單顯明，劉業(yè)峰，那崇正，靳 新

(1.沈陽工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.沈陽工學(xué)院 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

球磨機(jī)是磨礦工作環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備，它的作用是通過轉(zhuǎn)動(dòng)來推動(dòng)球體對(duì)礦石進(jìn)行沖擊和粉碎，從而將粉碎的礦石磨成顆粒大小適宜的礦漿，在水泥、硅酸鹽制品、化肥、黑色和有色金屬的選礦、玻璃、陶瓷等行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。球磨機(jī)的符合參數(shù)與磨礦質(zhì)量、磨礦效率等因素密切相關(guān)。然而球磨機(jī)在實(shí)際磨礦工作過程中，由于磨機(jī)筒體內(nèi)部環(huán)境惡劣且工況復(fù)雜，其負(fù)荷參數(shù)難以準(zhǔn)確檢測(cè)和控制。

為了提高磨礦工業(yè)過程的生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量，有必要對(duì)球磨機(jī)在不同工況下的負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為球磨機(jī)的控制提供參考數(shù)據(jù)。軟測(cè)量是球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)常見的測(cè)量方式，其測(cè)量原理是將自動(dòng)化技術(shù)引入到工業(yè)生產(chǎn)中，利用狀態(tài)估算技術(shù)在線估算難以直接檢測(cè)的參數(shù)，從而達(dá)到軟件替代硬件的效果。一般情況下，對(duì)于不易測(cè)量的變量，或無法直接測(cè)量的變量，可以通過獲取易于測(cè)量的變量，并建立易測(cè)變量和難測(cè)變量的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。

現(xiàn)階段支恩瑋[1]等設(shè)計(jì)了基于域適應(yīng)支持向量回歸的負(fù)荷軟測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)多工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)其頻譜特征進(jìn)行提取。在此基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的小樣本所包含的特征和知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高源域數(shù)據(jù)建立模式與目標(biāo)領(lǐng)域數(shù)據(jù)相匹配的能力。采用回歸方法預(yù)測(cè)了磨機(jī)的載荷參數(shù)。該系統(tǒng)具有一定的有效性，然而該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程，其測(cè)量功能和運(yùn)行性能較低。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)。ASOS算法指的是共生生物搜索算法，通過模仿生物行為，引導(dǎo)個(gè)體逐漸進(jìn)化。而ELM算法是指極限學(xué)習(xí)機(jī)算法，適用于監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)問題。通過ASOS-ELM算法的聯(lián)合應(yīng)用，以期能夠提升球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量功能與運(yùn)行性能，以此提高磨礦質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

1 球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 球磨機(jī)工作數(shù)據(jù)采集器

由于球磨機(jī)在負(fù)載工況下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特征可以推導(dǎo)出球磨機(jī)的工作負(fù)荷參數(shù)，因此需要在硬件系統(tǒng)環(huán)境中安裝球磨機(jī)工作數(shù)據(jù)采集器，主要采集對(duì)象為球磨機(jī)的振動(dòng)工作數(shù)據(jù)。球磨機(jī)工作數(shù)據(jù)采集器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 球磨機(jī)工作數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)圖

圖1中，DH5922N型號(hào)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集芯片能夠?qū)?yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、沖擊等各種物理參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和分析[2]。DH131型加速度傳感器的輸出為電荷信號(hào)，它必須用相應(yīng)的DH5857-1型電荷適配器來進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換[3]。將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，將其送入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集芯片中。安裝的球磨機(jī)工作數(shù)據(jù)采集器的頻率頻響范圍為[1 Hz,10 000 Hz]，而球磨機(jī)的頻率在8 686 Hz以下，所以設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器能夠滿足對(duì)球磨機(jī)信號(hào)的采集要求。除了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置外，為保證系統(tǒng)處理器設(shè)備能夠直接處理采集信號(hào)，在采集裝置輸出前端分別嵌入前置放大器和抗混疊濾波器，前置放大器的作用是對(duì)采集器輸出結(jié)果中的阻抗進(jìn)行表換處理，選擇了一種用于增益FET的電壓互補(bǔ)源跟蹤電路，它可以在FET中增加相同的源間電壓，從而提高了輸入阻抗，降低輸出阻抗的同時(shí)降低噪聲[4]。在采集信號(hào)時(shí)，根據(jù)取樣原理，若有一種干擾信號(hào)，其頻率超過取樣頻率的一半，則會(huì)出現(xiàn)一種無法用數(shù)字濾波方法消除的混疊信號(hào)。因此，在取樣前連接MAX293抗混雜濾波器，用于抗混疊濾波。

