馬 亮

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120）

在生產(chǎn)和加工煤炭的過程中，選煤屬于不可缺少的重要環(huán)節(jié)，直接決定了煤炭的質(zhì)量以及企業(yè)的生產(chǎn)效益[1]，煤炭經(jīng)過各種工藝處理后，會產(chǎn)生大量的碎煤、煤粉和水煤漿等介質(zhì)，這些介質(zhì)的流動速度、液位和密度等參數(shù)都需要進(jìn)行有效控制，以確保整個選煤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[2]。目前企業(yè)在選煤控制中主要存在自動化程度低和集中度低等問題，這些問題會降低煤炭生產(chǎn)和加工的質(zhì)量，對煤炭企業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重的制約。為此，需要對選煤自動控制技術(shù)展開研究設(shè)計。

當(dāng)前已有相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對選煤自動控制技術(shù)作出了設(shè)計研究。文獻(xiàn)[3]提出基于遺傳算法及SVM決策模型的選煤監(jiān)控方法，首先分析了選煤設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征，在此基礎(chǔ)上建立選煤控制的通信方式、結(jié)構(gòu)框架以及硬件，通過GA-SVM 判斷選煤過程的狀態(tài)，根據(jù)判斷結(jié)果展開相應(yīng)的控制，該方法在選煤過程中無法精準(zhǔn)、穩(wěn)定地控制介質(zhì)的密度與液位，存在控制精度低且穩(wěn)定性差的問題。文獻(xiàn)[4]提出基于選煤信息模型的智能化選煤廠三維可視化系統(tǒng)，在選煤信息模型的基礎(chǔ)上通過大數(shù)據(jù)云平臺技術(shù)設(shè)計了選煤廠的可視化管理平臺，并制定了選煤的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對選煤廠的生產(chǎn)運維、施工和設(shè)計相關(guān)的生命周期數(shù)據(jù)展開監(jiān)測，以此實現(xiàn)選煤控制，該方法選出的煤炭不滿足設(shè)定的灰分含量，存在選煤效果差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術(shù)。

1 液位與密度對選煤控制過程的影響分析

煤炭經(jīng)過各種工藝處理后，會產(chǎn)生大量的碎煤、煤粉和水煤漿等介質(zhì)，這些介質(zhì)液位和密度等參數(shù)都需要進(jìn)行有效控制，以確保整個選煤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。因此在選煤控制之前，需要考慮液位與密度對選煤控制過程的影響，通過構(gòu)建選煤控制過程的數(shù)學(xué)模型，考慮選煤生產(chǎn)線的物理特性和信息輸出特性。利用PLC 技術(shù)[5-6]對選煤生產(chǎn)線的物理特性展開分析，PLC 技術(shù)可以通過控制主機對選煤過程中的流量數(shù)據(jù)展開調(diào)整，提高選煤控制的效率和穩(wěn)定性[7]。PLC 架構(gòu)由關(guān)聯(lián)輸入模塊、CPU、通用背板和存儲器構(gòu)成。

選煤生產(chǎn)線由6 個PLC 控制站構(gòu)成，分為4 個分站和2 個主站，2 個主站位于系統(tǒng)的動篩車間和裝車站。動篩車間下存在一條原煤到洗煤的工作線，所有車間在選煤生產(chǎn)線中都存在信息傳輸，具有緊密的聯(lián)系。不同車間在多條生產(chǎn)線中互相配合，提高了選煤生產(chǎn)線的工作效率。裝車站中PLC控制主站的主要作用是將選煤生產(chǎn)線產(chǎn)品倉與裝車站相連接，控制動篩車間輸出的產(chǎn)品直接通過裝車站輸出。通過PLC 技術(shù)設(shè)計的選煤生產(chǎn)線架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 選煤生產(chǎn)線架構(gòu)Fig.1 Coal preparation production line architecture

利用PLC 技術(shù)在選煤生產(chǎn)線中布置控制站點，將主站與生產(chǎn)線中的分站相連接，對生產(chǎn)線下存在的車間展開控制[8-10]。根據(jù)煤生產(chǎn)線的物理特性和信息輸出特性，以原煤合格介質(zhì)桶為例[11]，對介質(zhì)液位和密度的動態(tài)特性展開分析[12-14]，建立選煤控制過程數(shù)學(xué)模型如圖2 所示。

