模糊智能控制在磨礦分級給礦系統(tǒng)中的應(yīng)用

勞春萍 楊承志

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

磨礦分級作業(yè)是選礦廠重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，它直接影響后續(xù)工藝的效率及最終產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，其控制目標(biāo)是將礦漿溢流粒度穩(wěn)定在工藝要求范圍內(nèi)，同時提高磨機(jī)效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。在磨礦分級系統(tǒng)中，球磨機(jī)的給礦量是重要的被控量，它直接影響控制目標(biāo)，因此，應(yīng)對其實施有效的控制，以避免磨機(jī)出現(xiàn)欠載和“脹肚”的現(xiàn)象。

磨礦分級過程存在大慣性、參數(shù)時變和非線性等特點，磨礦分級系統(tǒng)是一個具有純滯后的多變量系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制算法難以取得滿意的控制效果。本文在總結(jié)這些經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用模糊推理和智能控制的思想，建立了一套先進(jìn)的給礦控制系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明，系統(tǒng)取得了較好的控制效果。

1 磨礦工藝簡介

某選礦廠采用二段球磨磨礦工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 磨礦分級工藝流程圖Fig.1 Flowchart of ore grinding and classification process

礦倉中的礦石經(jīng)振動給礦機(jī)、皮帶機(jī)送到球磨機(jī)，經(jīng)球磨機(jī)磨細(xì)后進(jìn)入分級機(jī)，粒度合格的礦漿溢流進(jìn)入泵池，粒度不合格的則返回一段球磨機(jī)再磨。進(jìn)入泵池的礦漿泵入高頻振動篩，經(jīng)高頻振動篩選擇后，合格礦漿直接進(jìn)入浮選作業(yè)，粒度不合格的礦漿進(jìn)入二段球磨機(jī)再磨，再磨后的礦漿進(jìn)入泵池，形成一個循環(huán)。

2 控制方案

根據(jù)磨礦分級給礦的控制目標(biāo)和對象特性，設(shè)計了串級給礦控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of the control system

首先由電流變送器檢測球磨機(jī)的電流，經(jīng)模糊運算后，得到當(dāng)前給礦量的最佳設(shè)定值。為了補(bǔ)償給礦機(jī)存在的給礦誤差，增設(shè)了給礦量反饋環(huán)節(jié)，通過電子皮帶秤檢測實際給礦量，與經(jīng)過模糊計算得到的給礦設(shè)定值進(jìn)行比較，并對誤差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而構(gòu)成一個模糊控制 +PID調(diào)節(jié)的串級回路控制系統(tǒng)［1］。系統(tǒng)主回路采用模糊控制算法實現(xiàn)給礦量設(shè)定值優(yōu)化，副回路采用PID控制器實現(xiàn)穩(wěn)定給礦。

2.1 給礦量設(shè)定值控制

由于原礦性質(zhì)變化等不確定性的干擾，給礦量的多少將直接影響球磨機(jī)的工作效率和溢流產(chǎn)品質(zhì)量，且磨礦分級過程時間滯后較大、干擾因素多，系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，而選擇好被控量將大大簡化系統(tǒng)的控制過程。

本系統(tǒng)可以選擇粒度作為被控變量(溢流粒度由在線粒度儀測出)，或者選用與球磨機(jī)負(fù)荷緊密相關(guān)的球磨機(jī)電流作為被控變量(球磨機(jī)電流由電流變送器檢測出)。

本文采用與球磨機(jī)負(fù)荷緊密相關(guān)的球磨機(jī)電流作為被控變量，通過模糊優(yōu)化算法得出最佳給礦量，避免了復(fù)雜的建模過程。

球磨機(jī)的電流量與負(fù)荷量(裝載量)具有動態(tài)峰值特性關(guān)系［2］，如圖3所示。因此，根據(jù)球磨機(jī)的電流量，即可判斷其負(fù)荷量的大小。

圖3 電流與裝載量關(guān)系曲線Fig.3 Curve of relationship between load and current

磨礦開始時，隨著裝載量的增加，球磨機(jī)的電流逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一極值后，隨著裝載量的增加，球磨機(jī)的電流值將不再增加反而下降。此極值點的電流最大，此刻的裝載量是球磨機(jī)裝載量的最佳裝載控制點。所以，為了提高球磨機(jī)的效率，應(yīng)使裝載量盡量控制在極值點附近。