1.2 系統(tǒng)處理器

系統(tǒng)處理器的處理任務(wù)包括球磨機(jī)初始振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理、負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量程序的運(yùn)行以及ASOS-ELM算法的運(yùn)行，安裝的系統(tǒng)處理器型號(hào)為OMAP-L138。該處理器為達(dá)芬奇架構(gòu)的嵌入式處理器，在處理器內(nèi)部同時(shí)嵌入DSP內(nèi)核和ARM內(nèi)核[5]。OMAP-L138處理器既具備了復(fù)雜的指令集，又具備了指令集的簡(jiǎn)化技術(shù)。因此，OMAP-L138相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用的單核結(jié)構(gòu)處理器有更好的性能。OMAP-L138包含一個(gè)ARM9內(nèi)核和一個(gè)C674x的DSP內(nèi)核，這兩種內(nèi)核都可以在456 MHz的頻率下工作，所以O(shè)MAP-L138不僅具有很好的控制性能，而且還具有很好的計(jì)算能力[6]。另外，OMAP-L138還整合了外部設(shè)備，包括增強(qiáng)型直接數(shù)據(jù)接入、多通道緩沖串口、通用串行通信接口等。

1.3 球磨機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

為了給球磨機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)以及軟測(cè)量程序提供充足的存儲(chǔ)空間，在傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)展，擴(kuò)展結(jié)果如圖2所示。

圖2 擴(kuò)展存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器充分利用RAM的片內(nèi)資源，同時(shí)保證所有的地址不發(fā)生沖突。512KBRAM芯片的接線將A15僅被用作74138的控制信號(hào)，與P10直接連接[7]。由于A15連接到P10，故芯片的物理空間充分利用，所以在CPU運(yùn)行時(shí)，所有的邏輯地址都是8000H-FFFFFH。

1.4 軟測(cè)試輸出顯示屏

顯示屏的安裝為球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量結(jié)果的輸出提供了可視化硬件支持，所選用的顯示屏設(shè)備是DC48270N043_0lTW/NW，該設(shè)備自帶ASCII、GBK和GB2312字庫，速度快、成本低，適合圖片少畫面不復(fù)雜的場(chǎng)合，其能最多存儲(chǔ)27張全屏圖片，需要的供電電壓為5 V，其通訊接口為RS232，易于與系統(tǒng)電路主板相連接，顯示和控制符合系統(tǒng)需求。

1.5 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

在基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)中，供電質(zhì)量將直接影響到系統(tǒng)的功能與性能的運(yùn)行效果。硬件系統(tǒng)中各個(gè)組成元件所需電壓規(guī)格包括5 V、3.3 V、1.8 V、1.0 V，結(jié)合系統(tǒng)各個(gè)部分功耗以及對(duì)電流的要求，外部供電電壓為5 V，XC7Z010的COREPOWER為18 V和10 V，IOPOWER為33 V[8]。所以，系統(tǒng)選擇了TPS70151為電源芯片。電源電路的供電次序與處理器上的斷電次序一致，并能滿足系統(tǒng)所需的電流和功率[9]。除了上述系統(tǒng)元件外，通信網(wǎng)絡(luò)、程序主控芯片等部分均沿用傳統(tǒng)軟測(cè)量系統(tǒng)，利用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電源電路，實(shí)現(xiàn)所有硬件設(shè)備的連接。

2 球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)備的支持下，通過ASOS-ELM算法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量功能。根據(jù)不同負(fù)荷下球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的變化特征，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)負(fù)荷參數(shù)的軟測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果以可視化的形式輸出。

