（核技术及应用专业论文）基于模糊神经网络的磨机负荷控制系统研究.pdf

原创性声明 y 6 0 5 2 5 3 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：参l 叶 日期咖口仁年，月娜 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储签名i 训呷导师虢瑚凝设日期如年j r 胁日 刘冲 南华大学同等学力人员硕：i j 学位论文 基于模糊神经网络的磨机负荷控制系统研究 论文摘要 摘要：磨机是铀矿等矿石选冶过程中的主要粉碎设备，也是核分析与测量样品研 磨制备的重要设备。在生产过程中，磨机要适应各种工况条件下的物料粉碎，如何控 制好矿石碎磨过程的工艺参数十分关键。在诸多的工艺参数中，磨机负荷又是粉谗设 备生产过程控制中的关键参数之一，保持磨机负荷的相对稳定对改善产品质量、提高 粉磨效率和降低能耗具有十分重要的意义，因此，磨机负荷自动控制是矿石碎磨过程 控制研究中的一个重要课题。 由于矿石碎磨过程具有系统结构复杂、过程高度非线性、扰动作用的不确定等特 点，是一个典型的复杂非线性不确定系统，采用基于对象模型的传统p i d 控制或者普 通模糊控制方法对磨机负荷进行控制难以取得理想的控制效果，因此，提出了一种基 于模糊神经网络的磨机负荷控制方案。采用模糊逻辑和神经网络控制策略，设计了新 的控制算法来解决磨机负荷控制问题。系统中，将模糊控制技术与神经网络技术相结 合，构建模糊神经控制器，利用神经网络实现模糊逻辑推理，神经网络通过对训练样 本的学习，产生、修正并优化输入输出之间的模糊规则，提高磨机负荷控制系统的 适应能力，改善控制系统的性能。 在研究的第一部分，介绍了课题的来源以及矿石碎磨过程的工艺原理。第二章， 综述了磨机负荷自动控制的研究和发展形势。第三章，分析和研究了磨机负荷的静态 特性和动态特性、磨机吸用功率及磨机电动机电流与磨机负荷的变化规律；第四章和 第五章，用传统p i d 控制和普通模糊控制方法对磨机负荷的控制分别进行了分析和 m a t l a b 仿真实验。最后，在研究了普通模糊控制器控制磨机负荷的基础上，针对磨 机负荷的非线性、不确定性特点，第六章着重讨论和分析了所提出的磨机负荷模糊神 经网络控制方案，并对控制系统性能进行了仿真和实验研究。 m a t l a b 仿真和实验结果表明，模糊神经网络用于矿石碎磨过程磨机负荷自动控 制可以获得比传统p i d 控制和常规模糊控制具有更好的适应能力和稳态性能，保证了 磨机负荷状态的稳定，满足了生产工艺的要求。 刘冲南华大学同等学力人员硕士学位论史 研究表明，模糊神经网络技术用于磨机负荷自动控制能够很好地改善控制系统的 品质，具有较好的实用价值和应用前景。由于受条件的限制，研究是基于仿真实验和 在试验机组上进行的，所获得的结论也只是取得了阶段性的初步成果，因此，本项目 还有待于更深入的研究和进一步的试验。 关键词：磨机负荷：适应能力：模糊控制： 模糊神经网络 竺l 型】_ 一一 堕兰查兰旦堇差垄曼塑土堂垡堡塞 r e s e a r c ho nm i l ll o a d c o n t r o ls y s t e m b a s e do n f u z z y n e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t ：m i l li st h em a j o re q u i p m e n to f o r e d r e s s i n ga n ds m e l t i n go fu r a n i u mo ro t h e r o r e s ，a n da l s oa ni m p o r t a n te q u i p m e n to ft h es a m p l eg r i n d i n ga n d p r e p a r a t i o nf o rn u c l e a r a n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n t t h em i l lh a st oa d a p tt oav a r i e t yo fm i l lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n s d u r i n gg r i n d i n g i t i s v e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o lt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e g r i n d i n gm i l ll o a di so n eo ft h ek e yp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fo r e g r i n d i n g i ti sv e r y s i g n i f i c a n tt ok e e pt h er e l a t i v es t a b i l i t yo