香tp/www.cqvp.c 2006年第1期 煤矿机电 ,19 现代控制理论在自动排水系统中的应用 李瑞，寇子明，李泽松2，张任奇3 (1.太原理工大学，山西太原030024：2.浙江大学，浙江杭州310027：3.西安电子科技大学，陕西西安710071) 摘要：本文建立了排水系统的离数学模型。根据最优性原理，用动态规划法，对排水系统进 行分段决策控制。 关键词：最优控制：自动排水：动态规划：数学越刑列 中图分类号：TP271.4 文献标识码：B 文章编号：1001-0874(2006)01-0019-03 Application of Modern Control Theory in Automatic Drainage System LI Rui,KOU Zi-ming',LI Ze-song',ZHANG Ren-gi 2.Zhejiang University,Hangzhou 310027,China; Abstract:The paper builds a discrete mathematie model for automatic drainage system and operates the on to drainage system optimality prineipl by dynamic programming. Keywords: drainage:dynamie programming:athematic model 个决策序列。 1引店 根据排水要求设定水位值为X,X如图所 排水水系房是建筑给排水工程的重要组成高 示。 将每个排水周期等分为N段(0~N-1),每段 分，是保证生产、生活安全的重要设施。焦煤集团的 内泵站运行情况不变。设第k段水仓水位为X(k】 排水用电占到了矿井生产用电的51%川。排水系 (X,≤X(k)≤X),k为离散时间变量。集水池涌水 统耗电量过高的情祝也发生在他其他企业中。 量是水位的函数为 水系统的水泵进行优化控制来提高水系使用效率。 八)=[()] [1] 降低排水成本，有很高的经济和战略意义。 竖井的涌水量与水位为线性函数关系： 2排水系统优化数学模型 fk)=FX(k) [2] 式中：F一竖井断面积。 排水系统水泵房一般设置多台水泵。根据不同 的涌水情况，确定运行台数，以提高水泵使用率：采 c的控制系纳 取“避峰就谷”原则，在用电高峰期减少水泵运行 以减少排水费用。 动态规划法研究的对象是决策过程最优化问 题。依据最优性原理：不论初始状态和初始决策怎 么样，其余决策对于第一次决策必须构成一个最优 策略。结合排水过程的特点，可将排水过程分成若 围1自动排水系统模型 干个互相联系的阶段，在它的每一阶段都需要做出 设水菜房有n台水泵并联工作，第i台水系在 决策，从而使整个排水过程达到最好的动态效果 时刻的运行状态为u(k),u:(k)=0表示停机 各个阶段决策的选取依赖于当前面临的状态，又影 4,()=1表示运行。 响以后的发展。当各个阶段决策确定后，就组成 水泵房的控制决策向量为：
2006年第1期 煤 矿 机 电 ·19· 现代控制理论在 自动排水系统 中的应用 李瑞 ，寇子明 ，李泽松 ，张任奇 (1．太原理工大学，山西 太原 030024；2．浙江大学，浙江 杭州 310027；3．西安电子科技大学，陕西 西安 710071) 摘 要 ： 本文建立 了排水 系统的离散数学模 型。根据最优性原理 ，用动态规划法，对排水 系统进 行分段决策控制。 关键词 ： 最优控制；自动排水；动态规划；数学模型 中图分类号 ：TP271 ．4 文献标识码 ：B 文章编号：1001—0874(2006)01—0019—03 ApplicationofModern ControlTheory inAutomatic Drainage System L／Rui，KOU Zi—ruing ，LIZe—song ，ZHANG Ren—qi (1．TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China；2．ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China； 3．