螺旋分级机数学模型研究.pdf
螺旋分级机数学模型研究 ① 杨 超1,2,3, 张 覃1,2,3, 李龙江1,2,3, 李显波1,2,3, 黄宋魏4, 刘正西5 (1.贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025; 2.喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室,贵州 贵阳 550025; 3.贵州省非金属矿产 资源综合利用重点实验室,贵州 贵阳 550025; 4.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650000; 5.贵州源翼磷系新材料股份有限公司,贵州 黔 南 558000) 摘 要 利用多元回归分析和人工神经网络构建螺旋分级机数学模型,预测校对分离粒度和分级精度,并对 2 个模型的预测效果进 行了比较。 使用 LM 算法和遗传算法优化人工神经网络模型,模型预测结果表明采用人工神经网络构建螺旋分级机数学模型比多 元回归分析模型表现出更高的拟合度和更低的拟合误差。 关键词 多元回归分析; 人工神经网络; 螺旋分级机; 数学模型 中图分类号 TD921文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2017.03.014 文章编号 0253-6099(2017)03-0054-04 Study of Mathematical Models of Spiral Classifier YANG Chao1,2,3, ZHANG Qin1,2.3, LI Long-jiang1,2,3, LI Xian-bo1,2,3, HUANG Song-wei4, LIU Zheng-xi5 (1.Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China; 2.National & Local Joint Laboratory of Engineering for Effective Utilization of Regional Mineral Resources from Karst Areas, Guiyang 550025, Guizhou, China; 3.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources, Guiyang 550025, Guizhou, China; 4.Faculty of Land and Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, Yunnan, China; 5.Guizhou Yuanyi New Phosphate Materials Co Ltd, Qiannan 558000, Guizhou, China) Abstract Mathematical models of spiral classifier were constructed based on multivariate regression analysis (MVRA) and artificial neural network (ANN), and their predicted effects on the calibrated separation size and classification precision were compared. The ANN model was optimized by Levenberg-Marquardt (LM)algorithm and genetic algorithm. The results of model prediction testified that ANN model possesses higher fitting precision and less fitting error than MVRA model. Key words multiple regression analysis; artificial neural network; spiral classifier; mathematical model 螺旋分级机数学模型是通过实际分级效率函数, 绘制实际分级效率曲线,确定实际分离粒度,并通过调 节模型中各种参数,以控制、预测或优化为目的,从而 指导实际分级,提高选矿厂实际生产效率,降低成本, 增加收益,最终提高企业的综合竞争能力。 