fg r i n d i n gm i l ll o a di no r d e rt oi m p r o v et h e q u a l i t y o f p r o d u c t s ，r a i s e t h e e f f i c i e n c y o f o r e g r i n d i n g a n dr e d u c et h e e n e r g y c o n s u m p t i o n s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho na u t o m a t i cc o n t r o lo fg r i n d i n gm i l ll o a di so fg r e a t i m p o r t a n c e i nt h eo r e - g r i n d i n gp r o c e s s t h e p r o c e s so fo r e g r i n d i n gi sat y p i c a lc o m p l e xn o n l i n e a rs y s t e mw i t hc o m p l i c a t e d c o n s t r u c t i o n ，h i g hn o n - l i n e a r i t ya n du n c e r t a i nd i s t u r b a n c e i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i ni d e a l r e s u l ti nt h em i l ll o a dc o n t r o lw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sb a s e do n p l a n tm o d e l s s o ，a n e wc o n t r o ls c h e m eb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r k ( f n n ) f o rc o n t r o l l i n gm i l ll o a di s p r e s e n t e d b yu s i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s o ff u z z yl o g i ca n dn e u r a ln e t w o r k s ，an e w c o n t r o la l g o r i t h mi s d e s i g n e dt o s o l v et h ec o n t r o lp r o b l e mo fm i l ll o a d i nt h ec o n t r o l s y s t e m ，t h ef n n c o n t r o l l e rc o m b i n e sf u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r k t e c h n i q u e n e u r a l n e t w o r ki su s e dt oa c h i e v ef u z z yl o g i cr e a s o n i n ga n dt oc r e a t e ，c o r r e c ta n do p t i m i z e f u z z y r u l e sb e t w e e n i n p u ta n do u t p u tb yl e a r n i n gf r o mt r a i n i n gd a t a f n nc o n t r o l l e rc a nr a i s et h e a d a p t a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e so f t h e m i l ll o a dc o n t r o ls y s t e m i nt h e t h e s i s c h a p t e r 1i n t r o d u c e st h e o r i g i n o ft h er e s e a r c h t o p i c a n dt h e t e c h n o l o g i c a lp r i n c i p l e o f o r e - g r i n d i n g c h a p t e r 2s u m m a r i z e st h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f a u t o m a t i cc o n t r o lo f g r i n d i n gm i l ll o a d c h a p t e r3a n a l y z e st h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fm