Структура и энергосберегающие алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов главного проветривания шахт тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Пронько Владимир Сергеевич

• Пронько Владимир Сергеевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Пронько Владимир Сергеевич

Введение

Глава I Современное состояние в области методов и средств вентиляции подземных выработок, электропривода вгп и сау горного производства

1.1 Общие вопросы повышения энергоэффективности технологических процессов

1.2 Классификация и структура систем проветривания подземных выработок

1.3 Эксплуатационные характеристики и энергетические показатели вентиляционных установок шахт

1.4 Современные тенденции создания систем вентиляции с высокой энергетической эффективностью

1.5 Анализ структуры и эксплуатационных характеристик электропривода главных вентиляционных установок

1.5.1 Вводные замечания

1.5.2 Входные преобразователи привода

1.5.3 Высоковольтный синхронный электропривод

1.5.4 Двухтрансформаторный преобразователь со звеном низкого напряжения

1.5.5 Асинхронно-тиристорный каскад

1.6 Многоуровневые преобразователи частоты

1.6.1 Общие сведения

1.6.2 Трехуровневый преобразователь с нулевой точкой

1.6.3 Преобразователь каскадного типа

1.6.4 Преобразователь с плавающими конденсаторами

1.7 Выводы по главе

Анализ режимов проветривания на основе модели вентилятора главного проветривания и шахтной сети

2.1 Вводные замечания

2.2 Рабочие характеристики вентилятора

2.3 Расчет режимов работы вентиляторов по рабочим характеристикам

2.4 Сравнение энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторов

2.4.1 Аэродинамический и частотный способ регулирования

2.4.2 Комбинированный способ регулирования

2.5 Синтез системы автоматического управления режимом работы вентилятора

2.6 Бездатчиковое определение рабочей точки вентилятора

2.7 Выводы по главе

Глава 3 Разработка энергосберегающих алгоритмов управления частотно-регулируемым приводом вентиляционной установки

3.1 Вводные замечания. Постановка задачи

3.2 Получение энергосберегающих алгоритмов управления на основе модели потерь

3.2.1 Потери в приводе

3.2.2 Основные соотношения для расчета параметров стационарного режима

3.2.3 Влияние нагрузки двигателя на параметры режима при нерегулируемом и регулируемом приводе

3.2.4 Влияние абсолютного скольжения на параметры режима двигателя в заданной рабочей точке привода

3.2.5 Экстремальные законы управления

3.2.6 Оценка чувствительности экстремальных законов управления к изменению параметров двигателя

3.3 Компьютерная модель ЧРП с энергосберегающим регулятором на базе модели функции потерь

3.3.1 Компьютерная модель асинхронного двигателя с учетом потерь в стали

3.3.2 Энергосберегающий регулятор на основе модели потерь в системе скалярного управления

3.3.3 Энергосберегающий регулятор на основе модели потерь в системе векторного управления

3.4 Метод поиска экстремума функции потерь в реальном масштабе времени

3.4.1 Особенности метода

3.4.2 Метод Розенброка

3.4.3 Пропорциональный метод

3.4.4 Градиентный метод

3.5 Разработка энергосберегающего регулятора на основе метода модели потерь и метода поиска минимума функции потерь методами нечеткой логики

3.5.1 Обоснование энергосберегающего алгоритма комбинированного типа

3.5.2 Построение системы частотного управления приводом на основе энергосберегающего алгоритма комбинированного типа

3.5.3 Регулятор на базе нечеткой логики

3.5.4 Результаты моделирования

3.6 Оптимизация пускового процесса в электроприводе с помощью генетического алгоритма

3.6.1 Постановка задачи

3.6.2 Структура генетического алгоритма

3.6.3 Построение автоматизированной системы поиска оптимальной пусковой характеристики

3.7 Выводы по главе

Структура высоковольтного привода с активным выпрямителем и многоцелевой системой управления главной вентиляционной установкой

4.1 Структура высоковольтного частотно-регулируемого привода вентилятора главного проветривания шахт

4.2 Структура трехуровневого преобразователя частоты

4.3 Алгоритмы управления силовыми ключами трехуровневого преобразователя частоты

4.3.1 Широтно-импульсная модуляция

4.3.2 Пространственно-векторная модуляция

4.4 Управление активным выпрямителем

4.5 Определение ресурса реактивной мощности, генерируемой активным выпрямителем

4.6 Результаты моделирования

4.7 Многоцелевая система управления частотно-регулируемым приводом вентилятора главного проветривания как подсистема автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления

4.8 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

156

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и энергосберегающие алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов главного проветривания шахт»

Актуальность темы:

Непрерывный режим работы вентиляторов главного проветривания (ВГП) угольных, рудных и нерудных шахт мощностью несколько мегаватт обуславливает высокий уровень энергетических затрат на проветривание, который достигает 40% от общего энергопотребления горного предприятия. Доля затрат на проветривание в себестоимости продукции достигает 30% и непрерывно увеличивается в соответствии с существующей тенденцией роста тарифов на электроэнергию и увеличения глубины залегания разрабатываемых месторождений. На высокий уровень затрат энергии на проветривание влияет завышенная производительность ВГП по сравнению с реальной потребностью шахты в свежем воздухе, низкий эксплуатационный КПД вентиляторов, нестационарный характер потерь энергии в электроприводе, которые зависят от режимов работы ВГП и питающей сети, а также ряд других факторов.

Повышение энергетической эффективности привода ВГП является многофакторной задачей, решение которой требует комплексного подхода, учитывающего разные виды потерь, их зависимость от режима проветривания, разработки и реализации энергосберегающих мероприятий с помощью систем управления, включая оперативно-диспетчерское управление.

Степень разработанности исследуемого направления:

Разработке и исследованию электроприводов ВГП посвящены работы Н.Н. Петрова, В.В. Иванцова, И.К. Кузьмина, М.В. Пронина, Д.В. Зедгенизова, В.С. Лезнова и др. Проблемы энергосбережения в частотно-регулируемом приводе (ЧРП) рассматриваются в работах И.Я. Браславского, Н.Ф. Ильинского, А.Б. Виноградова, Р.Т. Шрейнера, А.А. Булгакова и др., а также в работах Branko Blanusa, R. Krishnan, С. Thanga Raj и др.

В то же время задаче комплексной оценки ресурсов энергосбережения в схеме преобразования энергии «сеть -электропривод - вентилятор главного проветривания» и разработке эффективных средств минимизации потерь с

учетом влияния мощного привода на питающую сеть уделено недостаточно внимания. Поэтому повышение энергетической эффективности ВГП как основного элемента системы вентиляции шахт по текущей потребности в свежем воздухе является актуальной задачей.

Цель работы:

Повышение КПД преобразования энергии в системе «электрическая сеть -привод - вентилятор» и обеспечение электромагнитной совместимости ЧРП с питающей сетью.