回归分析是建立模型的传统方法之一。 回归分析 的主要优点是其可以更快并更简单地预测数据[1-4], 但是回归分析的准确性会随着自变量数量增加而下 降[5-6]。 在这种复杂的情况下,使用人工神经网络自 适应神经模糊推理系统,基于遗传的算法、模型树和模 糊理论来提高模型预测的准确性[7]。 本文利用了 LM 算法和 GA 算法来优化人工神经网络。 LM 算法是介于牛顿法与梯度下降法之间的一种 非线性优化方法,对于过参数化问题不敏感,能有效处 理冗余参数问题,从而使代价函数陷入局部极小值的 机会大大减小。 LM 算法的重要之处就是它为大参数 化问题提供了快速收敛的正则化方法[8]。 而 GA 算法 易于并行化处理,能够非常有效地进行概率意义的全 局搜索,加快求解速度。 GA 算法可以对任意形式的 目标函数和约束进行处理,具有很好的收敛性,计算精 度高,计算时间少,鲁棒性高[9]。 通常可以使用效率曲线、校对分离粒度和分级精 ①收稿日期 2016-12-30 基金项目 贵州省科学技术基金(黔科合 JZ 字[2014]2009 号) 作者简介 杨 超(1993-),男,江西人,硕士研究生,主要研究方向为难选矿石的选矿及资源综合利用。 通讯作者 张 覃(1967-),女,贵州毕节人,教授,博士,博士生导师,主要研究方向为难选矿石的选矿及资源综合利用。 第 37 卷第 3 期 2017 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №3 June 2017 万方数据 度等来评价螺旋分级机的分级特性。 故本文选取校对 分离粒度 d50c(μm)和分级精度 m 为因变量,给矿矿浆 流量 Q(m3/ h)、给矿矿浆浓度 P(%)、给矿粒度分布 特征参数 A 和 B 作为自变量,构建模型预测校对分离 粒度 d50c和分级精度 m。 主要目标是进行人工神经网 络和多元回归分析的比较,基于校对分离粒度 d50c和 分级精度 m 模型。 1 多元回归分析模型 1.1 参数选择 影响螺旋分级机分级效果的因素较多,主要有给 矿矿浆流量、浓度、粒度组成、粘度和螺旋分级机安装 角度、溢流堰高、螺旋转速等。 由于螺旋分级机一般是 固定的,所以螺旋分级机的各类参数一般不作为条件 变量;矿浆粘度虽然对分级效果有一定影响,但是并不 能反映粒度特征,故也不列为条件变量。 给矿矿浆的粒度组成是一个很重要的参数,它可 以反映物料的粒度特性,可以用粒度分布方程来描述; 最常见的粒度分布方程有 4 种盖茨-戈丹-舒赫曼分 布(Gates-Gaudin-Schuhmann)、罗辛-拉姆勒-贝内特分 布(Rosin-Rammler-Bennet)、对数正态分布和伽马分 布[10]。 其中应用最广泛的为罗辛-拉姆勒-贝内特分 布,其方程式为 F(x) = 1 - exp( - AxB)(1) 式中 x 为物料粒度,mm;F(x)为小于粒度 x 的物料累 计产率,%;A、B 均为常数。 由式(1)可知,对于给定物料,其粒度特性完全取 决于 A、B 两个参数[10]。 将其定义为粒度分布特征参 数,并将其作为模型的条件变量,全面考察给矿粒度组 成对选矿过程的影响规律。 模型的条件变量有给矿矿浆流量 Q(m3/ h)、给 矿矿浆浓度 P(%)、给矿粒度分布特征参数 A 和 B。 校对分离粒度 d50c(μm)和分级精度 m 则作为模型的 待预测参数。 为了方便起见,令 x1为给矿矿浆流量,x2为给矿 矿浆浓度,x3为特征参数 A,x4为特征参数 B,y1为校 对分离粒度 d50c,y2为分级精度 m,它们的模型可以用 如下的非线性函数表示 y1= f(x1,x2,x3,x4) y2= f(x1,x2,x3,x4) { (2) 1.2 数据样本 数据样本取自某扩大连选试验的一段磨矿分级回 路。 首先确保磨矿作业能够稳定运行,然后测定磨机 的给矿量,并分别收集螺旋分级机的给矿、溢流和返砂 样品。 对于每一个样品,测定其浓度、流量和粒度组成 数据。 选取实际生产过程的 100 组数据来建立模型,40 组数据进行校验。 1.3 多元回归分析模型预测结果 不同分级条件下,d50c和 m 值不同,也就是分级特 性和分级条件之间存在某种函数关系,为了揭示这种 关系,利用多元回归分析对数据进行处理[11]。 