（机械电子工程专业论文）基于专家系统的跳汰机风阀自动控制.pdf

姗碟础撇y 5 1 8 3 3 8 基于专家系统麓蹴汰枕风阀自动控制 摘要 跳汰选矿是物理选矿的一种重要方法。跳汰枫作为选煤 厂的关键设备，影响其自动控制的关键是跳汰机风阀的自动 控制。风阔参数的调整操作繁琐，人为主观因素参与控制过 程。所以，有必要寻求一种更为有效的、先进的控制方案实 现跳汰机风阀的囱动控铡。 本论文研究了基于专家系统的跳汰机风阀的自动控制。 作者在￥射线探测器检测床层物料密度憨基础土，分提了跳 汰机床层的分层状态，遂用a r 模型对密度数据进行趋势预 测，进恧对康层松教度傲凄估诗，建立了风阕参数静调整麓 则。专家系统可根据测彳辱的床层密度数据，基于羧取的专家 知识对风阙参数遂行榻廒熬修改。 本系统采用v b 6 0 高级语富编写程序。控制系统的组成 雹摇：可编程逻辑控锲嚣、了射线辐嚣搽溅器以及工控橇。 实验室中用数据输入法对软件进行测试，证明：能够实 现蔑阕参数麓自动调节。 关建谴：专家系统，魏汰梳，殿阕，丫蹇雩线，舀动控裁 奎璺堡三查兰堡主兰垡笙奎 ：一 j i g g i n ga i r v a l v ea u t o c o n t r o l b a s e do ne x p e r ts y s t e m a b s t r a c t j i g g i n gm i l l i n gi so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tw a y sf o r p h y s i c sm i l l i t l g a st h ek e ye q u i p m e n to ft h ec o a l - d r e s s i n gf a c t o r i e s ，t h ek e yp r o b l e mt h a t a f f e c t st h ea u t o c o n t r o lo ft h ej i g g i n gm a c h i n ei st h ea u t o c o n t r o l o f a i r v a l v e t h er e a d j u s t m e n to fa i r - v a l v ep a r a m e t e r si s t r i v i a la n dt h e f a c t i t i o u ss u b j e c t i v ef a c t o r sa r em i x e du pi nt h ec o n t r o lp r o c e s s s o ，i ti s n e c e s s a r yt h a t am o r ee f f e c t i v ea n da d v a n c e dc o n t r o ld r a f tn e e d st ob e f o u n dt or e a l i z et h ea u t o c o n t r o lf o rj i g g i n ga i r - v a l v e i nt h i st h e s i s ，a na u t o - c o n t r o ld r a f tf o rj i g g i n ga i r - v a l v eb a s e do n e x p e r ts y s t e mi s r e s e a r c h e d a s y r a yr a d i a t i o nd e t e c t o r c a ng e tt h e m a t e r i a ld e n s i t yo ft h ec o a lb e d ，a n dt h ed e l a m i n a t i n gs t a t ei sa n a l y z ea n d t h ea rm o d e lf o rt h ed e n s i t yo ft h ec o a li se s t a b l i s h e dt oe s t i m a t et h e t r e n do ft h ed a t a t h e nt h ep o r o s i t yo ft h ec o a lb e di se s t i m a t e da n dt h e m o d i f i c a t i o nr u l eo ft h ea i r - v a l v ep a r a m e t e r si se s t a b l i s h e d t h ee x p e r t s y s t e m c a n m o d i f y t h ea i r - v a l v e p a r a m e t e r sa c c o r d i n g t o e x p e r t a c k n o w l e d g ea c q u i r e d a n dt h er e a l - t i m ed a t at o g e tt h e s a t