（机械电子工程专业论文）基于s7200plc的跳汰机智能控制系统研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 基于s 7 2 0 0p l c 的跳汰机智能控制系统研究 摘要 跳汰选煤是目前应用广泛的一种选煤方法。我国目前 入洗原煤中6 0 左右是跳汰洗选。在跳汰选煤过程中，影 响跳汰分选效果的因素有多种，如：入料原煤特性、跳汰 机风阀周期特性( 跳汰频率及进、排气时间) 、矸石段、 中煤段排料情况、各室项水情况、风压、水压等，并且诸 因素之间相互制约。再加上跳汰司机的人为因素，使得想 要达到既兼顾精煤质量又提高分选效率非常困难，实际中 往往是：以牺牲精煤回收率为代价来换取精煤的质量。 目前，跳汰机的自动控制基本停留在逻辑控制或常规 p i d 控制上，甚至有些机型还保持很原始的手工操作方 式。鉴于跳汰过程的复杂性，跳汰机的自动控制面临着巨 大挑战。本文以邢台东庞煤矿洗煤厂3 0 7 # 跳汰机为研究 对象，研究了排料系统控制的模糊控制的特点及方法，对 原先的逻辑控制系统进行了改造，实现了基于s 7 2 0 0p l c 的跳汰机模糊排料控制系统；研究了改善风阀控制精度的 方法，优化了风阀控制算法，并在现场中得以实现与应用。 现场使用证明，改进的风阀控制系统，工作可靠，床 层分层效果明显，采用的模糊排料控制方法非常成功，在 稳定床层的同时，保证了精煤灰分这一生产指标，给洗煤 厂带来明显的经济效益。 关键词：跳汰机，自动排料系统，模糊控制， 智能控制系统 查垦里三查堂堡主兰竺笙奎一 r e s e a r c h a n ds t u d yb a s e do n $ 7 - 2 0 0 p l c o nj i g g e ri n t e l l e g e n t c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t j i g g i n g c o a lr u n n i n gi saw i d e l yu s e dw a yi nc o a l r u n n i n g a r e a sa t p r e s e n t a l m o s t 6 0 o fo r i g i n a lc o a l r u n n i n gp r o c e s sa d o p t s t h i sm e t h o di no u r c o u n t r y t h e r ea r e m a n yf a c t o r s ，w h i c h a f f e c tt h ee f f e c to fc o a l r u n n i n g ，s u c h a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r i g i n a lc o a l ，c o n t r o l so fa i rv a l v e s ， b e h a v i n go fd i s c h a r g i n gs y s t e m s ，w i n dp r e s s u r ea n dw a t e r p r e s s u r e ，a n d a l lt h e s ef a c t o r si n t e r a c te a c ho t h e r i na d d i t i o n ， t h ed r i v e r s a r t i f i c i a lf a c t o r sm a k ei tm o r ed i 伍c u l tt om e e t t h ed e m a n d so ft h e q u a l i t i e s o fr e f i n e dc o a la sw e l la s i m p r o v i n gt h ew o r k i n ge f f i c i e n c y n ea c t u a lw a y t oe n s u r e t h eq u a l i t yo fr e f i n e dc o a li sb a s e d0 ni t sl o wr e c l a i m i n g r a t e a t p r e s e n t 1 0 9 i c a lc o n t r o la n d c o n v e n t i o n a lp i da r et h e m o s tc o m m o nm e t h o d st oc o n t r o lj i g g e r si ni n n e rl a n d a n d e v e no r i g i n a lw a yo fm a n u a lc o n t r o li su s e di ns o m eo l d j i g g e r s i ti sc o n f r o n t e d w i t h g r e a tc h a l l e n g e s t or e a l i z e j i g g e r a u t o m a t i cc o n t r o ld u et oi t sc o m p l e xa n di n t e r w o v e n