建立的回归模型如下 1) 校对分离粒度 d50c模型 y1=exp[8.211.3410 -3 x1x20.05x1x3 2.1310 -4 x1exp(x3)0.04x1exp(x4 ) 3.2110 -4 x3exp(x3)-0.05x4exp(x4)](3) 2) 分离精度 m 模型 y2=0.835.8410 -7 exp(x3)-2.6110 -3 x1x2 1.1210 -8 x1exp(x3)3.6510 -3 x1exp(x4 ) 2.5610 -7 lnx2exp(x3)(4) 模型预测结果见图 1~2。 d50c实验值/μm 100 80 60 40 20 0 200406080100 d50c计算值/μm ● ● ●● ●● ● ●●● ● ● ● ●● ● ● ● ● ●● ●● ● ● ●● ● ● ● ●● ●● ● ●● ● ● y 1.15x 6.88 R2 0.888 图 1 校对分离粒度实验值与计算值对比(多元回归分析) m实验值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.20.00.40.60.81.0 m计算值 ●● ●● ●● ● ● ● ●●● ● ●●●● ●● ● ● ●●● ● ● ●● ● ●● ● ● ● ● ● ● y 0.970 x 0.126 R2 0.833 图 2 分离精度实验值与计算值对比(多元回归分析) 从图 1 和图 2 可以看出,校对分离粒度拟合曲线 的 R2= 0.888,分离精度拟合曲线的 R2= 0.833。 为了 得到拟合误差,计算 2 组数据实验值和计算值之间的 平均绝对百分误差,分别为 25.55%和 28.95%。 并对 2 组数据的实验值和计算值进行方差分析,可得 F 值分 别为 41.87 和 35.93。 55第 3 期杨 超等 螺旋分级机数学模型研究 万方数据 2 RBF 神经网络模型 2.1 神经网络结构设计 RBF 神经网络是一种三层前向网络第一层即输 入层,由信号源节点组成;第二层为隐含层,隐单元数 根据所描述问题的需要而确定,隐单元的变换函数是 径向基函数,它是对称中心径向对称且衰减的非线性 函数;第三层为输出层,网络的输出层对输入模式的作 用做出响应[9]。 RBF 网络的输入到隐含层空间的映 射是非线性的,而隐含层空间到输出层空间的映射是 线性的,这样可以大大加快学习速度并避免陷入局部 极小点问题。 径向基函数(RBF) 采用高斯函数,网络结构如 图 3 所示[12]。 φi x x1 y1 y2 x2 x3 x4 Wi 输入层隐含层输出层 图 3 神经网络结构 隐含层第 i 个节点的输出为 φi(x) = exp( - x2/ σ2)(5) 当网络输入训练样本 xn时,网络的实际输出为 Y(xn ) = ∑ t j = 1 Wiφi( x - cj,σj)1 ≤ i ≤ m (6) 式中 cj为径向基函数的数据中心;σj为径向基函数的 宽度;Wi为第 i 个隐含层节点到输出层节点的权值; t 为隐层节点的个数;m 为输出层节点的个数。 图 3 中神经网络有 4 个输入给矿矿浆流量 x1,给 矿矿浆浓度 x2,特征参数 x3、x4;有 2 个输出校对分离 粒度 y1,分级精度 y2。 2.2 RBF 神经网络学习算法 为了提高模型预测的准确性,需要使用优化算法 对神经网络模型进行优化。 有几种算法可以在人工神 经网络中实现,即共轭梯度算法、反向传播算法、遗传 算法(Genetic Algorithm,GA) 和列文伯格-马夸尔特 (Levenberg-Marquardt,LM)算法[13]等。 本文采用列文 伯格-马夸尔特算法和遗传算法来优化人工神经网络 模型。 2.3 RBF 神经网络模型预测结果 建立神经网络模型所需要的模型参数与多元回归 分析法相同。 通过建立人工神经网络模型,得出如下 的隐含表达式 y = ANN(x1,x2,x3,x4)(7) 式中 ANN 是一个非线性函数,这个函数无法用直观的 数学公式表示。 首先对输入和输出进行归一化处理,利用上述学 习算法和递归最小二乘方法进行网络权值的训练,并 得到网络中心值[14]。 对网络训练并校验合格后建立 模型[15],模型预测结果见图 4~7。 从图 4~7 可以看 出,LM 算法和 GA 算法的校对分离粒度拟合曲线的 R2分别为 0.978 和 0.966,分离精度拟合曲线的 R2分 别为 0.926 和 0.959。 