（控制理论与控制工程专业论文）选矿破碎过程自动控制及优化.pdf

摘要 摘要 选矿生产是冶金工业中的重要一环。我国矿产资源普遍存在品位不高，采、选、冶难度大的问 题。目前我国选矿自动化程度低，生产成本高，资源消耗大。采用先进的自动化技术对于提高选矿 企业经济效益意义重大 预测控制是从上世纪7 0 年代发展起来的新型控制算法，具有对模型要求低、滚动优化、能有效 处理约束问题等诸多优点，在工业过程控制中应用广泛，是最具应用推广价值的先进控制策略之一 本文以宝钢集团梅山选矿破碎过程为对象，研究了破碎过程自动控制及其综合自动化技术，将 预测控制成功应用到选矿破碎过程自动控制之中。研究工作包括： 首先分析了破碎过程机理模型。破碎过程是一个复杂的动力学过程，并具有非线性和大时滞特 性。机腔料位的稳定是破碎控制的主要目标论文通过时域建模方法，给出了系统的二阶时滞模型， 为破碎系统控制提供基础 分别采用常规p i e ) 控制、s m i t h 预估控制和内模控制对选矿破碎过程进行仿真研究，研究表明 p i d 控制超调过大。易造成系统给矿中止；s m i t h 预估控制对模型过于依赖，模型失配时产生较大的 动态和静态误差；内模控制较预估控制有较好的鲁棒性，抗扰动能力增强，但仍存在响应慢的缺点。 论文最终采用预测控制方案，充分发挥其能有效克服时滞、对模型依赖较少、鲁棒性强的特点 实践证明该方案的可行性，在实际应用中给矿响应迅速，机腔料位基本稳定在6 0 0 _ 3 0 m m 内，实现 破碎过程优化运行。 根据破碎过程特点，给出了基于p l c 的监督控制与数据采集( s c a d a ) 方案。控制系统包括 过程控制级、过程监控级和生产管理级，给出了控制系统的硬件及软件设计，并对项目实施过程中 出现的诸多问题进行了分析 最后，对全文的工作进行了总结，分析了存在的问题，并对预测控制方法在选矿破碎过程中的 进一步研究进行了展望。 关键词：破碎过程混合建模预测控制综合自动化p l c - s c a d a a b s t r a c t a b s t r a c t m i n e r a lp r o c e s s i n gi so i 碥o f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y t h el o wo r eg r a d e c a u s e sg r e a td i f f i c u l t i e si nm i n i n g , o r e - d r e s s i n ga n ds m e l t i n g a tp r e s e n ta u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi nm i n e r a l p r o c e s s i n gp l a n t si sl o w , a n dm o s to f t h ee q u i p m e n t sa m a n u a l l yo p e r a t e dw h i c hc a u l sh i g i ip r o d u c t i o n c o s t i ti se s s e n t i a l l yi m p o r t a n tt oa p p l ya d v a n c e da u t o m a t i o nt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ee c o n o m i cb e n e f i t s o f t h ep l a n t s m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ( m r o ”d e v e l o p e di n1 9 7 0 , w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r y p l o c e s 5c o n t r o ls i i mt h e n i t sw i d ea p p l i c a t i o nr e s u l t sf r o mi t st h r e eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ：m o d e lp r e d i c t i o n , r e c e d i n gh o r i z o n t a lo p t i m i z a t i o na n df e e d b a c kc o r r e c t i o n m p ci so o ft h em o s tv a l u a b l ea d v a n c e d c o n t r o ls t r a t e g i e si nt h e2 1 s te e n t u f y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o np r o j e c to