本發(fā)明涉及一種模糊控制選煤方法。

背景技術(shù)：

綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用是近年來國內(nèi)現(xiàn)代化大型洗煤廠的一個突出特點(diǎn)，以工控機(jī)和可編程控制器為硬件核心，計(jì)算機(jī)信息管理、優(yōu)化和控制為軟件核心的綜合系統(tǒng)成為洗煤廠綜合信息化的典型模式。綜合信息化系統(tǒng)涵蓋了設(shè)備和生產(chǎn)工藝過程的監(jiān)視、保護(hù)和報(bào)警、生產(chǎn)工藝參數(shù)的檢測和調(diào)節(jié)、生產(chǎn)設(shè)備集中控制以及洗煤廠計(jì)算機(jī)信息管理與優(yōu)化等內(nèi)容。

重介質(zhì)旋流器分選過程是：懸浮液以一定壓力沿切線方向給入旋流器，形成強(qiáng)有力的離心力場。液流從入料口開始沿著旋流器內(nèi)壁形成一個上升的外螺旋流和下降的內(nèi)螺旋流，在旋流器軸心附近形成一股上升的內(nèi)螺旋流。原煤以中心給料方式由入料管給入，在離心力的作用下，由于顆粒的密度不同，它們將會從旋流器中心到旋流器內(nèi)壁迅速分層，小于分選密度的顆粒即精煤，聚集到中心隨內(nèi)螺旋流從溢流口排出；大于分選密度的顆粒即中煤和研石，會隨外螺旋流向上，從底流口排入二段旋流器繼續(xù)分選。

物料在進(jìn)入二段旋流器前，由于受到離心力和外螺旋流的擠壓作用，沿給料方向移動，產(chǎn)生了濃縮現(xiàn)象，使進(jìn)入二段旋流器的懸浮液密度升高，而二段旋流器的分選密度相應(yīng)升高，這樣就有效地將密度高的物料分選出來了。如果懸浮液的密度和入口壓力達(dá)不到要求或不能迅速控制，那么對原煤的分選效果會有很大影響。因此，重介懸浮液的密度及液位檢測與自動控制水平的高低決定著重介工藝分選精度和分選效果，也是重介工藝最核心的環(huán)節(jié)。為了保證有效分選，懸浮液密度控制應(yīng)做到快速、準(zhǔn)確，懸浮液入口壓力應(yīng)做到穩(wěn)定。

在利用自動分流這一環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)懸浮液密度調(diào)控時，合格介質(zhì)經(jīng)過稀介桶、磁選機(jī)后再進(jìn)入合介桶，需要一定的時間，是典型的大慣性、大滯后過程控制，如果僅僅采用傳統(tǒng)的PID控制不可避免的要出現(xiàn)超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。生產(chǎn)過程中為了保證精煤的合格率，往往采用降低分選密度的操作方法，然而這種方法的直接影響就是降低了精煤產(chǎn)率。目前，補(bǔ)加水環(huán)節(jié)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動控制，而在分流這一環(huán)節(jié)上還是靠人工控制，根據(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時的調(diào)節(jié)。這樣就會帶來很多問題，比如會導(dǎo)致懸浮液密度波動大，精煤灰分超標(biāo)或精煤產(chǎn)率降低，崗位司機(jī)工作負(fù)荷大。鑒于此，優(yōu)化洗煤工藝提高產(chǎn)量及質(zhì)量是迫切需要的。

本系統(tǒng)的控制對象重介懸浮液密度系統(tǒng)是一個集密度、磁性物含量、液位控制和閥位控制的典型的大慣性、大滯后和參數(shù)時變的不確定過程。傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論主要處理單輸入單輸出線性定常反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型用傳遞函數(shù)表示，它是建立在頻率法的基礎(chǔ)上；現(xiàn)代控制理論主要用來解決多輸入多輸出和時變系統(tǒng)的問題，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型用狀態(tài)方程表示，是一種時域表示方法。但無論是經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，都是建立在系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的。在實(shí)際系統(tǒng)中存在如下問題：

1.由于系統(tǒng)的控制對象的工業(yè)過程是非常復(fù)雜的，例如補(bǔ)水裝置及分流裝置安裝距離的不一致導(dǎo)致調(diào)節(jié)過程中響應(yīng)速度變化較大，很難準(zhǔn)確地描述這些過程的狀態(tài)方程。

2.為了數(shù)學(xué)處理上的方便而簡化數(shù)學(xué)模型，降低其階次，以犧牲準(zhǔn)確性來換取處理上的方便。而把一個高階系統(tǒng)簡化為低階數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)時，其結(jié)果往往是不能令人滿意的，甚至還會產(chǎn)生錯誤的結(jié)論。

3.由于此過程控制系統(tǒng)的時變性和復(fù)雜性，所建立的數(shù)學(xué)模型不可能與 實(shí)際系統(tǒng)完全吻合，也就得不到精確的數(shù)學(xué)模型，而只是一種近似。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種提高控制精度，保證精煤產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的一種模糊控制選煤方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種模糊控制選煤方法，包括如下步驟

