模糊控制在跳汰選礦中的應(yīng)用

秦 虎，劉志紅，黃宋魏

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550003; 2.貴州非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550003；3.昆明理工大學(xué) 國土資源學(xué)院，云南 昆明 650093)

跳汰機(jī)作為傳統(tǒng)選煤行業(yè)中的最主要設(shè)備，其控制效果的好壞，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。而在這其中，床層厚度及風(fēng)閥系統(tǒng)的控制是最關(guān)鍵的部分。目前，大部分企業(yè)還是采用人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來對風(fēng)量的大小、床層厚度進(jìn)行調(diào)整，其控制指標(biāo)受到人為因素的影響很大，這樣不僅會(huì)造成控制不精確而造成指標(biāo)不穩(wěn)的現(xiàn)象，還增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。盡管現(xiàn)在已有不少企業(yè)采用了自動(dòng)化來對跳汰過程進(jìn)行控制，但大部分是采用傳統(tǒng)的PID[1]控制。由于跳汰機(jī)的控制是一個(gè)很復(fù)雜的控制過程，存在多變量、強(qiáng)耦合且極具有大非線性的特點(diǎn)，使傳統(tǒng)的PID控制效果比較差。現(xiàn)在，有的學(xué)者針對跳汰給料對跳汰分選過程進(jìn)行了模糊PID自整定控制，如太原理工大學(xué)的姜金林[2]等。本文針對跳汰過程具有極大非線性及存在多變量耦合的特點(diǎn)，提出了一種基于模糊控制的控制方案來對分選過程進(jìn)行控制。由于模糊控制不需要知道被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，它是用語言變量來描述系統(tǒng)特征，并依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理，以獲得合適的控制量， 因而具有較強(qiáng)的魯棒性，但其存在靜態(tài)誤差，而傳統(tǒng)的PID控制能很好的克服模糊控制的這個(gè)缺點(diǎn)。因此，本文提出了用模糊PID控制來對床層厚度及風(fēng)閥進(jìn)行控制。

1 跳汰選礦的原理

跳汰選礦按照所用介質(zhì)的不同，可以分為風(fēng)力跳汰及水力跳汰兩大類。但本文只針對目前生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用較多的水力跳汰進(jìn)行研究。其基本原理是[3]：先將被選物料給到跳汰機(jī)篩板上，形成一個(gè)密集的物料層，這個(gè)就叫床層。與此同時(shí)，從跳汰機(jī)的下部透過篩板，周期地給入一個(gè)上下交變水流，物料在水流作用下進(jìn)行分選。首先，在上升水流的作用下，床層逐漸松散、懸浮，這時(shí)就按床層本身的特性(礦粒的密度、粒度和形狀)彼此相對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分層。上升水流結(jié)束后，在休止期間(停止給如壓縮空氣)以及下降水流期間，床層逐漸緊密，并繼續(xù)進(jìn)行分層。待全部顆粒都沉降到篩面上以后，床層又恢復(fù)了緊密狀態(tài)，這時(shí)大部分礦粒彼此間已失去了相對運(yùn)動(dòng)的可能性，分層作用幾乎停止。只有那些極細(xì)的顆粒，可以通過床層的縫隙繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，并繼續(xù)分層。下降水流結(jié)束后，分層暫告終止，至此完成一個(gè)跳汰周期的分層過程。物料在每一個(gè)周期中，都只能受到一定的分選作用，經(jīng)過多次重復(fù)后，分層逐漸完善。最后，密度低的礦粒集中在最上層，密度高的礦粒集中在最底層，經(jīng)排礦排出，分別得到精礦、矸石、尾礦。

2 影響跳汰分選的主要因素

影響跳汰過程的因素很多，主要有物料性質(zhì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、操作因素三大類[3]。對于一定的物料和跳汰機(jī)，確定合理的操作制度是獲得良好分選效果的保證。具體來說，有以下幾個(gè)方面：

2.1 跳汰機(jī)的給料

跳汰機(jī)的入料性質(zhì)的波動(dòng)及給料量的變化，對跳汰機(jī)的工藝效果都有直接的影響。因此，必須保持給料速度的均勻，盡量使入料量的性質(zhì)變化波動(dòng)盡量小。

2.2 跳汰頻率和周期

跳汰頻率和周期都是跳汰過程的重要參數(shù)。跳汰脈動(dòng)水流的振幅決定了床層在上沖期間揚(yáng)起的高度和跳汰床層的松散條件。頻率的調(diào)整只能通過改變風(fēng)閥的轉(zhuǎn)速來調(diào)整。振幅則主要通過改變風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)閥的進(jìn)、排氣孔面積及頻率等加以控制。

2.3 風(fēng)量和水量

風(fēng)量和水量的正確配合使用對分選過程極為重要。雖然在一定范圍內(nèi)增加風(fēng)量或增加篩下補(bǔ)充水，都能提高床層松散度，但增加風(fēng)量能提高下漿期的吸啜作用，而增加水量卻是減弱它的作用。在實(shí)際操作中，主要是憑具體情況及工人的操作經(jīng)驗(yàn)來靈活運(yùn)用的。

