模糊控制技術(shù)在礦山企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 敏

(金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 華縣 714102)

0 前言

模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇，其核心是利用模糊集合理論，將人的控制策略轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語言所描述的控制算法，模擬人的思維方式對(duì)一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效控制，從而解決傳統(tǒng)控制方法無法或難以解決的問題，發(fā)展至今，模糊控制技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域、家用電器自動(dòng)化領(lǐng)域和其他行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)礦山企業(yè)最近幾年自動(dòng)化水平發(fā)展較快，但由于其生產(chǎn)性質(zhì)及現(xiàn)場條件等原因，信息不確定性普遍存在，模糊控制技術(shù)因其特點(diǎn)很好地解決了這些問題，因而在礦山企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)流程自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，為提高生產(chǎn)回收率，節(jié)約生產(chǎn)成本起到了十分顯著的作用。

1 模糊控制系統(tǒng)原理

經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制統(tǒng)稱為傳統(tǒng)控制，其主要特征是建立在被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，基于精確模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析和處理，從而完成控制策略的設(shè)計(jì)。但對(duì)一些現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，無法建立被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)控制理論和方法越來越顯示其局限性。在這種情況下，出現(xiàn)了模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，這種控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基本思想是一致的，它是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的延伸和補(bǔ)充。

1.1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的3 個(gè)核心組成部分是控制器K、受控對(duì)象G 和反饋函數(shù)H，其原理圖如圖1 所示。

圖r 為參考信號(hào)，;v 為反饋輸出信號(hào);u 為控制信號(hào);y 為輸出信號(hào);d 為干擾信號(hào);n 為噪聲信號(hào)。

圖1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原理框圖

1.2 模糊控制系統(tǒng)原理

模糊控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示，與圖1比較可以看出，它與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要差異是用模糊控制器FC 代替了傳統(tǒng)控制器K。

圖2 模糊控制系統(tǒng)原理框圖

圖2 中的FC 是模糊控制(Fuzzy Control)，也稱為模糊邏輯控制器，F(xiàn)C 的輸入為參考信號(hào)r 與反饋信號(hào)v 之差，即x1=r-v，它的輸出是控制信號(hào)u，這些都是清晰值。

1.3 模糊控制器工作原理

模糊控制器的工作基本原理是，將輸入的數(shù)字信號(hào)X1經(jīng)過模糊化(D/F)變成模糊量。輸入含有模糊規(guī)則的模糊推理機(jī)，經(jīng)過處理得出結(jié)論——模糊集合，然后由解模糊化模塊(F/D)變成清晰量u，再輸出到下一級(jí)去控制受控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。模糊控制器的原理框圖如圖3 所示，由4 個(gè)模塊組成。

圖3 模糊控制器原理框圖

2 模糊控制技術(shù)在磨礦自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 磨礦分級(jí)自動(dòng)控制原理

磨礦是礦山企業(yè)的一個(gè)非常重要生產(chǎn)過程，其在很大程度上影響著選礦的最終效果。怎樣才能使球磨機(jī)在安全高效的運(yùn)行條件下、排出的礦石粒度最好成為了這段工序的技術(shù)關(guān)鍵。為使球磨機(jī)工作在最佳狀態(tài)，提高球磨機(jī)臺(tái)時(shí)效率，穩(wěn)定磨礦工藝參數(shù)，達(dá)到在穩(wěn)定提高球磨機(jī)效率的前提下，滿足選礦工藝要求，提高金屬回收率的目的。

磨礦自動(dòng)控制系統(tǒng)主要選取球磨機(jī)音量、球磨機(jī)功率、分級(jí)機(jī)電量、給礦量、返砂水量、排礦水量作為控制變量。以控制設(shè)備和檢測儀表對(duì)系統(tǒng)球磨機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，合理調(diào)節(jié)給礦量、水量等，使溢流濃度保持在合適范圍，從而間接地控制溢流細(xì)度，獲得更好的排礦粒度組成，為后續(xù)浮選工藝創(chuàng)造條件。

2.2 模糊控制技術(shù)在磨礦自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.2.1 磨礦過程中應(yīng)給礦量的判斷

磨礦過程中的給礦性質(zhì)直接影響著應(yīng)給礦量，人工操作的磨礦系統(tǒng)中，給礦性質(zhì)主要靠熟練工人的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，主要依據(jù)球磨機(jī)工作時(shí)功率和球磨機(jī)音量大小進(jìn)行判斷。充填率低時(shí)，球磨機(jī)音量高，功率小;隨著充填率增高，球磨機(jī)音量降低同時(shí)功率增高;達(dá)到一定充填率時(shí)，音量繼續(xù)降低，但功率開始下降。在功率最高時(shí)磨礦效率最佳，所以要控制球磨機(jī)工作在功率信號(hào)接近最高值的范圍內(nèi)。