步驟一，將密度偏差值、液位偏差值、主洗分流箱開度、加介分流箱開度、蝶閥開度的模糊語言變量分為5級；

步驟二，設(shè)置密度偏差值和液位偏差值的量化因子K1、K2；設(shè)置主洗分流箱開度、加介分流箱開度、蝶閥開度的比例因子K3、K4、K5；

步驟三，根據(jù)密度偏差值e1、液位偏差值e2、主洗分流箱的開度u1、加介分流箱的開度u2、蝶閥的開度u3的分別建立隸屬度函數(shù)表，根據(jù)上述隸屬函數(shù)表建立模糊控制規(guī)則表，所述模糊控制規(guī)則表包含若干條模糊控制規(guī)則，第i條模糊控制規(guī)則Rⁱ可表示為：表示第m個輸入變量在模糊論域中對應(yīng)的語言變量的值，y_i就是系統(tǒng)對應(yīng)的輸出值，為輸出變量y_i與x_i之間的關(guān)系系數(shù)。

步驟四，實(shí)時檢測獲得重介質(zhì)的密度偏差值e1、合格介質(zhì)桶的液位偏差值e2；對檢測獲得的密度偏差值和液位偏差值進(jìn)行模糊化，獲得重介懸浮液密度和合格介質(zhì)桶液位的輸入量化等級，查詢上述模糊控制規(guī)則表，分別獲得u1、u2、u3與該量化等級對應(yīng)的控制規(guī)則，通過加權(quán)平均法求得輸出值的 量化等級，所述加權(quán)平均法可表示為：式中：n是模糊規(guī)則的數(shù)目；yⁱ是根據(jù)第i條模糊規(guī)則進(jìn)行計(jì)算得出的結(jié)果；權(quán)重Gⁱ表示按照第i條規(guī)則輸入的向量的真值，它的值由下式確定：其中∏表示模糊算子，表示一模糊子集。

步驟五，分別對輸出值的量化等級進(jìn)行去模糊化，得到主洗分流箱、加介分流箱、蝶閥對應(yīng)控制器的控制電流值，用于控制對應(yīng)主洗分流箱、加介分流箱、蝶閥的開度。

進(jìn)一步地：步驟二中，所述密度偏差值的量化因子K2設(shè)置為8，所述液位偏差值的量化因子設(shè)置為10。

進(jìn)一步地：步驟二中，所述主洗分流箱開度、加介分流箱開度、蝶閥開度的比例因子K3、K4、K5均設(shè)置為2。

進(jìn)一步地：所述主洗分流箱、加介分流箱、蝶閥的控制器輸出電流范圍相同。

通過采用上述技術(shù)方案，系統(tǒng)原始的控制方式中，重介懸浮液密度對精煤灰分值的控制力度并不是很強(qiáng)，而且合格介質(zhì)桶液位對灰分值的影響一點(diǎn)也沒有體現(xiàn)。通過采用先進(jìn)的控制器，重介懸浮的密度和精煤灰分值之間的相關(guān)性得到明顯的增強(qiáng)，密度對灰分的控制力度增強(qiáng)。同時，合格介質(zhì)桶的液位，對精煤灰分的影響，也得到體現(xiàn)。在兩者共同作用下，精煤產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的提高，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率也大大提升。

附圖說明

圖1為本發(fā)明懸浮液密度的PID-模糊控制系統(tǒng)圖；

圖2為重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)框圖；

圖3為e₁，e₂的隸屬度函數(shù)圖；

圖4為u₁，u₂，u₃的隸屬度函數(shù)圖；

圖5為控制系統(tǒng)的運(yùn)行循環(huán)圖；

圖6為模糊控制流程圖；

圖7為程序流程圖。

具體實(shí)施方式

參照圖1至圖7對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步說明。

以洗煤設(shè)備間的聯(lián)系和影響洗煤質(zhì)量及效率的工藝參數(shù)為研究對象，將技術(shù)較為成熟的PID控制器和模糊控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)一套重介洗煤集中監(jiān)控和工藝參數(shù)自動測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對重介質(zhì)洗煤過程中工藝參數(shù)的在線檢測、監(jiān)視及穩(wěn)定的控制，解決當(dāng)前重介質(zhì)懸浮液及液位控制系統(tǒng)中由于存在大滯后、大慣性環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度和超調(diào)量調(diào)節(jié)困難的現(xiàn)狀，從而優(yōu)化洗煤工藝，提高勞動生產(chǎn)率，降低工人勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

系統(tǒng)采用先進(jìn)的軟硬件、自動化儀表和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對廠區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝和設(shè)備廠房情況進(jìn)行分析，主要圍繞設(shè)備集中控制、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時監(jiān)測、現(xiàn)場工藝流程的實(shí)時在線、懸浮液密度等參數(shù)自動調(diào)節(jié)幾個方面進(jìn)行研究。綜合自適應(yīng)控制、模式識別、模糊控制、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制算法后，提出將技術(shù)較為成熟的PID控制器和模糊控制理論相結(jié)合，快速、穩(wěn)定調(diào)節(jié)重介密度及液位的同時保證了重介洗煤過程的分選效果并提高了生產(chǎn)管理水平。