Xi’anElectronicUniversityofScience＆Technology，Xi’all710071，China) Abstract： The paper builds a discrete mathematic modelfor automatic drainage system and operates the sequentialdecision controltodrainage system according to theoptimality principk by dynamicprogramming． KeywOrds： optimum control；automaticdrainage；dynamicprogramming；mathematicmodel l 引言 排水水泵房是建筑给排 水工程的重要 组成部 分，是保证生产 、生活安全的重要设施。焦煤集团的 排水用电 占到 了矿井生产用 电的 51％. 。排水 系 统耗电量过高的情况也发生在他其他企业中。对排 水系统的水泵进行优化控制来提高水泵使用效率 、 降低排水成本 ，有很高的经济和战略意义。 2 排水系统优化数学模型 排水系统水泵房一般设置多台水泵。根据不同 的涌水情况 ，确定运行台数 ，以提 高水泵使用率 ；采 取“避峰就谷 ”原则 ，在用 电高峰期 减少水泵运 行 ， 以减少排水费用。 动态规划法研究的对象是决策过程最优化问 题。依据最优性原理：不论初始状态和初始决策怎 么样 ，其余决策对于第一次决策必须构成一个最优 策略。结合排水过程的特点，可将排水过程分成若 干个互相联系的阶段 ，在它 的每一阶段都需要做 出 决策 ，从而使整个排水过程达 到最好 的动态效 果。 各个阶段决策的选取依赖于当前面临的状态，又影 响以后的发展 。当各个阶段 决策确定后 ，就组成一 个决策序列。 根据排水要求设定水位值为 ～瓦 ，如图 1所 示 。将每个排水周期等分为 Ⅳ段(O一Ⅳ一1)，每段 内泵站运行情况不变 。设第 段水仓水位为 X( ) (X≤ (J})≤ )，J}为离散时问变量。集水池涌水 量是水位的函数为： k)=+Ix(k)] [1] 竖井的涌水量与水位为线性 函数关系 ： ． 厂(k)=Fx(k) [2] 式中 ：卜 竖井断面积 。 图 1 自动排水系统模型 设水泵房有 n台水泵并联工作 ，第 i台水泵在 k 时刻 的运 行状 态为 “i(k)，“(k)=0表 示停 机 ， “(k)=l表示运行。 水泵房的控制决策向量为 ： 维普资讯 http://www.cqvip.com
香者n/www.cqvip.co ·20 煤矿机电 2006年第1期 U(k)=141(k),2(k),.,u,(k) 约束条件： X,≤X(K)≤X 水桑的排水能力向量为： Ifk=0.THEN GOTO STEP4 T=y1,y2,",y GOTO STEP2 水泵每个时段耗电向量为： STEP4:J”=J(O)得最优决策 6={0,02,.,0 °(0).+U(1)+.-,U·(N-1) -个周期(24h)内电价c(k)是随时间变化的 函数，则： 4实例验证 c(k)=c(k+N) 我国某煤矿的采区水泵房右5台125D-258型 水泵房最优化控制可描述为：在排水周期内，通 离心式水泵，分别由5台YB280S-2型异步三相电 过选择最优控制向量U”=1U(0),U”(1),., 动机驱动（功率75kW)。每台水泵排水能力为 U·(N-1)L,使一个周期内的电费支出最低。即使 101mh。正常涌水量最高为111.5m/h左右。水 费用函数 仓的有效容积为1492m,分为内外两仓，当一个仓 J=c()U)g=c()14()9} 清淤时仅使用另外 一个水仓，平时两个水仓都投人 使用，能够满足该采区涌水情况的排水需要。假设 [3] 供电电价如下表： (k=0. ,N-1i=1,., 表1电价表 成为最优性能泛函： 项日 时段 0:00-8:00 =min(u(k).) [4) 17:00-21:00 21:00-24:00 I0ky电价 0.7器 0.47 0.158 (元kwh 3动态规划法求解 现在该水泵房所采用的工作方式是：两台水系 将排水的优化控制过程看作一个多段决策过 工作、两台备用、一台检修。当工作人员观察水位达 程，如图2所示。 到一定高度时，同时启动两台水泵进行排水。当水 (N-1) 位下降到一定程度时，同时关闭水泵。每年电费约 336781.89元 @立94型 使用动态规划法讲行水泵调度，每个运行周 内的运行状态和运行轨迹均不相同。