f m e i s h a nc o n c e n t r a t i o np l a n t , s h a n g h a ib a o s h a n s t e e lg r o u p , c r a s h i n gp l o c 8 sc o n t r o la n ds y s t e mi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n 辨b o t hr e s e a r c h e d m p ci s a p p l i e d f i f s tb ya n a l y z i n gt h ep h y s i c a lm o d e lo ft h ec r a s h i n gp r o c e s s c r a s h i n gi sac o m p l e x , n o n l i n e a ra n d l a r g et i m el a gp r o c e s si nm i n i n g u s i n gt h eh y b r i dm o d e l i n gm e t h o d , as e c o n d - o r d e rt i m el a gm o d e li s o b t a i n e d , w h i c hg i v e st h eb a s i st od ot h er e s e a r c hw o r ko nt h ec r a s h i n gp r o c e s s n d s m i t hp r e d i c tc o n t r o la n di n t e r n a lm o d ec o n t r o lms i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y p i dd e m o n s t r a t e s 锄 g r e a to v e r s h o o t , a n ds m i t hp r e d i c t o rd e p e n d st o om u c ho nt h em o d e l , w h i l ei n t e r n a lm o d ec o n t r o lg i v e s g o o dp e r f o r m a n c e ，b u tt a k i n gal o n gr e s p o n s et i m e c o n s e q u e n t l yp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o di sa d o p t e d , w h i c hc n o to n l yo 、嘲o m et h en o n l i n e a ra n d l a r g et i m el a g , b u ta l s o l e s sd e p e n do l lt h em o d e l t h ep r a c t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec r a s h i n gp r o c e s s c o n t r o ls y s t e mo p e l l l t 8e c o n o m i c a l l ya n ds t a b l y t h el e v e lc r a s hc h a m b e ri ss t a b i l i z e da t6 0 0 _ + 3 0 r a ma n d s u f f i c i e n t l ym e e t st h ep t o c a $ r e q u i r e m e n t s s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c d a ) s y s t e mb a s e do np l c ，w h i c hi n c l u d e s ： c o n t r o l l i n gl e v e l ，s u p e r v i s o r yc o n t r o ll e v e la n dm a n a g e m e n tl e v e l s o m ei n s t r u c t i o n so nh a r d w a 口r ea n d s o f h m d e s i g na mp r e s e n t e da n dt h ep r o b l e m si nc a r r y i n go u tt h ep r o j e c ta m a l s os u n l m a l i z e d f i n a l l yc o n c l u s i o n sa b o u tt h i sp a p e ra ”m a d ea n dt h ep r o b l e m se x i s ti nt h ep r