利用模糊-PID控制技術(shù)，解決了重介參數(shù)常規(guī)調(diào)節(jié)手段下非線性、大滯

后問題，實(shí)現(xiàn)重介洗煤工藝參數(shù)的精準(zhǔn)控制。

通過模糊-PID相結(jié)合的控制技術(shù)設(shè)計(jì)出模糊-PID控制器，對被控量變化及變化趨勢有一定的“預(yù)見性”，有效解決了重介參數(shù)常規(guī)調(diào)節(jié)手段下非線性、大滯后問題。常規(guī)PID控制器具有算法簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對于確定性的被控對象通過對三個參數(shù)的調(diào)整就可以獲得比較滿意的控制效果。但是對于時變的、有滯后的、非線性的系統(tǒng)來說，PID控制就難以達(dá)到很好的效果。模糊控制具有不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型的突出優(yōu)點(diǎn)，但是穩(wěn)態(tài)的精度較差。所以將模糊控制算法與PID控制算法結(jié)合起來，構(gòu)成模糊-PID控制器。模糊-PID控制器同時具有模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，從而可以對那些比較復(fù)雜的用常規(guī)PID控制控制效果不理想的對象取得滿意的控制效果。

復(fù)合型控制器

基于控制對象，結(jié)合實(shí)際情況，我們研究提出了采用模糊-PID控制來實(shí)現(xiàn)懸浮液密度、液位自動控制的新思路。模糊PID控制將PID控制和模糊控制結(jié)合起來，可以充分發(fā)揮模糊PID控制器不需要精確的數(shù)學(xué)模型且有很強(qiáng)的魯棒性的特點(diǎn)，達(dá)到縮短響應(yīng)過程，維持控制系統(tǒng)良好的動態(tài)控制性能的目的。該控制系統(tǒng)超調(diào)量小、調(diào)整時間短、對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾有較強(qiáng)的魯棒性，是一種提高重介懸浮液密度和液位控制效果的有效方法。復(fù)合模糊PID控制器框圖，如圖1所示。

在本系統(tǒng)中通過采集灰分儀數(shù)據(jù)、皮帶運(yùn)行狀態(tài)、密度計(jì)、液位計(jì)、磁性及電磁閥的閥位信號等進(jìn)而根據(jù)智能控制算法來綜合判斷，從而控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如：補(bǔ)水閥、分流閥及加水閥等)的相應(yīng)動作來進(jìn)行控制，以達(dá)到密度和黏度的穩(wěn)定控制，實(shí)現(xiàn)重介懸浮液密度的自動控制，從而實(shí)現(xiàn)重介洗煤過程的自動化。重介洗煤懸浮液密度的自動控制系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

重介洗煤模糊控制器設(shè)計(jì)

在重介洗煤工藝中，精煤的主要標(biāo)準(zhǔn)灰分含量是由重介質(zhì)懸浮液的密度決定的。為了使精煤產(chǎn)品的灰分值在0.5％的誤差范圍內(nèi)波動，需要將懸浮液的密度控制在0.1g/ml的范圍內(nèi)。所以，對精煤灰分的要求，決定了系統(tǒng)懸浮液的密度。由灰分回控規(guī)則，當(dāng)精煤產(chǎn)品的灰分值過大時，需要降低懸浮液的密度，從而使精煤的灰分值降低；當(dāng)精煤產(chǎn)品的灰分值過低時，則需要適當(dāng)?shù)奶岣邞腋∫旱拿芏?。在工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，首先根據(jù)生產(chǎn)需要，設(shè)定精煤的灰分值，然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，得出所需重介質(zhì)的密度。由于原煤煤質(zhì)的變化，在一定的密度下，精煤灰分也可能發(fā)生改變，所以必須及時調(diào)整介質(zhì)密度。要對重介質(zhì)懸浮液的密度進(jìn)行調(diào)整，可采取以下方式。當(dāng)密度過低時，需增加主洗分流箱的開度使低密度的介質(zhì)快速進(jìn)入稀介介質(zhì)桶，使正常密度的介質(zhì)進(jìn)入浮選系統(tǒng)中；當(dāng)密度過高時，需打開電磁加水閥，對密度過高的介質(zhì)進(jìn)行稀釋，從而使密度降低。

重介洗煤工藝過程中，不僅要對重介質(zhì)密度進(jìn)行控制，還要對介質(zhì)桶的液位進(jìn)行控制。介質(zhì)桶在最低液位時，應(yīng)該保證介質(zhì)泵有足夠的進(jìn)料壓力。介質(zhì)桶在最高液位時，由于設(shè)備和管道中的介質(zhì)要回流，停車時要保證回流量能夠被容下。當(dāng)介質(zhì)桶液位過低時，應(yīng)及時添加濃介質(zhì)或者磁鐵礦粉。在現(xiàn)場工業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)綜合考慮介質(zhì)桶的液位控制和介質(zhì)密度控制。

