхода воздуха и давления (депрессии). Причем вопрос разработки датчиков расхода воздуха можно считать практически решенным, а датчиков депрессии — еще нет.

Применение дифманометров с телепередачей и использование в качестве приемников импульсных трубок приводит к трудноосу­ ществимому громоздкому решению — необходимости прокладки де­ сятков километров импульсных трубок.

Применение микробарографов с телепередачей, измеряющих не перепад давления, а абсолютное барометрическое давление, приводит к удвоению числа датчиков.

Кроме того, для повышения точности замеров помимо ряда попра­ вок необходимо дополнительно учитывать влажность и температуру воздуха в пункте замера, а также его географическую широту [11].

В условиях угольной шахты с характерной для Карагандин­

И

Важным, но еще не решенным при таком подходе, вопросом яв­ ляется выбор способа управления регулирующими устройствами. В случае, когда все вентиляционные регулирующие устройства представляют собой регулируемые на ходу вентиляторы, решение получается сложным, по приемлемым [12]. На основании расчета машина выдает значения напоров (расходов) вентиляторов, при кото­ рых обеспечивается требуемое (новое) воздухораспределение по объек­ там проветривания. При достаточно точной аппроксимации характе­ ристик вентиляторов задание напора однозначно определяет тре­ буемый новый режим работы. При применении же вентиляционных окон задача усложняется, так как их расходная характеристика практически нелинейна и, кроме того, может изменяться с течением времени в зависимости от условий эксплуатации окна и переменных горно-геологических и производственно-технических условий. Таким образом, в реальных шахтных условиях периодическая перетарировка расходной характеристики всех регулирующих окон весьма трудоемка.

Так как УВМ может выдавать управляющие команды в виде уставок по напору, расходу или сопротивлению и в связи с перемен­ ной во времени расходной характеристикой окон, для перевода окон в положение, соответствующее новым командам, каждое окно должно иметь индивидуальную следящую систему (по напору, расходу или перепаду давления). Такая следящая система получает уставки, вырабатываемые УВМ, сравнивает их с фактическим значением параметра и воздействует на исполнительный орган до тех пор, пока фактическое значение параметра не оказывается равным уставке.

Сущность другого направления заключается в обеспечении заданного расхода воздуха в ветвях при помощи сепаратных (уча­ стковых) замкнутых систем автоматического регулирования (САР), состоящих из датчика расхода воздуха (ДВ), регулируемого вентиля­ ционного окна или вспомогательного вентилятора, называемого далее подземным регулятором расхода воздуха (РРВ), и управляющего устройства (УУ), функционирующих совместно с регулируемым на ходу ВГП. При этом УУ может быть либо индивидуальным, либо общим для всех п участковых САР (многоканальный регулятор, УВМ).

Подобную систему в дальнейшем будем называть автоматизи­ рованной распределительной сетью (АРС). Нормальная работа АРС возможна при условии, если вентиляционная сеть шахты имеет достаточный запас по пропускной способности, а ВГП с регулируемой на ходу производительностью выбран с необходимым резервом.

На рис. 1.1 показана блок-схема вентиляционной автоматизи­ рованной распределительной сети. Перемещение РРВ в ту или иную сторону (на увеличение или уменьшение расхода воздуха в регули­ руемой ветви) происходит под действием команд, поступающих из УУ, до тех пор, пока рассогласование между заданным и факти­ ческим расходами воздуха не окажется меньше принятой зоны нечувствительности УУ.

12

Участковые САР управляются независимо одна от другой в функ­ ции соответствующего рассогласования, действующего в каждом контуре регулирования. Однако все они оказываются взаимосвязан­ ными через общие вентиляционную сеть и ВГП, так как перемещение РРВ вызывает не только изменение расхода воздуха в собственном ответвлении, но и во всех остальных ветвях АРС. Следовательно, участковые САР и регулируемый на ходу ВГП вместе с вентиляцион­ ной сетью образуют единую многомерную многосвязную динамиче­ скую систему. Для того чтобы заданное распределение воздуха было оптимальным, необходимо, чтобы хотя бы один РРВ был полностью

увеличилось (заданный расход превышает фактический). Если РРВ данного участка при этом открыт не полностью, он начинает приот­ крываться. Если РРВ открыт уже полностью (далее САР с такими РРВ названы лидерами), то команды управления из УУ передаются через БЛ на ВГП , включающегося при этом в соответствующую участковую САР в качестве исполнительного устройства вместо РРВ, возможности регулирования которого исчерпаны. При увеличении производительности ВГП под действием рассогласования г-той САР остальные РРВ соответственно прикрываются. Аналогично осу­ ществляется и снижение производительности ВГП, но с учетом ряда ограничений.