p r o c e s s t a k i n g3 0 7 # j i g g e ro f c o a lw a s h e r yi nd o n g p a n g c o l l i e r y , x i n g t a ic i t ya ss t u d y i n go b j e c ta n d b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ed i s c h a r g i n gs y s t e m ，t h em e t h o do f f u z z yl o g i cc o n t r o li s p r o v i d e d a n di tr e p l a c e so r i g i n a lp u r el o g i cc o n t r o ls y s t e mi n t h i s p a p e r b a s e do na n a l y z i n gt h ew a yo fi m p r o v i n gt h e 1 1 太原理工大学硕士学位论文 a i r - v a l v e s c o n t r o lp r e c i s i o n ，a no p t i m i z i n gc o n t r o la l g o r i t h i sa d o p t e di nt h el o c a l e t h el o c a l ea p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h ei m p r o v e dc o n t r m e t h o do fa i rv a l v e sw o r k sr e l i a b l y , a n dt h ef u z z y1 0 8 c o n t r o l l e ro f d i s c h a r g i n gs y s t e mb e h a v e sb e t t e rt h a nb e f o l t h e j i g g e rs t r a t i f i c a t i o n s t a t ei sm o r es t a b l ea n dt h eq u a l i a n dq u a n t i t yo ft h er e f i n e dc o a la r ee n s u r e d ，w h i c hb r i n c o n s j d e r a b l eb e n e f i tt ot h ec o a lm i n e k e y w o r d s ：j i g g e r ，a u t o m a t i cd i s c h a r g i n gs y s t e m ，如z ； l o g i cc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 1 1 1 太原理工大学硕士学位论文 第一章跳汰选矿介绍及课题的提出 1 1 选矿与跳汰选矿发展简介 选矿是从原矿中把有用矿物( 或有用成分) 分离出来加以富 集，构成组分单一的人造富矿( 或化合物) 。这项工作要靠矿物 本身的某方面性质来完成。如根据矿物的密度不同而进行分离的 方法叫做重力选矿。煤炭中可燃物质的密度低于煤炭中矿物质的 密度，所以煤的密度愈小，灰分愈低。选煤是把有用矿物富集到 轻产物中，作为精煤，而矸石等矿物进入到重产物中，成为尾煤。 跳汰选矿，是指物料主要在垂直升降的变速水流中，按密度 进行分选的过程。跳汰时所使用的分选介质是水或空气，在个别 情况下也可能是重悬浮液。以水作分选介质的跳汰过程称为水力 跳汰；以空气作分选介质的称为风力跳汰；以重悬浮液作为分选 介质的称为重介跳汰。重介选矿的缺点是，生产工艺中增加了重 质的回收再生系统：设备磨损比较严重，虽然已研制出不少耐磨 材料和设备，提高了使用寿命，但与其他选矿方法比较，仍是它 的主要缺点。目前，在生产中以风力跳汰应用最多。 跳汰选矿已有4 0 0 多年的历史，最初用于选煤的跳汰机，是 一种手动的动筛式跳汰机。到1 9 世纪中叶以后，由于冶金、机 械工业的兴起，跳汰选煤才有了迅速的发展。从1 8 4 0 年开始， 在煤矿中应用了偏心传动的具有固定筛板的活塞式跳汰机。18 9 2 年德国工程师f r i t z b a u m 发明的b a u m 跳汰机标志着能连续生产 并能控制排料的现代跳汰机时代的开始。其后随着选煤技术的发 展，跳汰机的结构和性能逐渐得到改进和完善，出现了具有各种 结构的选煤用跳汰机。目前，按其用途、传动装置及排料机构的 工作原理、产品数目等主要特征来区分，有9 0 余种不同结构的 太原理工大学硕士学位论文 跳汰机。 跳汰机应用非常广泛。国外用跳汰选矿法处理的原煤占全部 入洗原煤量的2 0 一7 0 。如我国跳汰选煤的比例在6 0 以上， 美国在5 0 p a 上，前苏联在6 0 以上。 1 2 课题的提出 1 2 1 跳汰机控制系统的研究现状 跳汰选矿具有工艺系统简单、操作维修方便、处理量大、投 资少等优点。在选煤方法上，当煤的可选性适宜时，则优先被采 用。而且，跳汰选矿在其他条件( 分级、分选密度和单位生产 率) 相同时，入选物料的粒度越大，各成分之间的密度差别越大， 分选效率越高。