重介选煤工艺多参数模糊控制方法研究.pdf

第 9 期 2 0 1 2年 9月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a nd M i n e Aut o ma t i on NO ． 9 S e p ． 2 01 2 ◆ ◆ ◆ ； 科研成果 ． ． ． l ．．’ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 9 0 0 0 1 0 4 郭西进 ， 高警卫， 岳广礼 ， 等． 重介选煤工艺多参数模糊控制方法研究E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 2 9 1 - 4 ． } 重介选煤工艺多参数模糊控制方法研究 郭 西进 ， 高警卫 ， 岳 广礼 ， 任 良才 1 ． 中国矿业 大学信 电学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 兖州 煤业 股份 有 限公 司赵 楼煤 矿选煤 厂 ，山东 菏 泽 2 7 4 9 0 0 摘要 针对重介选煤工艺过程 中悬浮液密度、 磁性物含量 以及液位三个参数相互耦合， 采用人工或 P I D 调节方式效果不理想的问题 ， 通过分析重介选煤工艺过程， 提 出了一种重介选煤工艺多参数模糊控制方法。 该 方 法采 用两个模 糊控 制 器分别控 制 液位和 悬浮 液 密度 ， 对 两个模 糊控 制 器的输 出去模 糊化 后 结合 煤 泥含 量计 算 出分 流量 与补 水量 ， 进 而控 制 分 流 箱 阀 门和 清水 阀 的开 度 。工 业试 验 结 果表 明， 与 传 统 P I D控 制 方 法相 比 ， 该控 制 方 法的稳定 性更 高 ， 响应速度 更 快 ， 超 调量 更 小。 关键词 选 煤厂 ； 重介 选煤 ；过程控 制 ； 模糊 控制 ；悬浮 液 密度 ； 煤 泥含 量 ；介质 桶液 位 中图分 类号 T D9 4 8 ． 9 文献 标识 码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 2 0 8 3 O 0 8 3 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 2 0 8 3 0 ． 0 8 3 4 ． 0 0 1 ． h t ml Re s e a r c h o f Fu z z y Co n t r o l De ns e m e d i u m M e t ho d f o r M u l t i p a r a me t e r i n Se p a r a t i o n Pr o c e s s GUO Xi j i n ， GAO J i n g we i ， YUE Gu a n g l i ， REN L i a n g c a i 1． Sc ho o l o f I nf o r ma t i o n a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i n g of CU M T ． ，Xuz ho u 2 2 1 1 1 6，Ch i na． 2． Co a l Pr e p a r a t i on Pl a n t o f Zha ol o u M i ne o f Ya nz ho u Co a l M i n i n g Co． ，Lt d． ，He z e 2 7 49 0 0，Ch i na Ab s t r a c t I n o r d e r t o s ol v e p r o bl e m o f p oo r c o nt r o l e f f e c t of a r t i f i c i a l or PI D me t h o d be c a u s e o f c o up l