i l ll o a d ，t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h em i l l sa b s o r b e d p o w e ro rt h ec u r r e n to fm i l lm o t o ra n dt h el o a d c h a p t e r4a n dc h a p t e r5a n a l y z ea n d s i m u l a t et h ep e r f o r m a n c e so fm i l ll o a dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n d 3 刘冲 南华人学同等学力人员硕上学位论文 f u z z y c o n t r o lm e t h o d r e s p e c t i v e l y l a s t ，b ys t u d y i n gf u z z yc o n t r o l l e ra n dc h a r a c t e r i s t i c so f m i l l l o a d ，c h a p t e r6d i s c u s s e sa n da n a l y z e se m p h a t i c a l l yt h em i l ll o a dc o n t r o ls c h e m e b a s e do nf n n ，w h e r es i m u l a t i o na n dt r i a la r ec o n d u c t e dt om r t h e r s t u d yt h ep e r f o r m a n c e s o fc o n t r o ls y s t e m s i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si nm a t l a bs h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o nf n nc a na c h i e v eb e t t e rc o n t r o le f f e c t so fa u t o m a t i cc o n t r o lo f g r i n d i n gm i l ll o a dt h a n t h a to nt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lo rf u z z yc o n t r o li nt e r m so fa d a p t a b i l i t ya n ds t e a d y s t a t e a c c u r a c y t h el o a ds t a t eh o l d ss t a b l ea n d s a t i s f i e st h ep r o d u c t i o n p r o c e s s t h er e s e a r c hi nt h et h e s i ss h o w st h a tt h ea p p l i c a t i o no ff u z z ya n dn e u r a ln e t w o r k t e c h n i q u e s t om i l ll o a da u t o m a t i cc o n t r o lc a ni m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o ls y s t e m i th a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n dc a nb ea p p l i e dw i d e l y h o w e v e r , a sar e s u l to fl i m i t e d c o n d i t i o n ，t h ec o n c l u s i o ni nt h et h e s i s i s o n l ya na c h i e v e m e n to f t h ei n i t i a ls t a g e t h e p r o j e c td e s e r v e st ob e f u r t h e rs t u d i e da n d e x p e r i m e n t e d l i u c h o n g ( n u c l e a rt e c h n o l o g y a n di t sa p p l i c a t i o n ) d i r e c t e db y p r o f t a n gy a o g e n g k e y w o r d s ： m i l ll o a d ； a d a p t a b i l i t y ；f u z z yc o n t r o l ； f u z z y n e u r a ln e t w o r k 4 刘冲 南华大学一j 等学儿人员硕 一学位论文 1绪论 1 1 课题的来源 “矿石碎磨过程智能控制研究”为湖南省教育厅高等学校科研基金资助和湖南耒 阳超牌重钙化工有限公司配合下开展的研究项目。