Изменение структуры системы управления при различных, случайным образом изменяющихся рассогласованиях лидеров, а так­ же формирование соответствующих команд, управляющих произ­ водительностью ВГП, осуществляется по специальным алгоритмам

13

(см. § 8). Такой принцип управления распределением воздуха применим в условиях легкоуправляемых вентиляционных сетей (классификация по управляемости приведена в главе II), у которых определенная группа участков проветривается одним ВГП, а между ВГП, обслуживающими свои участки, нет вентиляционной связи до линии проветриваемых забоев.

Топологический анализ вновь проектируемых и действующих угольных шахт показывает, что большинство проектируемых венти­ ляционных сетей и более половины действующих сетей шахт могут быть отнесены к классу легкоуправляемых. Сильные связи между вентиляторами на действующих шахтах в большинстве случаев неоправданъ! и при правильной эксплуатации могут быть ликвиди­ рованы без ущерба для проветривания. Следовательно, вентиляцион­ ные сети большинства шахт при их упорядочении могут быть пере­ ведены в класс легкоуправляемых, тем более, что современные тенденции дальнейшего усовершенствования вентиляционных сетей направлены на максимальное упрощение топологии, применение принципа секционного проветривания и пр. Большинство вентиля­ ционных сетей рудников как действующих, так и проектируемых также можно отнести к числу легкоуправляемых, несмотря на слож­ ность системы выработок.

Основными преимуществами описанного метода оптимального управления АРС перед методами, основанными на статических спо­ собах расчета вентиляционных сетей, являются, во-первых, повышен­ ная надежность функционирования системы (выход из строя сепа­ ратной САР не отражается на работоспособности системы в целом) и, во-вторых, значительно меньшее количество (в 2—3 раза) первич­ ных датчиков. Для нормальной работы такой АРС необходимы лишь датчики расхода воздуха, причем их число равно числу сепаратных САР независимо от топологии АРС.

Приведенная в остальных параграфах данной главы характери­ стика рудничного вентиляционного комплекса выполнена лишь в объеме, необходимом для обоснования и технической реализации рекомендуемых в данной работе направлений при решении поста­ вленных задач, и поэтому не претендует на исчерпывающую полноту

истрогость.

§2. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Основными объектами проветривания на угольных шахтах явля­ ются добычные и подготовительные участки. Регулирование содержа­ ния газа в атмосфере на производственных участках можно осу­ ществлять двумя способами: изменением количества подаваемого на участок воздуха и изменением режима работы горных машин, обус­ ловливающего газовыделение на участке.

Так как вопросы регулирования производительности горных машин по фактору газовыделения находятся лишь в стадии исследо-

14

палия, в качестве основного управляющего параметра рассматрива­ ется количество подаваемого на участок воздуха, при этом остальные переменные рассматриваются как внешние или внутренние возму­ щения. Объекты проветривания как звенья АСУ полностью опреде­ ляются своими статическими и динамическими характеристиками. Рассмотрим сначала основные характеристики добычных участков газовых шахт.

Добычной участок с учетом прилегающего к нему выработанного пространства, откаточных и вентиляционных выработок представляет собой чрезвычайно сложный нелинейный объект с распределенными параметрами, со случайно изменяющимися во времени и пространстве внутренними и внешними возмущениями, значительно усложня­ ющими его математическое описание.

Рис. 1.2. Структурные схемы объекта

С позиций, с которых в настоящей работе рассматриваются задачи автоматизации управления проветриванием, для описания объекта в качестве исходной может быть принята модель идеального смешения [13]. При этом объект можно представить как емкость (зона смешения), в которую с одной стороны поступает свежий воздух, а с другой — выходит отработанный воздух, смешанный с вредными примесями, вводимыми в емкость извне или выделяющи­ мися непосредственно в ней (рис. 1.2, а).

Введем следующие обозначения: G — секундное газовыделение в зону смешения, м3/сек; Q — секундное поступление свежего воздуха, м3/сек; Qa — секундный расход отработанного, исходящего из зоны смешения воздуха, м3/сек; С — объемная относительная концентрация вредных примесей в отработанном воздухе; V — объем зоны смешения, м3 (с учетом пространства, соответствующего зоне интенсивного действия распределенных утечек).

Учитывая, что переменным, регулируемым во времени, пара­ метром является концентрация С, переменная G представляет собой основное внешнее возмущение, а Q является управляющим воздей­ ствием, получим для рассматривамого объекта следующее нелиней­ ное дифференциальное уравнение динамики:

G - QifC de

Уравнение статики рассматриваемого объекта можно выразить следующим образом:

где Со и Q0 — начальные, установившиеся значения соответственно объемной относительной концентрации вредных примесей в отра­ ботанном воздухе и секундного поступления свежего воздуха (м3/сек).