綜上所述，重介控制系統(tǒng)需要符合以下控制規(guī)則：介質(zhì)桶內(nèi)重介懸浮液密度過高時，就應(yīng)該采取減小分流量補(bǔ)加清水的措施；密度過低時，則應(yīng)該加大分流量，并進(jìn)行濃縮；介質(zhì)桶的液位較低，可以增加高密度介質(zhì)或磁鐵礦粉來提高系統(tǒng)中介質(zhì)的含量；介質(zhì)桶的液位高時，需加大分流量。在日常的工業(yè)生產(chǎn)過程中，介質(zhì)桶的液位比較穩(wěn)定，重介質(zhì)懸浮液的密度波動也不大，但是較小的變化也會影響精煤的產(chǎn)量，這就需要重介控制系統(tǒng)十分穩(wěn)定性，參數(shù) 調(diào)整迅速，控制精度高。

模糊化及隸屬度函數(shù)的確定

重介洗煤控制系統(tǒng)中，對精煤產(chǎn)品灰分值起主要作用的是重介質(zhì)密度和合格介質(zhì)桶的液位，而兩者的控制是通過主洗分流和加介分流箱閥門的開度以及蝶閥的開度決定的。要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制，必須把它們轉(zhuǎn)換成模糊變量?，F(xiàn)在對模糊控制的輸入、輸出分別定義如下：

輸入量：e₁-密度偏差、e₂-液位偏差；

輸出量：u₁-主洗分流箱的開度、u₂-加介分流箱的開度、u₃-蝶閥的開度。

模糊子集的確定，在本系統(tǒng)中設(shè)定密度偏差e₁、液位偏差e₂的模糊語言變量用E₁、E₂表示，主洗分流箱開度u₁、加介分流箱開度u₂、蝶閥開度u₃的模糊語言變量分別用U₁、U₂、U₃表示。以系統(tǒng)的密度為例，在工業(yè)生產(chǎn)中，重介懸浮液的密度一般為1.4g/ml，當(dāng)介質(zhì)的密度低于該值時，偏差為“負(fù)”；當(dāng)重介質(zhì)的密度高于該值時，偏差為“正”。同時，引入“大”、“中”、“小”等比較語言表示偏離設(shè)定值的程度。根據(jù)長期工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場積累的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將E₁、E₂、U₁、U₂、U₃的模糊語言變量分為5級，分別為{NB NS ZO PS PB}，即負(fù)大、負(fù)小、適中、正小、正大。即輸入輸出變量的模糊子集為{NB NS ZO PS PB}，語言變量的分檔數(shù)m為5。

量化因子及量化論域的確定，假設(shè)系統(tǒng)輸入量的兩個偏差的物理論域?yàn)?-e_max，e_max)，將其轉(zhuǎn)換成整數(shù)論域?yàn)?-n，-n+1，…-1，0，1，…n-1，n)，由于在整數(shù)論域元素個數(shù)2n+1與模糊子集元素個數(shù)存在2n+1＝km(k＝2-3)關(guān)系時，模糊子集對系統(tǒng)的模糊論域以及物理論域表述最為合理。所以，當(dāng)整數(shù)論域中n＝4時，求得的k值在2與3之間，滿足獲得最優(yōu)控制的要求。即 系統(tǒng)的模糊論域?yàn)?-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)。

在模糊控制中，基本論域中的量為精確量，為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集論域，從而就要引進(jìn)量化因子Ke。例如有物理量，其論域?yàn)閄＝[-x，x]，把此論域轉(zhuǎn)化為整數(shù)N＝[-n，-n+l，-L，0，L，n-1，n].則量化因子為：

Ke＝n/x

計(jì)算出量化因子，就可以將任意時刻的精確值e轉(zhuǎn)化成與模糊論域中對應(yīng)的值a。即

a＝Ke·e

如果a是一個整數(shù)，那么它就是模糊論域中的一個元素。如果不是整數(shù)，則需進(jìn)行四舍五入處理，使其變成模糊論域中的一個元素。在重介洗煤生產(chǎn)工藝過程中，重介懸浮液的密度值波動范圍為1.0-2.0g/ml，分選密度值為1.5g/ml，密度偏差e₁的基本論域?yàn)閇-0.5～0.5]。所以，可以求得重介懸浮液密度的量化因子

K₁＝n/x＝4/0.5＝8

合格介質(zhì)桶的液位值波動范圍1.8m～2.6m，合格介質(zhì)桶的正常液位值為2.2m，液位偏差e₂的基本論域?yàn)閇-0.4～0.4]。所以，合格介質(zhì)桶液位的量化因子