Идея работы:

Регулирование режима проветривания в соответствии с реальными потребностями шахты в свежем воздухе и минимизация потерь в системе «электрическая сеть - электропривод - вентилятор» достигается за счет разработки и использования энергосберегающих алгоритмов частотного управления высоковольтным электроприводом, активный выпрямитель которого многоуровневой структуры используется в качестве компенсатора реактивной мощности в сети ГПП.

Основные задачи работы:

1. Обоснование эффективного способа регулирования производительностью ВГП по текущей потребности шахты в свежем воздухе, построение бездатчиковой системы управления ВГП с наблюдателем параметров воздушного потока.

2. Выявление закономерностей формирования потерь в зависимости от режимов работы ЧРП, сравнение экстремальных законов управления и обоснование энергосберегающих алгоритмов управления приводом ВГП.

3. Разработка автоматизированной системы поиска оптимальной пусковой характеристики двигателя по критерию минимума потерь на основе стохастических методов оптимизации.

4. Обоснование топологии и системы управления высоковольтным приводом, обеспечивающей эффективную работу ВГП и компенсацию

реактивной мощности распределительной сети с помощью активного выпрямителя.

Методы исследований:

В работе использованы методы теории машин переменного тока, автоматизированного электропривода, теории систем автоматического управления, силовой электроники, методы математического и компьютерного моделирования исследуемых объектов, методы объектно-ориентированного программирования, методы оптимизации систем, включая стохастические методы и методы нечеткой логики, основные положения аэродинамики систем вентиляции шахт.

Научная новизна:

1. Дано обоснование структуры наблюдателя аэродинамических параметров воздушного потока на выходе вентилятора на базе рабочих характеристик вентилятора и измеренных координат частотно-регулируемого привода, что позволило предложить бездатчиковую систему управления производительностью вентилятора.

2. На базе установленных закономерностей формирования потерь в ЧРП предложен комбинированный алгоритм минимизации потерь, использующий закон управления по критерию максимума КПД привода и уточнение минимума функции потерь на основе метода нечеткой логики.

3. Разработан способ поиска оптимальных пусковых характеристик электропривода по критерию минимума потерь энергии в приводе за время пуска на основе стохастических алгоритмов оптимизации.

4. Предложена многоцелевая система автоматического управления электроприводом вентиляторов главного проветривания шахт, реализующая комплексный подход к решению задачи повышения КПД преобразования энергии в системе «электрическая сеть - привод - вентилятор».

Защищаемые положения:

1. Обоснование оптимальных по КПД режимов вентиляторов главного проветривания шахт и построение двухконтурной системы регулирования

производительностью вентилятора без датчиков параметров воздушного потока осуществляется на базе рабочих характеристик вентиляторов центробежного и осевого типа с учетом динамики развития шахты и текущей потребности в свежем воздухе.

2. Разработка экстремальных законов управления приводом ВГП основывается на выявленных закономерностях формирования потерь в частотно-регулируемом приводе в зависимости от режимов его работы и использовании методов оптимизации - стохастических методов поиска оптимальной пусковой характеристики и методов нечеткой логики для уточнения минимума функции потерь при использовании комбинированного метода энергосберегающего управления.

3. Обеспечение электромагнитной совместимости привода ВГП с сетью достигается за счет использования в безтрансформаторной структуре ЧРП многоуровневого активного выпрямителя, система управления которым обеспечивает низкий уровень искажений потребляемых токов, требуемый поток активной мощности и генерирование реактивной мощности для повышения коэффициента мощности в распределительной сети шахты.

Научная и практическая ценность:

1. Разработана методика и программное обеспечение выбора типа вентилятора и обоснования способов регулирования режимом его работы из условия минимума потерь.

2. Разработано программное обеспечение для автоматизированного поиска оптимального закона управления по критерию минимума потерь при пуске частотно-регулируемого электропривода.

3. Разработана система управления высоковольтным активным выпрямителем с многоуровневой топологией, работающего в составе электропривода вентилятора главного проветривания, обеспечивающего требуемый поток активной мощности в нагрузку и компенсацию реактивной мощности распределительной сети.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались на I международной научно-практической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития», 2013; International scientific conference, University of Mining and Geology "St. Ivan Rilski", 2013; XI международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 2013; XI международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития», 2013; международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования», 2014; международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования», 2015.

Результаты реализации работы:

Результаты исследований рекомендуется использовать для проектирования и модернизации электроприводов ВГП подземных выработок. Результаты работы могут быть использованы при чтении следующих учебных дисциплин: «Автоматизированный электропривод», «Силовая электроника», «Моделирование и основы экспериментального исследования электротехнических комплексов и систем», «Моделирование и программное обеспечение систем управления».

Личный вклад автора:

Разработка программного обеспечения для исследования режимов работы ВГП; обоснование энергосберегающих алгоритмов частотного управления и разработка энергосберегающего регулятора на основе нечеткой логики, разработка автоматизированной системы поиска оптимальных пусковых характеристик на основе стохастических методов оптимизации; построение многоцелевой системы управления приводом с возможностью использования активного выпрямителя для компенсации реактивной мощности распределительной сети шахты.

Публикации:

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 174 страницах. Содержит 89 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 74 наименования и 4 приложения.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК, ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВГП И САУ ГОРНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

1.1 Общие вопросы повышения энергоэффективности технологических

процессов

Актуальной задачей эффективной экономики является рациональное использование энергетических ресурсов. Решение этой задачи связано с повышением энергетической эффективности и осуществления энергосберегающих мероприятий при производстве, передаче, распределении и преобразовании электрической энергии в другие виды энергии в зависимости от особенностей тех или иных технологических производств. Для достижения этих целей требуется разработка эффективных мер в области энергетики, электроснабжения и электропривода как основного потребителя энергии во многих отраслях промышленности.

Под энергетической эффективностью технологического процесса понимается минимально допустимое количество энергии, необходимое для производства продукции заданного качества при соблюдении норм техники безопасности. Повышение энергетической эффективности, исключающее избыточный расход энергии, связано с научно-техническим обоснованием норм расхода энергии в принятой технологии производства, и с разработкой новых технологий, обеспечивающих снижение удельного потребления энергии и повышающих качество продукции.

Под энергосбережением понимается снижение потерь энергии в электрооборудовании, используемом при реализации того или иного технологического процесса.

Очевидно, что разработка методов и средств повышения эффективности использования энергии требует анализа существующих технологий и режимов

работы оборудования с целью выявления ресурсов энергосбережения и повышения энергоэффективности технологического процесса.

В РФ проблема энергоэффективности и энергосбережения стоит особенно остро из-за высокой удельной энергоемкости основных технологических производств. Несмотря на принятый в 2009 г. закон РФ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности», реальное снижение энергоемкости производства происходит низкими темпами. Это в значительной мере связано с недостаточной развитостью комплексного подхода к решению проблемы.