o j e c ta a n a l y z e d t h e d e v e l o p m e n to f t h ep r e d i c t i v ec o n l r o li nm i n i n gi sa l s od i s c u s s e d k e y w o r d 3 ： c r a s h i n gp r o c e s s , h y b r i dm o d e l i n g , m o d e lp r e d i e t i v ec o n t r o l , i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n , p l c s i e t d a n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 选矿工艺简介 第一章绪论 选矿是指从原矿石中除去所含的脉石及有害元素，使有用的矿物得到富集，或使共生的各种有 用矿物彼此分离，得到一种或几种有用矿物的精品从矿山开采出来的矿石称为原矿。原矿多为品 位较低的矿石，例如贫铁矿石通常只含铁2 0 3 0 。由于现代冶炼技术对矿石的品位有一定的要求， 例如在铁矿石中铁的品位应高于4 5 5 0 ，所以，为了满足冶炼上的要求，对于品位低的贫矿石在冶 炼前必须进行选矿。选矿还可大量节约矿石的运输费用，特别是对品位较低的矿石i l j 。 原矿一般都由有用矿物和脉石组成。原矿的品位( 有用矿物含量的百分比) 一般都比较低，不能 直接进行冶炼，因此需要先进行加工，除去大部分脉石和有害成分，得到品位较高的精矿，供下一 步使用，对原矿的这一加工过程就叫选矿。例如精铁矿中一般含有硫和磷，它们对冶炼过程有害， 含量不能太高，选矿过程中应降低含硫量和含磷量。选矿对冶炼技术的经济效果十分明显的。例如， 铁精品品位提高1 ，则高炉生铁产量可以提高2 5 ，焦比下降1 5 。可见，选矿对于开发矿业， 充分利用矿业资源有着十分重要的意义。 常用的选矿方法有重选法、浮选法、磁选和电选法等1 2 j 。重选法是根据矿物相对密度的差异来 分选矿物的。浮选法是根据矿物表面的物理化学性质的差别，经浮选药剂处理使有用矿物选择性 地附在气泡上，达到分选的目的。磁选法则是根据矿物磁性的不同，不同的矿物在磁选机中受到不 同的作用力，从而使各种不同的矿物得到分离。 选矿过程是一个极为复杂的工业生产过程，来自采矿厂的矿石要经过选矿过程的各个作业，最 后才能得到符合冶炼要求的精矿。选矿作业主要包括破碎筛分、破碎分级、选别、精矿脱水等环节 其中每一个环节都是一个极为复杂的工艺过程，既有动力学过程，也包括物理过程和化学过程。 1 1 2 破碎工艺简介 选矿的工艺流程是由选前的准备作业、选别作业和选后的脱水作业等组成。选前的准备工作通 常由破碎筛分作业和磨矿分级作业两个阶段构成。破碎筛分作业中破碎是指将块状矿石变成粒度大 于l - 5 毫米产品的作业。破碎矿石通常采用各种破碎机完成。破碎机和筛分机多为联合作业，它们 是选矿车间的主要机械设备选矿厂最终破碎粒度是结合磨矿作业来考虑的，最适宜的产品粒度一 般为i o - v 2 5 毫米，这是为了使破碎与磨矿总成本达到最低。 破碎机属重大主体设备，功率大、电压高，其工作状况直接影响破碎装置的使用寿命，并影响 到产品质量。所以，在其工作过程中应控制其负荷，以防过载。 破碎作业对选矿的经济指标影响很大。破碎是选矿厂动力消耗较多的一个作业，破碎机消耗掉 的电能占选矿厂的2 0 3 0 左右破碎机作业的金属消耗也很大，现有的破碎设备每半个月左右就 需要更换一次衬板，备件消耗巨大。 可见，改善破碎作业，提高破碎产品质量，降低破碎费用，提高破碎机的生产率，不仅能提高 破碎产品的质量和金属回收率，而且对降低选矿成本，提高选矿厂的生产率具有重要的经济实用价 值。 东南大学硕士学位论文 i 2 破碎过程控制现状 1 2 i 破碎过程控制发展 破碎过程机理复杂，是一个复杂的输入输出系统，过程缓慢，滞后时间长，同时具有非线性时 变特性及干扰因素多而严重等特点，给系统控制和优化带来一定的困难。多年来，国内外选矿工作 者和自动化科技工作者一直关注和潜心研究生产过程的自动控制问题。 以前，为使破碎机工作在额定负荷下，由人工观察破碎机的工作电流，根据电流的大小来调节 给科排矿口。具体地说，若破碎机的工作电流增加，则调小捧矿口，以减少进矿量，使破碎机的工 作电流降低。但这种调节主观性强，并且往往由于人为疏忽等原因，调节不及时，效果不很明显。 随着控制理论的发展p i d 控制以及针对时间滞后问题也有采用s m i t h 预估，内模控制，神经网 络控制的，但是效果在实际应用的时候不是很好。在这些研究中，国外一些国家一直保持着领先地 位 4 1 ，这些国家包括芬兰、澳大利亚、南非和加拿大等。他们主要集中在系统优化和过程监控上， 在提高破碎效率，降低成本上取得了很多成果”j 。其中在南非1 3 个选矿厂运用自动控制的经验，给 出许多有用结果。 我国在这方面的研究成果还很少。我们调研了上海宝钢集团梅山选矿厂、马钢南山选矿厂及武 钢集团程潮选矿厂破碎过程的自动化水平及存在的问题。