二o o o 年十二月立题，由南华大 学研究开发。 矿石的碎磨过程，就是把大粒度矿石物料利用破碎机或磨机来破碎或磨细至符合 较细粒度要求的生产过程。矿石的碎磨或研磨在核测量与分析样品的准备、核燃料的 生产与加工以及乏燃料有效地处理等方面都有着极其重要的作用，它是核工业铀矿选 冶的一个重要环节，也广泛应用于其他金属或非金属矿石的碎磨选冶过程。因为， 在大多数的碎矿车间，首要的控制目标是在具有最佳经济效益的同时，使给定粒度的 矿石产量达到最大。其次，象降低能耗、减少磨机系统磨损、减少定员和防止空磨或 闷磨等也是控制的重要目标。尤其是伴随着现代高新技术和新型材料产业以及传统产 业的技术进步和资源综合利用与深加工等的发展要求。超细粉磨技术更是一项新的粉 碎工程技术，也是最重要的工业矿物及其它原材料深加工技术之一，对高新技术产业 的发展具有极其重要的意义。 利用磨机将大粒度物料磨碎至较细粒度物料的主要目的是2 j 【3 】： 1 ) 、解离矿石中有用成分。由于矿石中有用成分同杂质紧密地结合在一起，只有将 其充分粉碎，才能使有用成分释放出来，即所谓“解离”。 2 ) 、增加物料的比表面。比表面是单位重量或体积的物料的表面积，物料的粒度越 小，比表面将越大。 3 ) 、下一步深加工的原料准备。 比如，在铀的生产过程中对铀矿石进行碎磨的作用是：提高浸出率，降低尾矿中 铀的含量。既可以提高铀的产量，又有利于环境保护。 在铀的冶金及铀矿加工过程中，破碎和磨矿操作的主要目的是达到有效浸出所要 求的解离度。其次要目的是得到一种能够被制成浆体并能够在整个系统中用泵输送的 物料。对于不同的矿石，为了达到这些目的所要求的磨细程度可能不尽相同。比如， 砂岩铀矿石通常只要求砂粒彼此裂开，表面被充分地擦洗，使得铀矿物暴露出来，能 刘冲 南华大学同等学力人员硕士学位论义 与浸出剂起反应。但对于含有难浸铀矿物的矿石而言，则需要磨细。而所要求的磨矿 粒度随所要处理铀矿的矿物学特性和类型而异，可以从3 目到2 0 0 目。对于不同的铀 矿石，应确定其最佳操作所要求的磨矿粒度，不n i l - 对磨矿粒度的要求也有很大差 别。例如，大多数用酸法浸出砂岩型矿石的工厂，磨矿粒度一般在一2 8 目至一3 5 目的 范围，而用碱法浸出的石灰岩矿石，磨矿粒度通常为一6 5 目。砾岩矿石所要求的磨矿 粒度变化范围就更大，往往用通过2 0 0 目筛子的物料的百分数来表示。5 0 2 0 0 目的 磨矿粒度是很常见的，但有些铀矿石可能要求磨得更细【2 】o 许多铀厂采用了常规的三段破碎，然后是开路棒磨和闭路球磨。在美国怀俄明洲 的几座铀厂里，就有这类级联式的自磨机或半自磨机。在南非和加拿大，生产上还使 用了砾磨机。在半自磨技术引入铀矿石的碎磨过程后，最大的优点是取消了碎矿作业， 并且避免了在处理和贮存湿的粘性矿石或者冰冻的矿石时所遇到的困难。半自磨的另 一个重要优点是粉尘( 和氡气) 的排出被限制在一个操作区里，而且能更好地加以控 制。半自磨机后面还常接一台棒磨机或球磨机，这种系统不仅在经济上保持了取消破 碎系统的优点，保证了为使铀最大限度地解离而需要的磨矿操作的可靠性，而且还避 免了粒度过大的颗粒误入浸出系统。 磨机依碎磨原理不同会有多种结构形式，但无论采用什么样的磨机形式，矿石 碎磨过程都是选矿和矿物产品深加工生产的重要环节。在生产过程中，磨矿设备要适 应各种工况条件下的物料粉碎，为保证产晶的产量和质量，使磨矿设备磨机负荷保持 稳定状态是一个关键的因数【3 ，4 5 】。而矿石碎磨过程具有系统结构复杂、过程高度非线 性、扰动作用不确定等特点，是一个典型的复杂非线性不确定系统，难以用常规的建 立数学模型的分析方法来描述系统的特性【5 ，6 】，因此，矿石碎磨生产过程的控制一直 是生产中要解决的一个难点问题，也是复杂工业生产过程控制研究领域中的一个重要 课题。 随着控制理论的迅速发展，矿石碎磨过程控制的方法与策略也在不断改进，但 传统的基于模型的控制方法，如p i d 控制等，都难以适应矿石碎磨过程控制的高度非 线性和不确定性，因而控制效果不理想。智能控制理论的出现，为矿石碎磨过程控制 提供了一条新的途径。由于模糊控制是主要基于操作者的经验和专家知识，不需要对 象的模型，为解决复杂系统控制问题提供了一种解决方法；神经网络具有自学习和适 刘冲 南华大学同等学力人员硕上学位论文 应能力，更是处理复杂非线性问题的有力工具，因此，用智能控制的理论和方法来实 现对矿石碎磨过程磨机负荷进行控制是本课题研究要解决的一个主要的问题。 1 2 矿石碎磨过程的工艺原理 矿石碎磨过程是选矿和矿物产品深加工工艺的重要环节，这一环节中的碎磨设备 包括磨机、分级机、风力系统和给料装置等。其中磨机是碎磨过程的主要粉碎设备。 在生产过程中，磨机要适应各种工况条件下的物料粉碎，如何控制好矿石碎磨过程的 工艺参数非常关键。而在诸多的工艺参数中，磨机负荷又是粉碎设备生产过程控制的 关键参数之一【5 ，7 1 ，因此，磨机负荷的自动控制便成为粉碎设备生产过程控制研究领 域中的一个重要课题。 