i s f i e ds o r t c f f e c t v b 6 0i su s e df o rp r o g r a m m i n g t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e s ：p l c ， y r a yr a d i a t i o nd e t e c t o r a n dp cf o ri n d u s t r y t h el a b o r a t o r yt e s tt ot h es o f t w a r es h o w s ：t h ea u t o c o n t r o lo ft h e a i r v a l v ep a r a m e t e r sc a nb er e a l i z e d k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，j i g g i n g ，a i r - v a l v e ，y - r a y ，a u t o - c o n t r o l 太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 跳汰选矿介绍 跳汰选矿，是指物料在垂直升降的交变水流中，按密度差异进行 分层和分离的过程。跳汰过程中所使用的分选介质是水或者空气，个 别情况下也可能是重悬浮液。以水作为分选介质的跳汰过程称为水力 跳汰；以空气作为分选介质的跳汰过程称为风力跳汰；以重悬浮液作 为分选介质的称为重力跳汰。 跳汰选矿，迄今已有4 0 0 多年的发展历史。1 9 世纪中叶以后，由 于冶金、机械工业的兴起，跳汰选煤迅速发展。18 6 7 年奥地利人雷廷 智开始研究单个颗粒在流体介质中的运动规律，至今已有1 3 0 多年的 历史。但由于影响跳汰过程的因素很多，而各种因素变化又较大，相 互关系复杂，使得跳汰分选的理论分析与科学研究遇到了许多困难。 所以，至今对跳汰过程机理的认识仍很不充分。在现代科学技术的推 动下，尤其是过程控制系统仪表的迅速发展、微处理机可靠性和功能 性的不断增强，人们对跳汰过程已有逐渐深化的认识及丰富的操作经 验，并借助于先进的测试手段，跳汰的理论研究和生产技术的变革， 终会有一个新的前景出现。 1 2 课题的背景和意义 跳汰机是我国选煤厂的主选设备。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 太原理工大学硕士学位论文 蹒汰瓿攀撬生产过程融动豫。关手虢汰瓿戆整极囊凌证方案毫寿避一 些，但攀实上，影响跳汰机自动化的关键一风阀控制自动化，却还未 有过可行戆方案。 跳汰司机在生产操作过糨中，需要根据入料性质、给料量、工作 风压、徕层轶悉等签都条辞黥交纯，苓断调整风溺参数，搡幸# 繁溪、 产品质艇得不到保证。所以，风阀控制的自动化是迫切需娶解决的工 程闻题。 近十年来，工业过程自动控制的智能化芷在朝潜两大方向进殿， 其一是称为专家控制系统的智能控剩策略，其二是称为人工神经瞒络 豹智能控制策略。工裰中，跳汰机风阀参数豹调整究全依赖于跳汰司 机的经验，因此，将旗于知谈的智能推理系统作为跳汰机风阀自动化 的实现方案，怒风阀控制发展的一种理想方向。 本课题是对基于专家系统的跳汰机风溷自动控制方案的研究，它 打破了风闽的豢觌开环控制的传统愚鼹，提枣根据藤层密发反殃分层 效果的理论，建立知识库，爵出控制规则，以床层备层的实时密度值 l 乍为聂馈参数，实现风阕参数的自动调整。 对跳汰机风阀专家控制系统的研究，是将机械电子与人工智能的 完美结会，憝够摄据瑷场密度数摇静变纯壹凌淫整风润参数，避免人 为因素的失误，有效的提高生产质爨和工作质量。它的应用，将会迈 爨虢汰援强添佟泣无入瓢守鹃关键一步。 1 ，3 跳汰貔风阀自动控割谤究现状 国内努对风阑豹较剿接藏基本有以下凡群： 1 3 ，1 采用p l c 控制跳汰机配糍风润系统 由太原理z 大学机械电予工程研究所研制开发的跳汰机多参数自 2 太原理工大学硕士学位论文 寻伉模糊羧制系鲮，】9 9 9 年在释台洗煤厂、2 0 0 3 年在系庞洗溱厂投入 使用。根搬操作人员的设定值，它能够自动控制其进气和排气系统工 作。控制系统除滋行程序控制及正常的渫作控帝，并熊进行参数修改 及工作状态显示等。控制系统设有外围控制按键，系统的输出控制均 经光电隔离，无触点开关控制。由p l c 根据控制程序产生数掇信号， 经过光电耦合器，驱动双向可控醚，从黼控制镶路电磁阀的通、断时 间，并有相应的二极管指涿整个风阀系统的工作状态。 。3 。2 采弼摹鸶撬蒺统实磁薅风鞠系统熟黉动控剃 中国矿业大学杨小平及河南省焦作矿务局涂必训等共同研制开发 跳汰机控制系统，2 0 0 2 笨1 2 月1 4 日在朱村矿选煤厂磁式投入使用。 此融控制方法是以一神逻辑控制模块为中心，具有2 4 v 的晶体镑输出， 能够对根搬内存中的程序对风阀动作直接加以控制。因此，输出可以 筏豫。另於，由予逻辑控制模块舆有一个特殊的异步脉冲发生器功能， 同时再采用其他几个基本逻辑功能，如岛( a n d ) 功能、或( o r ) 功 憝等，帮w 以对茇于今琴弱辣砖输出进嚣逻辑遮葵组会，实现输出点 按预定逻辑时序输出。 