2.1 構(gòu)建球磨機(jī)數(shù)學(xué)模型

從結(jié)構(gòu)方面來看，球磨機(jī)包括進(jìn)料部、出料部、回轉(zhuǎn)部、傳動(dòng)部等多個(gè)部分[10]。中空軸以鑄鋼作為材料，筒體內(nèi)嵌耐磨襯墊，用來提高設(shè)備的耐磨性。筒體是球磨機(jī)的主要加工位置，筒體上裝有支撐圓筒和支撐圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)的支座，并利用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)。物料由進(jìn)料機(jī)構(gòu)經(jīng)料中空心軸，以螺旋狀的方式均勻地送入磨機(jī)的第一倉，在料倉中裝有臺(tái)階墊片或波浪形墊片，里面裝有各種尺寸的鋼球，利用滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力完成物料的研磨操作[11]。物料完成粗磨工作后，進(jìn)入第二倉作進(jìn)一步研磨。滾筒在旋轉(zhuǎn)的過程中，研磨體自身也會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，在滾筒的滑動(dòng)過程中，物料受到磨料的影響，為了充分利用研磨作用，當(dāng)物料力度較大時(shí)，將磨料圓筒分成兩個(gè)部分，當(dāng)材料進(jìn)入到第一倉時(shí)在鋼球作用下被擊碎，而當(dāng)材料進(jìn)入第二倉時(shí)，鋼段會(huì)對(duì)物料進(jìn)行進(jìn)一步碾壓，將合格的物料從出料端的中空軸排出[12]。將上述球磨機(jī)的工作原理代入到球磨機(jī)結(jié)構(gòu)中，得出球磨機(jī)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建結(jié)果，如圖3所示。

圖3 球磨機(jī)數(shù)學(xué)模型示意圖

球磨機(jī)數(shù)學(xué)模型中破碎環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

gdischarge=(B·S+I-S)nfracture·ggive

(1)

公式(1)中，ggive和gdischarge分別為球磨機(jī)給進(jìn)礦和排出礦的粒度，B和S分別對(duì)應(yīng)的是球磨機(jī)的破碎函數(shù)和選擇函數(shù)，I表示單元矩陣，nfracture為物料的破碎段數(shù)[13]。同理可以得出球磨機(jī)多個(gè)加工環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，將其與球磨機(jī)結(jié)構(gòu)融合在一起，得出球磨機(jī)數(shù)學(xué)模型的最終構(gòu)建結(jié)果。

2.2 采集球磨機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)

由于球磨機(jī)工作負(fù)荷與振動(dòng)信號(hào)之間存在相關(guān)關(guān)系，因此可以利用振動(dòng)信號(hào)來反映球磨機(jī)的負(fù)荷參數(shù)，為此利用硬件系統(tǒng)中的采集器設(shè)備對(duì)球磨機(jī)工作狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集[14]。在忽略筒體轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的情況下，依據(jù)動(dòng)量定理，可以得出球載下落對(duì)筒體的沖擊力為：

(2)

公式(2)中，Lmill為球磨機(jī)筒體長(zhǎng)度，ω和θ分別為筒體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，θ1和θ2為轉(zhuǎn)動(dòng)速度分量，其計(jì)算公式如下：

(3)

公式(3)中，ν為磨機(jī)轉(zhuǎn)速，r1和r2分別為球載回轉(zhuǎn)半徑的最大值和最小值。另外，公式(2)中變量ρ表示的是球載松散密度。在沖擊力作用下，球磨機(jī)發(fā)生振動(dòng)。由于球磨機(jī)筒體呈對(duì)稱式分布，采用不連續(xù)方式進(jìn)行進(jìn)出料，所以在檢測(cè)圓筒的振動(dòng)時(shí)，應(yīng)選擇一側(cè)軸承為測(cè)量點(diǎn)在筒體旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼珠和物料的拋出對(duì)筒體的沖擊會(huì)從筒體進(jìn)出料端蓋傳遞到軸承座，同時(shí)，由于內(nèi)部負(fù)荷的變化，物料與磨介之間的相互作用使其產(chǎn)生振動(dòng)[15-16]?；诹ζ胶庠恚梢源_定球磨機(jī)中振動(dòng)幅度最大的位置，以此作為測(cè)點(diǎn)，并將采集器設(shè)備安裝在該測(cè)點(diǎn)上，通過采集器的運(yùn)行與輸出，得出球磨機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)的采集結(jié)果[17]。為了提高球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的采集質(zhì)量，同時(shí)去除信號(hào)中的正、負(fù)兩種噪聲，利用內(nèi)置的濾波器進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(4)