磨机的负荷自动控制不仅在铀矿的加工过程中有重要的作用，而且还是矿山、冶 金、煤炭、水泥和发电厂等其它行业中用咀提高粉磨效率、降低能耗的一个有力措施。 图1 1 是矿石碎磨过程的工艺流程示意图【5 ，8 1 。 图1 1矿石碎磨过程的工艺流程示意图 f i g 1 1 t h e d i a g r a mo f t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fo l e g r i n d i n g 在对矿石进行碎磨时，矿石原料经由给料装置、螺旋输送机送入磨机进行碎磨， 磨细后的物料由气流带入分级机内，再由分级机进行粗细料分离。分离后，粗料又返 刘冲 南华大学同等学力人员硕上学位论文 回给磨机重新进行碎磨，符合质量要求的细料则经过产品收集装置( 如除尘器等) 的 收集而成为产品。 在生产过程中，通过控制给料装置改变原料的给料速率，可以调节磨机的负荷量。 但是，物料在磨机中的粉碎过程是一个十分复杂的过程，磨机的负荷不但与原料的给 料速率有关，还与粗料的返料量和被磨物料的粒径大小及分布有关p 6 】，而粗料的返 料量和磨机中被磨物料的粒径大小及分布又是随时变化的。此外，被磨物料的形状和 性质如硬度塑性等因素也会影响磨机的负荷状态，可见，磨机的负荷与许多参数有关 和存在许多不确定的因素，难以用解析的方法来描述磨机负荷特性，给磨机负荷控制 带来了困难。 1 3 ，j 、结 矿石的碎磨过程是核工业铀矿选冶的一个重要环节，也广泛应用于其他金属或非 金属矿石的碎磨选冶。而磨机则是铀矿石等矿石选冶过程中的主要粉碎设备，也是核 分析与测量样品研磨制备的重要设备。 铀矿石碎磨的主要作用是：充分解离矿石中有用成分、增加物料的比表面、为后 续工序提供原料准备等。由于铀矿石经过碎磨后，既提高了铀的浸出率，又可以降低 尾矿中铀的含量，因此，不仅可以提高铀的产量，而且减少了放射性废料对生态环境 的污染，有利于环境保护。可见，矿石的碎磨或研磨在核测量与分析样品的准备、核 燃料的生产与加工以及乏燃料有效地处理等方面都有着极其重要的作用。 在生产过程中，磨矿设备要适应各种工况条件下的物料粉碎，为保证产品的产 量和质量，使磨矿设备磨机的负荷保持稳定状态是一个关键的因数。而矿石碎磨过程 是一个典型的复杂非线性不确定系统，难以用常规的建立数学模型的分析方法来描述 系统的特性，因此，矿石碎磨生产过程的控制一直是生产中要解决的个难点问题， 也是复杂工业生产过程控制研究领域中的一个重要课题。 刘冲 南华大学同等学力人员顾士学位论文 2 磨机负荷自动控制的国内外研究现状 由于磨机是矿石碎磨过程当中的主要粉碎设备，因而，磨机负荷的自动控制是保 证产量与质量、提高粉磨效率和降低能耗的重要措施之一。根据测算，采用磨机负荷 自动控制后，磨机的产量可以提高5 - 1 1 ，电耗则可以降低3 5 ，还有助于减少污 染，降低操作人员劳动强度，具有十分明显的经济效益和社会效益【9 j 。磨机负荷自动 控制技术是在控制理论和电子技术发展的条件下进入实际应用阶段的，并且随着控制 理论和电子技术的进一步发展而不断改进和完善。国内外文献资料显示，磨机负荷自 动控制大致可以分为如下几种类型； 2 1 模拟仪表控制盯鲫 二十世纪六、七十年代，国外大都采用模拟仪表进行磨机负荷控制。一般选用料 位、磨音、提升机功率和粗粉回粉流量作为控制参数，并形成了多种控制方案。瑞典 r m 博德( b o a r d ) “碎矿回路的仪表与控制系统”中所介绍的模拟仪表控制方式的原 理是采用带料位极限补偿的功率控制或者带功率补偿的料位控制，控制过程中所用到 的一种典型的料位检测仪表就是“核辐射料位开关和锥位探测与指示器”；丹麦s m i t h 公司在朝鲜顺川水泥厂( 1 9 7 6 年投产) 生料磨的负荷控制中，用提升机功率作为主 控信号，以电耳信号作为闷磨或空磨的监控信号；前西德s c h e n c k 公司则以磨音信号 为主环，提升机功率为副环构成串级调节的磨机负荷自动控制系统；而该国的k r u p p p o l y s i u s 公司七十年代发展的球磨机填充量电子控制装置，则有两个控制回路，一 个是以提升机功率为主控信号的循环量控制回路，另一个是磨音信号为监控信号的填 充量控制回路。 我国在这段时期也曾经推广“电耳一电振”磨机负荷自动调节。由于“电耳”信 号取自高音喇叭，只经简单的检波放大后，直接送至电振控制其振幅。湖南冶金材料 研究所和湖南黎家坪水泥厂在8 0 年代共同研制的电耳自动给料控制系统，其电耳仍 采用高音喇叭，但增加了高通滤波器和连续p i 调节器，克服了“电耳一电振”系统 的主要缺点，控制效果得到了一定程度的改善。山东建筑材料工业学院研究的新型振 动式压电陶瓷传感器、振动式变送器及球磨机物料负荷检测指示装置和控制系统，经 过多家企业实际使用运行表明：台时产量得到提高，吨产量电耗有所降低。安徽合肥 刘冲 南华大学同等学力人员硕士学位论文 水泥研究设计院研制的s h z 一1 型选频声强电耳应用于磨机负荷的控制，在性能等多方 面又有了进一步的改善。 模拟仪表控制方式用于磨机负荷自动控制的总体控制水平不高，不能适应磨机生 产工况条件的变化，控制效果不理想，难以适应矿石碎磨过程控制的高度非线性和不 确定性的需要。 