圖4 磨礦分級(jí)作業(yè)形象圖

圖4 是金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司百花嶺選礦廠的一個(gè)磨礦作業(yè)形象圖。其中礦石經(jīng)過破碎后進(jìn)入圓盤給料倉，通過圓盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤給料到給礦皮帶，由給礦皮帶輸送到球磨機(jī)(給礦量大小由核子秤測量)，經(jīng)過磨礦，礦漿經(jīng)過分級(jí)溢流后，粒度合適的礦漿進(jìn)入后續(xù)浮選工藝，粒度較大的經(jīng)分級(jí)機(jī)返回球磨機(jī)進(jìn)行再次磨礦。磨礦過程中，由于分級(jí)機(jī)返回球磨機(jī)的礦量(俗稱返砂量)的干擾，所以應(yīng)給給礦量的判斷成為難題，給礦量過大，磨機(jī)“漲肚”，磨礦效率減小;給礦量過小，出現(xiàn)“空砸”現(xiàn)象，容易損壞球磨機(jī)襯板，磨礦效率也相對(duì)減小。現(xiàn)以在磨礦過程中，如何判斷球磨機(jī)應(yīng)給礦量為例，說明模糊控制技術(shù)在磨礦自動(dòng)控制過程中的應(yīng)用。

在實(shí)際生產(chǎn)中，球磨機(jī)“漲肚”趨勢點(diǎn)的音量信號(hào)作為“漲肚”信號(hào)比較值，即臨界點(diǎn)，當(dāng)音量信號(hào)高于臨界點(diǎn)時(shí)，球磨機(jī)工作正常，按原定工作程序工作;當(dāng)音量信號(hào)接近臨界點(diǎn)時(shí)，說明磨機(jī)具有“漲肚”趨勢，控制過程預(yù)先處理避免發(fā)生“漲肚”。音量信號(hào)接近臨界點(diǎn)，說明球磨機(jī)內(nèi)存礦向過多或給礦粒度變粗或礦石硬度升高的趨勢發(fā)展，可控制輸出給礦信號(hào)減小或控制給礦停止一段時(shí)間，直到音量信號(hào)升高，接近某個(gè)設(shè)定值后再恢復(fù)給礦量，但如何減少，每次減多少，沒有明確的邊界標(biāo)準(zhǔn)，所以在磨礦分級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)給礦量的判斷主要采用模糊控制技術(shù)。

2.2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)給礦量的判斷主要通過電耳—一種聲電轉(zhuǎn)換裝置，把所檢測的球磨機(jī)音量轉(zhuǎn)換為電流，這樣可根據(jù)輸出電流的大小即球磨機(jī)音量大小和球磨機(jī)的功率大小進(jìn)行模糊分析計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)的球荷比進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，確定當(dāng)前給礦量的設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)圓盤電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使給礦量始終處于最佳狀態(tài)，提高球磨機(jī)的臺(tái)時(shí)處理量以及粒度合格率。

僅討論以礦石性質(zhì)作為控制目標(biāo)的情況，如圖5 所示，球磨機(jī)功率P 指實(shí)際測得的球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率，球磨機(jī)音強(qiáng)i 指電耳的輸出電流，令礦石性質(zhì)為v，為模糊控制器的輸出量，這就形成了模糊控制器的基本機(jī)構(gòu)。模糊控制器經(jīng)過對(duì)球磨機(jī)的功率p 和球磨機(jī)音強(qiáng)i 的模糊分析計(jì)算，確定系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，同時(shí)根據(jù)信號(hào)的歷史記錄以及趨勢分析來確定系統(tǒng)的礦石性質(zhì)，主要是礦石易磨程度的變化情況。

根據(jù)操作工人的經(jīng)驗(yàn)和磨礦原理，進(jìn)行模糊判斷計(jì)算，得出總控制表，存入計(jì)算機(jī)，便可用查表法進(jìn)行控制。計(jì)算方法采用最大隸屬度法，因篇幅有限，這里不再贅述。

圖5 以礦石性質(zhì)為輸出控制量的模糊控制器

同理，當(dāng)系統(tǒng)礦石性質(zhì)確定以后，就可以通過礦石性質(zhì)和當(dāng)前給礦量數(shù)值，設(shè)計(jì)出以應(yīng)給礦量作為控制目標(biāo)的模糊控制器，如圖6 所示。

圖6 以應(yīng)給礦量為輸出控制量的模糊控制器

2.3 控制效果

從圖7 可以看出，自動(dòng)控制系統(tǒng)磨礦效率在磨礦處理量基本相同的條件下明顯優(yōu)于人工操作，分析原因，主要是自控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)處理了球磨機(jī)“斷礦”、“空砸”和“漲肚”現(xiàn)象，減少設(shè)備事故，保證了生產(chǎn)工藝的正常穩(wěn)定，對(duì)降低球耗、電耗和襯板消耗有明顯效果。隨著時(shí)間的推移，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

