球磨機(jī)負(fù)荷優(yōu)化控制的原理及設(shè)計實現(xiàn)

磨機(jī)運(yùn)行過程非常復(fù)雜，由于磨礦過程參數(shù)眾多，其中磨機(jī)負(fù)荷是磨礦過程的重要參數(shù)，且礦石的耐磨性、粒度和磨機(jī)襯板磨損程度等都極易發(fā)生變化，致使磨機(jī)負(fù)荷很難達(dá)到良好的自動控制效果。在實際運(yùn)行過程中，通常由操作人員憑經(jīng)驗對球磨機(jī)負(fù)荷進(jìn)行控制，磨機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)“空磨”或“悶?zāi)ァ睜顩r，導(dǎo)致選礦廠無用功增加。因此，為了選礦廠能安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對其磨機(jī)負(fù)荷的優(yōu)化控制具有十分重要的意義。

我們就此提出了一種新型控制策略，運(yùn)用變步長自尋優(yōu)控制策略，使系統(tǒng)能夠在實際運(yùn)行過程中快速、穩(wěn)定地自動尋找磨機(jī)負(fù)荷的較佳工作點，并結(jié)合模糊理論對喂料量進(jìn)行控制，可提高控制器的自適應(yīng)能力，實現(xiàn)對磨機(jī)負(fù)荷的實時控制，提高球磨機(jī)的工作效率。

球磨機(jī)運(yùn)行特性

究竟球磨機(jī)是怎樣工作的呢？球磨機(jī)的動態(tài)運(yùn)行特性非常復(fù)雜，其較佳負(fù)荷點常隨參數(shù)變化而產(chǎn)生不同程度的漂移。磨音特性、功率特性、出力特性與磨機(jī)內(nèi)存料量都不是簡單的一次關(guān)系，而是存在著極值特性。在此我們分三個部分進(jìn)行測試：在一部分，功率特性呈上升趨勢，磨音特性逐漸下降，而出力逐漸增加，當(dāng)磨機(jī)功率上升到極大值點時，磨機(jī)的出力并沒達(dá)到極值，而此時磨機(jī)的耗電量大，但出力并不是較佳點，此區(qū)域磨機(jī)處于“空磨”狀態(tài)，不是較佳控制區(qū)；在第二部分，功率呈下降趨勢，磨音信號逐步減小并趨于穩(wěn)定，出力則繼續(xù)增大，達(dá)到更大出力點，可以看出，當(dāng)出力達(dá)到更大時，磨音信號基本保持不變，此時磨機(jī)耗電量不大，則此區(qū)域為更佳控制區(qū)；在第三部分，磨機(jī)功率和出力均呈下降趨勢，此時磨機(jī)在“飽磨”狀態(tài)下運(yùn)行，應(yīng)該避免。

自尋優(yōu)控制原理

對于具有時變性的被控對象，自尋優(yōu)控制是一種有效的控制方法，通過在實際運(yùn)行過程中不斷測量被控量，由系統(tǒng)本身探測當(dāng)時系統(tǒng)的運(yùn)行條件，做出相應(yīng)的決策。因此系統(tǒng)可以在被控特性發(fā)生漂移時仍可以尋找到更佳控制點，使被控對象工作在更優(yōu)工作狀態(tài)。我們提出的自尋優(yōu)控制就是要在實際運(yùn)行時找到磨機(jī)當(dāng)前的負(fù)荷點，使磨機(jī)的出力達(dá)到更大，而這個更大出力點則是隨實際生產(chǎn)過程不斷漂移和變化的，不是一個固定值。

通常的自尋優(yōu)算法都是以一個固定值作為搜索步長，此步長值的大小直接影響礦廠的經(jīng)濟(jì)效益。若搜索步長太小，則導(dǎo)致系統(tǒng)收斂速度較慢，不能快速找到系統(tǒng)較佳工作點；若步長取值太大，則會增大搜索損失，使效益受損。所以提出基于多信息融合的變步長自尋優(yōu)控制策略，通過模糊控制實現(xiàn)對搜索步長的實時控制，從而達(dá)到降低損失的目的。

變步長自尋優(yōu)控制器融合了球磨機(jī)的磨音、功率和出力3種信號，通過分析這3種信號的斜率變化來得到系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，從而決定下一次的搜索步長。

模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計

我們設(shè)計的模糊控制系統(tǒng)用球磨機(jī)的功率信號作為磨機(jī)內(nèi)存料量（磨機(jī)負(fù)荷）的表征信號，以球磨機(jī)的負(fù)荷設(shè)定值與實際值的偏差及偏差變化率作為模糊控制器的輸入量，其輸出量為使喂料機(jī)變頻器頻率發(fā)生變化的電壓值，后面達(dá)到調(diào)整喂料機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，以實現(xiàn)對磨機(jī)負(fù)荷的自動控制，使其能很好地跟隨磨機(jī)負(fù)荷的設(shè)定值。磨機(jī)負(fù)荷的設(shè)定值為通過變步長自尋優(yōu)控制器得出的喂料量。

系統(tǒng)的軟硬件支持及運(yùn)行效果

球磨機(jī)增產(chǎn)改造具體方案需要在一次次實驗中尋找得出，河北某選礦廠一段磨礦分級系統(tǒng)共4個系列，球磨機(jī)規(guī)格為Ф2.7m×3.6m。系統(tǒng)控制器的中間控制單元采用西門子的CPU315－2PN/DP，現(xiàn)場IO采用ET200分布式，所有IO站都是通過PROFIBUUS-DP現(xiàn)場總線與主控制器相連接，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的實時通信，通信速率為100M，并預(yù)留10%的輸入、輸出模塊，以備擴(kuò)展。系統(tǒng)包括3個層次結(jié)構(gòu)：

1、生產(chǎn)管理層主要是向領(lǐng)導(dǎo)展現(xiàn)礦廠的現(xiàn)場情況；

2、監(jiān)視操作層主要包含中控室設(shè)備和服務(wù)器工控機(jī)，操作人員在中控室可以監(jiān)視現(xiàn)場的操作情況，并可以進(jìn)行手動實時控制，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并負(fù)責(zé)各層之間的通信；

3、過程控制層與現(xiàn)場設(shè)備相連接，并負(fù)責(zé)與中控室進(jìn)行通信。

對磨機(jī)負(fù)荷實時控制，然后在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和控制，得出對磨機(jī)負(fù)荷的控制數(shù)據(jù)，以達(dá)到對磨機(jī)負(fù)荷的優(yōu)化控制及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到某一時刻時，人為加入10%的擾動，負(fù)荷先會出現(xiàn)一定波動，但在控制器的調(diào)節(jié)下，經(jīng)過一段時間后系統(tǒng)又會穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)荷變化也比較平穩(wěn)。

針對磨礦系統(tǒng)時變、非線性和時滯性的特點，結(jié)合多信息融合技術(shù)，設(shè)計了一種磨機(jī)負(fù)荷模糊自尋優(yōu)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對球磨機(jī)負(fù)荷的自動控制與自尋優(yōu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)與調(diào)整能力。經(jīng)過幾個月的實際運(yùn)行，球磨機(jī)的臺時產(chǎn)量增加了8%，磨機(jī)耗電量降低了10%，礦廠的生產(chǎn)成本降低了4%，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，大大降低了工作人員的勞動強(qiáng)度。

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