2 2 数字调节器或计算机控制【l o q 3 l 随着控制理论和电子计算机技术的发展，国外开始使用数字式调节器或计算机作 为工具来设计磨机负荷自动控制系统。同时，控制软件也不断完善。美国r e j 普 特曼( p u t m a n ) 设计了一种基于抽样数据理论制造的自校正式调节器，其核心为微处理 机或数字式控制器，该系统实际上由系统参数评价器、控制器参数计算器和控制器等 三部分构成。日本三菱公司的磨机负荷自动控制软件可以完成磨机的起动、自动引导 直到f 常负荷量的任务，并将最佳操作参数记录下来供分析参考。前西德b b c 公司的 o s c a ( 水泥厂自动化的最佳参数) 软件包中也有一个磨机产量控制模块。日本三协电 业株式会社生产的带有微处理机的自动修j 下式控制装置，可以实现产量的极值控制， 一定程度上保证了磨机的产出量，磨机的电耗也有所降低。 我国冀东水泥厂将磨音、提升机功率和粗粉回粉量三个参数输入计算机，计算 机模仿人工操作实现磨机负荷自动控制；宁国水泥厂则根据磨音、提升机功率和其他 参数由计算机控制磨机的负荷；而淮海水泥厂则依照“入磨物料+ 回粉量= 常数”的原 则设计了磨机负荷自动控制系统。 基于上述思想设计的磨机负荷自动控制系统，与模拟仪表控制方式比较，其控 制性能虽然有了很大的改进，但依然存在适应能力较弱的问题，所以仍然难以达到满 意的控制效果。 2 3 自适应控制【1 , 1 4 随着对自动控制系统的控制性能要求的不断提高，人们希望系统能够在环境条 件有较大范围变化或者在环境因素的改变并不确定的情况下实现最佳控制即自适应 控制。 美国a l 穆拉尔和g v 杰根森将模型参考自适应控制( m r a c ) 方法用于磨机 刘冲南华大学同等学力人员硕上学位论文 负荷控制，并设计了系统参数识别器、控制器参数计算器和控制器，以设定负荷和实 际负荷的偏差作为系统性能评价指标构成了磨机负荷自适应控制系统。我国吴彦春等 也提出了一种离心自磨机自适应控制方案。自适应控制引入了参数预估器，具有较好 的适应性能，但是这种基于模型的复杂动态系统的控制策略，其前提是为控制器建立 一个合理的数学模型，而对于粉碎设备磨机来说，这是十分困难的，加上系统噪声的 影响，使得系统的鲁棒性变差等。此外，由于控制规律高度非线性，其复杂程度也与 系统参数的数量成指数关系增加饥。理论上，上述控制思想可以较好的适用于那些仅 有少量过程知识的复杂系统，但是自适应策略对模型仍有较强的依赖性，给上述控制 策略在矿石碎磨过程磨机负荷控制中的实际应用更是带来了困难。因此，在实际的磨 机负荷控制系统中其应用效果还有待于考核，设法提高计算效率也是有待进一步研究 的课题。 2 4 模糊控制【1 5 - 3 1 1 随着控制系统被控对象的复杂化程度的日益增加，系统的复杂性与人类对控制性 能要求的精确性之间形成了尖锐矛盾。因此，利用经典控制理论或现代控制理论的控 制策略来精确地描述象磨机系统这类复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实 际上已经不太可能。2 0 世纪8 0 年代发展起来的模糊控制理论，它不仅能够对所要求 解的问题进行模糊性描述，而且，能够高效率地对复杂事物做出准确无误的判断和处 理：模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐在向大规模的、非线性的 复杂系统发展。从已经实现的控制系统来看，模糊控制具有易于熟悉、输出量连续、 可靠性较高、能发挥熟练操作工经验优势等优点，因此，模糊控制理论的研究与应用 在自动控制领域中有着重要的地位和意义。 j r l a y f i e 和k m p s s i n o 把参考模型引入自组织模糊控制器，提出了一种模糊 模型参考自适应控制器( f m r a c ) 的构想。c l c h e n 等则提出了一种模糊跟踪自适应 控制器。事实上。利用模糊控制来解决磨机负荷的控制问题已经成为该领域的一个主 要方法。 在国内，一些大专院校、科研院所等的科研人员在磨机负荷的模糊控制方面也作 了大量的研究工作。如，华北电力大学，武汉工业大学等在磨机负荷模糊控制方面的 刘冲 南华大学胤等学力人员硕+ 学位论文 研究，等等。其中，华北电力大学( 北京) 研究开发的国产3 0 0 m w 机组的制粉系统， 首次采用多模态及自组织的模糊控制技术和特征谱分析方法研制的负荷变送器，进一 步提高了磨机制粉系统的自动控制水平和在一定程度上提高了磨机负荷的运行可靠 性。如：1 9 9 4 年1 2 月投入运行的山东华德电厂2 号3 0 0 m w 机组的四台球磨机采用一 套模糊控制装置进行控制后，运行效果较好。在节能和提高效率方面都有了进一步的 改善，1 2 套控制系统也基本上投入自动运行。山东黄岛电厂3 号2 0 0 m w 机组的两台 球磨机采用一套模糊控制装置进行控制后，自1 9 9 5 年1 1 月投入也运行至今。可见， 关于磨机负荷模糊控制方法的研究，已经取得了一批成果。 总的分析来看，在这一阶段，以模糊控制作为主要控制策略。