Горное производство является одной из энергоемких отраслей, в которой затраты энергии на проветривание подземных выработок составляют значительную часть общего энергопотребления горных предприятий. К другим подземным выработкам, требующих проветривания и соответствующих энергетических затрат, относятся железнодорожные и автотранспортные туннели, туннели метрополитена, хранилища вредных и в частности радиоактивных отходов и др. В этой области существует значительный ресурс энергосбережения и повышения энергоэффективности вентиляционных систем.

Ниже рассматривается структура затрат на проветривание, анализируются способы повышения энергоэффективности на основе анализа структуры вентиляционных систем и режимов работы оборудования, включая электропривод. На основе проведенного анализа ставятся задачи диссертационной работы.

1.2 Классификация и структура систем проветривания подземных

выработок

Шахтная вентиляция - это комплексная структура, которая включает вентиляторы главного и местного проветривания, систему шлюзов и перемычек, датчики для контроля состава атмосферы и автоматическую систему управления. Их работа состоит в управлении скоростью потоков воздуха в шахтной вентиляционной сети, образованной подземными выработками. На аэродинамические характеристики выработок влияет их длина, форма и размеры поперечного сечения, тип поверхности.

Под вентиляционной установкой понимают вентилятор и комплекс средств для работы вентилятора на шахтную вентиляционную сеть. Вентиляционная установка главного проветривания включает непосредственно сам вентилятор, электропривод, систему воздушных каналов и перемычек, а также контрольно-измерительные приборы и аппараты. В соответствии с правилами безопасности главная вентиляционная установка должна содержать не менее двух вентиляционных агрегатов, один из которых является резервным.

Подача свежего воздуха осуществляется вентиляционными установками главного и вспомогательного проветривания, расположенными на поверхности. Их характеризует высокая производительность (до 700-800 м3/с) и создаваемая депрессия (до 10 кПа). Вентиляторы главного проветривания предназначены для обслуживания всей шахты. Вспомогательные вентиляторы могут работать в отдельной части шахты или совместно с главными вентиляционными установками.

В России в качестве вентиляторов главного проветривания используются центробежные вентиляторы серии ВЦ (одностороннего всасывания), ВЦД (двухстороннего всасывания) производительностью до 760 м3/с, депрессией до 9100 Па, мощностью до 6,3 МВт и осевые вентиляторы серии ВО-Д производительностью до 840 м3/с, депрессией до 6500 Па, мощностью до 6 МВт. Номинальная частота вращения колеблется от 150 об/мин для более крупных вентиляторов до 1000 об/мин для менее крупных [15].

Конструктивно осевые вентиляторы (рисунок 1.1) состоят из рабочего колеса, с закрепленными на нем лопатками. Рабочее колесо находится в цилиндрическом кожухе. При вращении вентилятора его энергия передается воздуху, создавая направленное движение, параллельное оси вращения.

Рисунок 1.1 - Вентилятор осевой ВОМ-32 Для обеспечения плавного перехода позади рабочего колеса устанавливается спрямляющий аппарат. Регулирование угла наклона лопаток рабочего колеса позволяет изменять аэродинамические характеристики вентилятора.

В центробежных вентиляторах рабочее колесо вращается в улиткообразном кожухе (рисунок 1.2). Такая форма позволяет создавать направленный поток воздуха. При прохождении через вентилятор воздух поворачивает на 90° за счет тяги, создаваемой лопатками. Лопатки, закрепленные на рабочем колесе, могут иметь наклон по ходу вращения, против хода или быть прямыми.

Рисунок 1.2 - Вентилятор центробежный ВЦП-16 На входе центробежного вентилятора устанавливается направляющий аппарат с лопатками, способными изменять свой угол наклона. Это позволят

подавать воздух на рабочее колесо под различным углом, что оказывает влияние на аэродинамические характеристики.

Основные преимущества центробежных вентиляторов - высокая надежность и длительный срок службы, устойчивость рабочих режимов, меньший уровень создаваемого шума, высокая создаваемая депрессия, большая глубина регулирования. К преимуществам осевых вентиляторов относят простоту конструкции и монтажа, меньшие габаритные размеры, высокий коэффициент полезного действия.

По правилам безопасности при реверсе вентилятора его производительность должна составлять более 100%. В осевых вентиляторах реверсивный режим с соблюдением требований достигается поворотом лопаток рабочего колеса на угол 120°. Центробежные вентиляторы, при реверсе изменением направления вращения, не обеспечивают указанные требования. Вследствие этого необходимо сооружение системы каналов и шлюзов для создания обратного потока воздуха и завышать установленную мощность самого вентилятора.

Предпочтение отдается использованию осевых вентиляторов ввиду их экономичности при депрессии менее 2500 Па. Однако с увеличением глубины разрабатываемых месторождений центробежные вентиляторы получают большее распространение. Общий вид вентиляционной установки показан на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Общий вид вентиляционной установки

Различают три способа вентиляции шахт [46]:

1. Нагнетательный способ, при котором вентиляционные установки используются для подачи свежего воздуха в шахту. Его применяют на не газовых шахтах глубиной 400-600 м с малым аэродинамическим сопротивлением. В вентиляционной сети наблюдается давление выше атмосферного. Из-за этого основная масса потерь возникает из-за утечек воздуха. Достоинствами данного метода являются: наличие лишь одной вентиляционной установки в центре поля, высокая устойчивость режимов работы вентилятора и простота регулирования потоков воздуха, увеличение срока службы вентиляционной установки, так как она работает с чистым воздухом. Недостатки этого способа вентиляции следующие: сложность обеспечения герметичности вентиляционной установки и вентиляционного ствола, вентилятор должен обладать значительной мощностью и широким диапазоном регулирования.

2. Всасывающий способ, при котором вентиляционные установки работают для отвода из шахты загрязненного воздуха. Его используют на угольных шахтах глубиной 300-400 м и рудных шахтах глубиной до 1500 м. В вентиляционной сети устанавливается давление ниже атмосферного. К достоинствам этого способа относится повышение уровня безопасности, связанного с более быстрым удалением опасных газов, повышенная интенсивность проветривания отдаленных участков. Из недостатков можно выделить повышенный износ вентилятора, работающего с загрязненным воздухом, КПД меньше, чем при нагнетательном способе, подсос воздуха через обвалы и трещины в породе.

3. Комбинированный способ, при котором часть вентиляторов работают на подачу, а часть на отвод воздуха. Его используют на газовых и негазовых шахтах глубиной до 2000 м. Особенностью данного метода является наличие зоны, в которой давление равно атмосферному. Вследствие этого отсутствуют утечки и подсосы воздуха в области вентиляционной сети с атмосферным давлением. Достоинством также является сравнительно малая мощность вентиляционных установок. Недостатками являются обязательное

наличие более одного вентилятора и связанные с этим трудности согласования их режимов работы.

