[发明专利]一种矿井通风系统的联合优调优控方法

摘要

本发明提供一种矿井通风系统的联合优调优控方法，建立风机-系统联合调节非线性规划模型，根据矿井通风系统拓扑结构、根据指定的需风风道的需风要求和系统可调参数，适时计算出通风系统的最优调节方案，即：在最大限度地满足需风要求、并使总功率消耗最小、各种控制参数可实施的目标下，计算出风机控制参数和调节风道的调节参数；并发布调节和控制命令完成矿井通风系统的在线最优调节，从而实现风机和风网的联合调节，保证矿井通风系统的按时按需低功耗最优供风。

主权项

一种矿井通风系统的联合优调优控方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据矿井通风系统调控目的，将风道划分为四类，分别为Ⅰ类风道、Ⅱ类风道、Ⅲ类风道和Ⅳ类风道；其中，Ⅰ类风道、Ⅱ类风道和Ⅲ类风道为控制风道；Ⅳ类风道为非控制风道；具体的，Ⅰ类风道为风机所在风道；Ⅱ类风道为需风风道；Ⅲ类风道为安装有风阻调节装置的调节风道；然后，建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图并编号，形成用于优化调控计算的通风系统网络图；步骤2，设所述通风系统共有n条风道，m个独立回路；则对所述通风系统网络图的n条风道由1开始进行编号，由此得到m行n列的基本回路矩阵其中，b_kj为独立回路矩阵系数；此处，令E代表所有风道的集合；令I代表独立回路对应的风道集；令E₁代表Ⅰ类风道的集合；令E₂代表Ⅱ类风道的集合；令E₃代表Ⅲ类风道的集合；步骤3，对于Ⅲ类风道集合E₃中的任意一个调节风道，记为调节风道j，将调节风道j的总风阻R_j分解为：$R_j=R_j^{F0}+R_j^{T0}+R_j^T$其中：—调节风道j的基础风阻，为已知值；—调节风道j的风阻调节装置不可开启部分产生的局部固定风阻，为已知值；—调节风道j的风阻调节装置可开启部分产生的风阻增量，为控制参数；步骤4，对每一台可调节的风机i，建立以下三个风机多参数性能曲线：1)风压‑(叶片角度，转速，风量)曲线：$h_i^f=h_i^f(n_i,{\mathrm{\θ}}_i,q_i)=A_h\left({\mathrm{\θ}}_i\right)q_i^2+n_i{B}_h\left({\mathrm{\θ}}_i\right)q_i+n_i^2{C}_h\left({\mathrm{\θ}}_i\right)$其中：—风机i的风压；n_i—风机i的转速；q_i—风机i的风量；θ_i—风机i的动叶角度；A_h,B_h和C_h—风机i的转速为1时，风机i的风压‑风量特性曲线系数；2)效率‑(叶片角度，转速，风量)曲线${\mathrm{\η}}_i^f={\mathrm{\η}}_i^f(n_i,{\mathrm{\θ}}_i,q_i)=n_i^{-2}{A}_{\mathrm{\η}}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)q_i^2+n_i^{-1}{B}_{\mathrm{\η}}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)q_i+C_{\mathrm{\η}}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)$其中，—风机i的效率3)功率‑(叶片角度，转速，风量)曲线$P_i(n_i,{\mathrm{\θ}}_i,q_i)=C_i^f{q}_i{h}_i^f(n_i,{\mathrm{\θ}}_i,q_i)/{\mathrm{\η}}_i^f(n_i,{\mathrm{\θ}}_i,q_i)$其中，P_i(n_i,θ_i,q_i)—风机i的功率；—风机i的功率系数，与量刚有关；对于上述三个风机多参数性能曲线：当安装的风机为变频调速风机，即：仅具有调速功能、不具有动叶角度调节功能时，风机i的动叶角度θ_i为固定常数值，转速n_i为变量；当安装的风机为仅具有动叶角度调节功能、不具有调速功能时，风机i的转速n_i为固定常数值、风机i的动叶角度θ_i为变量；当安装的风机同时具有动叶角度调节功能和调速功能时，风机i的动叶角度θ_i和风机i的转速n_i均为变量；步骤5，在步骤1、2、3、4的基础上，建立如下的风机‑系统联合调节非线性规划模型：$\min F=\underset{i\∈E_1}{\mathrm{\Σ}}{C}_i^f{q}_i{h}_i^f(n_i,{\mathrm{\θ}}_i,q_i)/{\mathrm{\η}}_i^f(n_i,{\mathrm{\θ}}_i,q_i)+M\underset{i\∈E_2}{\mathrm{\Σ}}{(q_i-q_i^0)}^2$约束条件为：$\left\{\begin{array}{c}\underset{j\∈E_3}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{kj}}[(R_j^{F0}+R_j^{T0}+y_j){\left|q_j\right|}^{{\mathrm{\σ}}_j-1}{q}_j-h_j^f(n_j,{\mathrm{\θ}}_j,q_j)-h_t\left(j\right)]+\\ \underset{j\∈E-E_3}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{kj}}[R_j^{F0}+R_j^{T0}{\left|q_j\right|}^{{\mathrm{\σ}}_j-1}{q}_j-h_j^f(n_j,{\mathrm{\θ}}_j,q_j)-h_t\left(j\right)]={\mathrm{\γ}}_k,k\∈I\\ q_j=\underset{k\∈I}{\mathrm{\Σ}}{b}_{\mathrm{kj}}{q}_k+q_j^0,j\∈E-I\\ 0\≤y_j\≤{y_j}^1,j\∈E_3\\ {\mathrm{\θ}}_j^0\≤{\mathrm{\θ}}_j\≤{\mathrm{\θ}}_j^1,j\∈E_1\\ {n_j}^0\≤n_j\≤{n_j}^1,j\∈E_1\end{array}\right.$其中：F—目标函数；以控制时期整个通风系统动力消耗最小、各需风风道的需风量与调节风量差平方和最小为目标；M—惩罚因子；—风道i的需风量；γ_k—由基本回路的风压平衡方程推导出来的右侧常数项，通常为0；b_kj—独立回路矩阵系数；σ_j—风道j中风流的流态指数；h_t(j)—风道j的自然风压；y_j—风道j的风阻调节增量，与含义相同，此处代表未知控制量；y_j¹—风道j的风阻调节上限；和—风机j的动叶角度的调节下限和上限；n_j⁰和n_j¹—风机j转速调节的下限和上限；在上述风机‑系统联合调节非线性规划模型中，各调节风道的风阻调节增量y为控制参数；调节风机的动叶角度θ和/或调节风机转速n为控制参数，此处，如果风机为变频调速风机，则仅转速n为控制参数；如果风机为动叶角度调节风机，则仅动叶角度θ为控制参数；如果风机同时具有动叶角度调节功能和调速功能时，则转速n和动叶角度θ均为控制参数；除上述控制参数之外，其他所有参数均为已知固定值，通过求解该非线性规划模型，计算出通风系统的最优调节方案，即：在最大限度地满足需风要求、并使总功率消耗最小、各种控制参数可实施的情况下，计算得到各调节风道的控制参数，包括：风阻调节增量y，还包括，调节风机的动叶角度θ和/或调节风机转速n。