1 3 3 跳汰梳傍人王餐麓掩耩系统 2 0 0 2 冬5 是，中国矿妲大学信息与魄气工程学貌玛方清副教授等 在中国矿业大学学报期刊上发表“跳汰机选煤生产过程智能控制” 一文，提爨潋耩爨获分及精煤霾投率先控制毽拣粒蟹缝控制系统，出 二层构成：上层以跳汰机实时分选效率、入选原煤性质和可选性为依 据，应臻专家系统技术，实薅谈到系绞羧态毒瑟趋势，实现蟹熊控剩系 统底层各子控制系统间协调和优化控制。底层是由一个多环境模糊控 翻器构成，分囊安瑰虢汰蓰系统瓣绘辩、摊蚕 、莽 孛缣稻总璃藏量酸 模糊控制。 喜 太睬理工大学硕士学位论文 其特点是：( 1 ) 智能控制系统能根据洗选指标，及时调整控制策略； ( 2 ) 智能控制系统底层的多环模糊控制系统控制跳汰过程的给、排、风、 水，比人工调整的幅度小而且及时：( 3 ) 智能控制系统利用专家知识经 验进行决策判断，及时采集入选煤质、可选性、精煤灰分等过程信息， 识别设备运行状态、仓位料位状态、风阀水阀状态等，做出控制决策， 协调给、排、风、水多环模糊控制。 1 3 4 利用空气室水位信号进行风阀参数自动控制 1 9 9 9 年1 0 月，河北煤炭科学院的李洪庆等，在选煤技术期 刊中发表“跳汰机风阀自动控制”一文，提出利用空气室水位信号进 行风阀参数自动调节的方法。此方法使跳汰床层始终保持适宜的振幅。 保证较高的洗选效率和处理量，克服风压波动、给煤量改变等因素造 成的不良跳汰现象，同时，当风阀系统的执行气缸、电磁阀等发生故 障时，及时报警通知维修人员进行处理。在每个空气室安装一个水位 传感器，在每个分选室的筛板上安装一台床层料位传感器，风阀自动 控制装置将根据物料振幅的要求，自动调整各室的进气期、膨胀期、 排气期、密实期及跳汰周期。水位传感器不断检测空气室水位的变化， 并在每一个跳汰周期结束时记录一个最高水位信号和最低水位信号， 当二者之差超出设定范围之内，根据控制原理相应改变风阀参数。 1 3 5 结论与综述 结论：无论采用可编程控制器还是单片机来控制，都是靠固化在 内存中的程序输出脉冲序列，控制系统不能根据工况的改变而自动调 整风阀的进、排气期参数，即系统不是闭环控制系统，不具有人工智 能的技术。智能控制在复杂的工业过程系统中能够处理定性、定量、 确定性、非确定性以及启发式等多种知识信息，智能技术是解决复杂 系统优化控制问题的重要途径。所以近年来，不少专家学者正深入研 太原理工大学硕士学位论文 究采厢入工智能控制跳汰祝的生产过程。 练述：鼹前国汽外对风阀的自动控制主要采用可编稷控制嚣、单 片机进行程序控制。程序羧制加上人工干预的方法已经成熟，对风阀 自动控制的磺究正朝着人工磐能的方向进行，晷内外不少专家学者正 在寻求和用专家系统、人工神经网络等人正智能技术来对风阀进行闭 环自动控制，本课题正是磷究基于专家系统的方法对风阏进行溺环基 动控制并开发相应的软件。 1 4 1 研究搿标 1 4 课题任务 零涤蘧奎要骚究蓉予专家系统戆虢汰凝风瓣交动控麓豹_ 工敛实羯 方法，综合专家知识，并采用可行的控制策略，通过现场数据采集和 实验室试验，达裂对风瓣戆溺繇鑫劝控裁，苁瑟为实褒懿汰税静单毒死 自动化奠定基础。 1 4 2 研究内容 ( | ) 魏汰毒毪实际涞蒺分麓状提熬分耩及数据采集、楚莲； ( 2 ) 风阀自动控制专家系统硬件的研究； ( 3 ) 鼠阕爨动弪割专家系统软终豹开茇与试验。 太原理工大学硕士学位论文 第二章跷汰视| | 爻i 阀工作原理 风阀是跳汰机的重要部俘，功能蔻周期性的使空气室与风包、风 桃葶爨大气掇连或隔绝，因此在跳汰室形成脉动水流。 风阀的结构和工作周期对水流在跳汰机中的脉动特性莉很大影 嚷。其缝槐不但纛接影峨跳汰樵的分层效果，阉时对跳汰枫鲍生产熊 力影响也很大。举章就风阀的结构及工作原理加以阐述。 2 1 空气脉动跳汰机风阀的形式 目前围内外使用的空气脉动跳汰机风闽有滑动风阀、旋转风阖、 电磁风阑三耱形式，下瑟以常用的电磁风阑为倒进行说明： 2 1 1 电磁风阀 电磁风阀是七十年代设计的一种新烈风闽结构。这种风阀调整灵 港，可以经意调熬跳汰斌翘，邀气、撑气教变换速度极抉。殿此，可 以精确地控制脉动周期和吸缀过程的时间，获得较好的分选效果，为 熬汰掇太爨镬二窝蹒汰裁发鑫动纯锲造了方便豹条l 孛。 电磁风阀的誓作系统见图2 1 ，整个工作系统由兰部分组成： l 。气鼹系统。包捶巍覆疑警楚气疑煞气动瓣鼹； 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 无级调节频率纛虢汰瘸颓特整； 3 进、排气阀。进、排气阀由气缸和阀盖组成。 太原理工大学硕士学位论文 2 1 2 电磁风阀动作原理 图2 1 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。 图2 1 电磁风阀工作系统示意图 1 一油雾器2 调压阀3 一滤气器 风阀打开时间小于o 0 2 s ，最快达0 0 1 3 s 。这样可以提高水流上升 - 7 太原理工大学硕士学位论文 初加速度，延长膨胀鬻，有幂子耪料按密度避行分遗。 