专利名称：一种磨矿分级过程的抗扰动控制装置及其方法
技术领域：
本发明涉及的是一种自动控制技术领域，尤其涉及的是一种磨矿分级过程的抗扰 动控制装置及其方法。
背景技术：
磨矿分级过程是冶金行业选矿生产过程中的关键流程。该过程是破碎筛分过程的 继续，其目的是通过研磨使矿石中的有用成分全部或大部分达到单体分离(微米级)，同时 又尽量避免“过粉碎”现象，达到选别作业(如浮选、磁选)的粒度要求，为选别作业有效回 收矿石中的有用成分创造条件。传统的磨矿分级过程控制由磨矿操作工采用“触、听、看”的方法，不足在于对操作 人员的要求比较高，并且无法保证生产安全与产品质量。随着控制理论的发展，基于分散单 输入/输出的先进控制在磨矿分级过程中得到广泛应用，但目前这些控制器没有采取有针 对的抗扰动设计，磨矿分级过程存在大时滞、多种内外部扰动和通道间的耦合，这都使得先 进控制算法难以在实际的磨矿分级控制中取得好的控制效果。
发明内容
发明目的本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种磨矿分级过程的 抗扰动控制装置及其方法，对磨矿分级过程进行自动调节，使产品满足粒度要求，同时使球 磨机工作在最佳负荷状态，满足产量要求，不仅能实时检测磨矿车间给矿、磨矿、泵池液位 和水力旋流的工况，而且能根据产品粒度和循环负荷自动调节给矿、补水，实现磨矿分级过 程的自动化。技术方案本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括可编程逻辑控制器、 泵池出水管路流量计、泵池给水管路流量计、皮带秤、液位计、浓度计、粒度分析仪、电耳、调 节阀、给矿机变频器和监控计算机；所述的可编程逻辑控制器包括模拟量输入模块、CPU模 块和模拟量输出模块，其中CPU模块分别与模拟量输入模块和模拟量输出模块相连，监控 计算机和CPU模块相连，泵池出水管路流量计、泵池给水管路流量计、皮带秤、液位计、浓度 计、粒度分析仪和电耳分别与模拟量输入模块相连，模拟量输出模块分别与调节阀和给矿 机变频器相连以传输控制信号。所述的模拟量输入模块上设有若干输入端，泵池出水管路流量计、泵池给水管路 流量计、皮带秤、液位计、浓度计、粒度分析仪和电耳通过各个输入端分别与模拟量输入模 块相连。所述的给矿机变频器和给矿机相连，给矿机位于给矿皮带上方，给矿皮带和皮带 秤相连，模拟量输出模块通过给矿机变频器控制给矿机。所述的调节阀通过泵池给水管路和泵池给水管路流量计相连，模拟量输出模块通 过调节阀控制泵池给水管路。一种磨矿分级过程的抗扰动控制装置的控制方法，包括以下步骤，
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(1)设置工作参数，包括设定产品粒度、循环负荷、采样周期、基于扰动观测器的动 态矩阵控制控制的预测时域、控制时域、阶跃模型系数、权重误差和控制量误差；(2)采集实际值，包括产品粒度、循环负荷、给矿量和泵池补加水量；(3)将步骤⑴中设置的产品粒度与和步骤(2)中采集的实际产品粒度比较，得出 产品粒度偏差，将步骤(1)中设置的循环负荷与步骤(2)中采集的实际循环负荷进行比较， 得出循环负荷偏差；(4)用步骤(3)中得到的产品粒度偏差和循环负荷偏差分别对预测产品粒度和预 测循环负荷进行校正；(5)对步骤(4)得到的校正后的预测产品粒度和预测循环负荷分别进行移位以设 置当前时刻的预测产品粒度初值和预测循环负荷初值；(6)以步骤(5)得到的移位后的预测产品粒度和预测循环负荷和步骤(1)设定的 工作参数，得出给矿回路的给矿量基值和泵池补加水回路的泵池补加水量基值；(7)以步骤(2)中采集到的实际给矿量、泵池补加水量、产品粒度和循环负荷，得 出给矿回路的扰动估计值和泵池补加水回路的扰动估计值；(8)将步骤(6)得到的给矿回路的给矿量基值减去步骤(7)得到给矿回路的扰动 估计值得到给矿回路的给矿量，将步骤(6)得到的泵池补加水回路的泵池补加水量基值减 去步骤(7)得到的泵池补加水回路的扰动估计值得到泵池补加水回路的泵池补加水量；(9)将步骤(8)得到的给矿量输送到给矿机变频器，以控制实际给矿量，将步骤 (8)得到的泵池补加水量输送到泵池给水管路的调节阀，以控制泵池实际的补加水量；(10)利用步骤(8)得到的给矿量和泵池补加水量得到预测产品粒度和预测循环 负荷，然后返回步骤(2)。