PID模糊控制系統在某白鎢選礦廠生產中的應用

王國貝 鄭燦輝,2 趙兵兵

(1.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司；2.西安建筑科技大學材料與礦資學院)

自動化控制技術自上世紀40年代被開發以來取得了巨大的進展，主要經歷了定值控制、二位控制、參數檢測與顯示、自動適應控制、最優控制等應用過程，并逐步向更高級別的控制技術發展[1]。目前自動化控制系統主要基于信息反饋原理，反饋理論包括比較、測量、執行3個要素。反饋理論的關鍵是在系統做出正確的比較和測量后，才能更好地對系統進行糾正。PID模糊控制系統是最為常見的回路反饋部件，也是整個控制系統的核心部件之一。PID模糊控制系統把接收到的數據和設定值進行比較，根據比較差值計算新的輸入值，目的是讓系統的反饋值接近或保持在設定值附近。跟其他控制運算有所不同，PID模糊控制系統可以自動根據反饋的歷史數據與設定值的差別來調整輸入值，使得系統反饋值更準確、穩定，更好地糾正系統數據。

近年來PID模糊控制系統得到較快發展，廣泛應用于各個控制領域，特別是在難以精確建模的復雜控制領域中進展較快。PID模糊控制技術在選礦過程中的應用，特別是在提高選礦指標、勞動生產率和降低生產成本方面成效顯著，逐漸受到業內人士的青睞[2]。

1 PID模糊控制系統工作原理

PID自動控制系統經過不斷發展，目前已成功應用于諸多領域，是生產中最常見的傳統控制方法[3]。由于控制對象的不同，PID自動控制系統參數很難根據不同的控制對象自動變化，具有局限性。為使PID控制器具有較強的適應性，使控制器參數具有自動調整功能，可以使用PID模糊控制理論去實現[4]。

目前PID模糊控制在自動化控制領域扮演著非常重要的角色，將成為控制技術研究與應用的重點，應用領域越來越寬、被控制對象越來越復雜，控制技術也越來越精細化，以PID模糊控制為原理的控制器是控制中不可缺少的基本單元。

PID模糊控制系統主要包含知識庫、定義變量、邏輯判斷、模糊化、反模糊5個部分，模糊控制原則是模糊控制器的核心技術，直接影響到控制器的控制功能實現，其中專家模糊控制系統的建立主要有以下3種方式：

(1)操作工的操作。選礦過程一般比較復雜，在選礦系統中一般無法用常規的控制理論進行正確控制。比較熟練的操作工在無控制模型的條件下也可以成功控制系統，因此記錄下操作工的操作方式，將其整理成if…then型式，即可組成一組控制原則。

(2)專家的經驗和知識。經驗豐富的專家在獲得系統反饋的信息后，將其改為if…then型式，即可構成模糊控制庫。通常情況下，為獲得最佳的系統控制功能，經常需要進行多次試誤以修正其模糊控制原則。

(3)學習。為持續改進模糊控制器的功能，需要讓其具備自我學習和組織能力，使模糊控制器能依照系統設定目標自動增加、修改模糊控制原則。PID模糊控制原理將偏差比例、積分和微分通過線性組合的方式構成控制對象進行控制，PID模糊控制原理系統示意見圖1[5]。

圖1 PID模糊控制原理系統示意

PID模糊控制具有適應控制對象變化的能力，最普遍的變化是量化因子、比例因子的自動調整，根據控制器在線識別效果對系統參數進行自我修復，改善控制效果[6]。在實際應用中，以誤差的變化率和誤差作為模糊控制器的輸入端，用于滿足不同階段誤差變化率和誤差的自動調節。用模糊控制原則對PID模糊控制參數進行修正，組成PID模糊控制器，比一般常規PID控制器具有能明顯改善控制系統動態性能的特點，易于操作，便于實現，抗干擾能力更強。PID模糊控制器結構見圖2。

