模糊控制技术在矿山企业自动控制系统中的应用

2014-03-10张敏

中国钼业 2014年5期

张敏

(金堆城钼业集团有限公司，陕西华县 714102)

0 前言

模糊控制实质上是一种非线性控制，属于智能控制的范畴，其核心是利用模糊集合理论，将人的控制策略转化为计算机语言所描述的控制算法，模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效控制，从而解决传统控制方法无法或难以解决的问题，发展至今，模糊控制技术已经在工业控制领域、家用电器自动化领域和其他行业得到了广泛的应用。国内矿山企业最近几年自动化水平发展较快，但由于其生产性质及现场条件等原因，信息不确定性普遍存在，模糊控制技术因其特点很好地解决了这些问题，因而在矿山企业工业生产流程自动控制系统中得到了广泛的应用，为提高生产回收率，节约生产成本起到了十分显著的作用。

1 模糊控制系统原理

经典控制和现代控制统称为传统控制，其主要特征是建立在被控对象的数学模型基础上，基于精确模型对系统进行定量分析和处理，从而完成控制策略的设计。但对一些现实生产中，无法建立被控对象精确数学模型的系统来说，传统控制理论和方法越来越显示其局限性。在这种情况下，出现了模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，这种控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制系统与传统控制系统的基本思想是一致的，它是传统控制系统的延伸和补充。

1.1 传统控制系统原理

传统控制系统的3 个核心组成部分是控制器K、受控对象G 和反馈函数H，其原理图如图1 所示。

图r 为参考信号，;v 为反馈输出信号;u 为控制信号;y 为输出信号;d 为干扰信号;n 为噪声信号。

图1 传统控制系统原理框图

1.2 模糊控制系统原理

模糊控制系统的原理框图如图2 所示，与图1比较可以看出，它与传统控制系统的主要差异是用模糊控制器FC 代替了传统控制器K。

图2 模糊控制系统原理框图

图2 中的FC 是模糊控制(Fuzzy Control)，也称为模糊逻辑控制器，FC 的输入为参考信号r 与反馈信号v 之差，即x1=r-v，它的输出是控制信号u，这些都是清晰值。

1.3 模糊控制器工作原理

模糊控制器的工作基本原理是，将输入的数字信号X1经过模糊化(D/F)变成模糊量。输入含有模糊规则的模糊推理机，经过处理得出结论——模糊集合，然后由解模糊化模块(F/D)变成清晰量u，再输出到下一级去控制受控对象，实现控制目标。模糊控制器的原理框图如图3 所示，由4 个模块组成。

图3 模糊控制器原理框图

2 模糊控制技术在磨矿自动控制系统中的应用

2.1 磨矿分级自动控制原理

磨矿是矿山企业的一个非常重要生产过程，其在很大程度上影响着选矿的最终效果。怎样才能使球磨机在安全高效的运行条件下、排出的矿石粒度最好成为了这段工序的技术关键。为使球磨机工作在最佳状态，提高球磨机台时效率，稳定磨矿工艺参数，达到在稳定提高球磨机效率的前提下，满足选矿工艺要求，提高金属回收率的目的。

磨矿自动控制系统主要选取球磨机音量、球磨机功率、分级机电量、给矿量、返砂水量、排矿水量作为控制变量。以控制设备和检测仪表对系统球磨机的运行状况进行实时检测，合理调节给矿量、水量等，使溢流浓度保持在合适范围，从而间接地控制溢流细度，获得更好的排矿粒度组成，为后续浮选工艺创造条件。

2.2 模糊控制技术在磨矿自动控制系统中的应用

2.2.1 磨矿过程中应给矿量的判断

磨矿过程中的给矿性质直接影响着应给矿量，人工操作的磨矿系统中，给矿性质主要靠熟练工人的工作经验进行判断，主要依据球磨机工作时功率和球磨机音量大小进行判断。充填率低时，球磨机音量高，功率小;随着充填率增高，球磨机音量降低同时功率增高;达到一定充填率时，音量继续降低，但功率开始下降。在功率最高时磨矿效率最佳，所以要控制球磨机工作在功率信号接近最高值的范围内。

图4 磨矿分级作业形象图

图4 是金堆城钼业集团有限公司百花岭选矿厂的一个磨矿作业形象图。其中矿石经过破碎后进入圆盘给料仓，通过圆盘电机转动圆盘给料到给矿皮带，由给矿皮带输送到球磨机(给矿量大小由核子秤测量)，经过磨矿，矿浆经过分级溢流后，粒度合适的矿浆进入后续浮选工艺，粒度较大的经分级机返回球磨机进行再次磨矿。磨矿过程中，由于分级机返回球磨机的矿量(俗称返砂量)的干扰，所以应给给矿量的判断成为难题，给矿量过大，磨机“涨肚”，磨矿效率减小;给矿量过小，出现“空砸”现象，容易损坏球磨机衬板，磨矿效率也相对减小。现以在磨矿过程中，如何判断球磨机应给矿量为例，说明模糊控制技术在磨矿自动控制过程中的应用。