有益效果本发明采用基于扰动观测器的模型预测控制方法进行调控，避免了人 工手动操作的不足，增强了先进控制系统的抗扰动能力，改善了系统的控制性能，增加了生 产效益；以可编程逻辑控制器为核心控制器，增强了控制系统的可靠性，扩展了控制系统的 应用范围；采用监控计算机进行实时监控，可在线修改可编程逻辑控制器的工作参数和指 标参数，提高了控制系统的灵活性和生产效率。本发明能有效解决一大类工业过程的扰动、 耦合和模型失配等控制问题，提高自动控制系统的控制性能，有利于降低企业发展扩建、设 备维护更新的费用，大大增加了企业经济效益，同时可以避免恶劣生产现场的人工操作，降 低工人劳动强度，改善了劳动环境。
图1是本发明磨矿分级过程的抗扰动控制系统的结构示意图；图2是本发明磨矿分级过程的抗扰动控制装置的结构框图；图3是本发明的模拟量输入模块的连接示意图；图4是本发明的模拟量输出模块的连接示意图；图5是本发明磨矿分级过程的抗扰动控制方法的流程图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行
4实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括可编程逻辑控制器1、给矿机变频器2、给矿机3、矿仓 4、给矿皮带5、皮带秤6、电耳7、泵池给水管路流量计8、球磨机9、调节阀10、泵池11、粒度 分析仪12、水力旋流器13、泵池出水管路流量计14、浓度计15、液位计16、水泵17和监控计 算机，可编程逻辑控制器1包括模拟量输入模块、CPU模块和模拟量输出模块，其中矿仓4 内的矿石由矿仓4落下，经给矿机3、给矿皮带5送入球磨机9进行研磨。研磨后的矿浆经 泵池11在水泵17作用下送入水力旋流器13进行分级，粗矿作为循环负荷返回球磨机9再 磨，细矿作为磨矿分级过程的最终产品送入下道作业工序；泵池给水管路流量计8设置在 泵池11的给水管路上用以检测泵池11的补加水量；皮带秤6设于给矿皮带5上用以检测 给矿量；粒度分析仪12设于水力旋流器13的出水管路，用以检测产品粒度；液位计16设 于泵池11上方，用以检测泵池11液位；电耳7设于球磨机9机身外侧，用以检测球磨机9 音量；泵池出水管路流量计14设于泵池出水管路，用以检测泵池11出水管路的矿浆流量； 浓度计15设于泵池出水管路，用以检测泵池11出水管路的矿浆浓度；给矿机变频器2用于 控制给矿机3的给矿量；调节阀10用于控制泵池11给水管路的流量；可编程逻辑控制器 1用于接收各检测装置的采样值，并经过控制计算，将控制量输送给给矿机变频器2和调节 阀10，以实现给矿量和泵池补加水量的控制。如图2所示，所述的CPU模块的输入端和模拟量输入模块相连，CPU模块的输出端 和模拟量输出模块相连，监控计算机和CPU模块相连，用于设定可编程逻辑控制器1的工作 参数并实时监控磨矿分级过程各设备的工作状态，设定的可编程逻辑控制器1的工作参数 和指标参数包括产品粒度设定值、循环负荷设定值、采样周期、基于扰动观测器的动态矩阵 控制控制的预测时域、控制时域、阶跃模型系数、权重误差、控制量误差。泵池给水管路流量计8设置在泵池11的给水管路上用以检测泵池11的补加水 量，并将其调理成标准检测电流信号(4 20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；皮带秤6设于给矿皮带5上用以检测给矿量，并将其调理成标准检测电流信号 (4 20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；粒度分析仪12设于水力旋流器13的出水管路，用以检测产品粒度，并将其调理成 标准检测电流信号(4 20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；液位计16设于泵池11上方，用以检测泵池11液位，并将其调理成标准检测电流 信号(4 20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；电耳7设于球磨机9机身外侧，用以检测磨机音量，并将其调理成标准检测电流信 号(4 