目前还主要是对作业指标的控制，以p i d 控制为主。故研究先进控制策略在破碎系统中应用有重要的理论意义。 传统和现代的常规控制方法都是建立在被控对象的数学模型基础上，由于破碎过程难以建立精 确的数学模型，所以这些方式难以获得理想的控制效果。而且，无论是在线辩识还是离线辩识，都 有很大的困难。破碎过程的控制的趋势是避开复杂的数学模型，将各种控制相互渗透，利用各种已 有的知识规则，采用先进控制算法 6 1 。 i 2 2 破碎综合自动化发展 我国的选矿自动化工作起步较晚。在这方面的研究成果还不多见。我们调研了马钢集团南山选 矿厂、鞍钢齐大山选矿厂和调军台选矿厂以及武钢集团程潮选矿厂和金山店选矿厂等国内多家著名 选矿企业。选矿所采用的自动控制大多集中在如下几个部分：对碎矿车间的集中监控，减少空转， 节能降耗；对破碎分级系统的局部过程控制等1 7 j 。 选矿厂并不是简单地由一些相互独立的车间和生产环节组合而成，这些车间、生产环节存在相 互影响和相互制约的关系。前面的环节将影响后续的作业。如：破碎产品的粒度影响破碎分级系统 的处理量、能耗和钢耗等；破碎产品的粒度和浓度影响浮选作业的回收率和品位。所以单靠控制某 一环节或独立的控制几个生产环节虽能在一定程度上提高选厂的经济效益，但不可能对选厂自动化 的整个水平有很大的提高。为此选矿厂必需建立一种更完善的控制模式，使各个生产环节之间相互 协调，进行优化控制，以取得更好的效果”j 。 在调研的上述选矿厂中，有的尽管采用了较先进的集散控制系统，但只是针对某一车间或某一 环节，而且即使有的选矿厂对各个车间都采用了过程控制系统。但各个系统间没有任何联系，很少 有选厂将各个环节的控制相互协调、优化控制，并进行综合管理。可见，目前还主要是对作业指标 的控制，没有实现系统级的优化。故研究先进控制策略在选矿系统中应用优化选矿过程有重要的 理论意义和应用价值 1 3 本文的目的及意义 本论文以破碎控制系统作为研究对象，对其过程中存在的大时滞现象，进行了深入研究，通过 对一些传统控制方法的研究，提出将预测控制理论应用与时滞过程控制，并对破碎系统进行了仿真 2 第一章绪论 研究，提出了应用方案。 在破碎过程中，对象具有时变、干扰大和不确定性的特点，是典型的大时滞系统。经典的控制 理论需被控对象的精确模型，而被控对象的精确模型往往很难得到，尤其在时变的环境中。经典的 p i d 控制，s m i t h 预估控制以及内模控制都是有效的克服纯滞后的方法，但其对对象的模型要求苛刻， 同时为了适应对象的时变，提高控制系统的鲁棒性，许多学者通过各种方法改进控制结构，以实现 调节性能好、鲁棒性强并能消除不可测干扰的影响等要求。 预测控制是一种基于模型的多变量控制算法，所以，也称之为模型预测控制。它的基本原理可 以从预测控制算法的三个要素一一模型预测，滚动优化和反馈校正中体现出来，这三个要素也是预 测控制区别于其它控制方法的基本特征，同时也是预测控制在实际工程应用中取得成功的技术关键。 此外，由于预测控制采用多步预测方式，扩大了反映过程未来变化趋势的信息量，因而，更增强了 克服各种不确定性和复杂变化影响的能力。 所以，当预测控制应用与破碎系统时，可以使被控对象在较大范围内变化是仍然具有良好的控 制特性这方面的研究对工业过程中普遍存在的大时滞对象的控制有理论指导意义，并为实际的控 制方法指明方向。 1 4 本文的主要内容 本文的第一章主要介绍课题的研究背景，工艺简介以及控制现状，重点论述了选矿系统中破碎 筛分系统的自动化发展状况以及发展方向，提出本文的研究方向，在最后一节中叙述了本文的主要 工作内容 第二章主要对破碎过程进行了细致的分析，首先全面地介绍了破碎工艺流程，然后对破碎过程 进行建模。破碎过程中的时滞问题对控制效果影响明显。针对这个问题，一方面要建立精确的数学 模型，尽量克服模型误差带来的影响，另一方面要利用先进的控制算法来提高控制效果将是本文以 后章节的重点研究内容 第三章分析了几种常用的控制方案的效果，以第二章建立的时滞模型为对象，分别采用p i d ， s m i t h 预估和内模控制来构建控制器，分析三种控制策略对控制系统的影响。 第四章介绍了预测控制的原理、算法、特点和时延系统的预测控制，提出了基于预测控制的控 制系统实际运行表明：预测控制破碎过程方案是可行的，系统即使在模型存在一定误差的时候，依 然有很好的控制效果。 第五章，介绍了破碎过程控制系统，给出了总体架构，软硬件的实现，以及调试期间的问题以 及解决办法。 3 东南大学硕士学位论文 第二章破碎过程分析 本章拟对破碎过程进行细致的分析，首先全面介绍破碎工艺流程，重点介绍破碎作业流程及目 的意义。然后对破碎过程进行建模，将详细介绍系统建模的目的，采用的方法，以及模型参数如何 确定。破碎过程模型的建立将为进一步的研究打下基础。 2 1 破碎工艺流程 2 1 i 破碎作业的目的和意义 为了能够顺利地进行选矿，首先必须把矿石中的有用矿物颗粒先行解离，即先进行矿石的破碎 和磨碎。把它单体分离开来。由于矿山采出的矿石块度较大。目前露天开采的矿石最大块度为5 0 0 至1 5 0 0 毫米，井下开采出的矿石的最大块度为3 0 0 至6 0 0 毫米。