以最简单的理 图2多段决策过程示意图 想的工作情祝进行规划，每年电费可成少为 根据最优性原理的要求，动态规划法实施最优 137470.20元。 决策的过程是：将多段决策问题转化为一系列单段 在实际操作中，电价函数是预先可知的，水位的 决策问题：从最后一段状态开始逆向递推到初始段 增长规律受多种因素的影响不可能是规则变化，但 为止。 可以通过模拟量水位传感器监测水位的变化情况， 在自动排水系统中.结合控制程的软硬件特点 并利用现代的工业计算机技术进行分析后得到。根 设定边界条件和约束，可以通过常规的递推算法进 据反馈的水位变化信号，进一步进行预测计算。反 行求解。2 复执行动态规划法求解过程，计算出预计需要的电 根据前述，递推算法实现如下： 费总额，从而得出费用最低的水泵运行方案。这样 STEPI:k=N,J(N)=0.X(N)=0 GOTO 的算法需要大量的数据运算。 STEP2: 值得注意的是：动态规划有一定的滞后性。在 STEP.k=k 实际的排水过程中都应为各个环节，设置相应传感 STEP3:J广(k)=minl[c,(k)u(k)8,]+J(k+1) 设备如流量、水压、真空度等传感器，为控制器反饼 X=xk+)+-F 数据，从而完善控制器的输入信息，进一步优化决策 形成最优的控制策略
· 2O· 煤 矿 机 电 2006年第1期 U(k)= {u(k)，“2(k)，. ，“(k)} 水泵的排水能力向量为 ： 厂 = {y ，y2，. ， } 水泵每个时段耗电向量为 ： 9 = {01，02，. ，0} 一 个周期 (24h)内电价 c(k)是 随时问变化 的 函数 ，则 ： c()：c(k+N) 水泵房最优化控制可描述 为：在排水周期 内，通 过选择最优控制 向量 U ={ (0)， (1)，.， (N一1)}，使一个周期内的电费支出最低。即使 费用 函数 ： N一1 N-1 n ．， c()u() (){ Ui() ) 一 l = ∑ ∑c()Ui() E3] ( =0，1，.，J、『一1；i：1，.，) 成 为最优性能泛函 ： N一1 ．， =rain{∑^=0 ∑i=lc(k)u()) [4] 3 动 态规 划法 求解 将排 水的优 化控制过程看作一个 多段决策过 程 ，如图 2所示。 (o) “(1) “( “(～一1) 一 ， 图2 多段决策过程示意图 根据最优性原理的要求，动态规划法实施最优 决策的过程是：将多段决策问题转化为一系列单段 决策问题 ；从最后一段状态开始逆 向递 推到初始段 为止。 在 自动排水系统中，结合控制器 的软硬件特点 ， 设定边界条件和约束，可以通过常规的递推算法进 行求解 。[] 根据前述 ，递推算法实现如下 ： STEP1：k=N，J (Ⅳ)=0， (Ⅳ)=0G0r0 STEP2； STEP2：k：k一 1； STEP3：J (k)=mi．{[c(k)“(k)0i]+．，(k+1)} ()=x(k+1)+ )一∑Ui()y]／r 约束条件： 。≤ (K)≤ IFk=0．THEN GOTO STEP4； GOTO STEP2 STEP4：J =J (0)得最优决策 (0)一 (1)’+. (N一1) 4 实例验证 我国某煤矿的采区水泵房有 5台 125D一258型 离心式水泵 ，分别 由5台 YB280S～2型异步三相电 动机 驱动 (功 率 75kW)。每 台水 泵排 水 能 力 为 i01m／h。正常涌水量最高 为111．5nl／h左右 。水 仓 的有效容积 为 1492m ，分 为内外两仓 ，当一个仓 清淤时仅使用另外一个水仓 ，平时两个水仓都投入 使用 ，能够满足该采区涌水情 况的排水需 要。假设 供电电价如下表 ： 表 1 电价表 现在该水泵房所采用 的工作方式是 ：两 台水泵 工作 、两台备用 、一台检修 。当工作人员观察水位达 到一定高度时 ，同时启动两 台水泵进行排水。当水 位下降到一定程 度时，同时关 闭水 泵。每 年电费约 336781．89元 。 使用 动态规划法进行水泵调度 ，每个运行周期 内的运行状态和运行轨迹均不相同。以最简单的理 想的 工作 情 况进 行规 划 ，每 年 电费 可减 少 为 137470．20元 。 在实际操作中，电价函数是预先可知的，水位的 增长规律受多种 因素的影 响不可能是规则变化，但 可以通过模拟量水位传感器 监测水位的变化情况 ， 并利用现代的工业计算机技术进行分析后得到。