粗煤泥分選機分選系統的控制設計研究

侯向前

（晉能控股煤業集團有限公司忻州窯礦運輸一區， 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，自動化程度的提高造就了原生粗煤泥的產生；二是因沖擊、振動等原因，造成在運輸和洗選過程中出現的次生粗煤泥[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現干擾沉降，完成不同煤泥顆粒的分離[3]。煤泥水經分選機上部的入料筒被傳輸至分選室內，當遇到來自分選機底部的頂水而產生流態化床層，煤泥顆粒做上下干擾運動，當達到穩定狀態時，小于流化床層的顆粒密度向上運動，留到頂部的溢流槽，而矸石等會向下運動，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，由于無模型自適應MFAC 控制能很好地適用于粗煤泥分選系統的時變、非線性[5]，因此，本文提出無模型自適應MFAC 分選控制系統，并對比研究MFAC、Fuccy-PID 和PID 三種控制器的性能，為創新分選機分選系統提供理論依據。

1 粗煤泥分選機分選控制系統

粗煤泥分選機內的物料顆粒床層密度值會對分離效果產生直接的影響，在分選床層密度值太高時，無法使大顆粒的物料穿過床層，進而出現“跑粗”問題，增大產品的灰分；而在密度值太低時，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生影響，要嚴格對分選機內床層密度值的穩定性進行控制[6-7]。

本文對粗煤泥分選機控制系統進行模擬研究，并創新分選控制方法，進而使煤泥的分離效果達到最佳，實現穩定控制床層密度的目的。其中，對于煤泥分選控制的系統結構圖如圖1 所示。

圖1 粗煤泥分選控制的系統結構圖

圖1 中，將兩臺密度計分別安裝在分選機內的不同位置，用于持續監測分選機的顆粒松散度和床層密度，并與預設值進行對比分析。對于顆粒松散度，在監測值小于預設值時，通過系統控制對變頻電機葉片進行干擾，進而提高轉數，使干擾程度增大；在大于預設值時，通過系統控制對變頻電機葉片進行干擾，進而降低轉數，使干擾程度降低[8]。

對于床層密度，在密度監測值大于預設值時，通過系統控制來調整分選機內排料管尾礦的抽排量，并對位于分選機底部的旋轉刮板進行控制，使其增加轉數，讓排料管排矸的床層密度減少，進而使中部葉片的轉數增加，并對向上的煤粒顆粒形成干擾，降低“跑粗”現象發生的概率，等到床層密度減小到預設值時，關閉排料閥門，并達到預計的開口度。在監測值小于預設值時，通過系統控制下部干擾葉片使其增加轉數，并使干擾床層的密度升至預設值[9]。

2 粗煤泥分選機分選控制系統的設計研究

2.1 無模型自適應控制的粗煤泥分選系統。

對于PID 粗煤泥分選控制系統，不能適應高精度產品品質的分選設備，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驗的Fuzzy-PID 控制等方法。所以，本文提出無模型自適應控制系統，即MFAC 控制系統，該系統可應用于粗煤泥分選比較復雜的控制系統，是一種基于信息控制的方法，且對被控對象的適應性也很好，并采用在線評估系統，將原來的非線性替換為動態線性控制模型，通過輸入輸出的數據來對控制器進行設計。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：利用輸入輸出的數據來對控制器進行設計，并對時變參數進行在線辨識，實現自適應控制新系統參數的目的，進而使MFAC 控制的自適應性增加。

2.2 MFAC、PID 和Fuzzy-PID 三種分選控制的性能對比

將分選機的床層密度設定為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，系統設水密度值是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量大小，PID 控制的超調量最大，Fuzzy-PID 控制次之，而MFAC 最小，并最先在140 s 時完成床層密度的跟蹤，而PID 控制跟蹤用時最長，且在跟蹤密度階段，同Fuzzy-PID 控制一樣均產生波動。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

為進一步深入分析MFAC 控制的性能，研究改變控制環境時，三種控制器的適應能力，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，三種控制系統的變化特性并未產生改變，但其超調量大小都增加，而達到最大超調量的時間減少，其中對于PID 控制，其最大超調量高達1.48。因此，對于改變增益時間，Fuzzy-PID 控制、PID 控制對密度跟蹤的現象基本相同，而MFAC控制效果仍優于Fuzzy-PID、PID 這兩種控制。

圖4 改變增益時，三種分選控制的性能對比圖

將慣性時間由36 s 改為50 s 時，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，隨著系統慣性時間的改變，三種控制的整體沒有明顯的變化趨勢。但是，改變慣性時間，對于三種控制器，當超調量都達到最大值時，其用時均明顯增加，且達到跟蹤穩定的時間也增加，其中，對于MFAC 控制達到穩定控制時，用時增加不是很顯著。因此，改變慣性時間時，對于PID 控制，其達到跟蹤穩定的時間明顯不如Fuzzy-PID 控制。綜上所述，對于改變系統慣性時間，MFAC 控制的性能依然優于Fuzzy-PID、PID 這兩種控制。

圖5 改變慣性時間時，三種分選控制的性能對比圖

3 結論

針對分選機的床層密度值會對粗煤泥物料的分離效果產生直接影響，而無模型自適應MFAC 控制又能很好地適用于粗煤泥分選系統的時變、非線性，因此，本文提出無模型自適應MFAC 分選控制系統，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，結論是：改變增益、加大慣性時間等單一環境因素變化時，MFAC 的控制性能都優于PID 控制和Fuzzy-PID 控制，這就體現出無模型自適MFAC 控制對粗煤泥分選很好的適應性。