i ng o f t h r e e pa r a m e t e r s i n c l u di n g s u s p e n s i o n d e ns i t y，c o nt e nt o f m a gne t i c m e d i u m a n d l i qu i d l e v e l i n d e n s e me d i u m s e p a r a t i o n pr o c e s s ，t he p a p e r pr o po s e d a f u z z y c o nt r ol me t h od f o r mul t i pa r a m e t e r i n de ns e me d i u m s e pa r a t i o n pr o c e s s o n t h e b a s i s o f a na l ys i s o f d e n s e me d i um s e p a r a t i on p r oc e s s．The me t h o d u s e s t wo f uz z y c o nt r o l l e r s t o c on t r ol l i qu i d l e v e l a n d s us pe ns i o n d e ns i t y s e p a r a t e l y．a n d c a l c ul a t e s di v i di n g wa t e r q ua nt i t y a n d f i l l i n g wa t e r q ua n t i t y c ombi ng wi t h s l i me c o nt e n t a c c or d i ng t o de f u z z i f i c a t i o n r e s u l t s of ou t p ut o f t he t wo f u z z y c o nt r o l l e r s ，S O a s t o c o nt r o l o pe ni n g d e g r e e s o f di v i d i n g b ox v a l v e a nd wa t e r v a l v e．The i n du s t r i a l t e s t i ng r e s u l t s ho we d t ha t t he f u z z y c on t r o l m e t ho d h a s hi g he r s t a b i l i t y，f a s t e r r e s p o nd i ng a n d s m a l l e r o ve r s h oo t t h a n t r a d i t i o n al PI D c o nt r o l me t h od． Ke y wo r ds c oa l pr e p a r a t i on p l a nt ， de ns e m e d i u m s e pa r a t i o n， p r oc e s s c o nt r ol ， f uz z y c o nt r o l ， s u s p e n s i on d e ns i t y，s l i me c o nt e nt ，l i q ui d l e ve l o f me d i um b uc ke t 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 0 8 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 6 0 8 0 4 0 2 2 作者简介 郭西进 1 9 6 2 一 ， 男 。 安徽固镇人 ， 教授 ， 主要研 究方 向为计 算机集 成制造技术 、 智能控制 理论、 自适应 控制 、 网络控制等 。