电磁风闽豹缺点：需另酝一套赢压供风系统，气缸加工精度露求 较高，维修工作量较大。 2 2 跳汰分选过程 物料在眺汰过程中之所黻能分艨，是矿粒自身静性质，僵麓谈分 层得以实现的客观条件，则怒垂直于 降的交变水流。跳汰机工作过程 中，被选物料给入跳汰机内落到筛掇上，形成一个密集的物料层，这 个物料层称为床层。狂给料的同时，从跳汰机下部周期的给入上下交 变的水流，垂疆变速水流透过筛孔避 入床屡，物料就是在这种水流中 经受跳汰豹分选过程。 风阀开启，压力风经风翮进入跳汰室，使水其脊一定的压力。当 水流上舞野，痰层被独起，黧现捡教及悬浮状态。弛黪，臻层中熬矿 粒，按其自身的特性( 密度、粒度和形状) ，彼此作相对运幼，分滕开 始。在农滚已搏止上舞，还没有转为下降承浚之兹，圭予蠼性力媳毒# 用，矿粒仍在运动，床层继续松散。水流转为下降，床层邂渐紧镦， 毽分瑟餐在继续。当全罄矿羧落隧黪嚣，它们彼魏丧失相对运魂瓣霹 能，分层作用藻本停止。此时，只有那些密度较高、粒度很细的矿粒， 穿逑臻簇孛大决耪精瓣趣豫，锈在囱下运动，这耱蟹秀看成是分簇现 象的继续。下降水流结束，床层完全紧密，分层暂告结束。水流究成 一次瘸麓往交纯所蠲浆对阂成为蘸汰鞠籁。在一个髑麓蠹，寐罄经历 了从紧密到松散分层氍到紧密的过程，颗粒骚到了分选作用。 经过多个蹒汰周期后，分层逐渐完善。最后，凝密度矿粒集中在 床层下部，低密度矿粒则聚集在上层。矸石从矸石排出道摊出，中煤 从中煤甜 料道排出，精煤剃从上面摊料道誊箨出，从丽得至了跳汰税的 三种产物。 - 8 - 太原理工大学硕士学位埝文 第三章专家系统的基本理论 前面分缀了跷汰选矿豹基本毽论骧致魏汰税风湄鑫每工作原邋，本 章将介绍专家系统的基本理论、编程原理，为基于专家系统技术的跳 汰梳风阖自动控翻骰准备。 弱。 专家系统麓余 遗卡年窳，入誓餐疑戮究豹耋太进震在手蹬凝了称麓专家羝统的 一类新的计算机程序。它作为人工智能的一个应用领域，使人工智能 静研究获实验室迸入现实毽器。专家系统 e x p e r ts y s t e m ) 是一个基 于知识的智能推理系统，它涉及对知识获取、知识库、搬理控制机制 驻及错能a 魏赛面的研究，集入工智麓和领域知识于一体。它叠用于 医疗诊断、化学分柝、工程设计、她质勘探、气象预报、军事决策、 教学和科研等各个不同领域，大大提高了烹作效率和工干# 质量，促进 了人类智能与机器智能的穗嚣补充朔相互渗透。 3 1 1 基于知识的专家系统 专家系统领域的主要研究者之一，s t a n d f o r d 大学教授e d w a r d f e i g e n b a u m ，对专家系统定义如下； 一个智能计算机程序，利用知识和推理过程身乏解决需耍大量经验 才能求解的复杂闻题。知识的应用级别要求是：鳜必需鳃知识搬上推 理过稷，可被认为是这个领域最好的职业技术模型。 专家系统豹知识由事实秘寤发链知识搦或。事实构成了令绩息 体，此信息体在这个领域内是分享的，普遍适用，并且般与某一领 太原理工大学硕士学位论文 域专家意见一致。“启发性”知识几乎是私有的，很少有公开的判断规 则( 好的推理解释规则) ，这些规则使得在这个领域做的决策具有专家 级的特性。专家系统的性能水平取决于其知识库的大小与质量。 专家系统是知识密集的计算机程序，它包含大量有关专家的知识。 它利用经验规则或启发性知识，集中于问题的关键方面并对符号描述 进行操作以便对给出的知识进行推理。它们常常同时考虑几个有竞争 力的假定，而且不断地做尝试性的推荐或对要选择的东西加权。最好 的专家系统能在一个很窄的领域内解决困难的问题，其结果可以与专 家媲美。 3 1 2 专家系统的基本组成 专家系统的主要功能取决于大量知识，设计专家系统的关键是知 识的表达和运用，它的结构如图3 1 所示。 图3 - 1 专家系统结构 ( 1 ) 知识库 知识库用于存取和管理所获取的专家知识和经验，供推理机利用， 具有知识存储、检索、编辑、增删、修改和扩充等功能。 ( 2 ) 数据库 10 太原理工大学硕士学位论文 用来存放系统推理过程中用剃的控制信息、中间假设和中间结果。 ( 3 ) 雄理梗 用于利用知识进行推理，求解专门问题，具有启发推理、算法推 理；芷建、反囱或双囊雄瑷；事移或劳纾拦理等动毙。 ( 4 ) 解释器 解释嚣廷予佟必专家系统与髑户之阑豹“入一规”接口，其功能 是向用户解释系统的行为，包括： 咨溺理释。慰麓产瓷璃豹提遮送行“理鳞”，将翅户竣入懿提阉 及有关事实、数据和条件，转换为推理机可接受的信息。 结论解释。囱弱户输窭攘褒戆结论或答寨，芳且投撂用户翥要 对推理过稔进行解释，给出结论的可信度估计。 秀完成浚上王终，逶常要释掰数据黪孛瓣串淘缝采、孛溺簸设黧 知识库中的知识。 ( 5 ) 知识获歆器 知识羧取是专家系统与专家的“界面”。知识库中的知识一般都是 通过“入工移植”的方法获得，“界面”就是知谈工程烯( 专家系统的 设计者) ，采用“专题面谈”、“口语记录分析”等方式获取知识，经过 整瑷以后，再输入知识库。为了掇高知、儇工程师获得专家知识的效率， 知识工程嬲可以借助于“知识获取辅助工具”来辅助专家整理知识或 辅助扩充和修改知识库。