圖2 選煤控制過程數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematical model of coal preparation control process

根據(jù)圖2 可知，利用介質(zhì)泵將密度和流量為ρ1、W1的介質(zhì)輸入三產(chǎn)品旋流器中，采用脫介篩和弧形篩對輸入的介質(zhì)展開脫介處理，通過分流器將脫介處理后的產(chǎn)物輸入原煤合格介質(zhì)桶中，此時介質(zhì)對應(yīng)的密度和流量分別為ρ2、W2；對介質(zhì)的密度展開檢測，如果密度較大，將水填入介質(zhì)中，此時介質(zhì)對應(yīng)的密度和流量變?yōu)棣?、W3；如果密度較小，將濃介質(zhì)填入其中，此時介質(zhì)對應(yīng)的密度和流量變?yōu)棣?、W4。

將介質(zhì)桶的底面積設(shè)置為S，介質(zhì)在桶內(nèi)的密度和高度表示為ρ、h，不考慮選煤控制過程中存在的滯后因素，建立選煤控制模型的輸入輸出方程：式中：參數(shù)V=Sh。

介質(zhì)在原煤合格介質(zhì)桶內(nèi)的質(zhì)量變化率可通過下式計算得到：

結(jié)合上述公式，可得：

結(jié)合式（3）與式（1）建立介質(zhì)的液位數(shù)學(xué)模型和密度數(shù)學(xué)模型：

根據(jù)上述模型可知，選煤控制效果直接受介質(zhì)液位與密度的影響[15]。在之后利用模糊PID 控制技術(shù)進(jìn)行選煤控制過程中，需要考慮該影響，對液位密度實現(xiàn)最優(yōu)控制，以達(dá)到最佳選煤控制效果。

2 基于模糊PID 控制技術(shù)的選煤控制

設(shè)計如圖3 所示的模糊PID 控制器，對介質(zhì)的液位和密度展開控制，以此實現(xiàn)選煤控制。

圖3 模糊PID 控制器Fig.3 Fuzzy PID controller

在模糊PID 控制器中輸入密度與液位的反饋值與對應(yīng)目標(biāo)值的誤差e 和誤差變化率ec，對PID控制器的參數(shù)展開模糊推理，獲得對應(yīng)的KP、KI、KD，將參數(shù)應(yīng)用在實際的PID 選煤控制過程中，實現(xiàn)對密度與液位的最優(yōu)控制。

根據(jù)選煤控制過程中密度與液位的e、ec，通過下述規(guī)則對PID 控制器的參數(shù)KP、KI、KD展開整定：

（1）在選煤控制的初始階段，密度與液位的誤差較大，為了提高選煤控制過程的響應(yīng)速度，需要增大參數(shù)KP，減小參數(shù)KD，將參數(shù)KI設(shè)置為0，避免PID 控制器出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。

（2）在選煤控制中期，為了避免超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生，保障選煤自動控制過程的響應(yīng)速度，參數(shù)KP、KI、KD的取值需適中；

（3）在選煤控制的后期，通過增大參數(shù)KP降低選煤控制過程的靜差，增大參數(shù)KI提高模糊PID 控制器的穩(wěn)定性，為了避免選煤控制過程中出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，需要減小參數(shù)KD。

在模糊集合上將PID 控制器輸入量e、ec 的變化范圍設(shè)置為論域e，ec=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，模糊子集中將PID 控制器的參數(shù)KP、KI、KD設(shè)置為論域KP，KI，KD＝｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，上述論域與模糊子集｛負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S）、零（ZO），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）｝相對應(yīng)，通過三角隸屬函數(shù)描述密度、液位的e、ec 與PID 控制器KP、KI、KD的隸屬函數(shù)，如圖4 所示。