这种块度的矿石不能进行分选。因 为矿石中的有用矿物和脉石矿物紧密共生。有用矿物的结晶粒度粗者能达到1 0 至3 0 毫米，细者不 足o 1 毫米。为了使有用矿物解离出来，必须将矿石破碎到相应的粒度。 尾 矿 精矿 进入磨矿仓 图2 - i 破碎流程图 4 精 矿 第二章破碎过程分析 如梅山矿采用三段破碎来完成上述任务。即采用阶段破碎的办法将大块矿石的尺寸逐步缩小， 将6 0 0 毫米左右的矿块通过三段破碎使矿块的粒度逐渐缩小到1 4 毫米以下。然后将1 4 毫米左右的 矿石再送往磨矿机中进行研磨，直到有用矿物颗粒达到单体解离为止。 2 1 2 破碎流程控制 矿石破碎机属重大主体设备，功率大、电压高，其工作状况直接影响破碎装置的使用寿命，并 影响到产品质量。所以，在其工作过程中应控制其负荷，并进行综合保护。 破碎流程控制主要包括如下内容州： ( 1 ) 破碎运行优化控制 中碎机和细碎机系统自动控制是破碎自动化系统的重要组成部分。破碎控制重在给矿量自动调 节以及破碎机运行状态监视和运行最佳化控制【lu j 。 通过控制破碎的给矿，可以调整破碎循环工况，进而保证破碎和筛分效果，实现细碎机节能降 耗。并且可以提高细碎生产率，同时防止过破碎。在细碎和中碎的给矿过程控制中，还应考虑中细 碎的负荷平衡。 ( 2 ) 破碎机综合状态保护 通过测量破碎机的油温、油压状态，对破碎机进行综合保护。 0 l 设备远程集中起停控制 在集控室集控起停生产设备，规范起停步骤。受控设备包括输送皮带、破碎机、球磨机、振动 筛，电振机等多种设备。 设备有集中，机旁和检修三种工作方式。当设备处于集中方式时，点击集中启动或停车按钮， 实现本系列设备按顺序启停车。远程集中起停控制可带来如下好处i j l j ： 1 ) 通过计算机发出集中启动或集中停止命令，快速、准确地完成生产设备的自动启动或停车， 可靠性高。 2 ) 启动过程中，操作员、调度员等都能够通过计算机观察到现场设备的运行状态。 3 ) 计算机上的设备联系图画面形象直观，启动进程一目了然。 4 )自动化系统采用p l c 取代以前的继电联锁方式，减少了电工的维护工作量保证了生产 的连续性，提高了系统可靠性。 5 ) 操作简便，效率高。 ( 4 ) 皮带跑偏检测 采用计算机控制系统在集控室集中监视那些易跑偏皮带的跑偏状况，便于及时处理，防止故障 扩大，保证生产过程安全连续地进行。操作人员只需不定期巡视，减少劳动强度，有利于减员增效 ( 5 ) 矿仓料位检测 采用超声波料位计检测提升矿仓、缓冲矿仓和废石仓等矿仓的料位，解决了调度的盲点，并根 据料位决定设备的工作状态，方便调度指挥生产 ( 6 ) 原矿量和干尾量计量 在输送机皮带上安装皮带秤，检测原矿量和干尾量，以便于统计和计量。 2 1 3 细碎控制 细碎机在正常生产时要求挤满给矿，比如要求机腔料位要高出分料头3 0 0 左右，此时破碎机 处于最佳工作状态。以前，人工观察机腔料位，若料位偏低，则人工扳大下矿口闸门，反之则扳小 给矿口闸门。但由于操作强度大，且受经验和责任心影响，很难保证控制目标，未能最大限度地发 挥设备效率【l 要实现自动控制必须首先解决机腔料位检测装置问题。测量料位的方法很多，但能满足破碎现 场灰尘大、振动强这种恶劣环境的不多。且要求体积小、便于安装。经多次调研，决定在破碎机机 东南大学硕士学位论文 腔上方安装超声波料位计。该种料位计与物料不直接接触，实践证明这种传感器的选型是非常合理 的。 其次是调节执行机构的选型问题，对于下矿口闸门，经研究在破碎矿仓下矿口安装电液推杆， 它接受控制器输出的正反转控制信号，推动闸门开大或关小，同时将实际角位移反馈到控制系统。 而对于有给料机的给矿系统，采用变频控制给料机，比如，当料位过高时，减少变频器的输出频率， 从而减少给矿量。相反，则通过增加给料机的转速，使破碎机工作在满负荷下，以保证产量。 下矿量的波动( 如粒度、粘度发生变化) 是系统中的一个主要扰动，若仅以机腔料位作为被控 参数构成单回路控制系统，当扰动发生后，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后， 在给矿皮带较短的系统中，该纯滞后不大，单回路控制系统还可以基本满足要求，但对于给矿皮带 较长的系统，将导致调节作用大大滞后，且易发生振荡，系统动态品质难以保证i i “。 近年来，新型破碎设备及其控制系统发展很快自9 0 年代以来，国内如鞍钢齐大山选矿厂、武 钢程潮选矿厂、马钢南山选矿厂等先后引进了多台美国- 吲f s o 公司的n o r d b e r g h p 系列矿石破碎机。 该机型破碎处理能力强，大大提高了国内选矿厂破碎流程的生产效率”q 。但与该机型的配套的给矿 自动控制系统价格昂贵，多数选矿厂出于经济原因并未与设备一同引进。所以，开发这种新型破碎 机的给矿自动控制系统在国内选矿行业具有极其重要的经济和实用价值”“。 2 2 破碎过程建模 破碎是一个十分复杂的过程，其中最重要的一个环节就是对破碎机的控制。为了能够对系统进 行更好的研究，需要对整个破碎系统进行建模，实际的系统结构如图2 2 所示。 