根 据反馈的水位变化信号，进一步进行预测计算。反 复执行动态规划法求解过程，计算出预计需要的电 费总额，从而得出费用最低的水泵运行方案。这样 的算法需要大量的数据运算。 值得注意的是 ：动态规划有一定的滞后性 。在 实际的排水过程中都应为各个环节，设置相应传感 设备如流量、水压、真空度等传感器，为控制器反馈 数据，从而完善控制器的输入信息，进一步优化决策 形成最优的控制策略。 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年第1期 煤矿机电 21· 煤电钻开关试验装置的设计 陈洪飞，夏文刚，王彩燕，葛保华2 (1.煤炭科学研究总院上海分院测试中心，上海200062：2.南通大学电气工程学院，江苏南通22607 摘要：煤电钻开关通断能力是其性能的主琴指标，设计采用了先进的Sgma60数字示波器工 作站构成的测量系统和C程序控制气动驱动机构。试脸装置技术先进，精度高，满足标准要求， 为煤电钻开关的性能检测和质量控制提供了先进的检测手段 关键词：煤电钻开关；Segmac60数字示波器；PLC程序控制 中图分类号：TD421.1文献标识码：B 文章编号：1001-0874(2006)01-0021-03 The Design of Coal Electric Drill Switch Tester CHEN Hong-fei,XIA Wen-gang,WANG Cai-yan',GE Bao-hua' (1.Test Center of China Coal Research Institute Shanghai Lid.Shanghai 200062 China 2.College of Electrical Engineering,Nantong University,Nantong 226007,China) Abstract:The on-off ability of coal electric drill switch is an important index of its performance,and so the design adopts the measuring system composed of advanced Segma 60 digital oscillograph and PLC program The tester technology and high precision can meet the requirement of the standard and provides the advanced checking means for the performance examination and quality control to coal electric drill. Keywords:coal electric drill switch:Segma60 digital oscillograph:PLC program control 1引言 全措施不足，不能客观准确地反映出煤电钻开关产 品的质量状况，且煤电钻开关的寿命试验次数多达 煤电钻专用开关额定电压等级为127V,据统 6万次，费时很多。为了提高试验的精度和效率，本 计煤电钻故障50%以上都是由煤电钻开关引起，其 式哈装置的设计采用了先讲的测量系统和PLC 通断能力是关键的安全指标。原有的试验设备技术 序控制技术。 较落后，采用了人工手动操作，精度低，稳定性差，安 意义 5结论 参考文献： 我国井下水泵房普遍采用的人工操作方式存在 [1)】杜工会煤矿主排水系统的能耗分析和节能指随[J】,矿山机 城.2004 很多缺点。排水系统的自动化必将被越来越广 [2]刘的.现代控制理论[M],北京：机城工业出版杜，1996 泛的使用。 「3]吴一末，赵意红，李兆华.分时用电降低矿山井下排水成本 本文讨论了采用逆推算法的应用，这种算法需 「J1.矿山机械.2004(11) 要大量的、反复的运算。然而在自动排水动态规划 [4] 李胜旺，吉贵堂等。矿并主排水自动化控制系统】，工矿企 法中能否采用正向递推，还有待进一步探讨。 自化.20021) 本文是以煤矿井下采区水泵房排水系统为例 作者简介：等烤(1981一） 士研究生。主要从事矿山机电 针对单级自动排水系统运行最优控制问题提出的， 液一体化方面的研究，发表文章3篇 对具有类似模型的许多实际问题，具有一定的普遍 (收稿日期：205-06-2：责任编粉：雨驰东)
