張 杰 王建民 楊志剛 李艷姣

(河北聯(lián)合大學電氣工程學院)

選礦是冶金、有色、貴金屬及化工等工業(yè)發(fā)展的基礎，在當今原材料加工工業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。選礦通常包括碎礦篩分、磨礦分級、選別、濃縮、脫水等工藝，其中磨礦分級和選別是選礦工序中最關鍵的工序，且磨礦分級作業(yè)是選別作業(yè)的基礎，因此，強化對球磨機運行狀態(tài)的檢測與控制是改善分選效果的前提［1］。磨機運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)是球磨機的負荷量，它包括新給礦量、循環(huán)負荷、加水量和加球量等［2］。目前，選礦自動化技術起步較早的國家基本實現(xiàn)了對磨機負荷的自動監(jiān)控;而我國選礦廠磨礦分級系統(tǒng)的控制起步較晚，控制技術也相對落后。由于磨機運行機理復雜、慣性大且被控對象參數(shù)耦合性強，加之其具有時變性、非線性和大滯后性，所以控制效果一般不理想［3-4］。本文介紹的基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機運行專家系統(tǒng)以承德某選礦廠一段磨礦分級系統(tǒng)為背景，該系統(tǒng)既具有PID控制的穩(wěn)定性和可靠性，又能發(fā)揮模糊控制魯棒性強的優(yōu)點，同時自尋優(yōu)控制還能很好地解決磨機負荷最佳工作點實時漂移的問題，是目前國內(nèi)外先進的磨機自動控制系統(tǒng)。

1 一段磨礦分級系統(tǒng)工藝流程

該選礦廠一段磨礦共有6個系列，每個系列工藝設備聯(lián)系圖見圖1。

圖1 一段磨礦分級系統(tǒng)工藝設備聯(lián)系示意

碎礦最終產(chǎn)品從磨選廠房的粉礦料倉經(jīng)調(diào)速計量皮帶引出，再經(jīng)喂料皮帶給入一段球磨機，同時自動加球機和安裝電動閥門的球磨機加水管分別向球磨機內(nèi)補加鋼球和水;新給料與分級機返砂在球磨機內(nèi)完成研磨后進入螺旋分級機，螺旋分級機的返砂返回球磨機再磨，分級機溢流進入后續(xù)作業(yè)。

2 磨機運行特性

球磨機運行時動態(tài)特性非常復雜，具有非線性、大慣性和純滯后性，時變使得磨機負荷的最佳工作點不停地漂移，較強的參數(shù)耦合性使得難以針對該過程建立精確的數(shù)學模型。在磨礦分級系統(tǒng)運行過程中，物料特性、鋼球狀況、球磨機襯板磨損等的不恒定性都會對磨機運行特性產(chǎn)生影響［5-6］。圖2為球磨機的工作特性曲線［7］，直觀地反映了球磨機的功率特性P、出力特性F、磨音特性S與磨機內(nèi)料量M的關系。

圖2 球磨機工作特性曲線

從圖2可知，球磨機運行過程中，磨機內(nèi)料量為M1時功率最大，磨機內(nèi)料量為M2時出力最大。M1、M2將整個磨機內(nèi)料量劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)段。磨機在Ⅰ區(qū)段運行時，其出力和功率均較低;在Ⅱ區(qū)間運行時，磨機的出力和功率均較高;在Ⅲ區(qū)間運行時，磨機的出力急劇變動且功率較低，該區(qū)間由于磨機內(nèi)料量較多，往往容易出現(xiàn)漲肚現(xiàn)象。綜上所述，磨機在Ⅱ區(qū)間內(nèi)運行才能保持平穩(wěn)、高效、低能耗。

3 基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機運行專家系統(tǒng)

3.1 專家系統(tǒng)總體結(jié)構

基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機運行專家系統(tǒng)主要由用戶接口、推理機、知識庫、磨礦數(shù)據(jù)庫和智能控制器等部分組成，其結(jié)構見圖3。