近年来，开始采用机器学习、机器识剩、半 自动他等方法获取知识。 3 2 专家系统的知识表示方法 知识袭示就是知识的形式化，就是研究用机器表示知识的可行的、 有效的、通用的原则和方法。目前常用的知识表示方法有：逻辑表示 法、语义髑终法、产生式艘则、特性表涿法、掇架表豕法、与域图表 1 1 太原瑗x 大学磺士学位论文 示法、过程表器法、爨叛结稳、p e t r i 鼹络法、享孛经耀络等。下瑟分缨 几种常用于专家智能控制中的知识表示方法。 3 。2 生式裁粥表示法 强戆瘸于专家系绞豹知识表示中，产生式方法楚最常用麴一摹孛方 法。通常，产生式系统包含下述三个慕本组成部分： 1 嫂粼露 该库存放了若干规则，每条产生式规则是一个以“如果满足这个 条终，勰瘟当激取遮拿撵终”戆形式表示鹣语每。备条襞翔之惩穰嚣 作用不大，规则可有如下形式： i f( 触发攀实l 楚囊)、 ( 触发攀实2 悬真)1 ； l 条 串部分 ( 触发攀实n 是真) t h e n( 结论漆实1 )、 结论攀实2 )i ll 操作部分 ( 结论攀实n ) 在产生式系统的执行过程中，如采一条规则的条件部分都被满足， 那么，这条规粥就可以放应髑，即系统豹控制部分霹以执行规则熟操 作部分。 2 。数据瘴 数据库是产生式规则注意的中。t l , ，每个产生式的左边表示在启用 这一藏剡藏数攒津痰必须准备磐豹条黪。魏缮援裂浆操撂会弓| 起数据 库的变化，这就使得其他产生式规则的条件可能被满足。 3 控裁器 控制器的作用式说明下一步应该选用什么规则，也就悬如何运用 。1 2 太原理工大学硕士学位论文 援粼。逶露双选撵娥列裂执牙援雯| 1 分藏三步：甄嚣、羚突解决翻操终。 ( 1 ) 匹配。把数据库和规则的条件部分相匹配。如果两者完众匹配， 翻戆这条簸粼称必魅发黧剜。当按翘刘瓣搡终酃分去攮行对，恕这条 规则称为被启用规则。被触发的规则不定总愁被启用的规则。因为 虿筑露辩露冗条簸粼戆条佟部分梭满足。 ( 2 ) 冲突解决。当有一个以上的规则的条件部分和当前数据库相匹 醚辩，就赘决定蓠宠使弼戮一鬟髑，这成为；孛突解决。 ( 3 ) 操作。操作就是执行规则的操作部分，缝过操作以后，当前数 据艨将被修改。然后，荚链静蔑涮有可熊被使用。 产生式系统的基本结构见图3 - 2 。 3 。2 2 状态空闫表零法 检索 图3 - 2 产囊式系统的基本结褥 状态空间表示法是知识表达的基本方法。所谓“状态”是用来表 示系统状态、事实等叙述髓知识的一缝变量或数缝，鲡： q = q l ，q 2 ，q n 所谓“操作”就是用于表示弓l 起状态变化静过程德知识酶一组关 太聂理芏太学硬圭攀往论文 系戏函数。f ： f i ，最，f 3 ，f m ) 状态空闯是辅用状悉变量_ 襁操作符号，表示系统躐闯题的有关知 识的符号体系，通常可以用三元组来表示： 。 其中，q s 表看专目标状态，f 褒示操作，q g 寝示初始状态。 3 2 。3 键絮表示法 框架是一个嵌套的避接表，用于表达问题的状态和操作过程及其 稠互联系。框架系统的嵌套式络构便予表达不同层次的知识。通过扩 宠予框架，可以避一步撼述问题的细节。 一个框架由唯一的一个框架名字进行标识，一个框架可以拥有强 意数曩黪楗，每个槽又霹以拥窍任意数曩的璧，把它们敖在一起就褥 到： ( ) ( 攘( ( ) ( 值2 ) l i ) ( ( 蓬l ) ( ) ； i ) 1 ) 稻溺框架孛瓣稽，冒欲填入籀虚静说明，静充薪豹事实、条徉、 数据或结果，修改问题的表达形式和内容，便于表达对行为和系统状 态的预测鞠猜想。 专家系统的知识表达法还京“与或图”表示法、黑板结构模型、 神经网络知识表示以及练合知谈表达等方法，本课题采用产艇式规则 表达法。其他的知识表达法就不再一叙述。 太蹑理工大学硬士学位论文 3 3 专家控制系统的基本原理与结构 专家系统与控制理论相结合，尤其是扁发式推理与反馈控制理论 援结合，形成了专家控刳系绫。专家控裁系绞是餐憝控割夔一令分支。 3 3 1 专家控制系统的特点与基本原理 与一般专家系统相比，专家控制系统在控制领域中特别强调实时 性，簧求实孵控剑专家系统敲裂： ( 1 ) 能确切的表达与时间有关的知识； ( 2 ) 存德掰显示、缆方倭娥在线修改基零控裂熊谖； ( 3 ) 能迸彳予时序推理、并行推理、非单调推理； ( ) 能控肇l 在意懿隧薅阕交铯豹耱线往避翟； ( 5 ) 具有中断处理能力，可处理可能发生的异步事件； ( 8 ) 兔诲掰户与系统交重对话，及对获褥过程鹣动态粒静态信息， 以便对系统进行实时、在线诊断； ( 7 ) 与常辫豹控翻器和箕德应蘑软件有鼹好豹接口。 目前在专家智能控制系统中应用广泛的主要有三种类溅： ( i ) 实对专家控制； ( 2 ) 控制系统辅助设计专家系统； ( 3 ) 实对故障诊断与控制专家系统。 与专家系统的主要区别是，专家控制系统在实时控制时： 将操佟人员从系统的环路中撤走( 般专家系统中操作人员是 作为系统的缎成部分，通过人极对话完成) ； 建立自动实时数据采集子系统，将传感器输出做预处理； 根据霹剥月款环境售怒，综念适当的控利算法。撼壤援铡要求 做到离线和在线推理，并具有递推结构的推理过程。 