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

Верхняя оценка этого параметра может быть получена непосред­ ственно по данным активного эксперимента — разгазирования с мак­ симальной производительностью ВМП, равной Q„ , без выполнения

сложных замеров распределения концентрации по длине тупиковой выработки.

Нетрудно убедиться в том, что искомая верхняя оценка

Графически искомая верхняя оценка может быть определена по тангенсу угла между касательной к экспериментально полученной кривой GT (т) при Q = Qnmax в точке (т = О, GT = G^0’) и проходя­

щей через эту точку горизонтальной линией.

Численные значения параметра ц, полученные по эксперимен­ тальным данным, не превышают 5% СН4/мин, что позволяет от­ нести объект к классу систем с медленно изменяющимися пара­ метрами. допускающих линеаризацию в пределах малых изменений последних.

В заключение рассмотрим основные особенности случайных процессов Q (I) и С (t), обусловливающие в известной степени выбор рациональных методов контроля и управления проветриванием.

Анализ множества реализаций, полученных с помощью специаль­ ной исследовательской аппаратуры и серийной аппаратуры АМТ-3, позволил установить ряд интересных особенностей исследуемых процессов. Прежде всего эти процессы являются, строго говоря,, нестационарными как по математическому ожиданию, так и по дис­ персии и имеют сложную статистическую структуру.

Нестационарность по математическому ожиданию трудно уста­ новить на глаз при обычном просмотре записей самописцев, но при их статистической обработке в авто- и взаимокорреляционных функциях процессов проявляются четкие низкочастотные периоди­ ческие составляющие (см. рис. 1.6) с периодом, измеряемым в часах (12—30 ч) и сравнительно небольшой амплитудой, около 10—25% постоянной составляющей процесса.

Нестационарность по дисперсии четко проявляется по характеру записей. Например, на рис. 1.10, а видно, что дисперсия процесса С (t) значительно больше при работе участка, чем при его простое. Это объясняется повышением неравномерности и интенсивности газовыделения при работе добычных механизмов. Среднеквадратич­ ное отклонение центрированного процесса С (t) (при работе участка) колеблется в широких пределах — от 0,05 до 0,15% СН4 в зависи­ мости от конкретных горно-геологических и производственно-тех­ нических факторов. Время корреляции (интервал времени, на кото­ ром автокорреляционная функция, уменьшаясь, пересекает первый раз ось абсцисс) центрированных процессов С (t) и Q (t) составляет

10—30 мин.

Нестационарность проявляется также в сравнительно редких, но резких (относительно сглаженного процесса) всплесках различной

30

и, и./сек

амплитуды и длительности. Особенно четко проявляются всплески в процессе Q (t), вызванные временными нарушениями режима вен­ тиляции (открывание и закрывание вентиляционных дверей, оста­ новка и пуск вентиляторов, пропуск транспорта и т. д.).

В процессе С (t) подобные всплески обусловлены неравномер­ ностью работы добычных механизмов, изменениями количества воздуха, посадкой кровли, внезапными выделениями метана из обнажаемого массива угля и т. д.

На рис. 1.10, б показаны характерные записи процессов С (t) и Q (і) на исходящей струе (после смешения со свежей струей) опасного по газу подготовительного забоя.

Так же, как и в условиях добычных участков, эти процессы можно считать аддитивными, состоящими из низкочастотного математи­ ческого ожидания, «нанизанной» на него высокочастотной помехи с нормальным (или логнормальным) распределением и, наконец, существенно нестационарных всплесков.

Обобщая результаты исследований статистической структуры процессов С (t) и Q (t), можно сделать следующие выводы.

1.Если пренебречь редкими существенно нестационарными выб­ росами, эти процессы можно условно рассматривать как аддитивные, состоящие из низкочастотного математического ожидания и «нани­ занной» на него высокочастотной помехи [17].

2.Статистические свойства сглаженного и центрированного про­ цессов существенно зависят от интервала Тсг и метода сглаживания.

3.При сглаживании экспоненциальным методом с ростом Тсг увеличивается (по экспоненте) дисперсия центрированного про­

цесса, стремясь к своему предельному значению при Тсг оо, а практически к дисперсии при интервале сглаживания, равном интервалу наблюдения.

4. Центрированный процесс (помеха) имеет экспоненциально­ косинусную автокорреляционную функцию и нормальный (или лог­ нормальный) закон распределения.

5. Основная частота сглаженного процесса падает с ростом Тсг, а амплитуда (относительно постоянной составляющей) увели­ чивается.

