粗煤泥分選機(jī)分選系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)研究

侯向前

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司忻州窯礦運(yùn)輸一區(qū)， 山西 大同 037001）

引言

近些年來，隨著煤礦開采深度的加深，使粗煤泥的含量逐漸上升，而用戶對煤炭質(zhì)量的要求又在逐年攀升，因此，對于粗煤泥的分選就顯得越來越重要[1]。目前，粗煤泥主要來源于兩方面，一是井下煤炭開采時(shí)，自動(dòng)化程度的提高造就了原生粗煤泥的產(chǎn)生；二是因沖擊、振動(dòng)等原因，造成在運(yùn)輸和洗選過程中出現(xiàn)的次生粗煤泥[2]。對于粗煤泥分選裝置的分選，其原理是依靠上升水流來沖洗煤泥顆粒，使其能夠在流化床層分布均勻，通過重力和密度的差別來實(shí)現(xiàn)干擾沉降，完成不同煤泥顆粒的分離[3]。煤泥水經(jīng)分選機(jī)上部的入料筒被傳輸至分選室內(nèi)，當(dāng)遇到來自分選機(jī)底部的頂水而產(chǎn)生流態(tài)化床層，煤泥顆粒做上下干擾運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，小于流化床層的顆粒密度向上運(yùn)動(dòng)，留到頂部的溢流槽，而矸石等會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，被排到排料閥門附近，并通過控制閥門開閉將矸石排出[4]。對于粗煤泥分選控制系統(tǒng)，由于無模型自適應(yīng)MFAC 控制能很好地適用于粗煤泥分選系統(tǒng)的時(shí)變、非線性[5]，因此，本文提出無模型自適應(yīng)MFAC 分選控制系統(tǒng)，并對比研究MFAC、Fuccy-PID 和PID 三種控制器的性能，為創(chuàng)新分選機(jī)分選系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 粗煤泥分選機(jī)分選控制系統(tǒng)

粗煤泥分選機(jī)內(nèi)的物料顆粒床層密度值會(huì)對分離效果產(chǎn)生直接的影響，在分選床層密度值太高時(shí)，無法使大顆粒的物料穿過床層，進(jìn)而出現(xiàn)“跑粗”問題，增大產(chǎn)品的灰分；而在密度值太低時(shí)，又無法對物料顆粒采取有效的分選。由此可見，床層密度值的大小很大程度上對分離效果產(chǎn)生影響，要嚴(yán)格對分選機(jī)內(nèi)床層密度值的穩(wěn)定性進(jìn)行控制[6-7]。

本文對粗煤泥分選機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，并創(chuàng)新分選控制方法，進(jìn)而使煤泥的分離效果達(dá)到最佳，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制床層密度的目的。其中，對于煤泥分選控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 粗煤泥分選控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 中，將兩臺(tái)密度計(jì)分別安裝在分選機(jī)內(nèi)的不同位置，用于持續(xù)監(jiān)測分選機(jī)的顆粒松散度和床層密度，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比分析。對于顆粒松散度，在監(jiān)測值小于預(yù)設(shè)值時(shí)，通過系統(tǒng)控制對變頻電機(jī)葉片進(jìn)行干擾，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)數(shù)，使干擾程度增大；在大于預(yù)設(shè)值時(shí)，通過系統(tǒng)控制對變頻電機(jī)葉片進(jìn)行干擾，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)數(shù)，使干擾程度降低[8]。

對于床層密度，在密度監(jiān)測值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，通過系統(tǒng)控制來調(diào)整分選機(jī)內(nèi)排料管尾礦的抽排量，并對位于分選機(jī)底部的旋轉(zhuǎn)刮板進(jìn)行控制，使其增加轉(zhuǎn)數(shù)，讓排料管排矸的床層密度減少，進(jìn)而使中部葉片的轉(zhuǎn)數(shù)增加，并對向上的煤粒顆粒形成干擾，降低“跑粗”現(xiàn)象發(fā)生的概率，等到床層密度減小到預(yù)設(shè)值時(shí)，關(guān)閉排料閥門，并達(dá)到預(yù)計(jì)的開口度。在監(jiān)測值小于預(yù)設(shè)值時(shí)，通過系統(tǒng)控制下部干擾葉片使其增加轉(zhuǎn)數(shù)，并使干擾床層的密度升至預(yù)設(shè)值[9]。