Рисунок 1.4 - Потоки воздуха при проветривании шахты

По расположению вентиляционных установок различают центральную и фланговую схемы проветривания. При центральной схеме подача и отвод воздуха осуществляется через вентиляционные стволы, расположенные в центре шахтного поля. Такая схема используется в основном на небольших месторождениях, так как для нее характерно высокое аэродинамическое сопротивление. Это вызвано большой протяженностью пути воздуха. Данную схему не рекомендуется использовать при высокой газовой обильности шахты. При такой схеме возможно наличие только одной вентиляционной установки. При этом режимы проветривания становятся довольно стабильными, упрощается регулирование воздушных потоков. Однако, мощность самой вентиляционной установки получается сравнительно высокой.

При фланговой схеме проветривания вентиляторы расположены по краям шахтного поля. В результате длина пути воздуха значительно снижается. Вместе с этим усложняется регулирование одновременной работы этих установок. Необходимо проведение специальных исследований и расчетов для проверки совместимости вентиляторов. Мощность вентиляционных установок

сравнительно невысока, однако капитальные затраты на строительство вентиляционных сооружений, рассеянных по шахтному полю, значительно увеличиваются.

Выбор способа и схемы проветривания основывается на данных о месторождении, его протяженности, глубины, порядка прохождения, газовой обильности пород, величины утечек, аэродинамического сопротивления выработок.

Вентиляторы местного проветривания и различные инженерные сооружения внутри шахты: двери, перемычки, окна и шлюзы, служат для контроля и управления отдельными воздушными потоками и проветривания тупиковых выработок. В отличие от ВГП вентиляторы местного проветривания характеризуются небольшой производительностью (20 м3/с) и предназначены для проветривания отдельной выработки, как правило, тупиковой. Пассивный способ регулирования является более экономичным, так как не требует установки вентилятора с электроприводом. Однако дополнительные элементы увеличивают общее аэродинамическое сопротивление шахты.

Вентилятор принадлежит к механизмам, имеющим продолжительный режим работы с постоянной нагрузкой. Для определения мощности электродвигателя вентилятора необходимо знать подачу, которая определяется требуемым количеством воздуха для нормального проветривания шахты, и давление, которое представляет собой сумму давлений последовательно соединенных различных выработок и зависящих от длины, поперечного сечения последних и других факторов.

Вентилятор должен удовлетворять следующим требованиям:

- устойчивая и экономичная работа вентилятора может быть гарантирована только в том случае, когда все расчетные режимы работы в течение проектного периода будут находиться в контуре области промышленного использования;

- срок службы вентилятора должен перекрывать продолжительность проектного периода;

- вентилятор должен иметь резерв производительности, составляющий не менее 20% от расчетного параметра;

- вентилятор должен обеспечивать минимальные среднегодовые затраты на его обслуживание:

- должны быть учтены технические и социальные факторы его использования: размеры, привязка к промплощадке шахты, возможность надежного электроснабжения, нормы шумности.

На работу вентилятора существенное влияние оказывает вентиляционная сеть, представляющая собой совокупность всех выработок. Шахтную вентиляционную сеть иначе можно охарактеризовать эквивалентным отверстием, под которым подразумевается такое круглое отверстие в стенке, сопротивление которого эквивалентно сопротивлению всей шахты.

Основные условия экономичной работы вентиляционной установки [21]:

- соответствие подачи и давления, развиваемого вентилятором, потребности шахты или рудника;

- сведение к минимуму времени работы вентилятора в режимах, характеризуемых подачей избыточного количества воздуха.

В процессе работы вентиляционная система шахты испытывает множество видов возмущений, которые требуют постоянного корректирования режима работы вентиляционной установки. К таким возмущениям можно отнести следующие типы:

- непрерывное изменение вентиляционной сети шахты, связанное с изменением длины и сечения шахты в процессе разработки месторождения;

- сезонные и суточные колебания шахтной депрессии;

- случайные изменения вентиляционной сети из-за закрытия/открытия дверей, движения внутришахтного транспорта и т.п.

Вследствие воздействия этих возмущений для поддержания регламентированных требований по скорости движения и количеству воздуха в выработках необходимо осуществлять оперативное регулирование режима работы вентилятора главного проветривания. С экономической точки зрения

важно сведение к минимуму времени работы вентилятора в режимах, характеризуемых подачей избыточного количества воздуха.

Выбор вентиляционной установки главного проветривания осуществляется на этапе проектирования шахты. В качестве исходных данных служит план развития подземных выработок на всем сроке эксплуатации, по которому определяется режимы работы вентилятора. При расчете должны обеспечиваться требования по скорости движения и расходу воздуха на всех участках вентиляционной сети. Эти требования обеспечиваются как непосредственно главной вентиляцией, так и различными устройствами в выработках: вентиляторами местного проветривания, перекрытиями, регуляторами расхода воздуха. В результате определяется планируемая динамика движения рабочей точки вентиляционной установки.

В России работа систем шахтной вентиляции регламентируется федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах» [47] и «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» [48]. В этих документах установлены предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере, нормативную скорость воздушных потоков, нормы эксплуатации вентиляционных установок.

1.3 Эксплуатационные характеристики и энергетические показатели

вентиляционных установок шахт Эксплуатация подземных сооружений, таких как шахты, рудники, тоннели, подземные хранилища и др. требует искусственного проветривания выработок в соответствии с регламентирующими документами, предписывающими режим проветривания с заданными параметрами воздушного потока. В связи со значительным объемом проветриваемых выработок вентиляция подземных сооружений сопряжена с большими затратами энергии. Наибольшая доля энергии приходится на проветривание горных подземных выработок - шахт и рудников. Затраты энергии на проветривание связаны:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пронько Владимир Сергеевич, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алыменко Д.Н. Вентиляторные установки главного проветривания для рудников малой мощности / Д.Н. Алыменко, Н.И. Алыменко // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - № 1. - С. 112 - 123.

2. Бабак, Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания: справочник / Г.А. Бабак, К.П. Бочаров, А.Т. Волохев и др. - М.: Недра, 1982. - 296 с.

3. Батицкий, В.А. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности / В.А. Батицкий, В.И. Куроедов, А.А. Рыжков - М.: Недра, 1991. - 303с.

4. Борисов, Б.М. Опыт эксплуатации информационно-управляющей системы Микон-1Р в условиях шахты «Северная» ОАО «Воркутауголь» / Б.М. Борисов, Г.Д. Мендус, А.А. Кучеренко // Горный информационно -аналитический бюллетень. - 2005. - № 9.- С. 185 - 191.