公式(4)中，f(x)和g(x)分別為初始采集振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)換振動(dòng)信號(hào)，HOC(f(x))和HCO(f(x))對(duì)應(yīng)的是開-閉濾波器和閉-開濾波器，最終得出的球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)去噪處理結(jié)果為：

(5)

分別將實(shí)時(shí)振動(dòng)采集信號(hào)和兩個(gè)濾波函數(shù)代入到公式(5)中，便可得出滿足質(zhì)量要求的振動(dòng)信號(hào)采集結(jié)果[18]。

2.3 利用ASOS-ELM算法提取振動(dòng)信號(hào)特征

采用ELM算法分別建立振動(dòng)信號(hào)頻譜特征和磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)之間的非線性模型，ELM結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 極限學(xué)習(xí)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)極限學(xué)習(xí)機(jī)的輸入層、隱含層和輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為n、p和q，對(duì)于輸入的球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，若極限學(xué)習(xí)機(jī)能以極低的誤差逼近振動(dòng)信號(hào)樣本，則公式(6)成立：

(6)

公式(6)中，yj為預(yù)處理完成的球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，?i為隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)到輸出層的權(quán)重值，H(ai,bi,yj)為激活函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式如下：

(7)

公式(7)中，ai和bi分別表示的是連接第i個(gè)隱含層結(jié)點(diǎn)的輸入權(quán)值和輸出權(quán)值[19]。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，利用ASOS算法對(duì)ELM工作系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過程如圖5所示。

圖5 ASOS算法優(yōu)化ELM的流程圖

在ASOS算法運(yùn)行過程中，利用公式(8)對(duì)“生物”種群進(jìn)行初始化。

Xi=Wb+rand(1,D)(Ub-Wb)

(8)

公式(8)中，Ub和Wb分別為共生生物搜索空間的上界和下界，rand(1,D)為縮放因子向量，其中D為初始解的維數(shù)[20]。搜索種群中的最優(yōu)值Xbest，通過互利和共棲階段完成種群更新，更新過程可以表示為：

(9)

公式(9)中，Mv和κ1分別為互利向量和隨機(jī)因子。在寄生階段產(chǎn)生“寄生向量”，當(dāng)達(dá)到終止條件時(shí)，終止優(yōu)化操作，否則重新執(zhí)行上述操作，直到滿足終止條件為止[21]。將采集并處理完成的球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)代入到ASOS優(yōu)化的ELM中，得出特征提取結(jié)果，其中峰值特征的提取結(jié)果可以表示為：

τm-m=xmax(t)-xmin(t)

(10)

公式(10)中，xmin(t)和xmax(t)分別為球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的最小值和最大值。同理可以得出球磨機(jī)所有振動(dòng)特征的提取結(jié)果。

2.4 實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量

根據(jù)球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征提取結(jié)果，選擇待軟測(cè)量的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)為球負(fù)荷、料負(fù)荷、水負(fù)荷，分別記為φb、φm和φw，上述負(fù)荷參數(shù)的計(jì)算公式如下：

(11)

式(11)中，變量φbmw、φmw、φmb以及φbf分別為充填率、磨礦濃度、介質(zhì)充填率以及料球比，Vmill表示球磨機(jī)容積，ρm、ρw和ρb對(duì)應(yīng)的是物料、水和研磨介質(zhì)的密度值，δ為介質(zhì)空隙率[22]。因此可以通過測(cè)量料球比、磨礦濃度和充填率計(jì)算得出球磨機(jī)的負(fù)荷參數(shù)，上述參數(shù)即為軟測(cè)量的輔助變量。最終在顯示屏的支持下，得出球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量結(jié)果的可視化輸出結(jié)果。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)的有效性，融合硬件設(shè)備和軟件程序，模擬系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要和環(huán)境，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)是否能夠達(dá)到預(yù)期效果。此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分，分別為軟測(cè)量功能測(cè)試和運(yùn)行性能測(cè)試，并通過與基于域適應(yīng)支持向量回歸的負(fù)荷軟測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.1 配置系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試環(huán)境