图2 - 2 破碎控制系统示意图 被控过程的数学模型描述了过程的各种输入量( 包括控制量和扰动量) 与相应输出量( 被控量) 之间的关系，即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少等。 2 2 1 系统建模目的 建立破碎过程的数学模型主要有以下几个目的1 1 6 1 ： 设计控制方案全面、深入地了解破碎过程特性是设计控制系统的基础。例如，控制系统 中被控变量及检测点的选择、控制( 操纵) 变量的确定、控制器结构形式的选定等都与被控对象的 特性有关。 6 第二章破碎过程分析 制定破碎过程的优化控制方案优化控制往往可以在基本不增加投资与设备的情况下，获 取可观的经济效益。这离不开对被控对象特性的了解，而且主要是依靠对象的稳态数学模型进行优 化。 确定新型控制策略及控制算法一在用计算机构成一些新型控制系统时，往往离不开被控对 象的数学模型。 调试控制系统和确定控制器参数充分了解被控对象特性是安全调试和投运控制的保证。 此外，选择控制规律及确定控制器参数也离不开对被控对象特性的了解。 2 2 2 系统建模方法 通过对系统的分析，采用混合建模方式，就是采用将机理建模与试验建模结合起来的方式。先 由机理分析的方法提出数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用试验的方 法给予确定i i “ 上面的破碎系统，大致可以分成三个部分： 1 振动放矿机的给料部分 2 矿石输送皮带 3 破碎机破碎过程 依次采用机理建模的方式分析以上三个环节 1 振动放矿机的给料部分 振动放矿机的给料如图2 - 3 所示 o 土 振动 放矿机 上吼 图2 - 3振动放矿机的给料 根据物料平衡的关系，可以得到： 振动放矿机频率的变化矿机系数= 单位时间内进入放矿机的物料量一单位时间内出放矿机的 物料量 彳妾= 一q o q iq o ( 2 1 ) 彳i 2 一 2 - 1 其中，吼表示进入放矿机的物料量 吼表示出放矿机的物料量 a 表示放矿机的系数 7 东南大学硕士学位论文 李表示放矿机频率的变化 谢 通过上面的分析，可以看到振动放矿给料部分就是一个典型的一阶环节，如图2 - 4 所示。 鼽g l = 南 图2 - 4 振动放矿机给料模型 2 矿石输送皮带 系统矿石输送皮带如图2 5 所示。 鼋n吼l 卜 给矿皮带 q 二二二二d 图2 - 5矿石输送皮带 可以得到这样一个事实： 皮带的给矿与皮带的出矿具有相同的规律，只是在时间上延迟一个f ，这个时间滞后关系可以 用一下公式表示： 吼i ( f f ) = q o l o ) 因此给矿皮带可以认为是一个纯滞后环节，如图2 - 6 所示。 其中，g 2 0 ) = e 1 图2 - 6矿石输送皮带模型 3 破碎机破碎过程 系统破碎机破碎过程如图2 - 所示。 根据物料平衡的关系，可以得到： - - - - - - - 图2 - 7破碎机破碎过程 8 ( 2 2 ) 苎三皇壁壁垄堡坌堑 破碎机内的料位变化率= 单位时间内进入破碎机机的物料量一单位时间内出破碎机的物料量 d 警嘞 晓， 其中，g 。2 表示进入破碎机的物料量 吼2 表示出破碎机的物料量 d 表示破碎机的系数 霉表示破碎机料位的变化 谢 通过上面的分析，可以看到破碎机也是一个典型的一阶环节，如图2 - 8 所示。 图2 - 8破碎机破碎过程模型 鼽) = 刍 通过以上的机理建模法的分析，系统的传递函数为： g ( s ) ： 墨竺 p 一” 、7 ( 互j + 1 ) ( 瓦s + 1 ) 2 2 3 系统模型参数确定 ( 2 4 ) 由上面的机理建模方法，可以得出系统为二阶滞后模型，下面将采用时域建模的方法来确定其 中的系数，具体采用两点法确定二阶惯性加纯滞后环节的特征参数。 首先介绍方法如下：在被控对象上，人为地加入非周期信号后，测定被控对象的响应曲线，然 后再根据曲线的特征参数，求出被控对象的传递函数。 其中， 1 增益墨墨的计算按式( 2 5 ) 完成： 墨局= y ( o o 面) - 一y ( o ) ( 2 5 ) 2 纯滞后时间常数f 可以根据阶跃响应曲线从起点开始，到开始出现变化的时刻为止的这段 时间来确定，如图2 - 9 所示。然后去除纯滞后部分，并化为无量纲形式的阶跃响应y + ( r ) 。 9 东南大学硕士学位论文 y ( 后) 0 8 0 4 i - 一一 0f f lf 2 f 图2 - 9 用作图法确定参数正和疋 这样，y + ( f ) 对应的传递函数形式为 g ( j ) = = _ 一口一” ( z s + 1 ) ( t 2 s + 1 ) 3 对五，正的计算通过下面的方法实现- 通过无量纲处理后对应的阶跃响应为 或 ( 2 6 ) 州沪一击e 一寺一击e 告 亿z ， ，= 击e 寺一鑫e 一砉 c z s ， 根据上式，在图2 - 9 所示阶跃响应曲线上取两个数据点i t l ，y + 瓴) 和 t 2y ( f 2 ) 以此 得到两个方程联立求解，确定出参数正和瓦。 