由于普通模糊控制 器要依赖于基于经验知识的模糊规则，缺乏学习能力和通过学习来实现自调整的功 能，对于象磨机设备这样复杂且存在不确定因素的系统，难以完善地确定出足够的规 则，而且事先确定的规则也难以适应磨机负荷的持续变化，因此，本课题在对磨机负 荷p i d 控制系统、模糊控制系统进行分析、研究的基础上，提出一种模糊神经网络控 制的新的控制方案，以增强矿石碎磨过程中磨机负荷控制系统的学习能力和适应能 力，从而更好地改善磨机负荷系统的控制性能。 2 5 小刍i 综上所述可知，磨机负荷自动控制技术是在控制理论和电子技术发展的条件下进 入实际应用阶段的，并且随着控制理论和电子技术的进一步发展而不断改进和完善。 模拟仪表控制总体控制水平不高，控制效果不理想；数字调节器或计算机控制时， 控制系统的适应能力较差；白适应控制方法用于磨机负荷的控制，也不能获得满意的 控制性能。 智能控制理论的出现，为矿石碎磨过程控制提供了一条新的途径。国内外在磨机 负荷模糊控制方面的研究，已经取得了一批成果。但是，由于模糊控制对经验知识具 有较强的依赖性，缺乏学习能力和通过学习来实现自调整的功能，因此，在研究中提 出了一种基于模糊神经网络的磨机负荷控制方案，利用神经网络的学习能力与模糊逻 辑推理功能，以增强磨机负荷控制系统的学习能力和适应能力，从而更好地改善磨机 负荷系统的控制性能。 刘冲 南华人学同等学力人员硕。学位论文 3 磨机负荷特性分析 3 1 磨机负荷特性 3 1 1 磨机负荷的静态特性 磨机负荷的静念特性，是指在磨机处于入磨物料流量与出磨物料流量相等时这样 一个平衡状态。磨机负荷的静态特性如图3 1 所示【2 5 l 。由于磨内物料填充量x 与成品 物料量y 之间存在着图3 1 所示的非线性关系，当填充量为墒时，成品流量y o 最高， 此时，磨机效率最佳，即单位产量的电耗最低，因此a ( x o ，y o 点称为磨机系统最 佳工作点。 蛔l 咀 氇 0 磨内填充量x t 图3 1 磨机负荷静态特性 f i g 3 1 s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f m i l ll o a d 3 1 2 磨机负荷的动态特性 磨机负荷的动态特性，是指碎磨系统在受到扰动后，从一种平衡状态变化到另一 种平衡状态的过渡过程。由于磨机吸用功率会受到多种因素的影响，因此，给料特性 童 斛 雷 旺 昏 暴 龆 o 磨机负荷 图32 磨机负荷功率调节过程 f i g 3 2 p o w e r a 枷u s t i n gp r o c e s s o f m i l ll o a d 刘冲 南华大学同等学力人员硕士学位论文 的任何变化，都会引起磨机吸用功率的改变，功率负荷特性亦随之改变，磨机负荷功 率的调节过程如图3 2 所示，即磨机的工作点将由一种工况如图中曲线1 上a 点移到 另一种工况如曲线2 上b 点处。 磨机系统碎磨过程的物料流程示意图见图3 3 。 q 图3 3 磨机系统碎磨过程物料流程示意图 f i g 3 3 t h er a wo r ef l o wd i a g r a mo f g r i n d i n gm i l l 图3 3 中：1 、磨机；2 、螺旋输送机：3 、分级机； q 。原料流量： q 厂经分级机后重新入磨的粗料返回流量； q r 一磨内物料填充量； q 广出磨流量( 进入分级机的流量) ； q 。经分级机后的细料( 成品) 流量； q r 入磨物料的总流量。 在工艺流程中： 入磨物料的总流量为 q 6 = g + q 2 ( 3 1 ) 磨内物料填充量为 伤o ) = e i o , ( o + q ( | ) 一q 4 ( t ) d t + 0 3 ( 0 ) ( 3 2 ) 即磨内某一时刻t 的物料填充量q 3 ( t ) 为该时刻入磨物料量与出磨物料量之差 的积分，再加上磨内初始填充量如( o ) 之和。 在碎磨系统中，填充量q 。表征磨机的负荷，在稳定运转的情况下，有入磨的总 刘冲 南华人学同等学力人员硕士学位论文 物料流量等于出磨流量，即q 6 = 如，亦即磨内物料填充量如( t ) 维持不变。但由于 被磨物料的特性和运行工况的变化，系统稳定是相对的、暂时的，而不稳定是绝对的 ( q 6 如) 。若不能进行及时地调整，磨机就会逐渐趋于“闷磨”或“空磨”状态。因 此，对磨机负荷实行控制的目的就在于跟随被磨物料特性与工况的变化，不断地寻求 新的平衡。在对碎磨系统进行负荷控制时，可将磨机系统( 磨机，螺旋输送机，分级 机) 当作一个广义对象来处理。从其系统输入输出的动态特性出发，如果忽略其它 因素对磨机负荷的影响，则可以把它当作为具有纯滞后的二阶对象来处理，这样， 磨机系统碎磨过程结构及磨机负荷动态特性分别如图3 4 和图3 5 所示。 g l ( s )g 2 ( s )g 4 ( s ) 图3 4 磨机系统碎磨动态过程结构图 f i g 3 4c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo f d y n a m i cp r o c e s so f g r i n d i n g m i l ls y s t e m 基 柱 基 龆 0 t m i l l 图3 5 磨机负荷动态特性 f i g 3 5d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f m i l ll o a d 从动态特性可以看出，碎磨系统的磨机负荷具有非线性、迟后性和时变性等，因 此，在进行磨机负荷特性分析过程中，给料量及其物料特性与磨内填充程度( 磨机负 荷情况) 密切的相互关系，便是我们应当注意的重要因索。