此次實(shí)驗(yàn)以某大型采礦工程作為實(shí)驗(yàn)背景，選擇礦石的加工環(huán)境作為系統(tǒng)的開發(fā)與測(cè)試環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中安裝主測(cè)計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)備。按照硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，分別安裝采集器、處理器等設(shè)備，并利用供電電源電路完成硬件設(shè)備的連接。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置通信網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)關(guān)的工作參數(shù)，保證配置的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境能夠覆蓋整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，確保球磨機(jī)的實(shí)時(shí)工作參數(shù)能夠被正常采集與傳輸。由于球磨機(jī)屬于特種設(shè)備，為完成負(fù)荷參數(shù)的軟測(cè)量工作的安全性，需在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中加設(shè)防護(hù)網(wǎng)。系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境中所有設(shè)備安裝完成后，需要對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，若存在設(shè)備運(yùn)行故障，則需要重新選擇系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備，直至系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境調(diào)試成功。

3.2 準(zhǔn)備球磨機(jī)研究對(duì)象

為滿足礦石的處理需求，選擇型號(hào)為Φ450 mm×450 mm的Bond指數(shù)球磨機(jī)作為系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，該設(shè)備的電機(jī)功率為0.8 kW。球磨機(jī)的圓筒在中線的兩端設(shè)有端蓋，用于填料、排料，并通過軸承的整體放置在機(jī)架上，在軸承的一端通過傳動(dòng)裝置與蝸輪蝸桿減速裝置相連接，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。重復(fù)執(zhí)行“啟動(dòng)-停止”操作，判斷準(zhǔn)備的球磨機(jī)是否能夠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中正常運(yùn)行。

3.3 設(shè)定球磨機(jī)運(yùn)行工況

為了保證設(shè)計(jì)的基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)適用于球磨機(jī)的多種工作狀況，此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置空磨、正常以及飽磨三種工況，空磨指的是球磨機(jī)圓筒內(nèi)不存在需要加工的礦石，正常工況是指球磨機(jī)圓筒內(nèi)的加工礦石含量占圓筒總量的10%～75%，當(dāng)球磨機(jī)圓筒中加入的礦石量高于圓筒總?cè)萘康?5%時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前球磨機(jī)處于飽磨工況。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的加工礦石物料為某礦山的鎢礦石，其普式硬度系數(shù)約為16，密度約為1 950 kg/m3。為了避免由于入料的粒度分布不均勻，影響球磨機(jī)運(yùn)行工況的控制效果，要求在對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行入料前，對(duì)碎磨前的礦石物料進(jìn)行初級(jí)破碎，并采用電動(dòng)篩分機(jī)對(duì)礦石進(jìn)行篩分，通過控制物料的輸入量，確定料球比、磨礦濃度和充填率的真實(shí)值，并求解出球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)的實(shí)際值，實(shí)際負(fù)荷參數(shù)的設(shè)置情況如表1所示。

表1 球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)設(shè)置表

以表1中的設(shè)置數(shù)據(jù)作為判斷系統(tǒng)軟測(cè)量功能的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3.4 輸入ASOS-ELM算法工作系數(shù)

由于此次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了ASOS和ELM算法，需要對(duì)相關(guān)工作系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，ASOS算法中種群個(gè)數(shù)設(shè)置為50，最大迭代次數(shù)為100次。而ELM算法的隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為20，學(xué)習(xí)率為0.001%。

3.5 描述系統(tǒng)測(cè)試過程

利用編碼工具將基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)換為程序代碼，分別在三種不同的球磨機(jī)運(yùn)行工況下，利用采集器設(shè)備獲得振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以振動(dòng)信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)，球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)作為輸出參數(shù)，通過硬件設(shè)備與軟件程序的協(xié)同運(yùn)行，得出系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。三種工況下球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)的軟測(cè)試輸出結(jié)果如圖6所示。