2006年第1期 煤 矿 机 电 ·2l· 煤 电钻开关试验装置的设计 陈洪飞 ，夏文刚 ，王彩燕 ，葛保华 (1．煤炭科学研究总院上海分院 测试中心，上海 200062；2．南通大学 电气工程学院。江苏 南通 226007) 摘 要 ： 煤电钻开关通 断能力是其性能的主要指标，设计采用 了先进 的 Segma60数字示波器工 作站构成的测量系统和 PLC程序控制气动驱动机构。试验装置技术先进 ，精度高，满足标准要求， 为煤 电钻开关的性能检测和质量控制提供 了先进的检测手段。 关键词 ： 煤电钻开关；Segma60数字示波器 ；PLC程序控制 中图分类号：TD421．1 文献标识码 ：B 文章编号：1001—0874(2006)01—0021—03 The Design ofCoalElectric DrillSwitchTester CHENHong-fei，XIAWen一 ，WANGCai—yah ，GEBao—hua (1．TestCenterofChinaCoalResearchInstituteShanghaiLtd．，Shanghai200062，China； 2．CollegeofElectricalEngineering，NantongUniversity，Nantong226007，China) Abstract： The on0rfability ofcoalelectric drillswitch is an importantindex ofitsperformance，and SO the design adopts the measuring system composed of advanced Segma 60 digital oscillograph and PLC program controllingpneumaticdrivingmechanism．Thetesterenjoyingadvancedtechnologyandhighprecisioncanmeetthe requirementofthestandardand providestheadvancedcheckingmeansfortheperformanceexaminationand quality controltocoalelectricdril1． Keywords： coalelectricdrillswitch；Segma60digitaloscillograph；PLC program control l 引言 煤电钻专用开关 额定 电压等级为 127V，据统 计煤电钻故障 50％以上都是由煤电钻 开关引起，其 通断能力是关键的安全指标。原有的试验设备技术 较落后 ，采用了人工手动操作 ，精度低 ，稳定性差 ，安 5 结论 我国井下水泵房普遍采用的人工操作方式存在 很多缺点 J。排水系统 的 自动化必将被越 来越广 泛的使用。 本文讨论 了采用逆推算法 的应用 ，这种算法需 要大量的、反复的运算。然而在自动排水动态规划 法中能否采用正向递推 ，还有待进一步探讨。 本文是 以煤矿井下采区水泵房排水系统为例， 针对单级 自动排水 系统运行最优控制 问题提出的， 对具有类似模型的许多实际问题 ，具有一定 的普遍 全措施不足，不能客观准确地反 映出煤 电钻开关产 品的质量状况 ，且煤电钻开关的寿命试验次数多达 6万次 ，费时很多。为了提高试验 的精度和效率 ，本 试验装置的设计 采用 了先进 的测量系统和 PLC程 序控制技术 。 意义。 参考文献 ： [1] 杜工会．煤矿主排水 系统 的能耗分 析和节 能措施 [J]．矿 山机 械 ，2004 [2] 刘豹．现代控制理论[M]．北京：机械工业出版社．1996 [3] 吴一木 ，赵章 红 。李兆 华．分 时 用 电 降低 矿 山 井 下排水 成本 [J]．矿山机械 。2004(11) [4] 李胜旺，吉贵堂。等．矿井主排水 自动化控制系统[J]．工矿企 业 自动化 。2002(1) 作者简介：李瑞(1981一)，男，在读硕士研究生。主要从事矿山机电 液 一体化方面的研 究 ，发表文章 3篇。 (收稿 日期 ：2005—06—22；责任编辑 ：陶驰东 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com