所以无论是从入洗物料性质上看，还是从加工数 量上看，跳汰选矿在有用矿物精选中采用都很广泛。 跳汰的使用范围包括，有用成分的密度从1 2 0 0 至 1 5 6 0 0 k g m 3 ，有用成分和矸石间密度差从3 0 0 至1 3 0 0 0k g m 3 以 及入料粒度从0 0 5 至2 5 0 m m 的各种矿物原料。 跳汰机作为我国选煤厂的主选设备，它的生产效益指标对选 煤生产关系重大。跳汰机作业受入料、风水、排料、床层松散情 况等诸多因素共同作用，因而单靠人工操作，不但劳动强度大， 而且很难保证在线产品质量。 其解决的根本途径在于实现跳汰机单机生产过程自动化。跳 汰机的自动控制技术的研究归结为：排料自动化、给煤自动化、 风水控制自动化、产品质量在线控制自动化等内容。跳汰机过程 控制调节是实现跳汰机单机自动化的前提。对跳汰机而言，实现 跳汰机单机自动化，能使跳汰机配合给煤特性，控制分选精度及 处理量保持在优化水平。而对于今后选煤厂全厂自动化而言，实 现跳汰机单机自动化更是势在必行。 2 太原理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内外发展动态 近年来，国内外在有关跳汰机单机自动化方面做了许多工 作。波兰的科研院校、设计部门着眼于跳汰选的微机电子监控系 统的研究工作，逐步实现了工艺流程和工艺环节标准化和定型 化，并已开展跳汰机参数优化配合的数学模型( 软件) 的研究工 作。国内，如开滦范各庄矿选煤厂引进的巴达克跳汰机自动化程 度较高，该机采用了电控气动风阀，浮标一闸板液压排料机构和 工作风调节装置，对改善跳汰机的分选效果起到了重要作用。唐 山天和科技的跳汰机智能检测控制装置用p l c 或智能调节器做 调控主机，采用前馈或自适应进行控制，对于控制精度有一定的 提高。中国矿业大学的李明、雷汝海等在基于单片机的模糊排料 控制系统方面有一定进展。太原理工大学机电所熊诗波教授等在 跳汰机自动排料系统模糊控制方面作了研究，并在现场得以应 用，取得了很好的控制效果。另外，在自动给煤、自动排料等方 面也取得了重大成就。但是，在跳汰机的风阀控制装置中，目前 大多仍采用手动调节的开环控制方式。风阀控制的自动化问题长 期以来未能解决，严重阻碍了跳汰机单机自动化的实现。 河北邢台东庞矿的洗煤设备的控制，也存在着类似的问题： 风阀控制效果不明显，导致床层分层效果差，继而影响排料控制， 最终使得分选效果不很好，三产品质量不稳定。 分析其原因，大致有以下几方面： a ) 影响因素多。压缩空气是空气室跳汰机的工作动力源， 跳汰机用风量的大小受原煤特性、给料速度、水压、水 量( 顶水和冲水量) 、风压、排料、产品质量要求等因素 影响。这些因素之间又相互制约，而且其中的一些参数 难于实时测量和控制。再加上跳汰司机的人为因素，要 想兼顾精煤质量和分选效果是非常困难的。 b ) 床层的分层状态及松散度的好坏难以测量。长期以来， 太原理工大学硕士学位论文 对于跳汰分层的状态和松散度没有理想的测量手段，其 原因是床层松散现象的实质比较复杂以及传感器检测信 号的采集与分离困难。因此，风阀控制只能采用开环控 制系统。现场工人只能通过探杆人为感知床层分层状况， 手动调节给风量的大小。这种操作缺乏严密的科学性， 即使是有经验的司机取得一定经验，也不便于总结和传 授，更不能作为自动控制的依据。 1 2 3 研究目标和研究内容 i 研究目标 基于对东庞矿现场实际运行状况的分析与国内外研究的状 况的了解，我们确定了本课题主要研究目标与内容：跳汰机风阀 的控制的优化与模糊排料控制系统的工业实现。应用这种方法， 通过实验室实验和工业现场调试，达到对跳汰机排料系统的自动 控制，从而为实现跳汰机单机自动化奠定基础。 i i 研究内容 a ) 跳汰机实际床层分层状况的采样及数据分析、处理； b 1 风阀自动控制系统硬件、软件的开发、研究与实验； c ) 跳汰机模糊排料控制系统的研究： d ) 跳汰机模糊排料控制系统软、硬件的实现； 查璺里三查堂堡主堂垡笙苎一一 第二章跳汰选煤机理 2 1 跳汰机的分类及结构 随着选矿技术的发展，跳汰选矿机械逐渐得到改进和完善， 并日趋大型化。跳汰机型号繁多，从床层脉动方法来区分，有机 “械脉动和空气脉动两种。在选煤厂中机械脉动跳汰机用得很少， 广泛使用的是空气脉动跳汰机。空气脉动跳汰机按其空气室位置 不同，又可分为筛侧、筛下空气室跳汰机两种。 一、筛下空气室跳汰机 筛下空气室跳汰机的空气室安设在跳汰机体内的下方。筛下 空气室跳汰机的工作过程是将压缩空气经风阀控制，交替地压入 和排出空气室，从而使跳汰机中的水位上升和下降，形成脉动水 流。筛下空气室跳汰机由矸石段与中煤段组成，在矸石段有两个 跳态室，中煤段有三个跳汰室。每个跳汰室有三个空气室，每段 空气室间距相等。在每个跳汰室装设两个电磁风阀，一个风阀为 进气阀，另一个为排气阀。压缩空气由空气室的一端给入，在跳 汰室顶部有上下两个孔，上面的孔与风阀的进气口相连，压入压 缩空气，下面设有五个风水管，分别与空气室的进水孔相通。在 每个风水管上装有风阀，用来调节各室的补充水量。 我们进行改造的就是这种筛下空气室跳汰机。 筛下空气室跳汰机基本结构见图2 一l 空气室是密闭的，上部设有一个特制的风阀，它可交替地把 压缩空气给入空气室，同时把室内的压缩空气排出。