圖3中，A區(qū)表示球磨機(jī)開始裝載時處于欠載狀態(tài)，隨著裝載量的增大，球磨機(jī)的電流也逐漸增大，當(dāng)裝載量上升到一定程度時進(jìn)入B區(qū)，即最佳工作區(qū)，此時球磨機(jī)的電流最大，工作效率最高，但如果裝載量繼續(xù)增大，就會進(jìn)入C區(qū)，即過載區(qū)，此時磨機(jī)電流將逐漸減小，工作效率下降。我們期望使球磨機(jī)工作于B區(qū)，但實際操作相當(dāng)困難，因為當(dāng)球磨機(jī)處于B區(qū)時，一旦有振蕩，很容易產(chǎn)生“脹肚”故障，所以選擇將磨機(jī)裝載量控制在球磨機(jī)最佳工作區(qū)B區(qū)稍前一點的地方。

在模糊控制方式下，對于漂移的動態(tài)特性，控制系統(tǒng)具有自動跟蹤功能，可保證“參考點”始終處在安全的最佳范圍內(nèi)，同時可根據(jù)其變化趨勢和方向進(jìn)行綜合判斷，合理調(diào)節(jié)給礦量。

2.2 給礦量控制回路

當(dāng)給礦量設(shè)定值確定以后，系統(tǒng)采用閉環(huán)PID控制方式實現(xiàn)給礦量的穩(wěn)定控制，保證磨機(jī)穩(wěn)定運行，達(dá)到最高工作效率。電子皮帶秤檢測出實際給礦量，并將它送回PID控制器與給礦量設(shè)定值相減，得出的誤差值根據(jù)磨礦給礦PID控制算法得出相應(yīng)的控制量，最終通過變頻器改變給礦電機(jī)的頻率，使磨機(jī)給礦量按給定值變化。給礦電機(jī)采用異步采樣控制方式，設(shè)給礦量設(shè)定值閉環(huán)優(yōu)化周期為T1，給礦控制周期為T2。若選擇的T1大于T2，則在一個給礦量閉環(huán)優(yōu)化周期內(nèi)實施穩(wěn)定的給礦控制是可行的［3］。

3 控制算法

3.1 給礦量設(shè)定值優(yōu)化算法

給礦量的多少直接影響著磨礦濃度、溢流濃度和磨機(jī)的狀態(tài)，其時間滯后較大，過程干擾因素多，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，而磨機(jī)的電流量與負(fù)荷量有一個動態(tài)峰值的特性關(guān)系。因此，可根據(jù)磨機(jī)電流量的大小和變化趨勢來判斷磨機(jī)的負(fù)荷量。一般情況下，負(fù)荷量增加，設(shè)備電流量也增大。

通過對球磨機(jī)的電流進(jìn)行在線檢測，可以判斷磨機(jī)的負(fù)荷量狀態(tài)。因此，給礦量的設(shè)定和調(diào)整可以通過磨機(jī)電流的變化來確定和調(diào)整。在本系統(tǒng)中根據(jù)控制要求，結(jié)合工人的日常操作經(jīng)驗，利用模糊控制的理論，總結(jié)并設(shè)計出了一套磨機(jī)給礦量設(shè)定值的模糊控制規(guī)則。

為了提高系統(tǒng)性能，采用二維模糊控制器，即雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)［4］。在本系統(tǒng)中選取磨機(jī)電流作為被控變量，模糊控制器的輸入選用磨機(jī)的電流變化率IP1和IP2，輸出為電流最終調(diào)整量ID。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，以6 s作為計算平均電流的一個周期，任取6 s為周期T1，則周期T1的前6 s為周期T2，周期T2的前6 s為周期T3，周期T1的平均電流為IA0，周期T2的平均電流為IA1，周期T3的平均電流為IA2，磨機(jī)的電流變化率IP1為平均電流IA0和平均電流IA1的差值，IP2為平均電流IA1與平均電流IA2的差值。

對電流變化率 IP1和 IP2，取模糊集為{NB，NS，PS，PB}，論域為{－2，－0.9，0.9，2};對電流最終調(diào)整量ID，取模糊集為{NB，NS，PN，PS，PB}，論域為{－2，－1，0，1，2}。根據(jù)模糊控制理論，得出模糊控制規(guī)則如表 1 所示［5－6］。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 The rules of fuzzy control

從表1中可以看到，在IP1一定的情況下，隨著IP2的不斷增大，電流最終調(diào)整量ID也在不斷地增加。

本系統(tǒng)中，磨機(jī)的最佳處理量取為35～45 t/h。因此，當(dāng)計算調(diào)整的給定值高于45 t/h時，把給定值設(shè)為45 t/h。當(dāng)計算調(diào)整的給定值低于35 t/h時，則限定給定值為35 t/h，從而充分發(fā)揮磨機(jī)的工作效率，保證磨機(jī)既不發(fā)生“脹肚”現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)欠載現(xiàn)象，保證磨機(jī)的正常工作。如果發(fā)生“脹肚”現(xiàn)象，則將電量累加和計數(shù)器清零，重新開始進(jìn)行電量累加和計數(shù)工作。當(dāng)計算調(diào)整的給定值在35～45 t/h之間時，則給礦量設(shè)定值根據(jù)式(1)進(jìn)行計算。