K₂＝n/x＝4/0.4＝10

量化論域到基本論域的轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)的輸出實(shí)際值為u同樣的，對于系統(tǒng)的輸出量主洗分流箱的開度u₁、加介分流箱的開度u₂、蝶閥的開度u₃由控制器經(jīng)過模糊推理決策之后，控制器的輸出量是量化論域的一個整數(shù)等級，并不能夠直接對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。要實(shí)現(xiàn)對相關(guān)變量的控制，必須將輸出量 量化論域里的值轉(zhuǎn)化到基本論域中。類似于輸入變量中的量化因子，引入比例因子Ku，實(shí)現(xiàn)輸出量從量化論域到基本論域的轉(zhuǎn)變。若系統(tǒng)中輸出量的基本論域?yàn)閄＝[-x，x]，量化論域?yàn)镹＝[-n，-n+l，-L，0，L，n-1，n]，則

系統(tǒng)輸出量的論域是連續(xù)的實(shí)數(shù)域，可以使用下式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出從

u＝K_n n_i式中n_i為任意時刻系統(tǒng)的量化輸出值

在重介洗煤工藝中，控制器的輸出統(tǒng)一為4～20mA電流信號，所以系統(tǒng)的實(shí)際論域?yàn)閇4，20]，而系統(tǒng)的量化論域?yàn)?-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)，從而可以得到控制系統(tǒng)三個輸出量主洗分流箱的開度u₁、加介分流箱的開度u₂、蝶閥的開度u₃對應(yīng)的三個比例因子K₃、K₄、K₅為

所以，對于輸出量的模糊論域中的某一值n_i，對應(yīng)的基本論域控制量u_i為：

u_i＝2n_i+12

通過上式，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出量主洗分流箱的開度u₁、加介分流箱的開度u₂、蝶閥的開度u₃從量化論域到實(shí)際域的轉(zhuǎn)換。

隸屬度函數(shù)的確定

通過上面的分析，確定了兩個輸入量、三個輸出量的模糊子集、量化論域以及量化因子。但是，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模糊化運(yùn)算分析，以上的幾個變換是不夠的，還要確定這個幾個量的隸屬度函數(shù)。若對論域(研究的范圍)U中的任一元素x，都有一個數(shù)A(x)∈0，1與之對應(yīng)，則稱A為U上的模糊集，A(x)稱為x對A的隸屬度。當(dāng)x在U中變動時，A(x)就是一個函數(shù)，稱為A的隸屬函數(shù)。隸屬度A(x)越接近于1，表示x屬于A的程度越高，A(x)越接近于0表示x屬于A的程度越低。用取值于區(qū)間0，1的隸屬函數(shù) A(x)表征x屬于A的程度高低。常用的隸屬度函數(shù)有高斯型、三角形或者梯形。三角形的隸屬度函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單、靈敏性高，因此采用三角形隸屬度函數(shù)計(jì)算各個控制變量的隸屬度。e₁，e₂的隸屬度函數(shù)如圖3所示。E₁、E₂隸屬度賦值表，如表所示。

表E₁、E₂的隸屬度賦值表

主洗分流箱的開度u₁、加介分流箱的開度u₂、蝶閥的開度u₃的隸屬度函數(shù)如圖4所示，

表U₁、U₂、U₃的隸屬度表賦值表

制定模糊控制規(guī)則，建立模糊控制器的控制規(guī)則的過程，就是利用語言歸納手動控制策略的過程。在模糊控制中，控制策略的選擇是非常關(guān)鍵的。模糊算法結(jié)構(gòu)體現(xiàn)著模糊控制規(guī)則的模糊關(guān)系，它相當(dāng)于一般控制器的傳遞函數(shù)，但是這種算法結(jié)構(gòu)不是在被控對象數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上綜合出來的，而是根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)觀測，并采用模糊集合理論處理而得到的。針對重介洗煤控制工藝中，兩分級輸入、三分級輸出的復(fù)雜狀況，必須采用能夠合理的表達(dá)這個幾個變量之間關(guān)系的推理模型?？刹捎冕槍Χ噍斎胼敵銮逸斎胼敵龇值燃壍腡-S模型。這種模型的第i條模糊控制規(guī)則Rⁱ可表示為：

表示第m個輸入變量在模糊論域中對應(yīng)的語言變量的值；y_i就是系統(tǒng)對應(yīng)的輸出值；為輸出變量y_i與x_i之間的關(guān)系系數(shù)。由于系統(tǒng)是三輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)的所有輸出值都可以通過上式用兩個輸入量來表示，只不過它們對應(yīng)的關(guān)系系數(shù)不同。