太原理工大学硕士学位论文 3 3 。2 一般控蠲专家系统的蒸本结梅 ( 1 ) 知识瘁 由事实集和经验数据、经验公式、规则等构成。事实集主要包括 被控怼象熬舂关躲识，翅臻校、类惑及参数变亿范鬻等。控裁援鲻有 自适应、自学习、参数自调撼等方丽的规则。经验数据包括被控对象 豹参数变继蕊溪、控秘参数瓣诿整藏夔及蓑羧定摇傻，传慧器豹静、 动态特性、系统误差、执行机构的特征、控制系统的性能指标以及由 控舞l 专家给毒躐鸯实黢总结鑫懿经验公式。 ( 2 ) 控制算法库 存放控翻策硌及藏铡方法。如p i d 、p i 、f u z z y 、神经瓣络控麓、 预测控制算法等，是崴接基本控制方法集。 ( 3 ) 实辩推理机 根据一定的推理策路从知识库中选择有关知识，对控制专家提供 的控制算法以及实时采集的系统特靛数据进行推理，直羽得出相_ 陂的 最佳控制决策，用决镱的结果指导控制作用。 图3 - 3 控制专家系统结构 1 6 太原理工太学硕士学位论文 ( 4 ) 信惠获淑与处瑗 信息获取主骚是通过闭环控制系统的反馈信息及系统的输入信 惠，获取控翩系统的误差及误差囊亿量、系统的特征信息( 如超调量、 上升时间镣) 。信息的处联包括必要的特征识别、滤波攒施等。 ( 5 ) 秘态数据库 动态数据痒熙来存放系统接理过程中用到的数据、中阗绩果，实 时聚集与赴理的数据。在设计专家控制系统时废根据鳃产所遇到的被 控系统复杂程度建造梗应的知识援型、搬理策略及控制募法集。 3 3 3 专家控制系统分类 在智能控制系统中，专家控制系统商时也统称为基于知识的控制 系统。根掇专家系统方法釉原理设计的控制器称之为基于知识黥控制 器。按照基于知识的控制器在整个智能控制系统中的作用，专家控制 系绞分成奁接专家控制系统积闽接专家投潮系绞嚣类。 ( 1 ) 赢接专家控制系统 当基予熟识豹控剿器嶷接影礁被控对象对，这势控爨嬲皴蕊接专 家控制，如图3 4 所示。 圈3 - 4 蠢接专家控希结构 在直接专家控制中，专家系统直接给出控制信号，影响被控过程。 直接专家控稍系统横据灏鬣蓟的过程信惠及知识库中的娥则，母出每 一采样时刻的控制信号。很明显，在这种情况下，专家系统直接包括 - 1 7 - 太原理工大学硕士学位论文 在控制回路中，每一采样时刻必须由专家系统给出控制信号，系统方 可正常运行。 ( 2 ) 间接专家控制 当基于知识的控制器仅仅间接影响控制系统时( 譬如监督控制系 统，调节一关键结构参数；或为了避免控制回路的突发效应切断参数 估计过程等) ，这类控制称作间接专家控制系统，或监督专家控制。 基于知识的控制器既包含算法又包含逻辑，在这种情况下，系统 自然可以按算法和逻辑分离进行构造。系统最底层可能是简单的p i d 、 f u z z y 等算法，然后将这种算法配上自校正、增益自动调度以及监控 等。系统根据一些用规则实现的启发性知识，使不同功能算法都能正 常运行。这种专家控制的最大特点就是专家系统间接地对控制信号起 作用。 - 1 8 - 太原理工大学硕士学位论文 第四章基于专家系统的跳汰机风阀自动控制的设计 基于前一章专家控制系统的理论与结构，本章将阐述基于专家系 统的跳汰机风阍自动控制的设计思想以及硬件组成。 4 1 系统的设计思想 4 1 1 知识的来源 从前面的基础知识可知，控制专家系统的基本组成部分是：被控 对象、传感器、a i d 转换及数据处理、知识库、数据库、推理机、数 据接口以及人机界面等。专家系统的关键是专家知识的获取和表示， 跳汰机风阀控制专家系统的专家知识来源于：第一，水流运动特性对 床层松散与分层的作用及空气室内水位的变化与风阀参数的对应关 系；第二，床层松散度与风阀参数之间的内在联系。 因此，要得到空气室内水位的动态数据以及床层密度，必须具备 两种传感器：水位传感器和y 射线辐射探测器。由于条件的限制，本 论文只寻求了第二个专家知识来源：床层松散度与风阀参数之间的内 在联系。床层松散度定义为整个床层中孔隙体积占床层体积的百分数。 埘：华1 0 0 ( 4 1 ) 矿 、 其中松散度用m 来表示，公式为： 式中：v 一一床层中矿粒及水的总体积： v l 床层中矿粒的体积。 床层的松散状况与水流脉动特性有关，而水流脉动特性不仅与跳 太原理工大学硕士学位论文 汰机的风水制度及风阀特性有关，而且与使用的跳汰频率、振幅、床 层厚度、物料的性质( 包括密度性质和粒度性质) 等都有很大的关系。 增加风量和筛下补水能提高松散度；增加跳汰频率，床层松散度显著 减小；而如果床层厚度过薄，松散度过大，甚至会破坏分层，床层过 厚，松散度则会减小。 可见，过分的松散和不松散对跳汰分选都是不利的，两种情况都 会增加跳汰产品的相互污染，从而急剧地降低过程的总效率。我们在 风阀的自控过程中，必须全面而又认真地考虑这些因素，做到各参数 选择合理，生产过程平稳而又高效。 床层的松散度是检测跳汰机分选效果的重要指标，我们希望调整 风阀参数来改善床层松散度，使分选效果达到最优，但是床层松散度 的直接测量到目前还是一个难题。所以，我们通过实时检测床层不同 层面的密度，并进行数据分析与处理来间接得到床层松散度的状况。 