为了得到拟合误差,计算 4 组数 据实验值和计算值之间的平均绝对百分误差,分别为 9.18%、7.08%、10.65%、7.69%。 并对 4 组数据的实验 值和计算值进行方差分析,可得 F 值分别为 6.33、2.49、 7.78、2.99。 d50c实验值/μm 100 80 60 40 20 0 200406080100 d50c计算值/μm ● ●● ●● ●●●● ● ●● ●● ● ● ● ● ● ●● ● ●● ● ●● ●● ● ● ●●● ● y 0.986x 4.1 R2 0.978 图 4 校对分离粒度实验值与计算值对比(LM 算法) m实验值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.20.00.40.60.81.0 m计算值 ●● ●● ● ● ● ● ●● ●●● ● ● ● ●● ●●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ●● y 0.926x - 0.01 R2 0.926 图 5 分离精度实验值与计算值对比(LM 算法) d50c实验值/μm 100 80 60 40 20 0 200406080100 d50c计算值/μm ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ●● ●●● ● ● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ● ● ●● y 1.04x 1.66 R2 0.966 图 6 校对分离粒度实验值与计算值对比(GA 算法) 65矿 冶 工 程第 37 卷 万方数据 m实验值 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.20.00.40.60.81.0 m计算值 ● ● ● ● ●●● ● ● ● ●● ● ●● ● ● ●●● ● ● ●● ● ● ● ● ●● ●● ●●● ●● y 1.06x 0.02 R2 0.959 图 7 分离精度实验值与计算值对比(GA 算法) 2.4 多元回归分析和 RBF 神经网络模型的比较 分别采用多元回归分析、LM-RBF 神经网络和 GA-RBF 神经网络建立螺旋分级机的模型,校验对比 数据如表 1~2 所示。 表 1 校对分离粒度模型对比数据 模型R2F 值MAPE/ % 多元回归0.88841.8725.55 LM 算法0.9786.339.18 GA 算法0.9667.7810.65 表 2 分离精度模型对比数据 模型R2F 值MAPE/ % 多元回归0.83335.5328.95 LM 算法0.9262.497.08 GA 算法0.9592.997.69 表 1 结果表明对于校对分离粒度模型,LM 算法 的 R2最大,说明 LM 算法的拟合度更高。 为了判断拟 合误差,比较 F 值和平均绝对百分误差(MAPE),F 值 越小和 MAPE 值越小都说明数据间的差异性越小,而 LM 算法的 F 值和 MAPE 值都更小,所以 LM 算法的拟 合误差更小。 表 2 结果表明对于分离精度模型,GA 算法的 R2 更大,说明 GA 算法的拟合度更高。 然后比较 F 值和 MAPE 值,LM 算法的 F 值和 MAPE 值更小,所以 LM 算法的拟合误差更小。 通过对比,由 RBF 神经网络建立的模型预测精度 明显高于多元回归分析模型,而采用 LM 算法优化后 的 RBF 神经网络模型预测精度比采用 GA 算法优化 后的 RBF 神经网络模型较高一些。 3 结 论 1) 采用多元回归分析和 RBF 神经网络方法建立 螺旋分级机的分级数学模型,并采用 LM 算法和 GA 算法来对 RBF 神经网络进行优化,得出了 3 种模型的 预测结果,同时进行了方差分析和计算平均绝对百分 误差。 2) 对比多元回归分析预测模型,RBF 神经网络预 测模型表现出更高的拟合度和更低的拟合误差,可用 该方法建立比较精确的螺旋分级机数学模型。 3) LM-RBF 神经网络预测模型相比 GA-RBF 神 经网络预测模型,预测精度更高,具有更好的适用性。 参考文献 [1] 黄钦平. 混合矿物的分级行为[J]. 有色金属, 1986,38(3)27-33. 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