给入压缩空 气时，跳汰机中的水位被强制上升；当室内的压缩空气排出时， 水则自动地下降，所以推动水面上下运动形成脉动水流。改变给 入的压缩空气量可以调整跳汰机中水流的冲程：改变风阀的运动 太原理工大学硕士学位论文 速度可以调整水流脉动的频率。顶水从空气室下部的筛下补充水 管进入，补充水量可以调节，补充水可改变跳汰机水流运动特性， 使物料在跳汰室中进行松散、分层。跳汰机另一部分用水从机头 与物料一起加入。经过分层以后，第一段和第二段的重产物分别 经过各段末端的排料闸门排到机体下部并与透过筛面的小颗粒 重产物相会合，一并用斗式提升机排出，轻产物自溢流口排至机 外。 誊_ 1 4 图2 - 1筛下空气室跳汰机基本结构 1 一下机体；2 一上机体；3 一风水包；4 一风阀；5 一风j j 司传动装置； 6 一筛板；7 一水位灯光指示器：8 一空气室；9 一排料装置；10 一中 煤段护板；1 1 溢流堰盖板；12 一水管；13 一水位接点；1 4 一排料装 置电动机：15 一检查孔 二、筛侧空气室跳汰机 筛侧空气室跳汰机的空气室位于跳汰机筛板侧面，工作原理 大致相同，这里就不加赘述了。 2 2 跳汰机的工作过程 跳汰机在工作过程中，被选物料原煤在给入跳汰机后落到筛 6 太原理工大学硕士学位论文 板上，形成一个密集的物料层，这个物料层，称为床层。在给料 的同时，风阀周期地开启和关闭。当进气风阀开启时，压力风经 入风口进入跳汰室，使水具有一定的压力，压迫水流上升，床层 被冲起，呈现松散及悬浮状态。此时，床层中的矿粒，按其自身 的特性( 密度、粒度和形状) ，彼此作相对运动，开始进行分层。 当进气风阀关闭时，水流已停止上升，但还没有转为下降水流， 此时，由于惯性的作用，矿粒仍在运动，床层继续松散、分层。 当排气风阀打开时，水流转为下降，床层逐渐紧密，但分层仍在 继续。当全部矿粒落回筛面，它们彼此之间已经丧失相对运动的 可能，则分层作用基本停止。此时，只有那些密度较高、粒度较 细的矿粒，穿过床层中大块物料的间隙，仍在向下运动，这种行 为被看成是分层现象的继续。下降水流结束，床层完全紧密，分 层便暂告结束。水流完成次周期性变化所用的时间称为跳汰周 期。在一个周期内，床层经历了从紧密到松散分层再到紧密的过 程，颗粒受到了分选作用。只有经历多个跳汰周期之后，分层才 逐渐完善，最后，高密度矿粒集中在床层下部，低密度矿粒则集 中在床层上层。高密度的矸石从矸石排出道排出，中煤从中煤排 出道排出，低密度的精煤则从上端的精煤溢流口排出，从而得到 跳汰洗选的三种产物。 图2 - 2 是跳汰机分层示意图，虚线分割部分表示跳汰机内不 同密度物料层的扇形分布。 物料在跳汰过程中之所以能分层，起主要作用的内因是矿粒 自身的性质，但能让分层得以实现的客观条件，则是垂直升降的 交变水流。由于它的存在，原本密集的床层获得松散，同时在已 获得松散的床层中，密度、粒度、形状各不相同的颗粒，表现出 不同的运动状态，最终得到矸石、中煤和精煤三种产物。 太原理工大学硕士学位论文 图2 - 2 跳汰机的分层示意简图 i 一原煤；i i 一精煤；i i l 一精燥和申煤的混合物；l v 一申煤 v - - 中煤和矸石的混合物；v i 一矸石 2 3 电磁风阀 跳汰机的主要部件包括：机体、筛板、风阀、溢流堰、排料 装置、检测控制装置等，其中，风阀是重要的可控、常用的操作 对象，是跳汰周期的产生源。风阀周期性地使空气室与风包或与 大气相连或隔绝，从而在跳汰室形成脉动水流。风阀结构及其工 作制度，在很大程度上影响着水流在跳汰机中的脉动特性，因此， 风阀是跳汰机最关键的部件。风阀结构的不同，将带来不同的工作 方式、工作特性，随之也带来糟煤回收率和经济效益巨大差别。在国 内外，为了自动控制跳汰周期，出现了广泛采用电磁风阀的趋势。 电磁风阀是七十年代设计的一种新型风阀结构。这种风阀调 整灵活，可以任意调整跳汰周期，进气、排气的变换速度极快。 因此，可以精确地控制脉动周期和吸啜过程时间，获得良好的床 层松散度和精度较高的分选效果，为跳汰机大型化和跳汰制度自 动化创造了方便的条件。 8 图2 3 电磁风阀工作系统示意图 1 一油雾器2 一调压阀3 一滤气器 整个电磁风阀的工作系统由三部分组成： 1 、气路系统。包括高压风管至气缸的气动管路； 2 、数控装置。通过控制电磁风阀的通、断电时间，实现大 范围内无级调节频率和跳汰周期特性； 3 、进、排气阀由气缸和阀盖组成。 图2 3 为电磁风阀进气时的情况，即进气阀打开，排气阀关 闭。这时，两个电磁风阀的动作过程是：进气电磁风阀的电磁线 圈断电，铁芯被弹簧推下，关闭上部进气道，同时打开上部的排 气道，放出阀体上部的气体，而下部则给入高压空气于进气阀( 如 图中箭头方向所示) ，推动进气阀的活塞向上运动，打开进气阀 使分配箱内的低压空气经进气管进入空气室。这时，排气电磁阀 的动作与进气电磁阀的动作相反，即电磁线圈通电吸上铁芯，关 闭上部排气道，打开上部进气道，高压空气进入排气阀内，推动 活塞向下运动，关闭排气管。空气室的排气过程与上述过程相反， 排出的气体经消音排气包排出厂外。 电磁风阀的缺点：需另配一套高压供风系统，气缸加工精度 要求较高，维修工作量较大。 太原理工大学硕士学位论文 2 4 跳汰机操作工艺因素 跳汰机的工作指标在很大程度上决定于跳汰机的操作工艺。 最适宜的操作制度与原料的性质( 粒度及密度组成) 及对产品的 要求有关，而且各参数之间又是相互关联的。