Учитывая, что при малых значениях С можно считать прибли­ женно @и Q, и используя формулы (1.1) и (1.2), получаем линеари­ зованное уравнение динамики объекта в приращениях

где Т%— постоянная времени звена (сек),

(1.4)

Kxq — коэффициент усиления объекта по каналу газовыделение — концентрация,

Kxq — коэффициент усиления объекта по каналу расход воздуха — концентрация,

Математическое описание объекта усложняется тем, что между параметрами G и Q может существовать функциональная нелинейная связь, например [4]

где GyCT — установившееся газовыделение в зону смешения, м3/сек; d — коэффициент, характеризующий степень влияния Q на G.

Коэффициенты GyCT и d определяются экспериментальным путем. Некоторые исследователи придерживаются мнения о наличии подобной связи, другие ее отрицают, полагая, что статическая ха­ рактеристика объекта определяется зависимостью (1.2). Следует отметить, что этот вопрос не может быть решен статистической об­ работкой данных, полученных методами активного или пассивного эксперимента при непосредственном измерении лишь параметров С и Q, так как газовыделение определяется косвенно и, следовательно, не зная заранее распределения G по источникам, принципиально

невозможно установить истинный характер зависимости G от Q. Между тем правильное представление о статических свойствах

объекта имеет принципиальное значение для обоснования рациональ­ ной системы управления объектом.

16

Кривые 1—4 соответствуют изменению K^q при неизменных значениях газовыделения, при этом увеличение Q0 в диапазоне регулирования <2min — Qmax приводит к соответствующему умень­ шению С. Следует отметить, что кривые 1—4 соответствуют условиям, в которых, как правило, снимаются экспериментально статические характеристики объекта методом активного эксперимента.

Выполненный анализ позволяет сделать следующие важные выводы.

1.Коэффициент усиления объекта по каналу Q — G может изменяться в процессе регулирования в широких пределах, примерно пропорционально изменению газовыделения.

2.Чем больше степень влияния Q на G, тем меньше диапазон изменения и абсолютное значение коэффициента усиления объекта.

3.Эксперименты по снятию статических характеристик методом

активного эксперимента могут быть поставлены корректно только в условиях функционирования замкнутой системы стабилизации концентрации метана.

18

4. Статическая характеристика объекта при G = const и С — = ѵаг не описывает однозначно объект, так как таких характеристик имеется бесконечное .множество. Причем каждая из них соответ­ ствует определенному значению или области изменения газовыделения.

5. Исчерпывающей статической характеристикой с точки зрения автоматизации управления объектом является зависимость коэффи­ циента усиления Кщ от Q при С = Сдоп = const и G — ѵаг; эта зависимость может быть названа приведенной статической характе­ ристикой объекта.

Дальнейшее усложнение объекта обусловлено тем, что колебания количества воздуха Q, подаваемого на участок, вызывают переход­ ные газодинамические процессы, зачастую нежелательные, особенно при резком и значительном изменении Q.

Как следует из многочисленных исследований П, 14—16], скачки количества воздуха Д(? нередко вызывают на первой стадии пере­

В дальнейшем, по окончании переходного процесса, новое зна­ чение концентрации метана устанавливается в соответствии со статической характеристикой объекта, т. е. приращения ДQ и АС имеют противоположные знаки, что вытекает из инвертирующих свойств объекта [отрицательная правая часть в формуле (1.6)].

Достаточно простая и наглядная математическая модель объекта, учитывающая эту особенность аэрогазодинамических процессов, предложена в [4] при следующих допущениях:

1)объект рассматривается как линейный при условии малых отклонений регулируемого параметра в процессе функционирования медленно действующей замкнутой системы регулирования;

2)газовыделение G (t) рассматривается как внешнее возмущение, состоящее из двух составляющих (см. рис. 1.2)

где G (t)n — газовыделение, обусловленное производственными фак­ торами (в первую очередь режимом работы добычной машины) и не зависящее от Q (t); G (t)B — газовыделение из выработанного про­ странства, обусловленное колебаниями Q (t), но не зависящее от режима работы добычной машины;

3) выходной параметр объекта С (t) в результате суперпозиции рассматривается как сумма двух составляющих — С (t)n и С (t)B.

Полученная методом структурного синтеза полная передаточная функция объекта по каналу «расход воздуха — концентрация» имеет следующий вид:

Первая дробь выражения (1.10) обусловлена реакцией вырабо­ танного пространства (см. рис. 1.2, б и в) на изменение входного