20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；泵池出水管路流量计14设于泵池出水管路上用以检测泵池的出水管路流量，并 将其调理成标准检测电流信号(4 20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；浓度计15设于泵池出水管路上用以检测泵池的出水管路中的矿浆浓度，并将其 调理成标准检测电流信号(4 20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；给矿机变频器2设于给矿机3上，其输入端接模拟量输出模块的输出端，用于控制 给矿机3的给矿量；调节阀10设于泵池11给水管路上，其输入端接模拟量输出模块的输出端，用于控制泵池11给水管路的流量。CPU模块的处理过程如下(1)对泵池给水管路流量计8、皮带秤6、粒度分析仪12、液位计16、电耳7的检测 电流信号进行滤波及规格化得到泵池11给水管路流量、给矿量、产品粒度、泵池11液位和 磨机音量，并利用软测量的方法得到产品循环负荷；(2)将设定好的产品粒度和循环负荷与检测到的实际产品粒度和循环负荷相减， 计算出产品粒度偏差和循环负荷偏差；(3)利用得到的粒度偏差和循环负荷偏差对预测产品粒度和预测循环负荷进行校 正；(4)对校正后的预测产品粒度和预测循环负荷进行移位，以得到当前时刻的预测 产品粒度初值和预测循环负荷初值；(5)利用基于扰动观测器的动态矩阵控制算法中的动态矩阵控制模块，移位后的 预测产品粒度和预测循环负荷，以及设定好的工作和指标参数，计算出给矿回路的给矿量 基值和泵池11补加水回路的泵池补加水量基值；(6)利用基于扰动观测器的动态矩阵控制算法中的扰动观测器模块，采集到的给 矿量、产品粒度、泵池11补加水量和循环负荷，计算出给矿回路的扰动量和泵池11补加水 回路的扰动量；(7)计算出给矿回路的给矿量和泵池11补加水回路的泵池11补加水量；(8)将计算得到的给矿量输送到给矿机变频器2以控制实际给矿量，同时将计算 得到的泵池11补加水量送到泵池11给水管路调节阀10以控制泵池11补加水量。本实施例中，可编程逻辑控制器1包括一个模拟量输入模块和一个模拟量输出模 块。如图3所示，所述的模拟量输入模块中2号和3号通道连接到泵池给水管路流量 计8 ；4号和5号通道连接到皮带秤6 ；6号和7号通道连接到粒度分析仪12 ；8号和9号通 道连接到液位计16 ；12号和13号通道连接到电耳7 ；14号和15号通道连接到浓度计15 ； 16号和17号通道连接到泵池出水管路流量计14 ；18号和19号通道为预留通道。如图4所示，所述的模拟量输出模块中3号和6号通道连接到给矿机变频器2 ；7 号和10号通道连接到调节阀10 ；其余为预留通道。CPU模块与上述模拟量输入模块、模拟量输出模块通过模块间的背板总线连接。如图5所示，一种磨矿分级过程的抗扰动控制方法，包括如下步骤(1)开始设置工作参数，包括产品粒度设定值、循环负荷设定值、采样周期、基于扰 动观测器的动态矩阵控制控制的预测时域、控制时域、阶跃模型系数、权重误差、控制量误 差；(2)采集实际值，包括产品粒度、循环负荷、给矿量、泵池补加水量；(3)将步骤⑴中设置的产品粒度与和步骤(2)中采集的实际产品粒度比较，得出 产品粒度偏差，将步骤(1)中设置的循环负荷与步骤(2)中采集的实际循环负荷进行比较， 得出循环负荷偏差；(4)用步骤(3)中得到的产品粒度偏差和循环负荷偏差分别对预测产品粒度和预 测循环负荷进行校正；
(5)对步骤(4)得到的校正后的预测产品粒度和预测循环负荷分别进行移位以设 置当前时刻的预测产品粒度初值和预测循环负荷初值；(6)利用基于扰动观测器的动态矩阵控制算法中的动态矩阵控制模块，步骤(5) 得到的移位后的预测产品粒度和预测循环负荷，以及步骤(1)设定的工作参数，得出给矿 回路的给矿量基值和泵池补加水回路的泵池补加水量基值；(7)利用基于扰动观测器的动态矩阵控制算法中的扰动观测器模块和步骤(2)中 采集到的实际给矿量、泵池补加水量、产品粒度和循环负荷，得出给矿回路的扰动估计值和 泵池补加水回路的扰动估计值；(8)将步骤(6)得到的给矿回路的给矿量基值减去步骤(7)得到给矿回路的扰动 估计值得到给矿回路的给矿量，将步骤(6)得到的泵池补加水回路的泵池补加水量基值减 去步骤(7)得到的泵池补加水回路的扰动估计值得到泵池补加水回路的泵池补加水量；(9)将步骤(8)得到的给矿量输送到给矿机变频器，以控制实际给矿量，将步骤 (8)得到的泵池补加水量输送到泵池给水管路的调节阀，以控制泵池实际的补加水量；(10)利用步骤(8)得到的给矿量和泵池补加水量得到预测产品粒度和预测循环 负荷，然后返回步骤(2)。