E ma i l x i gu o c u mt ． e d u． c n 2 工矿 自动化 2 0 1 2年 9月 0引言 2模糊 控制 方案 在重 介 选煤 过 程 中 ， 送 入 旋 流器 的重 介 悬 浮液 的密 度 、 压 力 、 磁 性物含 量 以及合格 介质 桶 的液位是 影 响分选 效果 、 精 煤 质 量 以及 重 介选 煤 工 艺 稳定 连 续运行的重要参数 。重介悬浮液密度降低时， 一般 采用 向合格 介质 桶添加 高密 度重介 质或 打分 流排除 重介 悬浮 液 中的水分 ， 同时 回收磁 性物 的方法 ； 密度 升高 时 ， 一 般通过 介 质 泵处 的清 水 阀 向合 格 介质 桶 内添 加清水 。不 管 采取 哪 种 方 法 ， 都 将 影 响合 格 介 质桶 的液 位 以及 磁性 物含量 。液位 偏低会 影 响密度 的稳 定 ， 甚 至影 响介质 泵 出料 压力 ； 液位偏 高则 会使 密度 调节 较慢 ， 可能 导致 合 格 介 质桶 内 的重介 悬 浮 液溢 出 ， 影 响选煤 系统 的稳定 性_ 】 ] 。兖 州煤 业股 份 有 限公 司 赵 楼 煤 矿 选 煤 厂 重介 选 煤 主 洗 系 统 采 用 P I D控制 器调节 比例 阀 门 ， 通过 增 加 或 减少 清水 的 方式来 稳定 密度 ， 液 位 控制 采 用 人工 调 节 分 流箱 阀 门方 式 ， 需 要反 复调 节 ， 不 利 于 系统 稳 定 ， 导致 产 品 中精煤 灰分 波动 比较 大 。针 对悬 浮 液 密度 、 磁 性 物 含量 以及合 格介 质桶 液 位 之 间存 在 耦合 性 ， 采 用 传 统 P I D或人 工方式 很难 实 现精 确 控制 的问题 ， 本 文 提 出采 用模 糊控 制方法 对这 3个参 数进行 控制 。 1 重 介选 煤工 艺过程 分析 赵楼煤 矿选 煤厂重 介选煤 工艺 主洗 系统采用 无 压给料 三产 品重 介旋流 器进行 分选 。由于入料 时不 断带来 煤 泥和水 ， 使 得循 环 介 质 中非 磁 性 物含 量 逐 渐增加 ， 影 响 循 环 介 质 性 质 ， 所 以对 于 分 流 箱 的控 制 ， 应 在稳 定悬浮 液 密度 的前 提 下 主要 以 循环 介 质 中的煤 泥 含 量 为 依 据 。然 而煤 泥含 量 很 难 直 接 测 量 ， 一 般采用 计算 方法来 确定 。在 一定条件 下 ， 可 以 认为煤 泥 的 固体 密 度 不 变 。设 悬 浮 液 密 度 为 P ， 磁 性物 固体密 度为 ， 煤 泥 固体密度 为 ， 磁 性 物含量 为 7 ， 煤泥 含量 为 ， ， 单 位 均为 g ／ c m。 ， 悬 浮液 中水 密度单 位 为 1 g ／ c m。 ， 则有_ 3 y f ki p k z 7 一 kl 1 式 中 k l 一 一 。 根 据式 1 可 求 出煤 泥含 量 ， 则 煤泥所 占悬 浮液 百分 比 一 1 0 0 。煤 泥 含量 过 高或 过 低都 会 P 改变悬 浮 液黏度 特性 ， 影响分 选效 果 ， 因此煤 泥含量 应保持 在一 定 范 围 内。实 践 表 明 ， 低 密 度 悬 浮液 中 煤 泥所 占悬 浮液 百分 比控制 在 5 0 ～6 0 较好 。 2 ． 1 总 体 方 案 设 计 模糊 控制 系统是 以模 糊数 学 、 模糊 语 言 、 模糊 逻 辑 以及模 糊推 理为 理 论 ， 采 用计 算 机 控 制技 术 构 成 的一种 具有反 馈 的闭环结 构控 制系统 。由于模糊 控 制 以人类 经验 为依据 ， 不需 要精 确 的数 学模 型 ， 因此 特别 适用 于数 学模 型难 以建立 的系统 以及不 确定 复 杂 系统 的控制 ， 具有 良好 的鲁棒 性和适 应性 。 为保 证控 制 的动态性 能 ， 本 文选取 液位 误差 、 煤 泥误 差 以及误 差 变化 率 为 输 入变 量 。