在实际生产中，球磨机“涨肚”趋势点的音量信号作为“涨肚”信号比较值，即临界点，当音量信号高于临界点时，球磨机工作正常，按原定工作程序工作;当音量信号接近临界点时，说明磨机具有“涨肚”趋势，控制过程预先处理避免发生“涨肚”。音量信号接近临界点，说明球磨机内存矿向过多或给矿粒度变粗或矿石硬度升高的趋势发展，可控制输出给矿信号减小或控制给矿停止一段时间，直到音量信号升高，接近某个设定值后再恢复给矿量，但如何减少，每次减多少，没有明确的边界标准，所以在磨矿分级自动控制系统中应给矿量的判断主要采用模糊控制技术。

2.2.2 模糊控制器的设计

自动控制系统应给矿量的判断主要通过电耳—一种声电转换装置，把所检测的球磨机音量转换为电流，这样可根据输出电流的大小即球磨机音量大小和球磨机的功率大小进行模糊分析计算，对系统的球荷比进行分析，并根据分析结果，确定当前给矿量的设定值，通过调节圆盘电机的转速，使给矿量始终处于最佳状态，提高球磨机的台时处理量以及粒度合格率。

仅讨论以矿石性质作为控制目标的情况，如图5 所示，球磨机功率P 指实际测得的球磨机运转功率，球磨机音强i 指电耳的输出电流，令矿石性质为v，为模糊控制器的输出量，这就形成了模糊控制器的基本机构。模糊控制器经过对球磨机的功率p 和球磨机音强i 的模糊分析计算，确定系统当前的运转情况，同时根据信号的历史记录以及趋势分析来确定系统的矿石性质，主要是矿石易磨程度的变化情况。

根据操作工人的经验和磨矿原理，进行模糊判断计算，得出总控制表，存入计算机，便可用查表法进行控制。计算方法采用最大隶属度法，因篇幅有限，这里不再赘述。

图5 以矿石性质为输出控制量的模糊控制器

同理，当系统矿石性质确定以后，就可以通过矿石性质和当前给矿量数值，设计出以应给矿量作为控制目标的模糊控制器，如图6 所示。

图6 以应给矿量为输出控制量的模糊控制器

2.3 控制效果

从图7 可以看出，自动控制系统磨矿效率在磨矿处理量基本相同的条件下明显优于人工操作，分析原因，主要是自控系统可实时监控，及时处理了球磨机“断矿”、“空砸”和“涨肚”现象，减少设备事故，保证了生产工艺的正常稳定，对降低球耗、电耗和衬板消耗有明显效果。随着时间的推移，其带来的经济效益十分显著。

图7 不同时间段人工系统与自控系统磨矿效率对比图

3 模糊控制技术在选矿自动控制系统中的应用

3.1 选矿工艺过程

选矿中最常用的方法是浮选，浮选是从金属矿物中选取精矿的方法。矿物经过粉碎加工成矿浆后，进入浮选工序。首先在矿浆中加入作为捕收剂的药剂，再加石灰，经过搅拌充气，形成包含精矿的气泡，浮悬在矿浆表面上。于是从矿浆上层得到精矿，余下的为尾矿。回收率和品位是衡量浮选结果的指标。

图8 浮选流程图

为了得到高回收率和高品位的成品精矿，一个浮选过程往往采用多道选取过程，图7 是一个铜矿浮选流程图，其中N1～N5 是浮选挡，矿浆从1 号料流给矿，经过第一个节点，与14 号料流合并，生成2号料流进入浮选槽，继续浮选，而N1 槽余下的尾矿，从4 号料流，流入N3 号槽继续浮选，依次类推。按此流程图，从18 号料流，得到成品铜精矿，而从7号料流，流出尾矿T。

3.2 模糊控制技术在选矿自动控制系统中的应用

由以上浮选工艺过程可见，金属矿的浮选过程是一个大滞后的十分复杂的生成过程。影响浮选过程的因素很多，捕收剂增加量、充气量、石灰用量等，均对精矿的品位和回收率有影响。从矿浆给矿到得到成品精矿，这样一个过程用常规的PID 调节，或用现代控制理论的方法，均很难找到满意的控制方法。而现场的操作工人，根据观察到的矿浆的颜色、泡沫等进行控制，可以达到较好的效果。但是由于人的经验不同，以及多种干扰，质量不可能稳定。因此，将熟练的操作工人的经验和浮选原理结合起来，用模糊方法来控制浮选过程是十分有意义的。

铜精矿的回收率和品位分别反映了成品精矿的产量和质量，因此，分别以这两个量作为浮选控制系统的输出。系统中同样分别以回收率和品位的偏差和偏差变化率为输入，形成两个模糊控制器。在浮选过程中，捕收剂用量对浮选过程的影响较大，充气量和石灰添加量对浮选过程也有影响。我们首先选用捕收剂用量的增量作为模糊控制器的输出量。

仅讨论以回收率作为控制目标的情况，如图9所示，偏差e 值实际测得的精矿回收率与回收率设定值之差;偏差变化率ec 反映了实测回收率的变化速度和变化方向。令控制量捕收剂用量的增量为u，为模糊控制器的输出量，这就形成了模糊控制器的基本结构。