模糊控制規(guī)則可以通過總結(jié)、歸納專家的經(jīng)驗(yàn)知識，并進(jìn)一步加工、整理、提煉，去粗取精后產(chǎn)生模糊控制規(guī)則；如果對象的動態(tài)特性可以用語言來描述，那么也就可以通過這個動態(tài)過程的描述來推斷相應(yīng)的控制規(guī)則，這就是常用的根據(jù)對象的模糊模型來得出模糊控制規(guī)則的方法；另外，還可以結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)等智能控制算法使規(guī)則自動生成并不斷進(jìn)行修正。本課題采用專家經(jīng)驗(yàn)法和觀察法來設(shè)計(jì)模糊控制器規(guī)則。通過進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行確定每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制效果的強(qiáng)弱，記錄該執(zhí)行機(jī)構(gòu)對重介洗煤系統(tǒng) 重介懸浮液密度和合格介質(zhì)桶液位的影響，并且經(jīng)過重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)來確定個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制效果及執(zhí)行的先后次序。由于輸入變量和輸出變量的模糊論域都是分為5級的，并且控制系統(tǒng)共有3個輸出變量需要進(jìn)行控制。所以，每個輸出變量都會得到25個不同的模糊控制規(guī)則，對應(yīng)于輸入變量各種不同的狀態(tài)。所得模糊控制規(guī)則表如下：

表 模糊控制規(guī)則表

上表列出了輸入量重介懸浮液密度和合格介質(zhì)桶液位的所有情況下，三個輸出變量主洗分流箱、加介分流箱、蝶閥開度之間的關(guān)系。以第一條模糊控制規(guī)則為例：重介懸浮液密度的模糊量化值為NB，即密度值為最低，合格介質(zhì)桶液位也是最低。這時候，既要將不合格介質(zhì)排出，又要增加合格介質(zhì)桶液位。因?yàn)橹亟閼腋∫旱拿芏葘寒a(chǎn)品的影響最大，所以，排出第密度介質(zhì)是最重要的。這就必須將主洗分流箱的開度開大最大，即U₁為PB。這樣就使合格介質(zhì)桶的液位更加的低，所以必須將加介分流箱的蝶閥的開度開大最大，即U₂、U₃都為PB。整個控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則如上所述。

精確化計(jì)算，解模糊，與模糊化相反，解模糊就是將經(jīng)模糊推理得模糊控制規(guī)則中的模糊集合轉(zhuǎn)化到量化論域中，從而再根據(jù)量化因子，得到能夠?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)行直接控制的實(shí)際物理量。進(jìn)行解模糊常用的算法如下：最大隸屬度函數(shù)法通過對模糊控制規(guī)則的制定，可以得到模糊控制規(guī)則表，對應(yīng)于每一條模糊控制規(guī)則，都會得到每一個輸出量的模糊控制。根據(jù)每一個量的隸屬度表，對應(yīng)于每一個模糊控制等級，都有一個隸屬值最大的量化等級， 該量化等級對應(yīng)的值，就作為精確的控制量，即：v₀＝maxμ_v(v)v∈V

重心法解模糊，重心法是通過求模糊集合隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積的重心作為控制器輸出的精確值，即：當(dāng)輸出變量的隸屬度函數(shù)為離散單點(diǎn)集時，精確值為

加權(quán)平均法，加權(quán)平均法是用輸出量各元素進(jìn)行加權(quán)平均后的輸出值作為輸出的精確執(zhí)行量，其計(jì)算方法為加權(quán)平均法能夠?qū)⑺械脑貞?yīng)用到控制輸出的計(jì)算中，在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往能夠取得比較好的控制效果，本課題就是采用加權(quán)平均法對輸出變量進(jìn)行精確化計(jì)算的。

面積等分法，面積等分法也稱為中位數(shù)法，就是把輸出的模糊集合所對應(yīng)的隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積分成相等的兩部分，將這兩部分分界點(diǎn)所對應(yīng)的元素作為輸出的精確值u_A的方法，即

以主分流箱電源執(zhí)行器開度為例進(jìn)行去模糊精確化計(jì)算，假定設(shè)定重介懸浮液密度和合格介質(zhì)桶液位經(jīng)過量化后對應(yīng)的量化等級分別為-3級、+1級，根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行查表推理得，所有75條模糊控制規(guī)則中，針對主洗分流箱開度有下面四條符合條件如下所示

if(E₁is NB)AND(E₂is ZO)then U₁is PB

if(E₁is NB)AND(E₂is PS)then U₁is PB

if(E₁is NS)AND(E₂is ZO)then U₁is PS

if(E₁is NS)AND(E₂is PS)then U₁is PS

根據(jù)Takagi-Sugeno模糊推理以及加權(quán)平均法對上面重介懸浮液密度和合格介質(zhì)桶液位經(jīng)過量化后對應(yīng)的量化等級分別為-3級、+1級時的主洗分流箱的輸出。推理方法如下：

在模糊控制系統(tǒng)中，對應(yīng)于相應(yīng)的輸入變量使用T-S模糊推理方法，借助模糊控制表各對輸出yⁱ(i＝1，2，...，n)進(jìn)行加權(quán)平均，得到的值為：

式中：n是模糊規(guī)則的數(shù)目；yⁱ是根據(jù)低第i條模糊規(guī)則進(jìn)行計(jì)算得出；權(quán)重Gⁱ表示按照第i條規(guī)則輸入的向量的真值，它的值由下式確定：