6. При сравнительно небольших (несколько часов) и очень больших (дни, недели) интервалах наблюдения процессы С (t) и Q (t) можно считать условно-стационарными и эргодическими (по мате­ матическому ожиданию), если в течение рассматриваемых периодов не имели место существенные изменения в выполнении основных производственных процессов.

§3. РУДНИК КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ

ИРЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ

Специфической особенностью рудников как объектов автомати­ зации контроля и регулирования проветривания является различная инерционность переходных процессов по отдельным параметрам при

32

Следует сказать, что регулирующее воздействие по воздуху Q, ограниченное допустимыми скоростями движения воздуха в выра­ ботках, в которых работают люди (цтіп 0,15 м/сек и цтзх

• 4,00 м/сек) вызывает различную реакцию регулируемых пара­ метров: содержание кислорода возрастает, приближаясь к пределу (21%); содержание окиси углерода уменьшается, стремясь к нулю; концентрация пыли вначале уменьшается, достигая минимального значения в области оптимальной скорости по выносу пыли, а зате.м увеличивается в результате сдувания пыли со стенок выработки.

Рис. 1.12. Расход ВВ по сменам на двух участках рудника цветных металлов

Количество воздуха в рудниках, необходимое для проветривания выработок, целесообразно регулировать по двухпериодной системе, в которой первый период составляет междусменное, а второй пери­ од — внутрисменное регулирование. Междусменное регулирование расхода воздуха должно быть направлено на скорейшее проветривание выработок после производства взрывных работ. Исследования рас­ хода ВВ во времени и пространстве, выполненные применительно к условиям Дегтярского рудника, показали значительную неравно­ мерность их расхода по сменам на участках, горизонтах и крыльях. На рис. 1.12 показан расход ВВ по сменам на двух участках рудника, зависящий от горнотехнических условий, производственной необ­ ходимости и ряда других причин.

,34

где п — показатель степени, принимается равным 2 или 3 в зави­ симости от показателя степени расчетной формулы; qCM— расход ВВ за смену, кг; К — коэффициент резерва; </ср см — среднемесячный расход ВВ за смену, кг.

Подсчитанные по формуле (1.34) максимальные коэффициенты неравномерности количества воздуха составили 2,3 для одного из участков и 1,25 для рудника в целом.

Значения коэффициентов неравномерности определяют глубину междусменного регулирования расхода воздуха. Количество воздуха, определенное по расходу ВВ, распределяется между участками при помощи РРВ и ВГГІ диспетчером или управляющей вычислительной машиной.

Внутрисменное регулирование расхода воздуха следует осу­ ществлять по показаниям датчиков на окись углерода, кислород, пыль и температуру.

В заключение отметим, что динамические свойства объектов проветривания в условиях рудников по каналу «контролируемый параметр (СО, пыль, кислород, температура) — управляющее воз­ действие» (расход воздуха) могут быть описаны передаточной функ­ цией типа (1.3), что вполне приемлемо с позиций медленно действу­ ющей системы регулирования, рассматриваемой в данной работе. В случаях резких изменений контролируемых параметров (на­ пример, резкое выделение обескислороженного воздуха в очистной забой) должна срабатывать быстродействующая система сигнализа­ ции и оповещения по аналогии с автоматической газовой защитой на угольных шахтах.

§ 4. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ АРС

В процессе работы динамической системы распределения воздуха по горным выработкам влияние каждой сепаратной САР на все остальные проявляется как в статике, так и в динамике. Математи­ ческое описание взаимосвязи позволяет установить, как изменяется во времени регулируемый параметр (например, расход воздуха) в /с-той САР при изменении регулируемого параметра в г-той САР данной АРС.

Для этого вводят понятие комплексного коэффициента взаимо­ связи, представленного в операторной форме как

где Q (р) и X (р) — соответственно регулируемый параметр и регу­ лирующее воздействие.

В наиболее общем виде для АРС любой топологии анализ взаимо­ связей представляет значительные трудности из-за нелинейной (квадратичной) характеристики сети, распределенного характера параметров, большого числа произвольно соединенных между собой ветвей сети и т. д. [31.

Однако с точки зрения исследования качества функционирования АРС можно ограничиться исследованием элементарной АРС, экви­ валентная схема которой показана па рис. 1.13.

Рис. 1.13. Схема элементарной АРС:

а — технологическая; 6 — расчетная

Как будет показано далее, к такому виду АРС может быть приве­ дена (в динамическом смысле) любая легкоуправляемая АРС с про­ извольной топологией, при этом именно элементарная АРС, наиболее простая с точки зрения ее аналитического исследования, оказывается наиболее характерной с позиций динамики управления процессом перераспределения воздуха по горным выработкам.