为了计算简单起见，不妨取y + ( t 1 ) = 0 4 、y ( t 2 ) = 0 8 ，然后从曲线上定出t l 和t 2 ，如图2 - 9 所示，就可得到如下联立方程 求得上式的近似解为 一二上一et 2 = 0 6 l 一丁2 ( 2 9 ) 个 一! l 一 12 pn = 0 2 l r 2 五+ 正z 去( f 1 鹄) ( 2 1 0 ) l o 上n n l一一t一一 第二章破碎过程分析 砻笔 ( 1 7 4 刍一o 5 5 ) ( 2 ( 正+ 疋) 2 f 2 可见，从图2 - 9 中查得，l 和，2 后，代入上面两式中就能求得参数正和疋来。 通过对破碎实际系统的实验，当实际控制电振的电压增加l v 时，系统得到阶跃响应的数据。 如表2 1 所示： 表2 - 1 系统阶跃响应数据 时间料位- - i抖位- - 2 料位一3时间料位一1料位一2料位- - 3 000 o7 3 o 2 5o 2 3 0 2 6 10007 7o 2 6o 2 4 0 2 7 2 0008 1o 2 7o 2 5 o 2 8 30008 5o 2 7o 2 6 o 2 8 40008 9o 2 8 0 2 60 2 8 50009 30 2 80 2 6 0 2 8 70009 70 2 90 2 7 o 2 9 g0001 0 10 2 90 2 7 0 2 9 1 20001 0 5 0 2 90 2 70 2 9 1 40001 0 9o 2 9 0 2 80 2 9 1 700 01 1 3o 2 90 2 8o 2 9 2 100 01 1 70 2 9o 2 8o 2 9 2 500 01 2 10 2 90 2 8o 2 9 2 900 01 2 50 2 90 2 80 3 3 30 0 1 0 0 10 0 21 2 90 2 90 2 8o 3 3 70 0 4 0 0 3o 0 51 3 3o 2 90 2 80 3 4 10 0 7 o 0 60 0 81 3 70 30 2 80 3 4 5o 1 0 10 1 21 4 10 3o 2 80 3 4 90 1 4o 1 2o 1 51 4 50 3o 2 80 3 5 3 0 1 6o 1 50 1 81 4 9o 3o 2 8o 3 5 7o 1 9 0 1 80 21 5 30 3o 2 8o 3 6 1o 2 1 o 20 2 21 5 70 30 2 8o 3 6 50 2 3 0 2 20 2 41 6 1o 3o 2 8o 3 6 90 2 4 0 2 30 2 5 东南大学硕士学位论文 对以上数据进行画图，可以得到这样的阶跃响应曲线，如图2 一l o 所示。 图2 1 0 系统响应曲线 采用上面的两点法确定二阶惯性加纯滞后环节的特征参数。最终得到系统的传递函数为： g ( s ) = 面而0 3 i 丽1 严 ( 2 1 2 ) 本章首先对破碎工艺流程进行了详细说明，然后说明了对破碎系统进行建模的目的及方法。首 先通过机理建模的方法给出了被控系统的结构特点，破碎过程是一个复杂的动力学过程，并具有非 线性和大时滞特性。然后通过时域建模的方法，完整给出系统的二阶时滞模型。为破碎系统控制提 供依据 1 2 e ，u 毯悟掣婪 第三章破碎系统方案设计 第三章破碎系统方案设计 在上一章对破碎过程进行全面分析的基础上，系统具有非线性和大时滞特性。在得到的系统二 阶时滞模型基础上，本章拟采用几种常规的控制方案：p i d 控制，s m i t h 预估，内模控制，对系统进 行仿真研究，进一步了解系统特性。 3 1 常规p i d 控制方案 p i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v e ) 控制是比例一积分一微分的简称。在生产过程自动控 制的发展历程中，p i d 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。此后，随着科学技术的发展， 特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多先进的控制策略，然而直到现在，p i d 控制仍然得到 广泛的应用。概括起来，该算法具有如下优点： ( 1 ) 原理简单，使用方便。p i d 控制是由p 、i 、d 三个环节组合而成，其基本组成原理比 较简单，很容易理解它，参数的物理意义也比较明确。 ( 2 ) 适应性强。可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产场合。按 p i d 控制进行工作的自动调节器早已商品化，在具体实现上经历了机械式、液动式、气动式、电子 式等发展阶段，但始终没有脱离p t d 控制的范畴。即使目前最先进的过程控制系统，其基本控制算 法也仍然是p i d 控制。 ( 3 ) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 由于具有这些优点，在过程控制中，人们首先想到的总是p i d 控制。大型现代化生产装置的控 制回路可能多达一= 百路甚至更多，其中绝大多数都采用p i d 控制。例外的情况有两种：一种是被 控对象易于控制而控制要求又不高时，可以采用更简单的开关控制方式；另一种是被控对象特别难 控制而控制要求又特别高时，如果p i d 控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制策略。 