考 虑 到 液 位 、 密 度 、 煤 泥含 量之 间存 在耦 合关 系 ， 如果 采用 一个 模 糊 控制器 ， 则 多输入 变量会 需要 大量 的控制 规则 ， 增 加计算量 ， 影响控制性能。参考文献[ 2 ] 给出了一种 使 用单个 变量 分离 的模 糊 控 制 器 ， 然 后通 过 改 变 模 糊集 解决 多变 量耦合 问题 的方法 。本 文采用 两个 模 糊 控制器 ， 一个 以液位 误差 e 、 误 差 变 化率 D 为 输 人 变量 ， 以分 流 量 的增 量 △ Q 。为输 出 ； 另 一个 以 密 度误 差 e 。 、 误 差 变化 率 D 为输 入 变量 ， 以清水 阀补 水量 增量 △ Q 为输 出 。由式 1 可 知 ， 煤 泥 含 量 主 要 与密 度 有 关 ， 但 分 流 量 的 调 整 也 会 改 变 煤 泥 含 量 ] ， 因此不 再单 独使 用模糊 控制 器控制 煤泥 含量 ， 而是 对两 个模 糊控制 器 的输 出去模糊化 后结 合煤 泥 含量 计算 出分 流量 Q 与补 水量 Q 。 。模糊 控制 系 统 结构 如 图 1 所示 。 图 1 重介 选煤 工艺 多参数模糊控制系统结构 为 了使 液 位 、 密 度 、 煤 泥 含 量 之 间达 到 动 态 平 衡 ， 将煤 泥含 量作 为液 位 和 密度 控 制 之 间 的调 节 因 子 ， 一方 面可保 证悬 浮液 特性稳 定 ， 另 一方 面可通 过 煤 泥含量 对分 流量 和清水 阀进行 微调 _ 4 ] 。假 如不 考 虑 煤泥 含量 ， 分流量 Q 和补 水量 Q 为前 一状 态 加 上 当前 增量 ， 即 Q1 r 一 Q1 r一 1 △ Q1 2 Q2 r Q2 r一 1 △Qz 3 2 0 1 2年第 9期 郭西进等 重介选煤工艺多参数模糊控制方法研 究 3 考虑到不管是分流还是补水 ， 都会影响 3个参 数 的稳定 ， 分 流会排 除一 部分 清水 和煤 泥 ， 而清 水 和 煤 泥 总量变 化会影 响密 度 ； 控 制 密 度 时也 会 影 响液 位 的变 化 ， 如液位及 煤 泥含量 均升 高会 增加分 流量 ， 磁 选机 在 回收磁性 物 排 除 多余 煤 泥 的 同时 ， 也 会 排 出大量 清水 ， 造 成悬浮 液密 度发 生变化 ， 所 以分流 的 同时还要适 量进 行补 水操作 ； 同理 ， 调 节密 度 的同时 也要 适度 进行 分 流操 作 。由于 煤 泥 含量 和 液 位 、 密 度 控制过 程都 有一 定 关 系 ， 因此 可 以把 煤 泥含 量 作 为 液位 和 密 度 控 制 之 间 的 调 节 因 子 ， 对 式 2 和 式 3 进 行修 正得 f f Ql r Ql r 一 1 △Q1 十 △Q2 4 Af f f Q2 r 一 Q2 r 一 1 AQ2 二 △Q1 5 Af 式 中 为最佳煤泥含量， 根据 实际生产情 况， 这里 取 f 一5 0 。 2 ． 2确 定隶属 函数 根 据各 个 参数 的变化 以及 现场 工 人操 作 经 验 ， 定义 e 和 D 的论域为[ 一3 3 ] ， e 和 D 的论域为 [ 一3 3 3 ， △ Q 和 A Q 的论域为[ 一1 1 3 。e h 、 D e 和 D 的 模 糊 子 集 均 为 { V L， L， ML， M ， MH， H ， H } ， △ Q 和 △ Q 的模糊 子 集 为 { NB， 』 ＼ ， M ， NS ， Z， PS ， P M ， PB} 。隶属 函数 的形状 关 系着模 糊 控制 器 的控 制效 果 ， 隶 属 函数 形 状 愈 陡 峭 ， 控 制 灵 敏 度 愈 高 ， 但稳 定性 会下 降 ， 动 作 会 变得 频 繁 ， 反 之则 控 制 过程相对平稳 ， 但灵敏度下降。考虑 到液位控制对 灵 敏度要 求不 高 ， 而且 液位变 化相对 缓慢 ， 所 以液位 部 分 的隶属 函数采 用 梯 形 和 Z型隶 属 函数 ； 密度 控 制要 求灵 敏度 较高 ， 反应 快_ 5 ] ， 对 系统 堆密 度控 制反 应 能力 强 ， 因此选 用 三角 形 和 Z型 隶 属 函数 。