上式中的∏表示模糊算子。是一個模糊子集。當(dāng)以上四條模糊控制規(guī)則起作用的時候，通過對照隸屬度函數(shù)表，得出不同的量化等級對應(yīng)的隸屬度值。對應(yīng)于PS模糊控制等級的量化等級有1、2、3，隸屬度為1、0.8、0.5；對應(yīng)于PB模糊控制等級的量化等級有3、4，隸屬度分別為0.8、1。由加權(quán)平均法計(jì)算的結(jié)果為：

通過上式求得的輸出值的量化等級為2，同時，結(jié)合系統(tǒng)的量化因子，利用公式u_i＝2n_i+12就可以求得系統(tǒng)的主洗分流箱的開度的精確值。也就是說重介懸浮液密度、合格介質(zhì)桶液位量化等級是-3、+1時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主分流箱電液執(zhí)行器的開度對應(yīng)的模擬量輸出值為16mA。通過使用上述的計(jì)算方法，對應(yīng)于輸入量重介懸浮液密度和合格介質(zhì)桶液位不同的開度量化等級，分別求得三個輸出量的模糊控制表如下。

表U₁模糊控制表

表U₂模糊控制表

表U₃模糊控制表

控制算法的實(shí)現(xiàn)

整個控制系統(tǒng)的核心，就是系統(tǒng)的控制程序。系統(tǒng)的控制算法就是通過控制程序來完成的。同時，重介系統(tǒng)的流程控制也是由控制算法實(shí)現(xiàn)的。S7-1200PLC系列的編程軟件為TIA Portal。TIA(Totally Integrated Automation，全集成自動化)Protal在一個軟件應(yīng)用程序中集成了各種SIMATIC產(chǎn)品，可以完成多種設(shè)備的編程，使用該軟件可以提高生產(chǎn)效率，縮短開發(fā)周期。

控制系統(tǒng)控制程序的編寫就是使用的TIA Portal編程軟件。該編程軟件有別于西門子200PLC的編程軟件，并不是基于程序化的編程，而是類似于西門子300PLC的模塊化編程。TIA Portal編程軟件包括以下的幾個編程模塊，組織塊OB、功能FC、功能塊FB、數(shù)據(jù)塊DB/DI。OB程序塊是系統(tǒng)的主程序塊，其他控制程序塊只有在OB塊中被調(diào)用才能得到執(zhí)行。在PLC運(yùn)行中，每一次循環(huán)都要調(diào)用一次主程序塊，主程序塊中的其他程序塊從而得到執(zhí)行；功能程序塊是沒有固定數(shù)據(jù)存儲區(qū)的程序塊，不能為其數(shù)據(jù)分配初值；功能 塊有自己的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，并且在程序完成后，都有相應(yīng)的返回值。該程序塊的數(shù)據(jù)都存放在背景數(shù)據(jù)庫(DI)中；數(shù)據(jù)塊是用來存儲系統(tǒng)中各個程序塊中所定義或者使用到的數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)類型多種多樣，PLC能夠使用的數(shù)據(jù)類型，都可以再數(shù)據(jù)塊中進(jìn)行定義和使用。數(shù)據(jù)塊又按照其使用對象的不同，劃分為共享數(shù)據(jù)塊(DB)和背景數(shù)據(jù)塊(DI)。顧名思義，共享數(shù)據(jù)塊不屬于任何的其他程序塊，是系統(tǒng)程序運(yùn)行時，過程變量的存儲空間。背景數(shù)據(jù)塊則是對應(yīng)于特定的功能塊，作為其背景數(shù)據(jù)的，背景數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相當(dāng)于功能塊的初值，并且只有功能塊的返回值能對其進(jìn)行修改。

這個控制系統(tǒng)的運(yùn)行循環(huán)圖如圖5，

如圖5所示，整個控制核心PLC的運(yùn)行，就是以極短的周期不斷重復(fù)輸入、運(yùn)算、輸出的過程，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時精確控制。

對應(yīng)于重介洗煤控制系統(tǒng)，既要考慮重介洗煤工藝中重要參數(shù)的控制，又要照顧到整個洗煤系統(tǒng)的程序流程。系統(tǒng)的控制流程圖如圖6，通過圖6，整個系統(tǒng)的控制流程中，把洗煤系統(tǒng)的全部控制任務(wù)包括在內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重介懸浮液的密度控制、合格介質(zhì)桶的液位控制，程序運(yùn)行一開始，就對重介液密度和液位進(jìn)行了賦初值，并將模糊控制規(guī)則表以分段的形式，輸入到背景數(shù)據(jù)塊中，為實(shí)現(xiàn)模糊控制做準(zhǔn)備；然后由后朝前判斷各道工序的開機(jī)狀態(tài)，每個設(shè)備都安裝由后至前的順序開機(jī)之后，采集重介懸浮液值和介質(zhì)桶液位值，調(diào)用控制程序塊，實(shí)現(xiàn)對重介洗煤系統(tǒng)的精確控制；最后，采集精煤產(chǎn)品的灰分值，通過模糊PID算法計(jì)算，得到重介液密度值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差，對各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)給出控制信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的后續(xù)控制。