p i d 调节器分为模拟式和数字式p i d 调节器，前者采用运算放大器、阻容元器件等模拟电路构 成，早期使用广泛，如d d z - u l 型p i d 调节器。随着微处理器的发展，采用单片微型计算机的数字式 p i d 调节器应用越来越广泛。 理想p i d 控制算法表达式如下 卜置叫，+ 寺l ：印，卉帆半卜。 = 井+ 寺i 哪，出峨华 + l r 。 讯1 ， 式中是控制作用的初始稳态值；t 是比例放大系数；z 是积分时间常数；乃是微分时问常 数；u ( t ) 是f 时刻控制作用的输出；e ( t ) 是f 时刻控制器的输入，p ( r ) = r ( t ) - y ( t ) ，r ( f ) 和) ，( f ) 分 别是埘刻控制器的设定值和当拖j = 去称比例度或比例带 由于模拟式p i d 控制器现在使用得越来越少，这里就不再涉及，有关具体电路可以参考其他文 献。 由于计算机控制技术的发展非常迅速，数字化p i d 控制算法得到了大量应用。采用如下转换公 1 3 东南大学硕士学位论文 式即可由模拟控制算法近似得到数字化控制算法。 旧出吐襄州) l 业：! ! ! ! 二! ! 墨二12 【d t t ， 式中t 为采样周期。 根据式( 3 1 ) 所示模拟控制表达式，可以推得以下三种数字控制算法的形式。 1 位置算法 该算法可以直接求得控制器的输出为 “c 七，= e e c 七，+ 号妻e c 。+ 乃! t 蔓! ：j ；业 + “。 ( 3 2 ) k “( 七) = k 。e ( k ) + k , x e ( i ) + k d e ( k ) - e ( k - i ) + u 。 ( 3 3 ) t = o 舯k = 争髟= 等 2 增量算法 该算法可以求得控制器输出的增量值为 a u ( k ) = u ( k ) - u ( k l 、 a “( 七) = 墨k ( 七) 一e ( k 1 ) 】+ k p ( 七) + x 。k ( 七) 一2 e ( k 1 ) + p ( 女一2 ) 】 “( 七) = k 。p ( t ) + k p ( _ i ) + k d k ( 七) 一2 e ( k 1 ) + p ( j | 一2 ) 】 ( 3 4 ) 3 速度算法 该算法可以求得增量输出与采样周期之比为 = 半 吣) 专蚴) + 和) + 争附2 m _ 1 ) 州h ) 】 ( 3 5 ) 式中e ( 七) = e ( k ) - e ( k - 1 ) 。 另外在使用数字式p i d 控制算法的过程中，必须考虑采样周期瓦对系统的影响。乃是两次采样 之间的时间间隔。根据香农采样定理：对一个具有有限频谱( 锄。 f o + 一) 的连续信号进行 采样，采样频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍( 2 。) ，即正 石珊。采样定 理从理论上给出了采样周期的上限。从控制性能考虑，采样周期丁应尽可能地短，这样接近于连续 控制，不仅控制效果好，而且可借用模拟p i d 控制参数的整定方法。但采样周期越短，对计算机的 1 4 第三章破碎系统方案设计 运行速度和存储容量要求越高。从执行机构的特性要求来看，由于过程控制通常采用气动或电动调 节阀，它们的响应速度较低。如果周期过短，执行机构来不及响应，仍达不到控制的目的，所以采 样周期也不能过短。 采样周期的选取还应考虑被控对象的时间常数r 和纯滞后时间f 。当f = 0 或f o 5 t 时，可选t 等于或接近f 。表3 - 1 可作为选择计算机过 程控制系统采样周期的参考，最终还是要通过现场试验确定最合适的采样时间【1 9 j 表3 - 1 计算机过程控制系统采样周期 系统的仿真结构如 采样周期 控制回路说明 ( s ) 流量l 2 压力 3 3 渡位3 3 温度1 3 2 0 或取纯滞后时间 成份 1 3 2 0 图3 - 1p i d 仿真结构图 其中，) = 獗再0 而3 1 丽8 m “ 当p = 4 ，i = 1 时，效果如图3 - 2 所示。 图3 - 2p i d 仿真效果图 东南大学硕士学位论文 3 2 史密斯( s m i t h ) 预估补偿方案 该方案由s m i t h 率先提出，其主要原理是预先估计出被控过程动态模型，然后将预估器并联在 被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，力图将被延迟了时间f 的被控量提前送入控制 器，因而控制器能提前动作，这样就消除了纯滞后特性在闭环中的影响。s m i t h 补偿系统一般型框 图如图3 - 3 所示。 图3 - 3s m i t h 补偿系统一般型框图 图中，。御e 。”为广义被控对象的数学模型；形。为不包括纯滞后时间f 。的对象模 型，矿倒为s m i t h 预估补偿器。 引入s m i t h 预估补偿器的目的，就是使等效对象中能消除纯滞后部分，即 形。p - - g e t + 形，例= 形。缈 ( 3 6 ) 由