圖7 不同時(shí)間段人工系統(tǒng)與自控系統(tǒng)磨礦效率對(duì)比圖

3 模糊控制技術(shù)在選礦自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 選礦工藝過程

選礦中最常用的方法是浮選，浮選是從金屬礦物中選取精礦的方法。礦物經(jīng)過粉碎加工成礦漿后，進(jìn)入浮選工序。首先在礦漿中加入作為捕收劑的藥劑，再加石灰，經(jīng)過攪拌充氣，形成包含精礦的氣泡，浮懸在礦漿表面上。于是從礦漿上層得到精礦，余下的為尾礦。回收率和品位是衡量浮選結(jié)果的指標(biāo)。

圖8 浮選流程圖

為了得到高回收率和高品位的成品精礦，一個(gè)浮選過程往往采用多道選取過程，圖7 是一個(gè)銅礦浮選流程圖，其中N1～N5 是浮選擋，礦漿從1 號(hào)料流給礦，經(jīng)過第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與14 號(hào)料流合并，生成2號(hào)料流進(jìn)入浮選槽，繼續(xù)浮選，而N1 槽余下的尾礦，從4 號(hào)料流，流入N3 號(hào)槽繼續(xù)浮選，依次類推。按此流程圖，從18 號(hào)料流，得到成品銅精礦，而從7號(hào)料流，流出尾礦T。

3.2 模糊控制技術(shù)在選礦自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

由以上浮選工藝過程可見，金屬礦的浮選過程是一個(gè)大滯后的十分復(fù)雜的生成過程。影響浮選過程的因素很多，捕收劑增加量、充氣量、石灰用量等，均對(duì)精礦的品位和回收率有影響。從礦漿給礦到得到成品精礦，這樣一個(gè)過程用常規(guī)的PID 調(diào)節(jié)，或用現(xiàn)代控制理論的方法，均很難找到滿意的控制方法。而現(xiàn)場的操作工人，根據(jù)觀察到的礦漿的顏色、泡沫等進(jìn)行控制，可以達(dá)到較好的效果。但是由于人的經(jīng)驗(yàn)不同，以及多種干擾，質(zhì)量不可能穩(wěn)定。因此，將熟練的操作工人的經(jīng)驗(yàn)和浮選原理結(jié)合起來，用模糊方法來控制浮選過程是十分有意義的。

銅精礦的回收率和品位分別反映了成品精礦的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此，分別以這兩個(gè)量作為浮選控制系統(tǒng)的輸出。系統(tǒng)中同樣分別以回收率和品位的偏差和偏差變化率為輸入，形成兩個(gè)模糊控制器。在浮選過程中，捕收劑用量對(duì)浮選過程的影響較大，充氣量和石灰添加量對(duì)浮選過程也有影響。我們首先選用捕收劑用量的增量作為模糊控制器的輸出量。

僅討論以回收率作為控制目標(biāo)的情況，如圖9所示，偏差e 值實(shí)際測得的精礦回收率與回收率設(shè)定值之差;偏差變化率ec 反映了實(shí)測回收率的變化速度和變化方向。令控制量捕收劑用量的增量為u，為模糊控制器的輸出量，這就形成了模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)。

圖9 以回收率為輸出控制量的模糊控制器

根據(jù)操作工人的經(jīng)驗(yàn)和浮選原理，進(jìn)行模糊判斷計(jì)算，得出總控制表，存入計(jì)算機(jī)，便可用查表法進(jìn)行控制。計(jì)算方法采用最大隸屬度法，因篇幅有限，這里不再贅述。

3.3 控制效果

圖10 模糊控制對(duì)給礦量變化的調(diào)節(jié)效果

圖11 模糊控制對(duì)石灰量擾動(dòng)的調(diào)節(jié)效果

圖12 模糊控制對(duì)充氣量變化的調(diào)節(jié)效果

圖13 模糊控制對(duì)磨礦細(xì)度變化的調(diào)節(jié)效果

圖9 至圖12 分別為給礦量、給礦濃度、充氣量、磨礦細(xì)度、石灰用量發(fā)生擾動(dòng)變化時(shí)，模糊控制的效果。由圖9 可見，在各種擾動(dòng)下，系統(tǒng)的回收率均能收斂到穩(wěn)定，較快地恢復(fù)到平衡狀態(tài)，取得了較好的控制效果。

同理可設(shè)計(jì)出以銅精礦品位作為控制目標(biāo)的模糊控制器，兩個(gè)模糊控制器輸出經(jīng)過加權(quán)運(yùn)算后得到實(shí)際的捕收劑用量，這里不再贅述。

4 總結(jié)

穩(wěn)定運(yùn)行是礦山企業(yè)生產(chǎn)的前提，提高磨礦效率和選礦回收率是礦山企業(yè)的技術(shù)關(guān)鍵。模糊控制技術(shù)在礦山企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，事實(shí)證明能夠大大提高了磨礦效率和選礦回收率，并使工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到改善，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，目前在礦山企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。

［1］黃衛(wèi)華，方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［2］百花嶺選礦廠磨礦分級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用研究報(bào)告［R］.華縣:金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司，2008.

［3］席愛民.模糊控制技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.