因此，在选择合适 的操作制度时，必须根据不同的情况作具体的分析。 跳汰机操作工艺制度各因素介绍如下： 1 1 给料控制 跳汰机入料性质的波动及给煤量的变化对跳汰机的工作效 果都有直接的影响。所谓的控制给料，是指入料性质的波动应尽 量小，即给入跳汰机的原煤应均质化；再有，给煤速度也应均匀， 不可忽多忽少。 对于选煤厂，它可能分选几个矿井的原煤，或者分选性质相 差较大的几个煤层的原煤，应采取措施实现原煤的均质化，即配 煤入洗。对于跳汰机，控制好入料的质量、数量，可以保证分选 过程的稳定性，减少设备过载或负荷不足的现象，提高分选效率， 降低煤在矸石中的损失。 除了选前使入料性质均质化和给料速度均匀外，应注意伴随 物料给入的冲水，一定要使原煤预先湿润，否则容易出现结团现 象。 2 ) 重产物的排放 当床层按密度分层结束时，应及时、连续而合理地将高密度 物和低密度物排出机外。重产物的排放是操作中的一个重要环 节，一定要使重产物的排放速度与床层分层速度及矸石( 或中煤) 层的水平移动速度相适应，若重产物排放过慢则出现堆积，不但 影响整个床层松散状况，使得正常分层难以进行，而且污染精煤， 影响精煤质量；如重产物排放过快，又导致矸石层( 或中煤层) 过薄，甚至出现排空的情况，整个床层便处于过度松散的不稳定 1 0 太原理工大学硕士学位论文 状态，使得原已分选好的床层遭到破坏，使重产物中精煤损失加 大。 3 ) 跳汰频率和跳汰振幅 跳汰频率和跳汰振幅是跳汰过程的重要因素。跳汰脉动水流 的振幅决定了床层在上冲期间扬起的高度和跳汰床层的松散条 件。床层必须扬起的高度主要与给料的粒度和床层的厚度有关。 粒度大、床层厚，就要求床层扬起的高度大，所以要求有较大的 水流振幅。 振幅与频率必须配合得当。用低频( 3 5 、4 0 次m i n ) 大振幅 跳汰，床层松散度较大，分层较快，故跳汰机的处理量增加。但 此时的速度因素、矿粒的粒度和形状因素对分选效果影响较大， 而且因频率低，操作时的风水制度和给料等的变化相当敏感，故 操作较困难。所以低频，大振幅跳汰只适用于分级块煤分选或易 选煤分选。相反，高频率跳汰时( 5 0 6 0 次m i n ) 工作稳定，加 速度影响因素大，粒度和形状因素影响减弱，细粒透筛能力较强， 故产品的质量好而稳定。但因松散度减小，分层速度减慢，跳汰 机处理能力降低。故适用于末煤和较难洗煤分选。 频率和振幅的合理配合，应根据具体情况由试验确定。频率 只能通过改变风阀的转数来调整。振幅主要通过改变风压、风量 ( 调节风门) 、风阀的进、排气孔面积及频率加以控制。 4 ) 风量和水量 应根据所要求的床层松散度调节风量。第一段的风量要比 第二段大一些。各段各分室的风量由入料到排料依次减少，有时 为了加强第二段中间风室的吸啜作用，加强细矸石透筛，用风量 可适当加大一些。 通常筛侧式跳汰机用的风压为0 0 1 8 、0 0 2 5 m p a ；筛下式跳 汰机用的风压为0 0 2 5 0 0 3 5 m p a 。 跳汰机用水量包括筛下顶水和冲水。冲水的用量一般以给料 太原理工大学硕士学位论文 e l 的原料能完全湿润为准。冲水的用量约为总水量的2 0 3 0 。 筛下顶水占总水量的7 0 、8 0 以上。前段的筛下水将成为后段的 运输水。筛下顶水的作用是补充筛下水量的短缺，减少跳汰室和 空气室之间在工作时的液位差，其目的是增加空气室内压缩空气 的有效压力。 风量和水量的正确配合使用，对分选过程极为重要。虽然在 一定范围内增加风量或增加筛下补充水都能提高床层松散度，但 加风能提高下降期的吸啜作用，而加水却是减弱它的作用。在实 际操作中应根据具体情况和工作经验灵活应用。 5 ) 风阀周期特性 脉动水流特性主要决定于风阀周期特性。应根据分选物料的 性质( 粒度和密度组成) 和风阀的特点选择风阀周期。 电磁风阀调整灵活，可根据工作需要迅速调整风阀周期特 性。随着物料的变化，创造良好的床层松散、分层条件。以获得 较好的分选效果。 6 ) 床层状态 床层的运动状态决定着矿粒按密度分层的效果，所以操作的 主要目的，是为了使床层处于有利于分选的工作状态，并使之保 持稳定。 床层愈厚，床层所需的时间愈长，分层的时间也愈长。 若床层太厚，在风压或风量不足的情况下，不容易达到要求 的松散度。床层减薄能增强吸啜作用，有利于细粒级的分选 并得到比较纯净的精煤。如果床层太薄，吸啜作用太强，精 煤透筛损失将增加，床层不稳定，操作困难。曾对床层厚度 与分选效果的影响进行研究，结果表明，随着床层厚度的增 加，松散度逐渐降低。床层厚度适中时，分选精度最高。 通过调整筛板倾角和风水量可以控制床层水平移动速 度，使它与床层按密度分选的速度相适应，使物料到达排料 太原理工大学硕士学位论文 闸门时应按密度分好层次；并使矸石床层和中煤床层的水平 移动速度与原煤中矸石和中煤的含量相适应，以保持适当的 重产物床层厚度，创造定的分选条件；同时沿宽度和长度 各点上的水平移动速度也应基本一致，否则会造成床层局部 薄厚与松散不均匀，以致于破坏按密度分层。 太原理工大学硕士学位论文 第三章模糊控制理论 3 1 模糊控制方案的提出 目前，在跳汰选煤过程中，对跳汰机的控制方法总体上说有 普通逻辑控制和常规p i d 控制，甚至对于某些老的机型来说还存 在用手工操作方式进行分选。