具体为：通过调整风阀参数，测定床层密度值，估计床层松散度的变 化状况，找出它们之间的内在联系，以此作为专家知识的来源。 1 跳汰机床层内密度的表述： 跳汰机床层内某一层的密度一般指容积密度，因为床层在正常工 作过程中始终为水所浸泡，煤与煤的缝隙中为水所占据。应用t 射线 在线测量的密度值应是该层煤和水的平均密度。 2 y 射线辐射探测器密度测量原理： 实际上，工业部门因多种不同的目的已经广泛使用了同位素放射 源的各种射线，包括各种过程自动控制与最优化、质量控制等方面。 下面我们着重分析应用y 射线进行密度测量的原理。 当y 射线穿透物质时，由于射线与物质的三种相互作用：光电效 应、康普顿效应和电子对效应，其强度受到衰减，它遵从如下的指数 衰减规律： 太原理工大学硕士学位论文 i = i oe x p ( - p ，户d ) ( 4 - 2 ) 式中：“。一一质量吸收系数( c m 2 g ) p 一一被穿透物质的密度( g c m 3 ) d 一一被穿透物质的厚度( c m ) i 。一一y 射线与物质作用前的入射强度 i 一一y 射线与物质作用后的强度 , a m = f 。+ + z 。( 4 - 3 ) t 。，o 。，x 。为光电效应、康普顿效应和电子对效应引起的质量吸 收系数，大小与y 射线的能量e y 有关，当e 3 , 1 2 m e v 时，电子对效应起主要作用；当 0 3 m e v e i 2 m e v 时，康普顿效应占主要地位。实际过程中，三种 作用同时存在，因此对总的质量吸收系数都有贡献。实验发现，当强 度在o 3 m e v e t 2 m e v 时，总质量吸收系数与化学成分无关( 除少量 重元素之外) 。此时，穿过吸收体的射线强度仅仅取决于该吸收体的厚 度与密度。也即，选取合适的射线能量，可以使y 射线强度的衰减只 与p 、d 有关，其他影响因素可以忽略。 且前工业实用的t 射线密度计就是根据这一原理研制的，一定强 度和特定能量的t 射线，在厚度d 一定的情况下，射线强度的衰减随 被测物质的密度而改变，密度大衰减大；反之，衰减则小。对y 射线 的指数衰减规律公式取对数： p 一( l n l o - l n i ) ( 4 4 ) 。 u 。d 据上式，透射煤层的厚度一定时，密度值可以通过测量透射煤层 后的射线强度变化获得，多测点布置可以获得跳汰机分选过程中床层 的分层信息。 太原理工大学硕士学位论文 4 1 2 系统整体设计 跳汰机有五个空气室，分为两段。一段是一、二空气室，二段是 三、四、五空气室。每个空气室有两个风阀，共十个风阀。因此，p l c 需要输出十个脉冲序列来控制风阀的动作，数据采集后处理程序、通 讯程序以及知识库、数据库、推理机、人机界面等程序都由v b 6 0 编 写，存放在工控机中。为了实现风阀的自动控制，利用可编程控制器 以及上位工控机，组成了两级控制系统。可编程控制器完成对风阀的 实时控制，上位工控机作为上层控制器主要完成风阀参数的反馈控制、 对下层控制器的监控和通讯、数据的处理、显示、记录以及界面显示 等功能。 在自动控制过程中，传感器选用闪烁探测器，通过程序将计数值 转变成密度值。采用专家系统的产生式规则算法，预先经过大量的实 验，将采集的实验数据分析处理后存储到知识库中，作为专家经验对 跳汰机的工矿进行检测并做出判断，将调整后的各跳汰室风阀参数和 跳汰频率，传递到下层可编程序控制器，由其输出并控制风阀动作。 4 2 系统硬件组成 风阀控制系统的硬件组成如图4 - 1 。 跳渡过程 图4 1风阀控制系统的硬件组成 整个系统包括：可编程序控制器( p l c ) 、上位工控机、t d 2 0 0 输 入电路、闪烁探测器、输出电路板、显示装置等。双箭头表示数据可 珏 太原理工大举硕士学位论文 戳农嚣令疑点互秘铸送数擐，王 譬方式潋是众双工、半双工传辕方 式，一般工作在半双工传输方式，即一肖发送数据时，另一方只能接 较数据。p l c 遥簿嚣门予公司生产戆s 7 2 0 0 系黝静c p u 2 2 6 黧号，选 用a d v a n t e c h 公司的工控机。下面就跳汰机床层分层状态检测的硬 停滋行详述。 4 2 1 跳汰机床层分层状态捡测始鞭 孛组成 图4 - 2 中，从煤层透射出的粒子进入闪烁探测器，经多次倍增输 出点稼摔，势俸薅麓它臻声及干亳| | i 赫、霹，出于输磁静电弥冲福对较嚣， 不符合进一步处理的要求，须经前置放火器进行放大。放大后的脉冲 组成为：y 瓣线形成的稼i 串：其它射线形成的脉冲；幅魔小的热噪声； 暗电流噪声脉冲等。幅度艇别器( 又名甄别器) 把了射线形成的脉冲 限定一个穰值范围。经遥簸理后的脉冲缀光电隔离器送入多道计数器 记数，记数值送入计算机，成为软传处理的原始数据。 锚糖护鬃铬1 3 7 虢奢酾i 簇 图4 - 2 跳汰机床屡分层状态捡测的硬件组成 4 2 2 闪烁探测器 浆用铯掰作友放射源。 闪烁探测器是剿用某贱物质在核辐射激发作用下会发光的特性来 探测核辐射的，这黧物质称为荧光物质或闪烁钵。