當(dāng)磨機(jī)正常工作時，搜索步長(Length)為電流最終調(diào)整量(ID)×0.8;當(dāng)磨機(jī)出現(xiàn)“脹肚”時，搜索步長(Length)為0。

3.2 球磨機(jī)“脹肚”判斷及處理方法

由于球磨機(jī)的電流量與球磨機(jī)的裝載量存在一個動態(tài)峰值特性關(guān)系，因此，可以通過檢測球磨機(jī)的電流來間接判斷球磨機(jī)的工作狀況是否正常，其判斷方法及步驟如下。

①將檢測的磨機(jī)電流數(shù)據(jù)每6 s做一次平均，存入IA0。

②當(dāng)某時刻的平均電流IA0小于參考電流IREF(參考電流IREF按式(2)進(jìn)行計算)，或者當(dāng)電流變化率IP1和IP2都小于－2時，設(shè)立“脹肚”標(biāo)志，并停止給礦。

③在“脹肚”開始時進(jìn)行計時，當(dāng)脹肚處理時間t＞2 min且該時刻的電流值IA0大于參考電流IREF時，恢復(fù)給礦。

④“脹肚”期間計算的參考電流不能作為電流參考值，此時，將“脹肚”前的上一個參考值作為電流參考值。

通常情況下，球磨機(jī)在第一次運行時半小時內(nèi)很少會出現(xiàn)“脹肚”的情況，為保險起見，可以根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)定一個電流值作為第一個電流參考值。當(dāng)磨機(jī)正常工作時，計算的電流參考值可作為實際參考值;當(dāng)磨機(jī)“脹肚”時，計算的電流參考值不能作為實際參考值，而應(yīng)取上一個參考值作為電流參考值。

4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)在硬件上可以采用西門子PLC作為主控制器，完成數(shù)據(jù)的采集、處理以及控制算法的實現(xiàn)，通過通信卡實現(xiàn)PLC與上位監(jiān)控管理計算機(jī)的通信［7］。在軟件上采用西門子的Step7編程軟件，采樣周期設(shè)為0.1 s，利用OB35中斷模塊進(jìn)行調(diào)用。將檢測的磨機(jī)瞬時電流進(jìn)行累加，計算電流平均值IA0、IA1、IA2及電流變化率IP1和IP2，然后根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行“脹肚”判斷和處理，確定給礦量的最佳設(shè)定值。

5 結(jié)束語

本文以某選礦廠磨浮作業(yè)自動控制為背景，針對磨礦分級給礦過程具有滯后大、干擾因素多、非線性和時變性嚴(yán)重等特點，且數(shù)學(xué)模型很難精確描述的特性及控制要求，提出了模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的串級回路控制方案。主回路采用模糊控制算法實現(xiàn)給礦量設(shè)定值優(yōu)化，副回路采用PID控制器實現(xiàn)穩(wěn)定給礦。該技術(shù)不依賴于控制過程的數(shù)學(xué)模型，且模糊控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

實際應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效地避免磨機(jī)發(fā)生“脹肚”現(xiàn)象和欠載現(xiàn)象，提高磨機(jī)的工作效率，穩(wěn)定磨機(jī)的各項工作指標(biāo)，對提高磨礦作業(yè)生產(chǎn)效率和降低能耗具有實際指導(dǎo)意義。

［1］黃偉，魏鏡弢，王庭有，等.模糊智能控制在磨礦分級系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報:理工版，2009，34(4):96－100.

［2］吳光耀.選礦廠磨礦分級模糊智能控制系統(tǒng)［J］.電氣時代，2006(8):18－20.

［3］方仕雄，李奇，張建新.磨礦分級給礦系統(tǒng)模糊控制的設(shè)計和應(yīng)用［J］.微信息技術(shù)(測控儀表自動化)，2002，18(5):17 －19.

［4］于軍琪，吳濤，黃永宣，等.磨礦分級系統(tǒng)溢流濃度的模糊智能控制［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，1999，33(9):1 －9.

［5］李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［6］易繼鍇，侯媛彬.智能控制技術(shù)［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［7］段仁君，郭琦，邵亮，等.球磨機(jī)磨礦分級系統(tǒng)的自動控制［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2002，21(6):18 －20.