5. Браславский, И.Я. Оптимизация пусковых процессов в системе «реальная сеть-ПЧ-АД» / И.Я. Браславский, А.В. Костылев, Д.В. Цибанов // Труды 14-ой международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока». - 2012. - C. 175 - 178.

6. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. - М.: ACADEMA, 2004. -202 с.

7. Булгаков, А.А. Частотное управление асинхронными двигателями: 3-е издание / А.А. Булгаков. - М.: Энергоиздат, 1982. - 216 с.

8. Виноградов, А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А.Б. Виноградов. - ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново, 2008.- 298 с.

9. Виноградов, А.Б. Оптимизация КПД системы векторного управления асинхронным тяговым электроприводом с идентификатором

параметров / А.Б. Виноградов, Д.Б. Изосимов, С.Н. Флоренцев, Н.А. Глебов // Электротехника. - 2010. - №12. - С. 12 - 19.

10. Гашимов, А.М. Исследование влияния пуска мощных асинхронных двигателей газокомпрессорных установок на режим питающей электрической сети / А.М. Гашимов, Р.Н. Рахманов // Энергетика: международный научно-технический журнал. - 2012. - №1. - С. 17 - 22.

11. Гузеев, Б.В. Современные промышленные высоковольтные преобразователи частоты для регулирования асинхронных и синхронных двигателей / Б.В. Гузеев, М.И. Хакимьянов // Нефтегазовое дело. - 2011. - №3.

- С. 441 - 449.

12. Дацковский, Л.Х. Электропривод шахтных стационарных установок. Современное состояние и перспективы. / Л.Х. Дацковский, В.И. Роговой // Електромашинобудування та електрообладнання. - Киев: Техника, 2006. - №66.

- С. 94 - 102.

13. Елисеев В. Современные отечественные силовые полупроводниковые приборы / В. Елисеев, В. Мартыненко, В. Мускатиньев,

B. Чибиркин // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2008. - № 4. - С. 44 -48.

14. Зедгенизов, Д.Е. Исследование системы автоматического регулирования производительности шахтного вентилятора / Д.Е. Зедгенидов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 1. - С. 106 - 112.

15. Ивановский, И.Г. Шахтные вентиляторы: Учеб. пособие. / И.Г. Ивановский. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. - 196 с.

16. Кузькин, В.И. Высоковольтный преобразователь частоты для питания асинхронных двигателей / В.И. Кузькин, В.Н. Мелешкин,

C.В. Мясищев, Д.В. Симоненков и др. // Электротехника - 2004. - №10. - С. 1924.

17. Кучеренко, А.А. Контроль и управление производственными процессами на шахтах ОАО «Воркутауголь» / А.А. Кучеренко, А.А. Сальников

// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - №14. - С. 99 -124.

18. Лаврик, В.Г. Исследование схем проветривания высокопроизводительных выемочных участков с использованием газоотсасывающих вентиляторов / В.Г. Лаврик, С.Р. Ногих, В.С. Лудзиш, М.И. Радиковский и др. // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. - 1997. - №2 (10). - С. 14 - 17.

19. Лазарев, Г. Частотно-регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок // Силовая электроника. - 2007. - №3. - С. 41 - 48.

20. Левицкий, Д.А. Обоснование структуры автоматизированной системы управления проветриванием горных выработок шахты / Д.А. Левицкий, А.С. Оголобченко // Труды 3-ей международной научно-технической конференции "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых". - Донецк, 2003. - С. 181 - 191.

21. Лезнов, Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б.С. Лезнов. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 360 с.

22. Малиновский, А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: Учебник для вузов / А.К. Малиновский. - М.: Недра, 1987. - 277 с.

23. Мелешкин, В.Н. Усовершенствование алгоритма частотного управления асинхронным двигателем / В.Н. Мелешкин, К.А. Никифоров, К.И. Скотников, И.С. Хромов // Электротехника. - 2013. - №1. - С. 36 - 42.

24. Минаков, И.А. Сравнительный анализ некоторых методов случайного поиска и оптимизации // Известия Самарского научного центра РАН. - 1999. - №2. - С. 286 - 293.

25. Онищенко, Г.Б. Асинхронный вентильный каскад / Г.Б. Онищенко. -М.: Энергия, 1967. - 152 с.

26. Панкратов, В.В. Энергооптимальное векторное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие / В.В. Панкратов, Е.А. Зима. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - 120 с.

27. Пантель, О.В. Влияние отрицательных последствий прямого пуска асинхронного двигателя на двигатель, рабочий механизм и питающую сеть / О.В. Пантель // Academy. - 2015. - № 2(2). - C. 14 - 15.

28. Петров, Н.Н. Исследование путей снижения энергопотребления на вентиляцию шахт / Н.Н. Петров, П.Т. Пономарев, А.Н. Сергачев // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1996. - № 6. - С. 88

- 98.

29. Петров, Н.Н. Пути модернизации устаревшего парка главных вентиляторов шахт / Н.Н. Петров, Н.А. Попов, Д.В. Зедгенизов, А.И. Михайлов, и др. // Безопасность труда в промышленности. - 2000. - № 11. - С. 36 - 39.

30. Петров, Н.Н. Система автоматизированного управления проветриванием метанообильных шахт (САУПШ) / Н.Н. Петров, С.А. Зырянов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 12. - т. 13 - С. 9

- 15.

31. Петров, Н.Н. Управление вентиляцией шахт и рудников / Н.Н. Петров, Д.В. Зедгенизов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. - №7. - С. 53 - 57.

32. Поляков, В.Н. Экстремальное управление электрическими двигателями / В.Н. Поляков, Р.Т. Шрейнер. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. -420 с.

33. Пронин, М.В. Качество напряжения электросетей при работе вентиляторов главного проветривания рудника «Северный Глубокий» / М.В. Пронин, А.Г. Воронцов // Горное дело. - 2006. - № 2. - С. 42-45.

34. Пронин, М.В. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение) / М.В. Пронин, А.Г. Воронцов, П.Н. Калачиков, А.П. Емельянов. -СПб, «Силовые машины» «Электросила», 2004. - 252 с.

35. Пронько, В.С. Оптимизация пуска частотно-регулируемого электропривода с помощью генетического алгоритма / В.С. Пронько // Труды

международной конференции «Проблемы недропользования». - Горный университет, 2015. - С. 168.

36. Пронько, В.С. Минимизация потерь в электроприводе вентиляторов главного проветривания шахт / В.С. Пронько // Труды международной конференции «Проблемы недропользования». - Горный университет, 2014. - С. 242.

37. Пронько, В.С. Оптимизация пусковых процессов в частотно -регулируемом электроприводе с помощью генетического алгоритма / О.Б. Шонин, В.С. Пронько // Записки Горного института. - 2015. - № 216. -С. 112-121.