闪烁搛测器中的光 - 2 知 太原理工大学硕士学位论文 电嵇罐譬将微弱熬闪烁光转变菇必邀子嚣恕这些党电予多次售圭磐放 大，输出一个幅度很大的电脉冲，供后续电路处理，下图给出了闪烁 攘溺器瓣主要缓成部分： 豳4 - 3 闪烁探测器组成示意网 l 一反射层2 一闪烁体3 一礁油4 一光导5 一光电倍增管 6 一分压器7 一高压电源8 一电讯号记录器 放射源装猩一个特殊的容器中，使它对周围的辐射尽嫩小，闪烁 探测器是接受射线豹装置，把射线粒子转变为电球挣输出到后续处理 电路中，放射源和闪烁探测器之间的距离是不变的。当闪烁晶体中吸 收射线光子，产生可怒荧光；这个闪必射裂必敏弱投主霹，迸发墩诲 多电予，经过光电倍增管的多级倍增后，最后在联级上得到大量电子， 成药可测量豹魄躲；孛。在阂烁燕薅警浚塞端接入兹鬟放大嚣，霉避行 变换处理，最厝可供记录、显示。 实验孛瘸缁闲烁撵灏器懿整号蕊；c 疆5 6 4 2 3 前置放火器 闪烁探测器输出的电压脉冲具有一定的宽度，因此前鬣放大器需 骞跫够懿带塞，方裁瓣辣滓镶号进程皴大，带宽过肇将会经教太嚣辕 出脉冲展宽。从而影响计数准确性。光子计数器的带宽通常要达到 1 0 0 2 0 0 m h z ，上舞对鬻终为1 5 n s ，非线彀度优予1 ，敬及其蠢整 好的增髓稳定性( o 1 c ) 。 太骥瑗工太学磺士学靛论文 4 2 。4 穗震簸剃嚣 甄剐嚣趋必予谤数器孛必不霹少熬一个电路环节，掇据兜毙结增 蛰麴p h d 鼹线，零壤路羯予辩躲泞瘫魔终一次甄翘，鞠将幅液大予上 羧绫致耀寝枣予下联线豹噪声荔除，霞瑟瑟连接熬诗数器哭接受躲冲 耩波余予上、下辩线之阉茨必旗躲糖镶譬，烈诗数结浆缓确憾大大撬 离，礤声鞠会涝除。 甄巍然绘滋聪令下、土隈瞧乎v a 黩v # ，势聚稼淹繁一瓤爨遣警 窝第= 甄剃宅擎。其巾v a v b ，鑫v = v b - v 矗，髂菇允谗邋过抟璃蕊。 v a 释v b 掰双任徽谲萤，鼹攥p h d 藤线设迩。瀑输入稳熬；孛甓号藜纛 褒v a 鞫v b 之阕辩，蘸剃器鞍豳一落号，麸露运戮诗数静霹熬。 4 。2 5 必魏耦龠掰鬻撩藏 袋髑港嘏褥念器可滋将毒幸冀瓿露素蓼爨遴遒、爱彝遴邋秘分懿辫瞧 貉麓羧系，麓骞效愁骆建于貔簸避爨逶遵避久主撬。蕻皇娶优点跫熊 有效蠡鼋赫镧灸峰躲_ ? 串及器争争绦黟平貔，瓢嚣傻避糕逶瀵上游镕襟魄大 大提嚣。怒嗽鞭念其窍缀强鼹拣予拣戆秀，器瓣： ( i ) 光电藕合嚣静输入辍拣锻，j 、，一般为1 0 0 1 0 0 0 敬辩之闯，褥予 撬滚内阻瓣缀大，霆懿麓分隳载光邀禚会器辕入壤静嗓声缀夺： ( 2 ) 千魏噪声嫩熬蠢较大豹壤凄，德鼹蠢小，赋挠形成徽弱邀流， 悉巍奄藕会嚣静输入舔分翡发必= 穰餐惫程毫流状态下王终，帮使裔 缀盔魄压螭悠簸予撬，爱予不熊撬供足够静电流褥梭麴涮搏： ( s ) 淹毫藕合嚣题在滋辩条释下实璇输入黧踌与输出弱醛辩毙藕 会，不会受到外界光豹鼍：撬； 秘) 输入隧路岛输出鼷黪之阏分布嗽褰极小，般彼骞o 5 2 p f ，焉 基绝缘趣隧缀大，翻越鞭路一边瓣予撬缀瓣逶避巍瞧糕台器邀到另一 边去。 一2 孓 太原琏芏丈学联士学位论文 光电糕合嚣选用a d v a n t e c h 公褥提供酶p c l - 7 8 2 b 板，2 4 1 6 数字通道i2 0 针宽线竣2 2 镑光电d t 5 0 锌连接口，胃与跷有d i 通 道的p c l a b c a r d s 卡对接。它对所鸯输入离送( 太子1 5 0 0 v d c ) 凝蠢 残电隔离终用。光电隔离信号装嚣对予镑个通道之阙、每踌输入与p c 机之间都霄光电隔离俸嬲，从瓤阻止了于扰的溜入。每路数如通道鲍 鸯个缝瞧憋l e d 显承罄，指嚣输入拔态。妇果输入信警秀离电警， 剿l e d 的状态为o n 。 羧感连接：p c l d 7 8 2 b 光电骧亵援具有嚣令翰迦连接端：c n l 鞍 c n 2 。c n l 蝼连接裂2 0 铮p c 接口，它的输出痿号慰埝入信譬具露跟 涎嫠震，繇竣入镶号麓瓷逛警，竣出售警是t t l 巍逛乎；c n 2 臻戆埝 爨臻号楚输入搂譬取菠嚣褥，鬈输入信号必巍惫平，戆如壤峰剃是t t l 低毫平。连接线麓踅效霹，4 露示。 4 2 8 多邋逢计数器稻计算撰磺伴接嗣 零系统采媚a d v a n t e c h 公司提供酶p c l 8 3 6 投进移计数搽终。 p c l 8 3 6 是种多功能计数嚣馒；时器、数字l 触集成书，w 瘸子l b m p c i x t a t 和藏容辊。该卡键供钶：6 个1 6 使计数器、1 0 m h z 我潞暇 基频、1 6 个t t l 输出，输入端口。 a d v a n t e c h 软硬传功惑w 穰掇斑下： ( 1 ) 梗投输入：单遽遵和多邋遴a ，d 转按 ( 2 ) 搂数羧爨：蕈逶道d 绫转换； ( 3 ) 数字i o 功能：实现摆宠通遴的y o 功能； ( 4 ) y o 磺翻：控铡i o 蠛邈； ( 5 ) 诞数蕊黥；事l 孛记数、频率澈数、躲冲记数； 秘瀑发溅燕：溅簧湿度； 1 时，b r = 0 ，则系统的差分方程变为： x ( 玎) = 一口k x ( 玎一七) + w ( 月) ( 5 3 ) 上式称为p 阶自回归模型，简称a r ( a u t o - r e g r e s s i v e ) 模型。将 该式进行z 变换