普通逻辑控制基本上是根据床层的 厚度，来判断闸板的开度，限定床层厚度在某一范围，若高于上 限值则开大闸板，直至床层厚度落回该范围内；若低于下限值则 关闭闸板，直至床层厚度回升至该范围内。这种控制由于闸板动 作的滞后性，容易出现大的过冲，床层波动范围远大于设定的范 围。而常规p i d 控制方式，由于其参数的选择及调整不便以及其 固有的缺点，用在跳汰机的排料控制上又在床层稳定效果上不理 想，避免不了“大排大放”，跑煤等现象。因为p i d 控制更适用 于那些线性的，容易建立起精确数学模型控制系统，但对于跳汰 机控制系统来说，所受影响因素众多，如原煤特性、给料速度、 水压、水量、风压、排料系统等因素影响。这些因素之间又相互 制约，而且其中的一些参数又难于实时测量和控制。 在这种情况下，采用传统的控制方法，包括基于现代控制理 论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手 动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物 进行识别与判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精 确的目的。操作人员是通过不断学习、积累操作经验来实现对被 控对象进行控制的，这些经验包括对被控对象特征的了解、在各 种情况下相应的控制策略以及性能指标判据。这些信息通常是以 自然语言的形式表达的，其特点是定性的描述，即模糊性。 模糊控制是一种基于规则的智能控制方式，它不依赖于被控 1 4 太原理工大学硕士学位论文 系统的精确数学模型，而是建立在人t # 2 验基础上的。对于一个 熟练的操作人员来讲，并非需要了解被控对象的精确的数学模 型，而是凭借其丰富的实践经验，采取适当的对策来巧妙的控制 一个复杂系统。若能把这些熟练操作员的实践经验加以总结和描 述，并用语言表达出来，那么这就是一种定性的、不精确的控制 规则。如果用模糊数学将其定量化就转化为了模糊控制算法，从 而形成了模糊控制理论。 3 2 模糊控制理论 1 9 6 4 年，美国控制论学者l a z a d e h 教授发表开创性文章， 首次提出一种完全不同于传统数学与控制论的模糊集合理论，核 心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，使自然 语言能直接转化为计算机能接受的算法语言。同时，也适应了自 适应科学发展的迫切需要。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a n i 研制 出了世界上第一个模糊控制器，开创了模糊控制在工程领域应用 的先河。模糊控制是一种基于规则的智能控制方式，它不依赖于 被控系统的精确数学模型，特别适应于有多输入、多输出的强耦 合性、参数的时变性、严重的非线性与系统模型不确定性的复杂 系统。 所谓系统指的是两个以上彼此联系又相互作用的的对象所 组成的具有某种功能的集体，而模糊控制系统是由那些模糊现象 引起的不确定性系统。也就是说一个模糊系统，它的状态或输入、 输出具有模糊性。模糊控制或模糊自动控制系统是以模糊数学、 模糊集合论、模糊语言知识表示、模糊逻辑推理等为理论基础； 以计算机作为物质基础；以计算机控制理论、自动控制理论作为 技术基础的自动控制系统。 模糊控制系统是一个集合体，通常它由被控对象、测量装置、 太原理工大学硕士学位论文 控制器和执行机构等部件组成。这种系统在完成预定的任务时， 可以不需要人的直接参与，由测量装置代替人的感知机能来动态 的观测被控制量，从而对给定量与被测量进行比较、综合和信息 的处理，并由此给出控制量。在人工操作过程中，这都是通过操 作员的感官拾取观测信息，形成感性认知，然后通过人脑的思维 判断，最后进行手动调整改善系统性能。 模糊控制系统的组成具有传统计算机控制系统的结构形式， 如下图所示。它主要由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、 被控对象和测量装置组成。 图3 - 1 模糊控制系统框图 被控对象：被控对象可以是一种设备或是设备组成的集合 体，也可以是一个生产过程，包括自然的、生物的、化学的、或 是物理的等各种状态转移过程。这控制对象可能是确定的机构， 也可以是模糊的、单变量的或是多变量的、有滞后性的或是无滞 后性的、非线性的或是线性的、定常的或是时变的系统以及具有 强耦合或是强干扰性的等等多种情况。对于不好建立数学模型的 复杂系统，用模糊控制效果更好。 执行机构：执行机构主要是各种交直流电动机，伺服电动机， 步进电动机等，还有各种气压的和液压的装置，如各种气动的调 节阀、液压马达、各种液压阀等。 控制器：它是控制系统的核心部分。在模糊控制理论中，采 用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型模糊控制器。 输入输出接口( i 0 ) ：实际系统中由于多数被控对象的控制 量及其可观测状态量是模拟量。因此，模糊控制系统与通常的全 1 6 太原理工大学硕士学位论文 数字控制系统或混合控制系统一样，必须具有模数( a i d ) 、数 模( d i a ) 转换单元，还包括模糊逻辑处理的“模糊化”和“去 模糊化”环节。 测量装置：测量装置主要是把被控对象的各种非电量，如流 量、温度、压力、速度、浓度等转化为电信号。