2.4 床層狀態(tài)

床層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定著礦粒按密度分層的效果，所以操作的主要目的，是為了使床層處于有利于分選的工作狀態(tài)，并使之保持穩(wěn)定。床層愈厚，床層松散所需的時(shí)間也愈長。若床層太厚，在風(fēng)壓或風(fēng)量不足的情況下，不容易達(dá)到要求的松散度。

2.5 產(chǎn)物的排放與分離

按密度分好層次的床層，應(yīng)及時(shí)、連續(xù)、合理地排出跳汰機(jī)。應(yīng)該使重產(chǎn)物的排放速度與床層分層速度、矸石床層的水平移動(dòng)速度相適應(yīng)。如果重產(chǎn)物出不及時(shí)，產(chǎn)生堆積，將污染精礦，影響精礦質(zhì)量；如果重產(chǎn)物排得太快，又會(huì)出現(xiàn)矸石床層過薄，甚至排空情況，使整個(gè)床層不穩(wěn)定，從而破壞分層，增加精礦的損失。

3 模糊-PID控制器的設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

模糊控制對參數(shù)難以精確表達(dá)的物理對象特別適用[4]。模糊控制系統(tǒng)的組成，主要由模糊控制器和控制對象所構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 模糊控制器框圖

模糊控制器主要包括四個(gè)部分[5]，分別是模糊化、模糊規(guī)則庫、模糊推理及解模糊處理。

模糊化處理。模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊量，其輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。

模糊知識庫。規(guī)則庫中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識和要求的控制目標(biāo)。里面主要包含了各種語言變量的隸屬度函數(shù)、尺度變換因子及模糊空間的分級數(shù)和用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則。

模糊推理。模糊推理是模糊控制的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過程，是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)涵關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。

解模糊處理。解模糊的作用是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為實(shí)際用于控制的清晰量。

3.2 模糊-PID控制器的結(jié)構(gòu)

在跳汰機(jī)的控制中，將床層厚度的偏差及偏差變化率作為模糊控制器的輸入變量，輸出變量為PID控制器的3個(gè)參數(shù)，即比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd，進(jìn)而是床層厚度達(dá)到設(shè)定值。

精確輸入量的模糊化。輸入量的模糊化首先要確定輸入量的基本論域，選床層厚度的偏差E及偏差變化率EC作為模糊控制器的輸入變量，以比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)為輸出變量，定義其模糊量的模糊子集均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。其中：NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。根據(jù)論域的覆蓋程度及靈敏度、穩(wěn)定性與魯棒性原則，因此，隸屬度函數(shù)均選取三角形函數(shù)[4]。它們的變量、基本論域、模糊論域及量化因子分別如表1所示。

模糊規(guī)則及模糊推理。根據(jù)模糊參數(shù)表,利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,其中,Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表分別見表2、表3、表4所示。

表1 模糊參數(shù)表

表2 Kp的模糊規(guī)則表

表3 Ki的模糊規(guī)則表

表4 Kd的模糊規(guī)則表

在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)通過對模糊規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對PID參數(shù)的在線自校正，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加精確、合理的控制。

4 系統(tǒng)仿真分析

假定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

G(s)=523500/(s^3+87.35s^2+10470)

分別對其進(jìn)行單獨(dú)PID控制及模糊PID控制，并在某一時(shí)刻內(nèi)加入一個(gè)干擾，來比較兩種控制方法優(yōu)劣性。仿真結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

圖2 模糊PID控制仿真圖

圖3 傳統(tǒng)PID控制

在圖2、圖3中，橫坐標(biāo)表示仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)表示系統(tǒng)的輸入與輸出。由圖2、圖3中可以看出，使用模糊PID控制，在響應(yīng)時(shí)間上要優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。并且可以看出，使用模糊PID控制比使用傳統(tǒng)PID控制的魯棒性更強(qiáng)。

5 結(jié)語

該控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，引入了動(dòng)態(tài)的、移植性很強(qiáng)的模糊控制系統(tǒng)，起到了在線自調(diào)整的作用，從而排除了人為控制的主觀性,達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。通過仿真結(jié)果可以看出，在響應(yīng)速度及魯棒性方面，模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制更好。在跳汰機(jī)上，采用模糊PID控制是非常理想的。同時(shí)，該控制系統(tǒng)也可以應(yīng)用于對控制精度和反應(yīng)速度要求比較高的其他設(shè)備上。

[1] 符東旭.跳汰機(jī)自動(dòng)控制的途徑[J].煤礦自動(dòng)化.1998,1(1):21-23.

[2] 姜金林.模糊自整定PID控制在跳汰機(jī)給煤控制中的應(yīng)用[J].太原科技，2009，2(3)：85.

[3] 謝廣元.選礦學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001：192,229-232.

[4] 李明東，范德日，徐佩利，等.紅礦磨選中旋流器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)快報(bào)，2006,12(12):23.

[5] 李國勇.智能控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：212-213.

[6] 胡漢輝,譚青. 磁懸浮平臺(tái)的解耦模糊PID控制[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,8(4):965.