圖2 PID模糊控制器結構

2 應用實踐

2.1 磨礦—分級的自動控制

選礦過程中的磨礦—分級作業是一個多因素變量，而非線性控制，其控制是目前較難解決的問題之一。考慮到磨礦分級是傳統的單輸入輸出控制，可以嘗試使用PID模糊控制來解決。PID模糊控制是運用語言變量結合模糊理論而形成的控制方法，不需要對控制對象建立比較精確的模型，只需總結完善操作人員的工作經驗即可，從而跳過控制對象的不確定性因素影響，增強系統的可控制性。

洛陽欒川鉬業集團股份有限公司某白鎢礦礦石性質的復雜性、特殊性決定了選礦過程的復雜性、特殊性，勞動生產率很低。選礦廠回收車間磨礦自動控制系統通過設置磨礦分級工藝參數來控制磨機給礦量、磨機電流、返砂量、溢流濃度和細度等對象，并根據反饋結果分析判斷磨礦分級作業運行的穩定性。PID模糊控制系統可以使控制效果達到最佳狀態，實現對局部工藝或全部工藝的自動控制，并及時對接收到的信息進行分析反饋，人性化的操作界面簡單實用。

2.2 浮選的自動控制

影響浮選作業的因素較多，主要有浮選濃度、磨礦細度、藥劑添加制度、浮選時間和礦漿溫度等。只有控制好作業參數，才能避免作業指標出現較大波動。浮選過程中控制的目標：①根據生產工藝要求，嚴格控制浮選過程中的液位和充氣量，穩定浮選過程；②通過對整個浮選過程的自動控制來實現浮選過程的穩定運行；③針對浮選過程中礦漿的流量、浮選濃度、產品在線檢測結果等，調整藥劑添加制度，保證浮選效果的穩定。

嚴格的精礦質量、頻繁變化的礦石性質是浮選過程控制的難點，最佳生產指標、最優藥劑添加制度、適當的泡沫層厚度是浮選過程中3個重要的控制參數。洛陽欒川鉬業集團股份有限公司某白鎢選礦廠回收車間采用“彼得羅夫法”回收白鎢礦，選礦工藝復雜、加藥點多。針對工藝特點采用浮選過程自動控制系統對生產指標進行跟蹤管理，主要通過以下幾種方式實現自動控制。

(1)事故原因分析。當生產指標低于系統設置目標時，作為1次事故進行分析，對可能影響白鎢礦品位、回收率的因素進行判斷，利用生產指標和藥劑添加量的模糊值判斷矩陣，使用神經網絡圖進行辨識，查明生產指標異常的原因，最后對系統控制進行調整。

(2)目標下限的設定和目標模糊化。把生產過程中對指標表述的5個模糊值很低、較低、一般、較高、很高與指標變化情況的5個模糊值速降、緩降、平穩、緩升、速升對應設置。根據白鎢礦品位和回收率在系統中的設定下限，對每一個控制指標給出藥劑添加量的模糊值。

(3)模糊原則的設置。根據現場操作人員的經驗和相關技術人員對異常指標的調整，建立對應的模糊原則庫。模糊原則庫由if…then條件組成，在if的后面列出決策條件，即主要的控制參數，在then的后面給出決策結果，即控制參數的調整范圍、方向等。

生產實踐表明，在使用PID模糊控制系統情況下，白鎢精礦品位提高5個百分點左右，回收率提高10個百分點左右。

3 結 論

PID模糊控制系統是在原PID自動控制理論的基礎上不斷融合高速發展的其他控制理論、不斷提高和完善控制功能形成的，解決了以前難以解決的諸多復雜問題，并收到了滿意效果。PID模糊控制系統本質上都是為獲取、修改、完善控制系統的原則和隸屬函數，可以解決控制過程中的強耦合、非線性等問題，不需要清楚知道被控制對象的精確數字模型，且適應能力較強。

某白鎢選礦廠通過在磨礦—分級和浮選作業中應用PID模糊控制系統對相應的作業參數進行自動控制，取得較為理想的效果，白鎢精礦指標得到明顯改善。