这部分主要有各 类数字的或模拟的测量仪器、检测元件、传感器等组成。它们的 精度直接影响系统的性能指标，因此要求它们具有较高的精度、 可靠性高稳定性好。 为了提高控制精度，应及时观测被控制量的变化特性及其与 期望值的偏差，以便及时调整控制规则和控制量输出值。基于此， 把用测量装置得到的值反馈到控制系统的输入端与给定控制量 比较，构成具有反馈环节的闭环控制传统。 模糊理论具有许多优点： 1 ) 使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因 为对复杂的生产过程很难获取过程的精确数学模型，而 语言方法确是一种很方便的近似。 2 ) 对于具有一定操作经验、而非控制专业的工作者，模糊 控制方法易于掌握。 3 ) 操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，模 糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。 4 ) 模糊控制过程的动态响应品质优于常规p i d 控制，并对 过程参数的变化具有较强的适应性 总之，模糊控制是一种更加拟人化的方法，用模糊逻辑处理 和分析现实世界问题，可以更符合人的要求和愿望。近代的模糊 控制技术随着大规模集成电路技术、计算机技术、工艺技术的发 展而不断成熟起来。尽管目前模糊控制理论还与许多亟待解决的 问题：知识和经验的表示、知识推理的法则、知识的获取和总结、 模糊控制系统的稳定性判据、模糊控制系统的学习、模糊控制系 1 7 太原理工大学硕士学位论文 统的分析、模糊控制系统的设计方法等，但模糊控制更能适应噪 声干扰和元器件的变化，使系统适应性更好；其应用领域更加广 泛，应用前景更加开阔。 鉴于此，在邢台东庞煤矿洗煤车间，我们采用模糊排料控制 系统取代了原先普通逻辑控制系统，并在现场得以应用。 3 3 模糊控制器工作原理 3 3 1 模糊控制过程 所谓模糊控制，既不是指被控对象是模糊的，也不是指控制 器是不确定的，它是指在表示知识、概念上的模糊性。虽然模糊 控制算法是通过模糊语言描述的，但它所完成的却是一项完全确 定的工作。 要实现语言控制的模糊逻辑控制器，就必须解决三个问题。 第一是先通过传感器把要检测的物理量变成电信号，再通过模数 转换器把它转换成精确的数字量。精确输入量输入模糊逻辑控制 器后，先被转换成模糊集合的隶属度函数，这一步就称为精确量 的模糊化；其目的是把传感器的输入转换成知识库可以理解和操 作的变量格式。第二是根据有经验的操作者或者专家的经验制定 出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推理，以得到一个模糊输出集 会即一个新的模糊隶属函数，这一步称为模糊控制规则形成和推 理：其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确 定其适配的的程度，并且通过加权计算合并那些规则的输出。第 三是根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法 找一个具有代表性的精确值作为控制量，这一步称为模糊输出量 的解模糊判决，目的是把分布范围概括合并成单点输出量，加到 执行器上实现控制。 太原理工大学硕士学位论文 图3 - 2 典型模糊控制器系统基本框图 3 3 2 精确输入量的模糊化 通常控制总是用系统的实际输出值与设定的期望值相比较， 得到一个偏差值e ，控制器根据这个偏差值来决定如何对系统加 以调整控制。很多情况下还需要根据偏差的变化率c 来进行综合 判断。无论是偏差还是偏差的变化率，都是精确的输入量。要采 用模糊控制技术就必须首先把它们转换成模糊隶属函数。每一个 输入值都可以对应一个模糊集合，某一范围连续变化的值就可有 无限多个模糊集合。这在工程实践中是无意义的。为了便于工程 实现，通常把输入变量范围人为的定义成离散的若干级中( 本文 取1 3 级) 。定义输入量的隶属函数可采用吊钟形、梯形和三角形， 理论上说吊钟形最为理想，但是计算复杂；实践证明，用三角形 和梯形函数其性能并没有十分明显的差别。所以为了简化计算， 采用最常用的三角形。 为了实现模糊控制器的标准化设计，把偏差e 、偏差变化率 c 的模糊论域设定为 一6 ，+ 6 。 在实际工作中，精确输入量的变化范围一般不会在 一6 ，+ 6 ， 如果其实际论域为 a ，b 的话，可以通过公式变换 y = 1 2 ( x 一+ a ) 2 ( a 一口) 将实际论域 a ，b 内变化的变量x 转换在 模糊论域为 一6 ，+ 6 的变化的变量y ：再把 一6 ，+ 6 内的连续量 根据需要分成若干等级，每个等级作为一个模糊变量，并对应一 个模糊子集或者隶属函数。习惯上分为七个等级： “正大”( p b ) ：取在+ 6 附近； 太原理工大学硕士学位论文 “正中”( p m ) ：取在+ 4 附近： “正小”( p s ) ：取在+ 2 附近； “零”( z e ) ：取在o 附近； “负小”( n s ) ：取在一2 附近； “负中”( n m ) ：取在一4 附近； “负大”( n b ) ：取在一6 附近。 精确输入量模糊化方法就是先把精确输入量通过公式转换 成模糊论域为 一6 ，+ 6 内的数，然后根据隶属函数求得对应的隶 属度，这些值是 0 ，1 区间内的数。