圖4 隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership function

通過質(zhì)心法對模糊PID 控制器的輸入組合展開解模糊化處理，獲得參數(shù)KP、KI、KD在選煤自動控制過程中的控制規(guī)則，通過模糊整定獲得模糊PID控制器的參數(shù)KP=1.834、KI=0.00233、KD=0.095，由式（4）所示的液位數(shù)學(xué)模型和密度數(shù)學(xué)模型可知，密度和液位變化在選煤控制過程中的滯后性相對較小，因此可忽略參數(shù)KI、KD，將KP=1.834 代入模糊PID 控制器中，完成液位與密度的控制，進(jìn)而實現(xiàn)選煤自動控制。

3 實驗與分析

為了驗證基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術(shù)的整體有效性，需要對其展開測試。本次測試的實驗環(huán)境如圖5 所示。

圖5 實驗環(huán)境Fig.5 Experimental environment

在選煤控制過程中，為了確保選煤的質(zhì)量，需要將液位控制在合理高度，如圖6 所示。

圖6 液位標(biāo)準(zhǔn)高度Fig.6 Liquid level standard height

在上述實驗環(huán)境下，設(shè)置選煤介質(zhì)桶設(shè)備工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 選煤介質(zhì)桶設(shè)備工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of coal preparation medium barrel equipment

在上述實驗環(huán)境及實驗參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，采用基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術(shù)（所提方法）、基于遺傳算法及SVM 決策模型的選煤監(jiān)控方法（文獻(xiàn)[3]方法）和基于選煤信息模型的智能化選煤廠三維可視化系統(tǒng)（文獻(xiàn)[4]方法）對液位展開控制，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 液位控制結(jié)果Fig.7 Liquid level control results

根據(jù)圖7 可知，采用所提方法展開液位控制時，獲得的液位變化曲線均控制在標(biāo)準(zhǔn)液位下方10 cm范圍內(nèi)，而文獻(xiàn)[3]方法獲得液位過低，文獻(xiàn)[4]方法獲得的液位過高，由此可知，所提方法可合理地控制液位，因為所提方法建立了液位數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上展開控制，可提高液位的控制精度。

介質(zhì)密度的控制精度直接影響著選煤質(zhì)量，將介質(zhì)密度值設(shè)置為1.40 g·cm-3，采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法展開密度控制，為了確保測試結(jié)果的公平性，采用每種方法展開3 組測試，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同方法的密度控制結(jié)果Fig.8 Density control results of different methods

對圖8 中的數(shù)據(jù)展開分析，采用文獻(xiàn)[3]方法展開密度控制測試時，該方法在3 組測試過程中均出現(xiàn)了超調(diào)量，且密度控制結(jié)果的波動大，達(dá)到設(shè)定值所需的時間長，表明該方法存在密度控制精度低和穩(wěn)定性差的問題。采用文獻(xiàn)[4]方法展開密度控制測試時，在控制前期該方法產(chǎn)生了較大的超調(diào)量，表明方法的密度控制精度低，但達(dá)到設(shè)定值后，該方法的密度控制結(jié)果保持穩(wěn)定，表明控制穩(wěn)定性良好。而采用所提方法展開密度控制測試時，在3 組測試中所提方法均可在50 s 內(nèi)控制密度達(dá)到設(shè)定值，表明所提方法具有較高的控制效率，同時在控制過程中只有在第三組測試時所提方法產(chǎn)生了較小的超調(diào)量，其他2 組測試不存在超調(diào)量，表明所提方法具有較高的密度控制精度。

當(dāng)精煤灰分含量為10%時表明選取的煤炭質(zhì)量高，采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法展開選煤控制后，精煤的灰分含量如圖9 所示。

圖9 不同方法的精煤灰分含量控制結(jié)果Fig.9 Control results of clean coal ash content by different methods

分析圖9 可知，采用所提方法控制后，在50 s時精煤灰分含量達(dá)到要求，而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的控制耗時較長，且精煤灰分含量分別過低和過高，沒有達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)，表明以上兩種方法的選煤質(zhì)量低，控制效果差。

4 結(jié)語

針對目前選煤控制方法存在的油位、密度和灰分含量控制效果差的問題，提出基于模糊PID 控制的選煤自動控制技術(shù)，該方法結(jié)合模糊PID 控制器實現(xiàn)選煤控制，經(jīng)驗證，所提方法在選煤控制過程中可有效地控制密度和液位，選取的煤炭灰分含量高，表明所提方法具有較高的控制效果。