为 了 减 少计 算量 ， △ Q 和 △ Q 。的隶属 函数 均 采用 三 角 形 隶 属 函数 。 2 ． 3确 定控 制 规 则 控 制规 则直 接关 系着模 糊控 制器 的性 能与控 制 效 果 ， 通常需 要通 过 专 家 或者 经 验 丰 富 的工 作 人 员 获 得 。控制 规则其 实就 是一 种模 糊关 系 ， 一 种推理 ， 它可 以用模 糊 语 言来 描 述 。根 据 现场 工 程 师 经 验 ， 如果合格介质桶液位上升 ， 则加大分流量， 反之减小 分流 量 ； 如 果 密 度 升 高 ， 则 开 大 清 水 阀增 加 清水 补 给 ， 反 之开 小清 水 阀减 少 清水 补 给 ] 。依 据 这 种 简 单 的推理 逻 辑 以及 控 制 系 统 的 动 态 特 性 和控 制 目 标 ， 借 助 Ma t l a b工 具 箱 里 的 模 糊 控 制 编 辑 器 F I S e d i t o r 得到液 位 、 密度模糊控 制规则表 ， 见表 1 、 表 2 。 表 1 液位模糊控制规则表 3 工 业性 测试及 控制效 果分 析 在 赵楼 煤矿选 煤 厂实际 生产 中对重介 选煤 工艺 多参数 模糊 控制 方法 进行测 试 。 1 液位调 节试 验 要 求 将 液 位 控 制 在合 格 介 质桶 高度 最 大值 的 3 O 左 右 ， 上位 机 采 用 Wi n C C软 件 进行 监 控 ] ， 界 面如 图 2所 示 。 图 2液位调节试 验 Wi n C C监控界面 在 7 2 2 左 右采 用模糊 控 制方式 ， 大 约 1 h后 切 换 至 P I D控 制方 式 。从 图 2可看 出 ， 采 用模 糊 控制 方 式时 ， 介 质桶 内液 位 曲线 较 采用 P I D控 制 方式 时 平 缓稳定 ， 说 明模糊 控制 方式具 有较好 的控 制效 果 。 2 密度 调节 试验 同时开启 3 0 6 、 3 0 7两套相 关工 况基本 一致 的并 4 工矿 自动化 2 0 1 2年 9月 行 系统 。3 0 6系统 采用 常规 P I D控制 方式 控制 补 清 水 阀 ， 3 0 7系 统 采 用 模 糊 控 制 方 式 控 制 补 清 水 阀 。 上位 机 Wi n C C监 控界 面 如 图 3所 示 。初 始 密 度设 定值 为 1 ． 4 2 0 g ／ c m。 ， 待 3 0 6 、 3 0 7系统 的密 度 充 分 稳定 后 ， 将 密度 设 定值 改 为 1 ． 4 2 5 g ／ c m。 ， 3 0 7系统 的密 度值迅 速跟 随设 定值 ， 波动 很 小 ， 3 0 6系 统 的密 度 值 跟 随 设 定 值 的 耗 时 长 ， 超 调 大 ， 最 大 值 达 1 ． 4 3 8 g ／ c m。 。 改变 密度设 定 值 后 4 mi n 内 ， 3 0 7系统 的平 均密 度值 为 1 ． 4 2 4 g ／ c m。 ， 标 准差 为0 ． 0 0 2 ， 3 0 6 系 统 的 平 均 密 度 值 为 1 ．4 3 3 g ／ c m。 ， 标 准 差 为 0 ． 0 0 9 。 1 0 mi n后 第 二次 调 整密 度设 定值 ， 情 况 与第 一 次基 本相 同 ， 3 0 7系 统 密度 跟 随性 能 比 3 0 6系 统 好 。在密度 设 定值 不 变 时 间段 内 ， 3 0 7系 统 的密 度 稳 定 程度 较好 ， 波动 小 ， 无 较大 超 调 ， 而 3 0 6系统 的 密度则 时有 较大 超 调 。另 外 ， 不论 在 密 度设 定 值 更 改阶段 还是 密度平 稳 阶 段 ， 模 糊控 制 方 式下 的密 度 值 波 动较小 ， 波 动值 小 于 0 ． 0 0 5 g ／ c m。 。