用戶接口為操作人員提供了良好的人機交互界面，用戶與系統(tǒng)的交互通過可選擇的多級菜單命令實現(xiàn)，這些菜單命令構成樹狀結(jié)構，用戶可以方便地進入不同命令層。

圖3 磨機運行專家系統(tǒng)結(jié)構

推理機負責推理求解給定的評價問題，從而完成由指定評價對象的輸入指標到指定評價目標的映射過程。推理機采用產(chǎn)生式規(guī)則作為知識的表達形式。

知識庫中存放著保證系統(tǒng)運行的控制知識、各種評價原則下評價目標同模糊自尋優(yōu)控制之間的匹配知識等。知識庫中的知識采用產(chǎn)生式規(guī)則表示。

磨礦數(shù)據(jù)庫用于存放已形成體系的評價對象的結(jié)構化指標屬性值，并按規(guī)定結(jié)構進行組織。

智能控制器包含模糊PID控制器和自尋優(yōu)控制器2部分，主要用于追蹤不斷漂移的磨機負荷最佳工作點。

3.2 專家系統(tǒng)的工作原理

基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機運行專家系統(tǒng)工作原理見圖4。

圖4 專家系統(tǒng)工作原理

操作人員通過用戶接口將期望指標輸入，系統(tǒng)通過專家控制與優(yōu)化計算確定物料、水和鋼球等的參考量并組織生產(chǎn)，控制系統(tǒng)然后通過對磨機的聲音和功率的監(jiān)測來計算推理出當前磨機負荷，并完成反饋，同時礦漿濃度計將礦漿濃度信息實時地傳送回去，以便使專家系統(tǒng)作出評價和判斷，從而對物料、水和鋼球介質(zhì)的給定量進行合理調(diào)整。

3.3 智能控制器的設計

智能控制器是該專家系統(tǒng)的關鍵組成部分，其整體結(jié)構如圖5所示。該智能控制器將常規(guī)PID控制、模糊控制與自尋優(yōu)控制結(jié)合起來，不僅發(fā)揮了常規(guī)PID控制穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點，而且模糊控制使得控制器的魯棒性大大增強，自尋優(yōu)控制更是可以實時跟蹤磨機的負荷工作點，使得磨機的負荷量始終保持在相對理想的區(qū)間。

圖5 模糊自尋優(yōu)控制器

3.3.1 自尋優(yōu)控制的引入

自尋優(yōu)控制是在保證系統(tǒng)安全運行的前提下，通過不斷改變負荷設定值，尋找出最大出力點，從而使系統(tǒng)長期保持在最佳出力區(qū)間［8］。假設某一時間磨機負荷的設定值為L，此時的給料量為M1，磨機負荷設定值增加1個步長ΔL，那么新的磨機負荷設定值變?yōu)長+ΔL，系統(tǒng)在新的磨機負荷設定值下穩(wěn)定運行的給料量為M2，如果M2－M1＞ε(ε表示無限接近于0的正數(shù))，則表明步進方向正確;磨機負荷設定值繼續(xù)增加1個步長，如果M2－M1＜ε，則表明步進方向錯誤，那么磨機負荷設定值就不能增加這一個步長，即表明磨機此時已達到最佳處理量區(qū)間。

3.3.2 模糊PID控制器的設計

單純依靠自尋優(yōu)控制方法會使磨機負荷的設定值為一個固定值，如果步長太小，收斂速度則較慢;如果步長太大，則會增大搜索損失，也可能會引起振蕩，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定［9］。將模糊PID控制與自尋優(yōu)控制結(jié)合起來，可以實現(xiàn)磨機負荷設定值步長的自動改變。