2 粗煤泥分選機(jī)分選控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

2.1 無模型自適應(yīng)控制的粗煤泥分選系統(tǒng)。

對于PID 粗煤泥分選控制系統(tǒng)，不能適應(yīng)高精度產(chǎn)品品質(zhì)的分選設(shè)備，而目前新的分選工藝和裝備又使物料的分選更加繁雜。此外，還有基于模糊控制及專家經(jīng)驗(yàn)的Fuzzy-PID 控制等方法。所以，本文提出無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)，即MFAC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于粗煤泥分選比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，是一種基于信息控制的方法，且對被控對象的適應(yīng)性也很好，并采用在線評估系統(tǒng)，將原來的非線性替換為動(dòng)態(tài)線性控制模型，通過輸入輸出的數(shù)據(jù)來對控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，MFAC 控制原理圖如圖2 所示。

圖2 MFAC 控制的原理圖

MFAC 控制的工作原理為：利用輸入輸出的數(shù)據(jù)來對控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對時(shí)變參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制新系統(tǒng)參數(shù)的目的，進(jìn)而使MFAC 控制的自適應(yīng)性增加。

2.2 MFAC、PID 和Fuzzy-PID 三種分選控制的性能對比

將分選機(jī)的床層密度設(shè)定為1.4 g/cm3，得到圖3所示的三種控制器的性能對比圖，從圖3 中可看出，系統(tǒng)設(shè)水密度值是1 g/cm3，在初始階段，三種控制器的上升變化曲線一致，緊接著，PID 控制的上升變化曲線慢于模糊控制，且初期PID 和Fuzzy-PID 兩種控制的上升曲線快于MFAC 控制，后期MFAC 控制上升曲線居于兩者間。因此，對比三種控制器的超調(diào)量大小，PID 控制的超調(diào)量最大，F(xiàn)uzzy-PID 控制次之，而MFAC 最小，并最先在140 s 時(shí)完成床層密度的跟蹤，而PID 控制跟蹤用時(shí)最長，且在跟蹤密度階段，同F(xiàn)uzzy-PID 控制一樣均產(chǎn)生波動(dòng)。所以，對比可知，MFAC 控制明顯比PID 控制、Fuzzy-PID 控制好，這就表明MFAC 控制對粗煤泥的分選效果比較好。

圖3 三種分選控制的跟蹤性能對比圖

為進(jìn)一步深入分析MFAC 控制的性能，研究改變控制環(huán)境時(shí)，三種控制器的適應(yīng)能力，將增益由0.4改為0.5，其他因素不變，得到圖4 所示的曲線。從圖4 中可看出，在上升階段，三種控制系統(tǒng)的變化特性并未產(chǎn)生改變，但其超調(diào)量大小都增加，而達(dá)到最大超調(diào)量的時(shí)間減少，其中對于PID 控制，其最大超調(diào)量高達(dá)1.48。因此，對于改變增益時(shí)間，F(xiàn)uzzy-PID 控制、PID 控制對密度跟蹤的現(xiàn)象基本相同，而MFAC控制效果仍優(yōu)于Fuzzy-PID、PID 這兩種控制。

圖4 改變增益時(shí)，三種分選控制的性能對比圖

將慣性時(shí)間由36 s 改為50 s 時(shí)，其他因素不變，研究三種控制器的性能，得到圖5 所示的曲線。從圖5 中可看出，在上升階段，隨著系統(tǒng)慣性時(shí)間的改變，三種控制的整體沒有明顯的變化趨勢。但是，改變慣性時(shí)間，對于三種控制器，當(dāng)超調(diào)量都達(dá)到最大值時(shí)，其用時(shí)均明顯增加，且達(dá)到跟蹤穩(wěn)定的時(shí)間也增加，其中，對于MFAC 控制達(dá)到穩(wěn)定控制時(shí)，用時(shí)增加不是很顯著。因此，改變慣性時(shí)間時(shí)，對于PID 控制，其達(dá)到跟蹤穩(wěn)定的時(shí)間明顯不如Fuzzy-PID 控制。綜上所述，對于改變系統(tǒng)慣性時(shí)間，MFAC 控制的性能依然優(yōu)于Fuzzy-PID、PID 這兩種控制。

圖5 改變慣性時(shí)間時(shí)，三種分選控制的性能對比圖

3 結(jié)論

針對分選機(jī)的床層密度值會(huì)對粗煤泥物料的分離效果產(chǎn)生直接影響，而無模型自適應(yīng)MFAC 控制又能很好地適用于粗煤泥分選系統(tǒng)的時(shí)變、非線性，因此，本文提出無模型自適應(yīng)MFAC 分選控制系統(tǒng)，并對比研究PID 控制、Fuzzy-PID 控制以及MFAC 三種控制器的控制性能，結(jié)論是：改變增益、加大慣性時(shí)間等單一環(huán)境因素變化時(shí)，MFAC 的控制性能都優(yōu)于PID 控制和Fuzzy-PID 控制，這就體現(xiàn)出無模型自適MFAC 控制對粗煤泥分選很好的適應(yīng)性。