Элементарная АРС состоит из источника тяги Нв с внутренним сопротивлением R B, подводящей сети с сопротивлением R 0и п парал­ лельных ответвлений с сопротивлениями R..

В дальнейших исследованиях сопротивление і?. может сумми­ роваться с сопротивлением R 0K вентиляционного окна.

Используя известные из рудничной аэрологии [22] соотношения, находим (для случая квадратичной зависимости между депрессией и расходом) выражение для статического коэффициента взаимосвязи (р -- 0) следующим образом.

36

Гі0п

Можно показать, что значение ß не зависит от того, рассматри­ вается реальная APG с квадратичными сопротивлениями ветвей или линеаризованная сеть с линейными сопротивлениями. Так, напри­ мер, для АРС, линеаризованной по методу, изложенному в [4], получаем

37

Окончательно с учетом (1.42) (1.43) и (1.44) получаем

Далее будем пользоваться соотношением для ßA(. также и в сле­ дующей форме:

При регулируемом (см. § 1) источнике тяги, по крайней мере

водной (і-той) сепаратной САР, подземный РРВ заменяется ВГН.

Вэтом случае изменение производительности ВГІІ под воздействием рассогласования в і-том сепаратном контуре обусловливает про­ порциональное изменение расхода во всех контурах, включая і-тый, что вытекает из известной зависимости [3]: AQi/Qi =- const.

"Учитывая известное уравнение статики для ВГІІ с регулируемыми оборотами

производительности и оборотов ВГП для какого-либо установивше­ гося режима; RB— аэродинамическое сопротивление ВГП, равное

При регулируемом приводе ВГП (наиболее перспективной для этих целей является машина двойного питания М. М. Ботвинника) предполагается наличие локальной быстродействующей замкнутой системы автоматической стабилизации задаваемой при управлении скорости вращения ВГП, что позволяет в дальнейшем пренебрегать динамикой регулируемого электропривода в интересующей нас полосе частот.

Качественное же описание динамических свойств АРС, в том числе рудничных вентиляционных, дегазационных и пневматических, и тем более количественное, является гораздо более сложной задачей, чем описание статических свойств.

38

Особенности APG позволяют отнести их к одному из наиболее сложных объектов управления, описываемых нелинейными диффе­ ренциальными уравнениями высокого порядка в частных производ­ ных с переменными во времени параметрами, изменяющимися по случайному закону.

Как известно [4], передаточная функция наиболее простого объекта данного класса, например длинной пневматической линии

соткрытым концом, представляет собой трансцендентную функцию

сбесконечно высоким порядком относительно аргумента.

Естественно, что математическое описание динамических ха­ рактеристик реальной разветвленной вентиляционной сети оказы­ вается практически необозримым и совершенно непригодным для конкретных инженерных расчетов [23, 24].

РРВ-ІІ

Рис. J.14. Схема простейшей АРС:

а — технологическая; б — расчетная

Однако с позиций конкретно поставленной нами задачи нормаль­ ного функционирования АРС при низкочастотном характере внешних воздействий любую легкоуправляемую вентиляционную АРС можно рассматривать как безынерционный объект, что значительно упро­ щает исследование системы в целом. Рассмотрим это на примере простейшей вентиляционной АРС, показанной на рис. 1.14, а и со­ стоящей из источника тяги, длинной подводящей выработки и двух регулируемых параллельных ответвлений.

Как показывают исследования динамической системы «вентиля­ тор — сеть», выполненные школой академика А. А. Дзидзигури, а также работы ИГД СО АН СССР, для анализа качественной сто­ роны вопроса можно описать вентилятор и длинную вентиляционную выработку как систему с сосредоточенными параметрами, содержа­ щую по одному звену акустической емкости С* и акустической гибкости L* и два сосредоточенных аэродинамических линеаризо­ ванных сопротивления: вентилятора R* и длинной выработки В*.

Ответвления считаем достаточно короткими и потому предста­ вленными аэродинамическими сопротивлениями соответствующих регуляторов расхода воздуха В* и і?*г

На рис. 1.14, б показана эквивалентная электрическая схема рассматриваемой динамической системы.

С учетом реальных условий функционирования АРС нас интере­ сует реакция на выходе объекта, измеренная с помощью соответ­ ствующего датчика расхода воздуха. Так как датчик расхода воздуха

39