模糊PID控制器主要包括模糊參數(shù)整定器和自適應PID控制器2部分［10］，其結(jié)構如圖6所示。

圖6 模糊PID控制器

模糊參數(shù)整定器的輸入量偏差為e和偏差變化率為ec，初始輸出量為KPZ、KIZ和KDZ，最終輸出量為KP、KI和KD。e和ec首先經(jīng)過模糊推理，在此過程中，數(shù)據(jù)庫中輸入量和輸出量的模糊子集的隸屬度矢量值會提供給推理機相應的數(shù)據(jù)，推理機根據(jù)e和ec在不同階段對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，歸納總結(jié)出模糊規(guī)則，接著由清晰化接口將模糊量轉(zhuǎn)化為控制輸出量，第N次采樣時的比例、積分和微分系數(shù)的校正值為ΔKP、ΔKI和ΔKD，然后再傳遞給自適應PID控制器。模糊PID控制器會根據(jù)偏差的大小、方向和變化趨勢等特征，再結(jié)合被控對象的動態(tài)特性，按照預期的控制要求，通過模糊規(guī)則做出相應控制決策，對參數(shù)進行在線調(diào)整。

參數(shù)KP、KI和KD自調(diào)整的計算式為

上述輸入量和輸出量的模糊子集均為{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}，輸入量的論域為{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，輸出量的論域為{－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7}，隸屬度函數(shù)均為在論域范圍內(nèi)的三角函數(shù)。

在不同的e下，KP、KI和 KD的模糊規(guī)則為:當|e|較大時，為加快系統(tǒng)的響應速度，應取較大的KP，為避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，取KI=0，KD取值應較小;當|e|中等大小時，應取較小的KP，KI可適當增加，但不應過大，而對于KD則要根據(jù)系統(tǒng)的響應速度適當取值;當|e|較小時，為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應取較大的KP和KI，同時為避免系統(tǒng)在平衡點出現(xiàn)振蕩，KD的取值要適當。

模糊自尋優(yōu)控制與一些傳統(tǒng)控制方法相比，只需要了解被控對象的時變特性，而并不需要建立具體的模型，并且所要尋找的最佳負荷點并不是一個固定值，也不是一個預測值，這個值是由實際生產(chǎn)所決定，在線實時搜索可得［11］。

3.4 磨機負荷控制策略

磨機負荷難以直接檢測，磨機的振動、磨音和磨機電流可以間接反應磨機負荷的變化。當磨機負荷較小時，磨音主要來源于鋼球之間以及鋼球和襯板的摩擦、碰撞，聲音較大且頻率較高，聽起來清脆;當磨機負荷較大時，磨音主要來源于物料和鋼球以及物料和襯板之間的摩擦、碰撞，聲音較小且頻率較低，聽起來沉悶［12］。鑒于現(xiàn)場噪音的干擾，僅憑磨音判斷磨機負荷的準確度較差，所以也將磨機電流考慮其中。這2個信號的變化可以較好地反映磨機負荷的變化。

由于各量之間為非線性關系，很難建立精確的數(shù)學模型，所以根據(jù)圖2將整個磨機運行過程劃分為3個階段，這3個階段的各量之間可近似地看作是線性關系，這樣就可以建立起對應階段的T—S模型，從而可以針對不同的階段選擇不同的控制策略［13-15］。

根據(jù)磨機的運行狀態(tài)特征，可將磨機的運行狀態(tài)分為以下5種情形:

(1)磨音清脆，磨機電流小，表明磨機處于欠磨運行狀態(tài)。

(2)磨音較清脆，磨機電流較大，且磨機負荷呈上升趨勢，表明磨機欠磨程度有所好轉(zhuǎn)。

(3)磨音約為61 dB，磨機電流大，表明磨機正常運行，磨機負荷處在最佳區(qū)間。

(4)磨音沉悶，磨機電流較大，表明磨機飽磨運行。

(5)磨音沉悶，磨機電流較小，表明磨機過飽磨運行。

第3種情形時，磨機的各項指標均在圖2所示的Ⅱ區(qū)間內(nèi)，所以常規(guī)PID控制即可滿足要求;一旦磨機出現(xiàn)欠磨或者飽磨時，模糊自尋優(yōu)控制器將實時搜索判斷，專家系統(tǒng)會適當加大或者減小給料量，從而盡快使得磨機重新回到正常運行狀態(tài)。