38. Пронько, В.С. Оценка производительности и депрессии вентилятора главного проветривания шахт по результатам измерений координат частотно-регулируемого привода / О.Б. Шонин, В.С. Пронько // Труды 11-ой международной конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» - Воркута. - 2013. - С. 480 - 484.

39. Пронько, В.С. Оценка эффективности методов управления режимами проветривания шахт средствами частотно-регулируемого привода / О.Б. Шонин, В.С. Пронько // Труды XI международной конференции «Техника и технология: новые перспективы развития». - М.: Изд-во «Спутник+», 2013. -С. 28 - 32.

40. Пронько, В.С. Энергосбережение в стационарных установках горных предприятий на основе экстремального управления частотно-регулируемым приводом / В.С. Пронько, О.Б. Шонин // Труды I международной научно-практической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития». - Йошкар-Ола, 2013. - С. 87 - 89.

41. Решетняк, С. Н. Особенности применения высоковольтных преобразователей частоты для питания синхронных двигателей используемых в качестве приводов подъемных установок // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - №10. - С. 66 - 71.

42. Свидетельство №2016611509 Российская Федерация. Оптимизация пусковых процессов частотно-регулируемого электропривода с помощью генетического алгоритма: свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / Пронько В.С; заявитель и правообладатель фед. гос. бюд. обр. учр-ие высш. проф. обр-ия «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» - №2015662052; заявл. 10.12.2015; зарегистр. 03.02.2016. - 1 с.

43. Свидетельство №2016611814 Российская Федерация. Расчет энергетических показателей режимов работы вентилятора для различных способов регулирования производительности: свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / Пронько В.С; заявитель и правообладатель фед. гос. бюд. обр. учр-ие высш. проф. обр-ия «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» - №2015662354; заявл. 16.12.2015; зарегистр. 11.02.2016. - 1 с.

44. Соболев, В.В. Энергосбережение электроприводов главного проветривания горнодобывающих предприятий / В.В. Соболев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 7. - С. 391 - 395.

45. Ткачук, А. Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей / А. Ткачук, В. Кривовяз, В. Копырин, А. Силуков // Силовая электроника. - 2007. - № 1. - С. 54 - 57.

46. Ушаков, К.3. Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов, 3-е изд. / К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, Л.А. Пучков, И.И. Медведев - М.: Недра, 1987. - 421 с.

47. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности в угольных шахтах". - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2014. - 200 с.

48. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых". - М.: Закрытое акционерное общество

«Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2015. - 276 с.

49. Чернецкая, И.В. Нечеткие регуляторы в системах автоматического регулирования / И.В. Чернецкая, В.О. Чернецкий // Вестник ЮУрГУ. - 2006. -№14. - С. 156 - 159.

50. Шонин, О.Б. Минимизация потерь в частотно-регулируемом приводе вентиляторов главного проветривания шахт / О.Б. Шонин, В.С. Пронько // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2014. - № 2(195). С. 70 - 77.

51. Шонин, О.Б. Повышение энергетической эффективности главных вентиляторных установок шахт на основе многоцелевой системы управления частотно-регулируемым приводом / О.Б. Шонин, В.С. Пронько // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2014. - №2(195). - С. 49 - 57.

52. Шрейнер, Т.Р. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами / Т.Р. Шрейнер, Ю.А. Дмитренко. - Кишинев: Штиинца, 1982. - 224 с.

53. An, S.L. A new optimal space-vector modulation technique for three-phase voltage source inverters / S.L. An, J.Y. Wang, X.D. Sun, Y.R. Zhong // Proceeding of the Power and Energy Engineering Conference. - 2012. - pp. 1 - 5.

54. Bartsch, E. The Application and Implementation of Optimized Mine Ventilation on Demand (OMVOD) at the Xstrata Nickel Rim South Mine, Sudbury, Ontario / E. Bartsch, M. Laine, M. Andersen // Proceedings of the 13th U.S./North American mine ventilation symposium. - 2010. - pp. 13 - 14.

55. Branko, B. New Trends in Efficiency Optimization of Induction Motor Drives / В. Branko // New Trends in Technologies: Devices, Computer, Communication and Industrial Systems. - 2010. - pp. 341 - 358.

56. Blanusa, B. New Trends in Efficiency Optimization of Induction Motor Drives / B. Blanusa // New Trends in Technologies: Devices, Computer, Communication and Industrial Systems. - 2010. - pp. 341 - 358.

57. Cheryl, L.A. Variable Frequency Drives as Applied to Ventilation Systems [Электронный ресурс] / L.A. Cheryl, D.P. Robert // BESTECH. - 2008. -URL: http://www.bestech.com/Downloads/Whitepapers/VFD%20Paper%20CIM_ Toronto%20May%202009.pdf (дата обращения: 18.01.2016).

58. Cheryl, L.A. Ventilation-on-demand control system's impact on energy savings and air quality [Электронный ресурс] / L.A. Cheryl, T.T. Trang // BESTECH.

- 2011. - URL: http://www.bestech.com/Downloads/Whitepapers/V0D%20Impact %20CIM_Montreal-CHERYL%20ALLEN-2011 -04-21 .pdf (дата обращения: 18.01.2016).

59. C Corino, S. How the efficiency of induction motor is measured? / S. Corino, E. Romero, LF. Mantilla [Электронный ресурс] // Procceding of the International Conference on Renewable Energies and Power Quality. - 2008. - URL: http://www.icrepq.com/icrepq-08/352-mantilla.pdf (дата обращения: 18.01.2016).

60. Dorrell, D.G. A Review of the Methods for Improving the Efficiency of Drive Motors to Meet IE4 Efficiency Standards / D.G. Dorrell // Journal of Power Electronics. - 2014. - Vol. 14. - № 5. - pp. 842 - 851.

61. Gupta, A.G. Simple space vector PWM scheme for 3-level NPC inverters including the overmodulation region / A.G. Gupta, A.M. Khambadkone // IEEE Transactions on Industry Applications. - Vol. 43. - № 3. - pp. 751 - 760.

62. Herrera, F. Hybrid Crossover 0perators for Real-Coded Genetic Algorithms: An Experimental Study / F. Herrera, M. Lozano, A.M. Sanchez // Soft Computing. - 2005. - №9(4). - pp. 280 - 298.

63. Konghirun, M. A three-phase space-vector based PWM rectifier with power factor control / M. Konghirun // Proceeding of the Power Conversion Conference. - Nagoya, 2007. - pp. 57 - 61.

64. Krishnan, R. Electric motor drives modelling, analysis and control / R. Krishnan - NJ: Prentice-Hall, 2001. - 626 p.

65. Lyle, G. Evaluation of ventilation on demand (VOD) in Sudbury mines / G. Lyle, K. Bullock, A. Dasys, S. Hardcastle // Proceedings of the MEMO Conference

- Ontario, 2010. - pp. 1 - 9.