例如变换后的值是3 ，它对 “正大”隶属函数的隶属度是0 ，对“正中”的隶属度是0 5 ， 对“正小”的隶属度0 5 ，对其它隶属函数的隶属度都是0 。这 就完成了对精确输入量的模糊化过程。 3 3 3 模糊规则的形成与推理 模糊规则的形成是把有经验的操作者或专家的控制知识和 经验制订出若干模糊控制规则，为了能存入计算机，还必须对它 们进行形式化数学处理。这些规则可以用自然语言来表达，例如： “床层厚，且增长猛，则开大闸板，增加排料” “床层薄，且床层还在继续变薄，则关小闸板，降低排料速 度” 模仿人的模糊逻辑推理过程确定推理方法。这样，计算机就 可以用模糊化的输入量，根据指定的模糊控制规则和实现定好的 模糊推理方法进行模糊推理，并得到模糊输出量。 根据模糊集合和模糊关系理论，对于不同类型的模糊规则可 用不同的模糊推理方法。 两输入一输出的模糊控制系统是实际模型控制器最常用的 规则形式，采用基于模糊关系r 的m a m d a n i 推理法，“如果一且 太原理工大学硕士学位论文 b ，那么c ( i f 鲁a n db ，t h e n c ) 类型的模糊规则( 设鲁、b 、 c 分别为论域u ，v ，w 上的集合) 。它决定一个三元模糊关系 r = ( a n b l _ c ( 3 - 3 - 1 ) 根据m a m d a n i 推理法则有： 璺= ( g 皇) c = 哇。皂 。c ( 3 3 2 ) 当输入为a 、b 时的输出根据推理合成规则以及关于行向量 的定义有： 。= ( 型b ) j ，。r = 。b h 。r ( 3 3 3 ) 对在这类型规则中，爿一般用来表示被控制量的测量值与期 望值的偏差e = x x o 的隶属函数。被控制量是床层厚度，那么a 便是床层实际厚度与给定床层的差值。b 一般表示偏差变化率 c = d e 西的隶属函数。爿和b 可分别定义若干不同等级的隶属函 数，若做标准化处理，可分成负大、负中、负小、零、正小、正 中、正大等隶属函数。由此，若已知输入一、b 和c ，就可以求出 他们的模糊关系曼：反之，若已知模糊关系r ，则可根据输入爿和b 2 l 太原理工大学硕士学位论文 求出输出控制量c 。 由于一个过程控制规则库都是由若干条规则组成的，对于每 一条推理规则都可以得到一个相应的模糊关系，n 条规则就有n 个模糊关系：月。，r ：，凡对于整个系统的总的控制规则所对 应的模糊关系璺可对n 个模糊关系取“并”操作得到： r = r lvr 2v v r ( 3 - 3 - 4 ) 3 3 4 精确输出量的解模糊判决 如上所述，经过模糊推理得到的控制输出是一个模糊隶属函 数或者模糊子集，它反映了控制语言的模糊性，这是一个不同取 值的组合。然而在实际应用中要控制一个物理对象，只能在某一 个时刻有一个确定的控制量，这就必须要从模糊输出隶属函数中 找出一个最能代表这个模糊集合即模糊控制作用可能性分布的 精确量，这就是解模糊判决。从数学上讲，这是一个从输出论域 定义的模糊控制作用空间到精确控制作用空间的映射。目前最常 用的方法是最大隶属度法、中位数法( 面积法) 和加权平均法( 参 见3 4 节) 。 3 4 模糊控制器的设计 模糊控制就是模仿入的思维方式和人的控制经验，它依赖于 被控系统的物理特性，而物理特性的提取要靠人的直觉和经验， 这些物理特性在人脑中用自然语言来总结抽象成一系列的概念 和规则。那么模糊规则的制定要根据专家的知识和经验或操作工 人的经验，对之进行归纳和总结，把人的经验形式化，以构成一 太原理工大学硕士学位论文 组用语言表达的定性的决策规则。 模糊控制系统的核心是模糊控制器，由模糊控制规则和模糊 推理构成。模糊控制是否能成功运行主要依赖于模糊控制规则的 构成。因此，设计模糊控制系统的关键是模糊控制器的设计。 3 4 1模糊控制器结构的确定 模糊控制器的结构设计实质上是模糊控制器输入语言变量 和输出语言变量的选取和模糊控制器的不同组合与扩展问题。模 糊控制器的结构选择是否合理，不仅直接影响模糊控制器的性 能，而且对于那些复杂的多输入多输出耦合交链系统来说，是至 关重要的。可以说，模糊控制器的结构设计是模糊控制设计成功 的第一步。 在设计模糊控制器时，可以根据不同的被控对象和对系统的 性能指标要求作为结构选型参考的依据。旦确定好模糊控制器 的结构，模糊控制器的输入语言变量和输出语言变量也就确定下 来了。一般用得最多的是将偏差e 和偏差变化率a e 作为输入语 言变量，模糊化后分别用符号e 、e 。表示。这时的模糊控制器就 h 类似于一个p d 控制器，从而有力保证系统的稳定性、减少相应 过程的超调量以及振荡现象；也有取系统偏差及偏差和y e 作 为输入语言变量的，经模糊化后，用符号e 、e 表示。这种 结构相当于模糊控制器具有p i 控制作用，输出语言变量一般选 用单输出结构，经模糊化后用符号u 表示，这有利于模糊控制规 则的建立。对于多输出控制系统，可以通过解耦等效成单输出结 构u ，( i = 1 ，2 ，) 。 太原理工大学硕士学位论文 3 4 2 确定论域 设偏差、偏差变化率及输出的实际论域分别为( 一e i ，e i ) ， ( e c ，e c ) 和( 一u ，u ) 。将偏差、偏差变化率等级设定为开= ( - 6 ，6 ) ，输 出等级设定为m = ( - 7 ，7 ) ，则有：