ПРИМЕНЕНИЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ

  • А.В. КАШНИКОВ Горный институт УрО РАН

Аннотация

Задача снижения операционных затрат горнодобывающих компаний не может считаться решенной без обеспечения эффективного проветривания подземных шахт и рудников, что было подтверждено многочисленными исследованиями [1,3]. Реализация систем автоматического управления проветриванием (САУП) [4], ос- нованных на традиционном ПИД-регулировании, выявила ряд существенных недостат- ков такого подхода. Среди них можно выделить следующие: 1. Нелинейная зависимость скорости воздуха на регуляторе от угла его открытия. Проведенные замеры показали, что характер изменения аэродинамического сопротивления регулятора от степени открытия его створок существенно от- личается на малых и больших углах (рис.1). Рис. 1. Зависимость аэродинамического сопротивления регулятора от угла открытия створок 2. Значительное изменение заданных расходов воздуха на регуляторах (т.е. су- щественное перераспределение воздуха по шахте) может перевести отдельные регуляторы в неустойчивое состояние. 3. Постоянная изменчивость вентиляционной сети, вызванная непрерывными горными работами, обусловливает необходимость периодической коррекции коэффициентов в системе управления [2]. В качестве инструмента для решения данных проблем было решено разрабо- тать алгоритмы управления на основе нечеткой логики, поскольку они позволяют учесть нелинейность систем (при отсутствии формального математического описа- ния зависимости вход-выход), а также могут быть адаптированы в процессе их функционирования [5]. Элементами системы автоматического управления проветриванием являются вентиляторы главного проветривания и регуляторы (автоматические вентиляцион- ные двери) [6 - 8]. Входные и выходные параметры элементов САУП изображены на рис. 2. 296 ----------------------- Page 297----------------------- Рис. 2. Описание параметров элементов системы управления Обозначения N*, P* соответствуют значениям «отрицательное» и «положитель- ное», обозначения *Z, *S, *M, *L соответствуют значениям «близкое к нулю» / «нуле- вое», «малое», «среднее», «большое». Например, обозначение PM соответствует терму «положительное среднее». Функции принадлежности различных термов для переменной «Отклонение ско- рости воздуха» приведены на рис.3. Рис. 3. Функции принадлежности нечетких множеств для переменной «Отклонение скорости воздуха» На рис. 4 продемонстрирован фрагмент базы правил для элементов системы управления. На пересечении строки и столбца указано значение выходного параметра в случае, если входные переменные приняли значения, которым соответствуют выбран- ный столбец и строка. Например, первое правило в первой таблице формулируется сле- дующим образом: 297 ----------------------- Page 298----------------------- ЕСЛИ Отклонение скорости воздуха=Отрицательное И Минимальный угол открытия=Нулевой ТО Приращение частоты вращения=Положительное N NZ Z PZ P Z P PZ Z NZ N N NZ Z PZ P S NL NM Z PM PL Рис. 4. Фрагмент базы правил для нечеткого вывода: слева - таблица для вентилятора, справа - таблица для регулятора Для вычисления степени истинности правила используется операция умно- жения значений функций принадлежности для входящих в антецедент правила пе- ременных. Результирующее значение выходного сигнала рассчитывается по формуле: где правило из базы правил, а - вычисленная степень его истинности. В результате имитационного моделирования алгоритмов ПИД- регулирования и нечеткого регулирования были полученные следующие резуль- таты (рис. 5, 6): 1. При значительном перераспределении требуемого расхода воздуха по регуляторам система под управлением нечеткого алгоритма оста- ется устойчивой, в то время как в ПИД-регулируемой системе начи- нается колебательный процесс и требуется перенастройка коэффи- циентов. 2. Амплитуда колебаний выходного параметра до выхода на заданный уро- вень у нечеткого регулятора меньше, чем у ПИД-регулятора. 3. Скорость сходимости приблизительно одинаковая у обоих алгоритмов. Рис. 5. Сравнение результатов моделирования работы ПИД-алгоритма и нечеткого алгоритма для регулятора после настройки ПИД-алгоритма для заданного воздухораспределения 298 ----------------------- Page 299----------------------- Рис. 6. Сравнение результатов моделирования работы ПИД-алгоритма и нечеткого алгоритма для регулятора после значительного изменения требуемых расходов воздуха Дальнейшее направление исследований состоит в разработке алгоритмов автокоррекции системы в процессе ее эксплуатации на основе данных о ее работе.

Литература

  1. Hardcastle S. Strategic mine ventilation control: a source of potential energy savings / Hardcastle S., Kocsis C., Lacroix R. // Proceedings of Montreal Energy & Mines. - Montreal, 2007. - P. 255-263.
  2. Kashnikov A.V. Applying machine learning techniques to mine ventilation control systems / Kashnikov A.V., Levin L. // Proceedings of 2017 20th IEEE International confer- ence on Soft Computing and Measurements SCM’2017. - 2017. - P. 391-393. - DOI: 10.1109/SCM.2017.7970595
  3. Кашников А.В. Динамический расчет количества воздуха в условиях применения систем автоматического управления проветриванием рудников // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. Вып. 14 / ГИ УрО РАН. - Пермь, 2016. - С. 259-260.
  4. Круглов Ю.В. Основы построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников / Ю.В. Круглов, Л.Ю. Левин // Изв. ТулГУ. Науки и Земле. - 2010. - Вып. 2. - С. 104-109.
  5. Рутковская Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л.; пер. с польского И.Д. Рудинского. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 452 с.
  6. Круглов Ю.В. Совершенствование алгоритма оптимального управления проветриванием вентиляционных сетей сложной топологии / Ю.В. Круглов, М.А. Семин // // Вестн. ПНИПУ: Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2013. - № 9.- С. 106-115.
  7. Казаков Б.П. Способ оптимизации параметров работы нескольких главных вентиляторных установок для проектирования энергоэффективных режимов проветривания рудников сложной топологии / Казаков Б.П., Мальцев С.В., Семин М.А. // Изв. вузов. Горн. журн. - 2017. - № 1. - С. 101-108.
  8. Казаков Б.П. Разработка способов повышения эффективности проветривания рудников сложной топологии / Б.П. Казаков, С.В. Мальцев, М.А. Семин // Горн. информ.-аналит. бюл: «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке». Т. 1. - 2017. - № 4, спец. вып. 5-1. - С. 51-58.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи