复杂磨矿过程运行反馈控制方法及应用研究

论文摘要

冶金选矿中,磨矿是任何一种金属选别的先决工序。其作用就是将大颗粒矿物原料粉碎到适宜粒度,使有用矿物与脉石单体解离或不同有用矿物相互解离,为后续选别提供原料。磨矿是典型的高能耗、低效率过程,其电能消耗约占整个选厂的45-70%,生产成本约占40～60%。磨矿运行指标即磨矿产品粒度（质量指标）、磨矿生产效率等决定着选矿精矿品位的好坏和生产能力的高低,并与选厂经济技术指标密切相关。长期以来,磨矿过程控制与优化被认为是提高磨矿产品质量与生产效率以及整个选厂经济利润的关键,一直受到国内外学者的关注和重视。以多回路PI/PID和多变量预测控制为主的控制技术均一定程度达到了调控局部单元的磨矿设备,使其按照期望目标运行的目的。然而,从过程工程的角度来看,磨矿自动控制不仅仅是使局部单元磨矿装置系统尽可能好地跟踪期望设定值,而且要控制整个过程运行,实现表征过程整体运行性能的磨矿粒度与生产效率等运行指标的优化。因此,将复杂磨矿生产与各个磨矿设备作为紧密联系的整体,构建磨矿整体运行的分层反馈控制结构,实现控制指标、运行指标以及经济性能指标的集成控制与优化,是各个选矿企业提高自身市场竞争力的重要手段。磨矿过程流程长、滞后大、影响因素众多且彼此相互制约和关联耦合。磨矿运行指标不仅与回路控制的关键过程变量密切相关,并且其动态特性还受原矿成份与性质、生产技术规范与操作规范、设备能力以及各种未知动态干扰的影响,具有较强时变特性。因此,磨矿过程运行控制研究具有挑战性且方法较少。现有方法大多采用上层开环设定加底层基础反馈控制的运行控制模式,没有真正意义实现磨矿运行指标的上层闭环反馈控制。当外部干扰和运行环境动态变化时,难以对运行过程做出及时准确调整,因而难以实现过程的优化运行。为此,必须利用实时或者间歇性的磨矿运行指标反馈信息,研究实现运行指标上层闭环控制的磨矿过程运行反馈控制方法及工业应用。论文从经济全球化背景下的现代选矿企业对提高产品质量与生产效率以及节能降耗的迫切需求出发,依托国家自然科学基金青年项目（61104084）、国家973计划项目（2009CB320601）以及中央高校创新基金项目（N090608001）,开展具有运行反馈控制和基础反馈控制层次反馈控制结构的磨矿过程运行反馈控制方法及其应用的研究,具体如下：1.针对国际通用的一段棒磨开路、二段球磨-水力旋流器闭路磨矿的原矿石成份与性质比较稳定、给矿粒级较窄、可以建立过程的近似数学模型,研究基于模型的运行反馈控制方法及与已有MPC方法的仿真比较研究：1)针对磨矿过程的多运行指标及其测量反馈大时滞特性,提出基于改进两自由度（2-DOF）解析解耦的运行反馈控制方法。针对具有多变量及多输入输出时滞特性的运行过程模型,为了设计能够物理实现的2-DOF运行控制系统,提出基于频域多点阶跃响应匹配的高阶多时滞系统的模型近似方法。磨矿过程的仿真应用及比较验证了所提方法的有效性和先进性。2)针对磨矿过程运行性能受各种未知动态干扰（如原材料性质的波动）影响,以及常规基于MPC运行反馈控制方法干扰抑制性能的不足,引入干扰观测（DOB）技术,研究基于DOB-MPC的集成运行反馈控制方法：A.针对已有单变量DOB设计仅适用于最小相位时滞或非时滞系统,提出非最小相位时滞系统的改进DOB（IDOB）设计方法。在此基础上,提出基于IDOB-MPC的集成运行反馈控制方法。在磨矿过程的设计实例及仿真实验表明所提方法在动态环境下的干扰抑制和干扰观测方面均优于常规基于MPC的运行反馈控制方法。B.针对已有DOB技术的单变量本质,借助于提出的模型近似算法,提出基于MIMO系统近似逆的多变量DOB（MDOB）设计方法。在此基础上,提出基于MDOB-MPC的集成运行反馈控制方法。与已有磨矿运行反馈控制方法的仿真比较表明：所提方法在干扰抑制、干扰观测以及整体运行控制性能方面均优于IDOB-MPC、改进2-DOF解析解耦以及常规MPC的运行反馈控制方法。2.针对我国广泛使用的赤铁矿闭路磨矿的原矿石性质与成份复杂且不稳定、嵌布粒度细,磨矿运行指标难以在线测量且过程具有工况时变等综合复杂特性,难以建立过程数学模型,研究基于数据与知识的复杂磨矿过程智能运行反馈控制方法：1)针对赤铁矿两段全闭路复杂磨矿,将建模与控制相集成,充分利用数据与知识,采用分层反馈结构,提出由基于案例推理（CBR）的回路预设定模型、磨矿粒度动态神经网络（ANN）在线软测量以及回路设定值模糊动态调节构成的磨矿智能运行反馈控制方法。在某大型赤铁矿选厂的工业试验及应用表明：所提方法稳定并优化了磨矿粒度,提高磨矿作业率～2.78%、台时处理量～4.42%,并使磨矿生产经济利润增加～930万元/年。2)针对赤铁矿闭路磨矿运行因过负荷故障工况而影响系统运行安全的问题,提出具有回路设定值自适应QP优化、磨矿粒度在线软测量、多变量智能反馈校正以及磨机过负荷故障工况在线监测与调节等结构的磨矿过程运行安全与优化的智能运行控制方法。考虑到前述单一ANN粒度软测量的精度和可靠性不足,提出由基于CBR的粒度软测量、基于ANN的粒度软测量、软测量可信度因子求解以及最终粒度求解构成的磨矿粒度混合智能软测量方法。另外,集成数据驱动的SPC技术和知识驱动的RBR技术用于磨机过负荷工况的智能在线监测与过负荷调节。在某赤铁矿选厂的工业应用表明：所提方法不但能够实现磨矿运行优化,而且可有效避免磨机过负荷故障工况,增强系统的安全和稳定性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 工业过程运行反馈控制的含义及特点
• 1.2.1 过程控制指标与运行控制指标
• 1.2.2 工业过程运行反馈控制的含义
• 1.2.3 工业过程运行反馈控制的特点
• 1.3 工业过程运行优化与控制的研究现状
• 1.3.1 调节优化或自优化控制
• 1.3.2 实时优化控制
• 1.3.3 RTO与MPC集成优化与控制方法
• 1.3.4 基于智能技术的工业过程运行控制方法
• 1.4 磨矿过程运行反馈控制的必要性及研究现状
• 1.4.1 磨矿过程的重要性及其运行控制研究的必要性
• 1.4.2 基于模型的磨矿过程运行控制与优化方法及技术
• 1.4.3 基于智能的磨矿过程运行控制与优化方法及技术
• 1.5 存在的问题及论文主要工作
• 1.5.1 存在的问题
• 1.5.2 论文主要工作
• 第2章 冶金磨矿过程及其运行反馈控制问题描述
• 2.1 冶金磨矿过程工艺描述
• 2.1.1 磨矿过程简介
• 2.1.2 磨矿过程关键工艺设备
• 2.2 闭路磨矿回路流程以及两类典型闭路磨矿过程描述
• 2.2.1 磨矿回路流程
• 2.2.2 两类典型磨矿过程介绍
• 2.3 磨矿过程运行指标及其影响因素分析
• 2.3.1 磨矿过程运行指标
• 2.3.2 影响磨矿过程运行的因素分析
• 2.4 磨矿过程运行反馈控制的问题描述及其复杂性分析
• 2.4.1 磨矿过程运行反馈控制的问题描述
• 2.4.2 磨矿过程运行反馈控制难点及其复杂性分析
• 2.5 人工监督的复杂赤铁矿磨矿运行控制过程描述
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于改进2-DOF解析解耦与模型近似的运行反馈控制方法及在磨矿过程的仿真实验
• 3.1 基于多点阶跃响应匹配的复杂高阶多时滞系统的低阶单时滞模型近似
• 3.1.1 模型近似在基于模型的运行反馈控制设计的重要性
• 3.1.2 多点阶跃响应匹配模型近似问题描述
• 3.1.3 模型近似参数搜索算法
• 3.1.4 模型近似求解步骤
• 3.1.5 仿真实验
• 3.2 基于改进2-DOF解析解耦与模型近似的工业过程运行反馈控制方法
• 3.2.1 基于改进2-DOF解析解耦的工业过程运行反馈控制策略
• 3.2.2 基于改进2-DOF解耦与模型近似的运行反馈控制设计
• 3.2.3 稳定性分析
• 3.3 基于改进2-DOF解耦的磨矿运行反馈控制设计及仿真比较
• 3.3.1 一段棒磨开路、二段球磨-旋流器闭路磨矿及其控制问题
• 3.3.2 基于改进2-DOF的闭路磨矿运行反馈控制系统设计
• 3.3.3 仿真实验与结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于DOB与MPC的集成运行反馈控制方法及在磨矿过程的仿真实验和比较研究
• 4.1 基于DOB与MPC的集成运行反馈控制策略
• 4.2 基于IDOB-MPC的集成运行反馈控制方法及在磨矿过程的仿真实验
• 4.2.1 改进单变量干扰观测器设计
• 4.2.2 基于IDOB-MPC的集成反馈控制设计及性能分析
• 4.2.3 基于IDOB-MPC的磨矿过程集成运行反馈控制设计及其仿真实验
• 4.3 基于MDOB-MPC的集成运行反馈控制方法及在磨矿过程的仿真实验
• 4.3.1 基于MIMO系统近似逆的MDOB设计
• 4.3.2 基于MDOB-MPC的集成运行反馈控制设计及性能分析
• 4.3.3 基于MDOB-MPC的磨矿过程集成运行反馈控制设计及仿真比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 数据驱动两段全闭路磨矿智能运行反馈控制及工业应用
• 5.1 两段球磨全闭路复杂赤铁矿磨矿系统及其运行控制问题
• 5.1.1 赤铁矿两段全闭路复杂磨矿过程简介
• 5.1.2 两段全闭路磨矿过程的综合复杂动态特性分析
• 5.1.3 两段全闭路磨矿过程运行控制问题及现状
• 5.2 数据驱动的赤铁矿两段球磨全闭路复杂磨矿智能运行反馈控制策略
• 5.2.1 智能运行反馈控制策略
• 5.2.2 几点说明及一般性推广
• 5.3 数据驱动的两段全闭路磨矿智能运行反馈控制实现算法
• 5.3.1 PPS神经网络在线动态软测量
• 5.3.2 控制系统预设定值的案例推理求解
• 5.3.3 控制系统设定值的模糊动态调节
• 5.4 工业试验与应用
• 5.4.1 工业试验
• 5.4.2 工业应用
• 5.4.3 经济效应分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 面向运行优化与安全的闭路磨矿智能运行反馈控制及工业应用
• 6.1 球磨机-螺旋分级机闭路磨矿过程及其运行控制问题
• 6.1.1 球磨机-螺旋分级机闭路磨矿过程简介
• 6.1.2 球磨机-螺旋分级机闭路磨矿过程运行控制问题及其动态特性分析
• 6.1.3 人工监督操作的球磨机-螺旋分级机闭路磨矿运行控制现状
• 6.2 面向闭路磨矿过程运行优化与安全的智能运行反馈控制策略
• 6.2.1 磨矿过程运行优化与安全的智能运行反馈控制策略
• 6.2.2 几点说明及一般性推广
• 6.3 面向闭路磨矿运行优化与安全的智能运行反馈控制实现算法
• 6.3.1 过程控制系统设定值优化
• 6.3.2 分级机溢流矿浆粒度智能在线预测
• 6.3.3 正常工况下的控制系统设定值多变量动态反馈调节
• 6.3.4 磨机过负荷智能监测与过负荷故障工况多变量反馈调节
• 6.4 工业应用
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A 基于模糊相似粗糙集的案例特征权值确定
• 致谢
• 攻读博士期间所获学术成果和科研项目
• 作者简介