基于模糊PID控制的磨礦控制系統(tǒng)

張健明

(江西銅業(yè)集團(tuán) 銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興 334201)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，針對選礦自動(dòng)化的應(yīng)用和選礦自動(dòng)控制系統(tǒng)也在不斷發(fā)展[1]。選礦自動(dòng)化即在選礦過程中使用自動(dòng)化儀表、裝置和計(jì)算機(jī)對選礦過程中的物料量、粒度、濃度、流量、料位及pH值等參數(shù)進(jìn)行控制[2-4]。

磨礦作業(yè)作為選礦生成過程的重要環(huán)節(jié)，其將礦石處理為細(xì)粒度級(jí)的顆粒提供給選別作業(yè)，直接制約著選礦回收率和最終產(chǎn)品質(zhì)量[5]。研究表明，使用自動(dòng)控制方法能提升5%～20%的磨礦效率[6]。因此，為了提高選礦的經(jīng)濟(jì)效益、磨礦效率和節(jié)能降耗，有必要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化磨礦[7-8]。

自動(dòng)控制理論主要分為傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略和智能控制策略3種[9-11]。傳統(tǒng)控制策略包括PID控制、Smith預(yù)估控制、解耦控制[12]；現(xiàn)代控制策略包括自適應(yīng)控制和預(yù)測控制[13]；智能控制策略包括模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[14]。目前，磨礦系統(tǒng)控制已從傳統(tǒng)的單回路控制向全系統(tǒng)控制過渡，磨礦系統(tǒng)已逐步實(shí)現(xiàn)了系列化和智能化。如烏努格吐山銅鉬礦磨礦控制系統(tǒng)通過引入控制模型，綜合分析原礦性質(zhì)、旋轉(zhuǎn)器沉砂和電機(jī)功率等參數(shù)初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制磨礦分級(jí)作業(yè)。

PID控制器具有原理簡單和穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中[15]。但礦石硬度、礦石粒度、溫度、電網(wǎng)電壓和給礦量等均影響磨礦分級(jí)作業(yè)，且傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)具有時(shí)變性和非線性的特點(diǎn)，難以準(zhǔn)確地描述磨礦系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因此，本文在磨礦控制系統(tǒng)中結(jié)合模糊控制[16-17]和PID控制，構(gòu)成模糊PID控制器監(jiān)控系統(tǒng)控制參數(shù)。將每次研磨所需礦石原料的量經(jīng)模糊處理后，能在存在干擾的環(huán)境中得到較精確的實(shí)際需求量。

1 磨礦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 磨礦仿真模型

磨礦機(jī)的裝載量和處理量存在如圖1所示的對應(yīng)關(guān)系，初始條件下處理量隨著裝載量增加而增加，但到一定程度后裝載量繼續(xù)增加而處理量在減小。因此，可以通過控制磨機(jī)的給礦量來實(shí)現(xiàn)處理量最大。

圖1 磨機(jī)處理量與給礦量的對應(yīng)關(guān)系

基于上述分析，本文建立了如圖2所示的磨礦過程控制模型，其輸入為小時(shí)給礦量，輸出為磨礦機(jī)的有功功率。

圖2 磨礦系統(tǒng)控制模型

1.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

在磨礦過程中，磨礦濃度的變化導(dǎo)致磨礦過程易受外部干擾信號(hào)變化的影響，需要控制系統(tǒng)及時(shí)抑制干擾產(chǎn)生的影響；同時(shí)磨礦機(jī)內(nèi)部襯板和鋼球等的磨損導(dǎo)致磨機(jī)有功功率發(fā)生變化，需要控制系統(tǒng)及時(shí)跟蹤預(yù)設(shè)值的變化。整個(gè)磨礦過程受非線性和時(shí)變性因素的影響，使得磨礦機(jī)需要及時(shí)改變控制策略和控制規(guī)則以實(shí)現(xiàn)最佳的磨礦效果。

綜上分析，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該控制系統(tǒng)以目標(biāo)量的偏差e和偏差變化率ec作為輸入，使用模糊控制規(guī)則調(diào)整PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過e和ec自動(dòng)校正PID參數(shù)并達(dá)到控制磨機(jī)有功功率H的目標(biāo)。其中，PID控制方程為

ΔH(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki·e

圖3 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)

根據(jù)輸入e和ec的特征信息可由模糊推理得到一個(gè)響應(yīng)的可調(diào)因子ρ(t)的變化函數(shù)，將ρ(t)作用于Kp、Ki和Kd有

表1 模糊控制規(guī)則

2 仿真與測試

本文使用MATLAB平臺(tái)的Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，建立符合要求的PID控制器和模糊控制器，得到如圖4所示的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)。

圖4 模糊控制系統(tǒng)

如圖5和圖6所示，分別為本文磨礦系統(tǒng)運(yùn)行在不同狀態(tài)時(shí)的仿真測試結(jié)果。從圖中可以看出，磨機(jī)在兩種運(yùn)行狀態(tài)下給礦量能迅速接近預(yù)設(shè)值，且具有較快的收斂速度、較小的誤差、較短的過渡時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)干擾時(shí)，該控制系統(tǒng)能快速地抑制干擾的影響并使磨機(jī)的有功功率穩(wěn)定在60%附近，保證磨礦系統(tǒng)運(yùn)行在最佳的工作狀態(tài)。

圖5 狀態(tài)1下的磨礦過程仿真測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于模糊PID控制的磨礦控制系統(tǒng)，以有效解決傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)難以準(zhǔn)確描述磨礦系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的問題。所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)通過將目標(biāo)量的偏差e和偏差變化率ec作為輸入自動(dòng)校正PID參數(shù)，并達(dá)到控制磨機(jī)有功功率H的目標(biāo)。仿真測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在磨礦機(jī)運(yùn)行在不同工作狀態(tài)下時(shí)，仍能迅速接近預(yù)設(shè)值，且具有較快的收斂速度、較小的誤差和較短的過渡時(shí)間。