圖6 球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

在三種工況下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，采用求解平均值的方式得出更為精準(zhǔn)的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。此外，為了體現(xiàn)出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，設(shè)置基于域適應(yīng)支持向量回歸的負(fù)荷軟測(cè)量系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比系統(tǒng)，對(duì)比系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境以及測(cè)量對(duì)象均相同。

3.6 設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)

此次實(shí)驗(yàn)分為系統(tǒng)功能測(cè)試和系統(tǒng)性能測(cè)試兩個(gè)部分，其中功能量化測(cè)試指標(biāo)設(shè)置為負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量的均方誤差，其數(shù)值結(jié)果為：

(12)

Δt=tout-tin

(13)

公式(13)中，tin和tout分別表示球磨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的輸入時(shí)間以及球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量結(jié)果的輸出時(shí)間，計(jì)算得出系統(tǒng)程序的運(yùn)行時(shí)間更短，說明對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能越優(yōu)。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體有效性，利用ASOS-ELM算法和域適應(yīng)支持向量回歸方法對(duì)球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)分別進(jìn)行測(cè)試。選取球負(fù)荷、料負(fù)荷和水負(fù)荷為試驗(yàn)參數(shù)，在Bond指數(shù)球磨機(jī)筒體外側(cè)安裝傳感器，保證球磨機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，依次加入一定量的鋼球、物料和水，在球磨機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，記錄測(cè)試結(jié)果，空磨工況下系統(tǒng)軟測(cè)量功能的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 空磨工況下軟測(cè)量系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表2結(jié)果可知，在5次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比系統(tǒng)的球負(fù)荷在393.8～399.2 kg之間，料負(fù)荷在0.2～0.9 kg之間，水負(fù)荷在44.1～53.2 kg之間；而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的球負(fù)荷在399.4～400 kg之間，料負(fù)荷在0～0.5 kg之間，水負(fù)荷在45～54.7 kg之間，與對(duì)比系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體球負(fù)荷和水負(fù)荷較高，料負(fù)荷較低。將表2與表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(12)中，得出對(duì)比系統(tǒng)的球負(fù)荷、料負(fù)荷、水負(fù)荷參數(shù)的平均軟測(cè)量誤差分別為0.42 kg、0.007 kg和0.12 kg。而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的球負(fù)荷、料負(fù)荷、水負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量誤差的平均值分別為0.002 kg、0.001 kg和0.001 kg。同理在正常工況和飽磨工況下，通過公式(12)的計(jì)算得出正常和飽磨工況下系統(tǒng)的軟測(cè)試功能測(cè)試對(duì)比結(jié)果，如圖7所示。

圖7 正常和飽磨工況下系統(tǒng)的軟測(cè)試功能測(cè)試對(duì)比結(jié)果

綜上所述，在球磨機(jī)的三種工況下，基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差始終低于對(duì)比系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)系統(tǒng)在測(cè)量功能方面具有更高優(yōu)勢(shì)。

通過主測(cè)計(jì)算機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)的提取以及公式(13)的計(jì)算，得出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

經(jīng)過表3對(duì)比可以看出，球磨機(jī)在空磨工況下的負(fù)荷軟測(cè)量速度更快。在三種工況下，對(duì)比系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間始終高于設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過平均值計(jì)算，兩種系統(tǒng)的平均運(yùn)行時(shí)間分別為7.78 s和3.65 s，即設(shè)計(jì)的基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行性能更優(yōu)。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的基于ASOS-ELM的球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)，通過ASOS-ELM算法的應(yīng)用和軟測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，保證了球磨機(jī)負(fù)荷參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確度，有效提升了系統(tǒng)運(yùn)行性能。然而系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中使用的球磨機(jī)型號(hào)較為單一，因此設(shè)計(jì)的軟測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)與部分球磨機(jī)設(shè)備不適配的問題，針對(duì)這一問題還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步解決。