4 專家系統(tǒng)的硬件和軟件

4.1 硬件配置

承德某選礦廠專家系統(tǒng)的硬件采用了西門子公司的S7－300PLC和工控機構成了一個DCS系統(tǒng)，其結(jié)構如圖7所示。

該系統(tǒng)包括3層結(jié)構:

(1)生產(chǎn)管理層。該層主要面向廠領導，通過廠內(nèi)以太網(wǎng)，董事長、總經(jīng)理和礦長等可在辦公室了解現(xiàn)場情況。

(2)監(jiān)視操作層。該層主要包括作為服務器的工控機和中控室設備，操作人員在中控室通過計算機可監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場信號的變化并加以相應操作，服務器負責層與層之間的通訊，同時該層記錄的數(shù)據(jù)可用于日后數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)故障分析。

(3)過程控制層。該層由2個S7－300PLC和6個ET200遠程分站組成，一方面與中控室進行通訊，另一方面還與現(xiàn)場設備相連接。

圖7 DCS系統(tǒng)

4.2 軟件設計

專家系統(tǒng)的軟件設計方面，上位機部分選用西門子公司的WINCC來完成人機界面的組態(tài)，提供良好的用戶界面，其主界面如圖8所示。

操作人員可以通過“參數(shù)設定”來設置加水量、濃度和累積量清零等相關參數(shù);“磨機數(shù)據(jù)”可以顯示磨機實際負荷、礦漿濃度、電耳聲強等相關數(shù)據(jù)信息;“報警界面”和“趨勢界面”則可分別顯示報警出錯的具體位置和整個磨礦分級系統(tǒng)運行情況的歷史曲線。操作人員可以實時監(jiān)測球磨機的運行狀況乃至整個磨礦分級作業(yè)的情況。

在軟件設計過程中，把整個軟件部分模塊化，這樣不僅方便調(diào)試，而且使軟件可以更好地維護。

5 應用效果

該專家系統(tǒng)于2012年8月在承德某選礦廠進行了安裝和調(diào)試，并投入試運行。圖9是1#磨機系統(tǒng)的負荷運行曲線。

從圖9可以看出，磨機負荷起初保持相對穩(wěn)定，當人為加入5%的擾動后，負荷量會出現(xiàn)波動，但經(jīng)過一段時間的調(diào)節(jié)后，負荷量又會穩(wěn)定在最初的給定值。在整個過程中，系統(tǒng)的各個參數(shù)變化平穩(wěn)，無大幅波動，系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

試運行情況表明，球磨機的臺時處理量提高了7%，生產(chǎn)成本降低了3%，同時徹底改變了該廠原先依靠工人24 h身處球磨機旁聽磨音憑借經(jīng)驗來判斷磨機負荷的境況，從而大大地改善了操作人員的工作環(huán)境，減輕了勞動強度。

6 結(jié)語

圖8 上位機主界面

圖9 磨機負荷運行曲線

針對球磨機的大慣性滯后、時變性、非線性和難以建立精確模型等特點，本研究提出了基于模糊自尋優(yōu)控制的專家系統(tǒng)，該專家系統(tǒng)將模糊控制、自尋優(yōu)控制和常規(guī)PID控制技術結(jié)合起來，構成了兼容PLC和工控機的DCS系統(tǒng)，通過控制優(yōu)化和系統(tǒng)結(jié)構設計實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的控制目標。承德某選礦廠的運行效果表明，該專家系統(tǒng)在保證安全穩(wěn)定運行的前提下達到了節(jié)能降耗的目的。

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