权利要求
一种磨矿分级过程的抗扰动控制装置，其特征在于，包括可编程逻辑控制器、泵池出水管路流量计、泵池给水管路流量计、皮带秤、液位计、浓度计、粒度分析仪、电耳、调节阀、给矿机变频器和监控计算机；所述的可编程逻辑控制器包括模拟量输入模块、CPU模块和模拟量输出模块，其中CPU模块分别与模拟量输入模块和模拟量输出模块相连，监控计算机和CPU模块相连，泵池出水管路流量计、泵池给水管路流量计、皮带秤、液位计、浓度计、粒度分析仪和电耳分别与模拟量输入模块相连，模拟量输出模块分别与调节阀和给矿机变频器相连以传输控制信号。
2.根据权利要求1所述的磨矿分级过程的抗扰动控制装置，其特征在于所述的模拟 量输入模块上设有若干输入端，泵池出水管路流量计、泵池给水管路流量计、皮带秤、液位 计、浓度计、粒度分析仪和电耳通过各个输入端分别与模拟量输入模块相连。
3.根据权利要求1所述的磨矿分级过程的抗扰动控制装置，其特征在于所述的给矿 机变频器和给矿机相连，给矿机位于给矿皮带上方，给矿皮带和皮带秤相连，模拟量输出模 块通过给矿机变频器控制给矿机。
4.根据权利要求1所述的磨矿分级过程的抗扰动控制装置，其特征在于所述的调节 阀通过泵池给水管路和泵池给水管路流量计相连，模拟量输出模块通过调节阀控制泵池给 水管路。
5.根据权利要求1所述的磨矿分级过程的抗扰动控制装置的控制方法，其特征在于 包括以下步骤，(1)设置工作参数，包括设定产品粒度、循环负荷、采样周期、基于扰动观测器的动态矩 阵控制的预测时域、控制时域、阶跃模型系数、权重误差和控制量误差；(2)采集实际值，包括产品粒度、循环负荷、给矿量和泵池补加水量；(3)将步骤⑴中设置的产品粒度与和步骤(2)中采集的实际产品粒度比较，得出产品 粒度偏差，将步骤(1)中设置的循环负荷与步骤(2)中采集的实际循环负荷进行比较，得出 循环负荷偏差；(4)用步骤(3)中得到的产品粒度偏差和循环负荷偏差分别对预测产品粒度和预测循 环负荷进行校正；(5)对步骤(4)得到的校正后的预测产品粒度和预测循环负荷分别进行移位以设置当 前时刻的预测产品粒度初值和预测循环负荷初值；(6)以步骤(5)得到的移位后的预测产品粒度和预测循环负荷和步骤(1)设定的工作 参数，得出给矿回路的给矿量基值和泵池补加水回路的泵池补加水量基值；(7)以步骤(2)中采集到的实际给矿量、泵池补加水量、产品粒度和循环负荷，得出给 矿回路的扰动估计值和泵池补加水回路的扰动估计值；(8)将步骤(6)得到的给矿回路的给矿量基值减去步骤(7)得到给矿回路的扰动估计 值得到给矿回路的给矿量，将步骤(6)得到的泵池补加水回路的泵池补加水量基值减去步 骤(7)得到的泵池补加水回路的扰动估计值得到泵池补加水回路的泵池补加水量；(9)将步骤(8)得到的给矿量输送到给矿机变频器，以控制实际给矿量，将步骤(8)得 到的泵池补加水量输送到泵池给水管路的调节阀，以控制泵池实际的补加水量；(10)利用步骤(8)得到的给矿量和泵池补加水量得到预测产品粒度和预测循环负荷， 然后返回步骤(2)。
全文摘要
本发明公开了一种磨矿分级过程的抗扰动控制装置及其方法，包括可编程逻辑控制器、泵池出水管路流量计、泵池给水管路流量计、皮带秤、液位计、粒度分析仪、电耳、浓度计、调节阀、给矿机变频器和监控计算机；所述的可编程逻辑控制器包括模拟量输入模块、CPU模块和模拟量输出模块。本发明能有效解决一大类工业过程的扰动、耦合和模型失配等控制问题，提高自动控制系统的控制性能，有利于降低企业发展扩建、设备维护更新的费用，大大增加了企业经济效益，同时可以避免恶劣生产现场的人工操作，降低工人劳动强度，改善了劳动环境。
文档编号G05B23/02GK101954309SQ20101051758
公开日2011年1月26日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者李世华, 李奇, 王洪超, 胡晓嵬, 郭聪, 陈夕松 申请人:东南大学