球磨机负荷优化控制的原理及设计实现

磨机运行过程非常复杂，由于磨矿过程参数众多，其中磨机负荷是磨矿过程的重要参数，且矿石的耐磨性、粒度和磨机衬板磨损程度等都极易发生变化，致使磨机负荷很难达到良好的自动控制效果。在实际运行过程中，通常由操作人员凭经验对球磨机负荷进行控制，磨机经常出现“空磨”或“闷磨”状况，导致选矿厂无用功增加。因此，为了选矿厂能安全经济运行，对其磨机负荷的优化控制具有十分重要的意义。

我们就此提出了一种新型控制策略，运用变步长自寻优控制策略，使系统能够在实际运行过程中快速、稳定地自动寻找磨机负荷的较佳工作点，并结合模糊理论对喂料量进行控制，可提高控制器的自适应能力，实现对磨机负荷的实时控制，提高球磨机的工作效率。

球磨机运行特性

究竟球磨机是怎样工作的呢？球磨机的动态运行特性非常复杂，其较佳负荷点常随参数变化而产生不同程度的漂移。磨音特性、功率特性、出力特性与磨机内存料量都不是简单的一次关系，而是存在着极值特性。在此我们分三个部分进行测试：在一部分，功率特性呈上升趋势，磨音特性逐渐下降，而出力逐渐增加，当磨机功率上升到极大值点时，磨机的出力并没达到极值，而此时磨机的耗电量大，但出力并不是较佳点，此区域磨机处于“空磨”状态，不是较佳控制区；在第二部分，功率呈下降趋势，磨音信号逐步减小并趋于稳定，出力则继续增大，达到更大出力点，可以看出，当出力达到更大时，磨音信号基本保持不变，此时磨机耗电量不大，则此区域为更佳控制区；在第三部分，磨机功率和出力均呈下降趋势，此时磨机在“饱磨”状态下运行，应该避免。

自寻优控制原理

对于具有时变性的被控对象，自寻优控制是一种有效的控制方法，通过在实际运行过程中不断测量被控量，由系统本身探测当时系统的运行条件，做出相应的决策。因此系统可以在被控特性发生漂移时仍可以寻找到更佳控制点，使被控对象工作在更优工作状态。我们提出的自寻优控制就是要在实际运行时找到磨机当前的负荷点，使磨机的出力达到更大，而这个更大出力点则是随实际生产过程不断漂移和变化的，不是一个固定值。

通常的自寻优算法都是以一个固定值作为搜索步长，此步长值的大小直接影响矿厂的经济效益。若搜索步长太小，则导致系统收敛速度较慢，不能快速找到系统较佳工作点；若步长取值太大，则会增大搜索损失，使效益受损。所以提出基于多信息融合的变步长自寻优控制策略，通过模糊控制实现对搜索步长的实时控制，从而达到降低损失的目的。

变步长自寻优控制器融合了球磨机的磨音、功率和出力3种信号，通过分析这3种信号的斜率变化来得到系统当前的运行状态，从而决定下一次的搜索步长。

模糊控制系统的设计

我们设计的模糊控制系统用球磨机的功率信号作为磨机内存料量（磨机负荷）的表征信号，以球磨机的负荷设定值与实际值的偏差及偏差变化率作为模糊控制器的输入量，其输出量为使喂料机变频器频率发生变化的电压值，后面达到调整喂料机转速的目的，以实现对磨机负荷的自动控制，使其能很好地跟随磨机负荷的设定值。磨机负荷的设定值为通过变步长自寻优控制器得出的喂料量。

系统的软硬件支持及运行效果

球磨机增产改造具体方案需要在一次次实验中寻找得出，河北某选矿厂一段磨矿分级系统共4个系列，球磨机规格为Ф2.7m×3.6m。系统控制器的中间控制单元采用西门子的CPU315－2PN/DP，现场IO采用ET200分布式，所有IO站都是通过PROFIBUUS-DP现场总线与主控制器相连接，系统采用工业以太网通信协议，实现上位机与下位机的实时通信，通信速率为100M，并预留10%的输入、输出模块，以备扩展。系统包括3个层次结构：

1、生产管理层主要是向领导展现矿厂的现场情况；

2、监视操作层主要包含中控室设备和服务器工控机，操作人员在中控室可以监视现场的操作情况，并可以进行手动实时控制，服务器对数据进行记录，并负责各层之间的通信；

3、过程控制层与现场设备相连接，并负责与中控室进行通信。

对磨机负荷实时控制，然后在对数据进行分析和控制，得出对磨机负荷的控制数据，以达到对磨机负荷的优化控制及系统稳定运行的目的。当系统运行到某一时刻时，人为加入10%的扰动，负荷先会出现一定波动，但在控制器的调节下，经过一段时间后系统又会稳定运行，负荷变化也比较平稳。

针对磨矿系统时变、非线性和时滞性的特点，结合多信息融合技术，设计了一种磨机负荷模糊自寻优控制系统，实现了对球磨机负荷的自动控制与自寻优，增强了系统的自适应与调整能力。经过几个月的实际运行，球磨机的台时产量增加了8%，磨机耗电量降低了10%，矿厂的生产成本降低了4%，在保证系统安全稳定运行的情况下，大大降低了工作人员的劳动强度。

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