66. Serpa, L.A. Virtual-flux direct power control for mains connected three-level NPC inverter systems / L.A. Serpa, J.W. Kolar // Proceedings of the Power Conversion Conference. - Nagoya, 2007. - pp. 130 - 136.

67. Shonin, O.B. Increasing energy efficiency of mine ventilation systems via multipurpose control of a main fan adjustable speed electric drive / O.B. Shonin, V.S. Pronko // ANNUAL of the University of Mining and Geology "St. Ivan Rilski" -2013. - Vol. 56. - Part III. - pp. 163 - 169.

68. Soto, D. A comparison of high-power converter topologies for the implementation of FACTS controllers / D. Soto, T.C. Green // IEEE transactions on industrial electronics. - 2002. - Vol. 49. - № 5. - pp. 1072 - 1080.

69. Ui-Min, C. Neutral-point voltage balancing method for three-level inverter system with a time-offset estimation scheme / C. Ui-Min, L. Kyo-Beum // Journal of Power Electronics. - Vol. 13. - № 2. - pp. 243 - 249.

70. Urmila, B. Optimum space vector pwm algorithm for three-level inverter / B. Urmila, D. Subba Rayudu // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2011. - Vol. 6. № 9 - pp. 24 - 36.

71. Vasanth, R.B. Power quality improvement by using synchronous virtual grid flux oriented control of grid side converter / R.B. Vasanth, B. Chitti Babu // Electrical generation and distribution systems and power quality disturbances: edited by Romero G. - 2011. - pp. 113 - 136.

72. Veas, D.R. A novel load current control method for a leading power factor voltage source PWM rectifier / D.R. Veas, J.W. Dixon // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2002. - Vol. 9. - №2. - pp. 153 - 159.

73. Witrant, E. Mining ventilation control: a new industrial case for wireless automation / E. Witrant, A. D'Innocenzo, A. Isaksson, M. Di Benedetto, K. Johansson, F. Santucci, M. Strand // Deliverable of the European Commission FP6 Network of Excellence HYCON. - 2008. - pp. 1 - 6.

74. Zhang, L. Capacitor voltage balancing in multilevel flying capacitor inverters by rule-based switching pattern selection / L. Zhang, S. J. Watkins // IET Electric Power Applications. - 2007. - Vol. 1 - № 3. - pp. 339 - 347.

165

ПРИЛОЖЕНИЕ А Паспортные характеристики вентиляторов главного проветривания

Рисунок А1 - Рабочие характеристики вентилятора ВЦД-32М Таблица А1 - Коэффициенты аппроксимации характеристик вентилятора ВЦД-32М

Угол а Я2 Я1 Я0 Ь2 Ь1 Ь0

0° -0,008 1,354 490,77 -0,009 4,644 487,4

10° -0,009 1,551 481,46 -0,010 4,440 503,1

20° -0,009 1,570 481,13 -0,011 4,670 491,5

30° -0,010 1,487 488,41 -0,013 4,792 490,2

40° -0,010 1,300 500,09 -0,014 4,909 485,1

50° -0,012 1,208 512,35 -0,017 5,332 469,1

60° -0,014 1,301 510,02 -0,016 4,985 488,4

70° -0,016 1,430 502,94 -0,015 4,434 517,9

Рисунок А2 - Рабочие характеристики вентилятора ВО-32 Таблица А2 - Коэффициенты аппроксимации характеристик вентилятора

ВО-32

Угол а Я2 Я1 Я0 Ь2 Ь1 Ь0

30° -0,1592 21,079 -446,6 -0,0782 10,687 -115,25

35° -0,0495 9,1945 -131,76 -0,0442 9,5025 -120,51

40° -0,0227 4,2488 215,83 -0,0241 5,1696 378,67

45° -0,0267 8,7207 -340,4 -0,0437 16,59 -795,91

50° -0,0181 7,0218 -272,03 -0,0318 14,782 -703,56

55° -0,0145 6,9249 -387,04 -0,03 17,509 -1218,8

60° -0,0119 6,7914 -511,24 -0,0259 18,435 -1561,9

65° -0,0093 6,1469 -545,49 -0,0197 17,153 -1599,9

Рисунок А3 - Рабочие характеристики вентилятора ВО-28 Таблица А3 - Коэффициенты аппроксимации характеристик вентилятора

ВО-32

Угол а Я2 Я1 Я0 Ь2 Ь1 Ь0

30° -0,1592 21,079 -446,6 -0,0782 10,687 -115,25

35° -0,0495 9,1945 -131,76 -0,0442 9,5025 -120,51

40° -0,0227 4,2488 215,83 -0,0241 5,1696 378,67

45° -0,0267 8,7207 -340,4 -0,0437 16,59 -795,91

50° -0,0181 7,0218 -272,03 -0,0318 14,782 -703,56

55° -0,0145 6,9249 -387,04 -0,03 17,509 -1218,8

60° -0,0119 6,7914 -511,24 -0,0259 18,435 -1561,9

65° -0,0093 6,1469 -545,49 -0,0197 17,153 -1599,9

Исходный код программы расчета режимов работы вентилятора на языке

С++

//gauss with row pivot

bool SolveSLE(vector<float> &A, vector<float> &X) { const size t n = X.size();

//exchange rows

for(size t i = 0; i < n-1; ++i) { //find row pivot size t maxRow = i; float max = abs(A[i*n + i]);

for(size t j = i+1; j < n; ++j) { if(abs(A[j*n + i]) > max) { max = abs(A[j*n + i]); maxRow = j;

}

}

//row of zeros infinite - number of solutions if(max < 1.e-9f) return false;

if(maxRow != i) {

for(size t k = i; k < n; ++k) {

swap(A[i*n + k], A[maxRow*n + k]);

}

swap(X[i], X[maxRow]);

}

//transform submatrix

float inv = 1.0f / A[i*n + i];

for(size t j = i+1; j < n; ++j) {

for(size_t k = i+1; k < n; ++k) {

A[j*n + k] -= A[j*n + i] * A[i*n + k] * inv;

}

A[j*n + i] *= inv;

}

}

//forward pass

for(size t i = 0; i < n; ++i) {

for(size t j = 0; j < i; ++j) X[i]"-= X[j] * A[i*n + j];

}

//backward pass

for(int i = n-1; i >= 0; --i) { for(int j = n-1; j > i; --j)

X[i] -= X[j] * A[i*n + j]; X[i] /= A[i*n + i];

}

return true;

}

struct Polynomial {

Polynomial(const float *coefficients, size t num);

void ApproximatePoints(size t pow, const float *x, const float *y, size t size);

float GetValue(float arg) const;

bool FindRoot(float v, float min, float max, float *root); std::vector<float> coeffs;

bool Polynomial::FindRoot (float v, float min, float max, float *root) { if(v < GetValue(min) || v > GetValue(max)) return false; float lo = min; float hi = max;