图 3中， 曲线急 剧下 降处 为关 闭介质泵 停止试 验 。 图 3密度调节试验 Wi n C C监控界 面 4 结语 分 析 了赵 楼煤 矿 选 煤厂 主 洗 系统 工 艺过 程 ， 利 用 磁性 物含量 等参 数计算 出影 响悬 浮液特 性 的另一 个 重要参 数 煤 泥 含量 ， 并 将 其 作 为调 节 因子 参 与液位 、 密度 的控制 ； 采用 模糊控 制方 法对 重介选 煤 工 艺 中的悬浮 液密 度 、 磁 性 物含 量 以及合 格 介 质 桶 液 位 3 个 参数 进行 控 制 。工 业 试 验结 果 表 明 ， 模 糊 控 制方法 较传 统 P I D 控制 方 法 稳定 性好 ， 响应 速 度 快 ， 超调 量小 。 参考文献 [ 1 ] 陈章 宝 ， 张东晨 ． 重介选 煤工 艺模 糊控 制 的实 现[ J ] ． 选煤技术 ， 2 0 0 5 6 4 7 4 9 ． [ 2 5 孟凡芹 ， 王耀 才 ， 姜建国 ， 等． 重介工艺悬 浮液 密度和液 位 的多变量模糊 控制 方 法研 究 [ J ] ． 中 国矿 业 大 学学 报 ， 2 0 0 5， 3 4 2 2 5 2 2 5 5 ． [ 3 ] 聂铨材． 重介 选煤悬浮 液密度及磁 性物 非磁性 物含量 的测量与磁性物 浓度 计 工作 原 理 的研究 [ J ] ． 矿 山机 械 ， 1 9 8 1 4 2 6 3 1 ． [ 4 ] 代艳玲 ， 路迈 西， 杨健 ， 等． 介质流程计算 中根 据煤泥平 衡确定分流量[ J ] ． 选煤技术 ， 2 0 0 8 1 5 2 5 4 ． [ 5 ] 王波 ， 张致维 ， 王然 风． 重介 浮选液 密度 自动控制 系统 的设计[ J ] ． 控制工程 ， 2 0 1 1 增 刊 1 6 9 7 1 ． [ 6 ] 夏乃钦． 选煤 厂 自动 化系统 的研 究与设 计 E D] ． 阜 新 辽宁工程技术大学 ， 2 0 1 1 ． [ 7 ] 西 门子 中国 有限公 司 自动化与 驱动集 团． 深入 浅 出 西 门子 Wi n C C V6 E M] ． 2版． 北京 北京航空 航天大学 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 红狮 D S P工业数据 平台为企业提供全新系统连接解决方案 企业使用的可编程控制器 、 伺服 、 条码扫描仪或带串行输 出的传感器等需要通过协议来连接系统 的设备 都 存在 连接 问题 。尽管 目前市 场上很 多单 一 的 S C A DA 系统 可在 一 定 程度 上 解决 该 问 题 ， 但 是 其 高 昂 的价 格 以及 复杂 的操作 方式并 不适 合所有 的企 业 ， 且 S C AD A 系统会 与一些 常用 系统 发生排 斥 。 红 狮公 司推 出的 D a t a S t a t i o n P l u s D S P 产 品是专 为各 种设 备 的协议 转换 、 数 据记 录 、 通信 而设 计 的工 程 解决 方案 。D S P系 列 产 品 向下 可 以通 过 串 行链 路 总 线 兼 容 各 种 现 场 控 制 设 备 ， 向上 可 通 过 以 太 网与 S C AD A 系统 、 信息 数据 管理 系统 、 E R P系统等 进行数 据交 换 ， 从 而 实现 上层 管 理 系统 与 底 层 现场 设 备 的无 缝连接 ， 大大降低了数据采集系统的成本和工程周期 。D S P产 品可根据需要调整参数 ， 从而满足不同用户 的需求 。 DS P产 品 能帮助企 业用 户提 升工作 效率 。该产 品可 以将 工厂 内的所 有设 备进 行数 字 协议 转换 ， 使 设 备 状 态及 其相 关数据 同时显示在 同一 界面上 ； 提供 生产 过程 中 的实 时数据 ， 供监 管人 员 随时下 载并进 行数 据分 析 ； 允许用户设定短信或者电子邮件的 自动提示功能 ， 并提供生产过程的远程实时监控功能 。 本刊 编辑部