图3 2 表明，在磨机负 刘冲 南华大学同等学力人员硕f ：学位论文 荷的功率特性中，存在一个极限工作点a 。在此点之前，磨机吸用功率( 对应于出 磨物料) 随磨机负荷( 对应于磨内物料填充量) 的增加而增加；而在此点之后，磨机 吸用功率则随磨机负荷的增加反而减少，即磨机趋向“闷磨”，如果不加适时调整， 则会出现“闷磨”状态，这是生产过程中不允许的。因此，在进行磨机负荷的控制中， 应当保证磨机负荷在进入极限工作点之前，将系统控制在最佳工作点b 附近，也就是 使磨机工作在最佳负荷状态，以期磨机的产量最大。 从上面的分析可知，磨机系统的碎磨过程机理十分复杂，因此，其整个过程的 动态特性也非常复杂。由于入磨物料的粒度、湿度、硬度和易磨性是随机频繁变化的， 因此，不但难以确定上述简化模型的参数，还存在许多不确定性，从而造成实际生产 过程中，磨内的负荷经常会出现较大的波动。 在传统的生产工艺中，是由人工来控制磨机负荷。操作工凭借经验，用人耳来判 断磨机磨音的高低，再由人工来调整磨机给料量，以此来控制磨机的负荷状态。显然， 这往往既不准确又不及时，磨机会经常出现“饱磨”或“空磨”状态。磨内负荷这种 经常性地起伏波动，明显地降低了磨机的生产效率，增加了单位成品的电耗，而且产 品的质量也无法得到保证。此外，生产环境条件也因此而变得十分恶劣，操作人员的 劳动强度也相应增大。 为了提高磨机产量和质量、降低电耗，同时改善操作工人的生产环境条件，采 用新的控制策略对磨机碎磨过程控制实行优化，已是我国现代工业相关行业生产过程 中极其需要着手解决的问题。它的解决具有十分重要的社会效益和生产效益。 3 2 磨机吸用功率与磨机负荷的关系特性h 1 当被磨物料的易磨性和粒度特性等参数不变时，可以得到磨机的负荷与吸用功率 的关系如图3 6 所示。磨机负荷增加先是引起吸用功率增大，继续增加磨机负荷时， 磨机的吸用功率亦随之增加。当负荷增至x 处时，磨机的吸用功率达到最大点y ，在 超过a ( x ，y ) 点后若再增加磨机的负荷，磨机的吸用功率开始下降。工艺分析表 明，当磨机吸用功率达到最大时，磨机所获得的效率也最高，因此，a ( x ，y ) 点是 磨机的最佳负荷工作点。磨机负荷自动控制的目的就是选择合理的控制策略，保持磨 机相对地稳定于最佳负荷工作点上。 刘冲 南华大学同等学力人员硕十学位论文 意y 雷 旺 督 暮 嚣 0 x 磨机负荷 图3 6 磨机负荷功率特| 生 f i g 3 6 p o w e rc h a r a c t e r i s t i co f m i l ll o a d 3 3 电机电流与磨机负荷的关系特- 陛 由于在实际生产中，磨机的负荷难以测量，因此，必须通过间接测量其它的与蘑 机负荷具有密切联系的参数，来监测磨机负荷的变化情况。工艺分析表明，磨机负荷 与磨机电动机电流之间存在着图3 7 所示的函数关系 5 l 8 1 。 螺 删 嚣 脚 0 磨机负荷 图3 7 电机电流与磨机负荷关系 f i g 3 7 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r i n d i n gm o t o r c u r r e n ta n dl o a d 图中a 点是磨机过负荷点，磨机正常工作时，若给料速率增大，即磨机负荷量增 加时，则电动机的电流也相应增大，因此，通过测量磨机电动机电流的变化可以用来 监测磨机负荷的变化情况。 3 4 小结 磨机系统的碎磨过程机理十分复杂，因此，其整个过程的动态特性也非常复杂。 对磨机负荷实行控制的目的就在于跟随被磨物料特性与工况的变化，保持磨机负荷的 刘冲 南华大学同等学力人员硕士学位论文 稳定。通过分析，在对碎磨系统进行负荷控制时，可将磨机系统当作一个具有纯滞后 的二阶对象来处理。 实际生产中，磨机的负荷难以测量，而磨机电动机电流与磨机负荷之间存在着图 3 7 所示的函数关系，因此，通过测量磨机电动机电流的变化来监测磨机负荷的变化， 适时调整给料机的给料速率对磨机负荷进行控制。 刘冲 南华大学同等学力人员硕j 二学位论文 4 磨机负荷p l d 控制系统研究 p i d 控制具有结构简单，易于实现等特点，是生产过程中常用的控制策略，也是 传统的磨机负荷控制采用的主要控制策略。下面通过仿真研究，分析磨机负荷p i d 控制的性能。 4 1 磨机负荷的自动控制原理 当被磨物料的易磨性和粒度特性等参数不变时，磨机的负荷与吸用功率关系如图 3 2 曲线1 所示。磨机负荷增加先是引起吸用功率增大，到达曲线1 中a 点时，磨机 吸用功率最大，过了a 点再增大负荷时，功率不升反降。工艺分析表明，当磨机吸用 功率最大时，磨机获得的效率也最高，因此a 点是磨机的最佳负荷工作点。 由于磨机吸用功率还受多种因素影响，给料特性的任何变化，都会引起磨机吸用 功率变化，功率负荷特性随之改变，此时，磨机负荷与吸用功率的关系变为图3 2 中 曲线2 。因此，必须跟随工况条件的变化，及时调整