*root = (lo + hi) * 0.5f; float ans = GetValue(*root); while(abs(v - ans) > 0.001f) { if(ans < v) lo = *root; else if(ans > v) hi = *root; *root = (lo + hi) * 0.5f; ans = GetValue(*root);

}

return true;

}

void Polynomial::ApproximatePoints (size t pow, const float *x, const float *y, size_t size) {

const size_t n = pow + 1;

//solve M*C = Y

//C - coefficiets vector

vector<float> M(n*n);

//S - support vector helps form matrix M vector<float> S(2*n, 0.0f); vector<float> Y(n, 0.0f);

vector<float> powersOfX(size, 1.0f); for(size t i = 0; i < n; ++i) {

for(size t j = 0; j < size; ++j) { S[i] += powersOfX[j]; Y[i] += powersOfX[j] * y[j]; powersOfX[j] *= x[j];

}

}

for(size t i = n; i < 2*n; ++i) {

for(size t j = 0; j < size; ++j) { S[i] += powersOfX[j]; powersOfX[j] *= x[j];

}

}

for(size t i = 0; i < n; ++i)

for(size t j = 0; j < n; ++j) M[i*n + j] = S[i+j];

SolveSLE(M, Y); coeffs = Y;

}

float FindEfficiency(float q, float h, Polynomial& qhCoeffs, Polynomial& qpCoeffs, float &w) {

vector<float> ghFreq;

ghFreq.resize(qhCoeffs.size()); ghFreq[0] = qhCoeffs[2] * q * q; ghFreq[1] = qhCoeffs[1] * q; ghFreq[2] = qhCoeffs[0];

Polynomial qhFreqPol = Polynomial(&ghFreq.front(), 3); if(!qhFreqPol.FindRoot(h, 0.0f, 1.0f, &w)) return 0;

vector<float> gpFreq; ghFreq.resize(qpCoeffs.size() + 1); ghFreq[0] = 0;

ghFreq[1] = qpCoeffs[2] * q * q; ghFreq[2] = qpCoeffs[1] * q; ghFreq[3] = qpCoeffs[0];

Polynomial phFreqPol = Polynomial(&ghFreq.front(), 4); float p = phFreqPol.GetValue(w);

return q * h * 0.01f / p;

}

Исходный код программы опимизации пусковых процессов с помощью генетического алгоритма на языке С++

class Genome { public:

Genome(const double buf[gSize+1]) { for(int i = 0; i < gSize+1; ++i) gen[i] = buf[i];

}

Genome(const Genome &par a, const Genome &par b, int n) { for(int i = 0; i < n; ++i)

gen[i] = par a. gen[i]; for(int i = n; i < gSize+1; ++i) gen[i] = par b. gen[i];

}

void mutate(double mut rate, Random rg) { for(double &val : gen)

if(100.0 * rg() < mut_rate) { val = rg();

}

gen[gSize] = 1.0;

}

private:

double gen[gSize+1];

};

class Selector { public:

Selector(double base = 10.0, double power = 0.2) : base(base), power(power) {}

std::vector<double> operator()(const std::vector<Genome> &generation) { std::vector<int> rank(generation.size()); for(int i = 0; i < rank.size(); ++i) rank[i] = i;

std::stable sort(rank.begin(), rank.end(), [&generation](int a, int b) { return generation[a].fitness() < generation[b].fitness();

});

std::vector<double> prob(generation.size()); for(int i = 0; i < rank.size(); ++i) prob[rank[i]] = count(i);

double total = std::accumulate(prob.begin(), prob.end(), 0.0); if(total == 0.0)

throw std::runtime error("RankedSelection: pool is empty");

double inv total = 1.0 / total; for(int i = 0; i < prob.size(); ++i) prob[i] *= inv total;

return prob;

}

private:

int count(int rank) {

return int( base * std::exp(- power * rank));

}

double base; double power;

class Mutator { public:

Mutator(double chance, double range) : chance(chance), range(range) {}

Genome operator()(const Genome &par, Random &rand) { Genome res;

std::uniform real distribution<> chance gen(0, 1);

auto range = (Genome::max - Genome::min) * range; std::uniform real distribution<> genome gen(-range, range);

for(int i = 0; i < par.size(); ++i) {

if(chance gen(rand) < chance) {

res[i] = par[i] + genome gen(rand); res[i] = std::min(res[i], Genome::max); res[i] = std::max(res[i], Genome::min);

}

else

res[i] = par[i];

}

return res;

}

private:

double chance; double range;

};

class Crossover { public:

Crossover(double power) : power(power) { }

std::vector<Genome> operator()(const Genome &par a,

const Genome &par b, Random &rand) {

vector<Genome> res;

uniform real distribution<> gen(0, 1); res.push back(child(par a, par b, gen(rand))); res.push back(child(par b, par a, gen(rand))); return res;

}

private:

Genome child(const Genome &par a, const Genome &par b, double random)

{

double b = beta(random); Genome gen;

for(int i = 0; i < gen.size(); ++i) {

gen[i] = 0.5 * ( (1.0 + b) * par a[i] +

gen[i] = gen[i] =

}

return gen;

}

(1.0 -std::min(gen[i] std::max(gen[i]

b) * par_b[i] ); , Genome::max); , Genome::min);

double beta(double random) {

double p = 1.0 / (1.0 + power);

return random > 0.5 ? std::pow(2.0 * (1.0 - random), -p)

: std::pow(2.0 * random, p);

double power;

};

class GAEngine { public:

GAEngine(Selector selector, Crossover crossover, Mutator mutator) selector(selector), crossover(crossover), mutator(mutator)

{}

std::vector<Genome> nextGeneration (

const std::vector<Genome> &genomes, unsigned generation size, Random &rand) {

std::vector<double> prob = selector(genomes); for(int i = 1; i < prob.size(); ++i) prob[i] += prob[i-1];

std::uniform real distribution<> gen(0, 1);

std::vector<Genome> res; while(res.size() < generation size) {

std::vector<Genome> childs = crossover(

genomes[selectParent(prob, gen(rand))], genomes[selectParent(prob, gen(rand))], rand);

for(Genome &g : childs)

res.push back( mutator(g, rand));

}

std::sort(res.begin(), res.end(j);

res.erase(std::unique(res.begin(), res.end()), res.end(j); return res;

}

private:

int selectParent(const std::vector<double> &prob, double rand) { for(int i = 0; i < prob.size(); ++i) if(rand < prob[i]) return i;

}

Selector selector; Crossover crossover; Mutator mutator;

Рисунок Г1 - Свидетельство о государственной регистрации программы для

ЭВМ №2016611509