在系統(tǒng)順序啟動控制方面，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場安全的要求，在系統(tǒng)進(jìn)行集中 開車之前1min，要有開車預(yù)警輸出。位于整個洗煤系統(tǒng)最末環(huán)節(jié)的工序是脫介篩。只有在脫介篩運(yùn)行之后，系統(tǒng)的其他設(shè)備才能進(jìn)行啟動。所以，在系統(tǒng)的控制程序中，將脫介篩的啟動放在首位。系統(tǒng)經(jīng)過旋流分選器分選出來的產(chǎn)品要進(jìn)入脫介篩必須經(jīng)過弧形篩。所以，在進(jìn)行浮選之前、啟動脫介篩之后，必須再啟動弧形篩。然后在啟動重介旋流器，最后將原煤和重介懸浮液加入混料桶，進(jìn)行重介旋流器中，開始洗煤操作。系統(tǒng)停車時，按照與之相反的順序進(jìn)行。

系統(tǒng)重介懸浮液的密度、液位的控制分別在功能塊中完成，程序流程圖如圖7，根據(jù)系統(tǒng)密度和液位的初始設(shè)定值，在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后，密度計(jì)、液位計(jì)和灰分儀的輸入都傳輸?shù)娇刂破鱌LC中，根據(jù)這個幾個量的偏差值，通過查詢相應(yīng)的控制規(guī)則表，輸出控制量，完成系統(tǒng)中重介密度的調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)重介密度過低時，會加大主洗分流量開度，使低密度介質(zhì)進(jìn)入希介質(zhì)桶，從而使合格介質(zhì)桶液位降低。這時候就要增大加介分流箱的開度和加水蝶閥的開度，使合格介質(zhì)桶的液位得以回升，使重介懸浮液的密度有所提升。當(dāng)重介懸浮液密度過高時，就要加大加水蝶閥的開度，也使合格介質(zhì)桶的液位上升。所以，在整個控制流程中，以合格介質(zhì)桶的液位作為判斷依據(jù)，在高液位時置位M1.3、復(fù)位M1.2，在低液位時相反：在程序初始化時，復(fù)位M1.2和M1.3。當(dāng)系統(tǒng)液位過低時，進(jìn)入增加介質(zhì)過程。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度通過查詢背景數(shù)據(jù)塊DI2進(jìn)行。通過不斷的增加介質(zhì)和水，液位上升至高液位，使M1.3變?yōu)殚]合狀態(tài)，M1.2變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，停止介質(zhì)和水的加入；系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷檢測重介密度，根據(jù)數(shù)據(jù)塊DI1，實(shí)時的調(diào)整主洗分流箱和蝶閥的開度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對密度的控制；隨著洗煤過程的進(jìn)行，重介質(zhì)不斷損耗，系統(tǒng)的液位就會再次達(dá)到低液位，此時就會置位M1.2、復(fù)位M1.3，通過對背景數(shù)據(jù)塊 DI2的查詢，從而使系統(tǒng)進(jìn)入加水加介的過程，如此不斷循環(huán)。

系統(tǒng)試運(yùn)行期間兩個工作日的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)如下：

表2重介洗煤系統(tǒng)密度、液位記錄

在實(shí)際運(yùn)行中，通過三個月的試運(yùn)行，洗煤工藝優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且很好地檢測了重介質(zhì)分選機(jī)及重介質(zhì)逆流器運(yùn)行情況；成功采集了精煤、原煤的灰分儀數(shù)據(jù)以及重介質(zhì)密度、液位等相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，并成功發(fā)布到上位機(jī)與管理平臺；實(shí)現(xiàn)了與原重介洗煤系統(tǒng)的無縫鏈接。

系統(tǒng)原始的控制方式中，重介懸浮液密度對精煤灰分值的控制力度并不是很強(qiáng)，而且合格介質(zhì)桶液位對灰分值的影響一點(diǎn)也沒有體現(xiàn)。通過采用先進(jìn)的控制器，重介懸浮的密度和精煤灰分值之間的相關(guān)性得到明顯的增強(qiáng)，密度對灰分的控制力度增強(qiáng)。同時，合格介質(zhì)桶的液位，對精煤灰分的影響，也得到體現(xiàn)。在兩者共同作用下，精煤產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的提高，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率也大大提升。

具體來看，洗煤工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了以下功能：測量精度高：灰分在0～15％時，誤差≤±0.5％；灰分在15～30％時，誤差≤±1.0％；灰分大于30％時，誤差≤±2.0％；實(shí)現(xiàn)灰分儀、產(chǎn)品等級和重介洗煤在線采集；根據(jù)PID算法獲得不同等級產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)自動控制；根據(jù)模糊控制算法，提供精確控制參數(shù)調(diào)整功能；簡化了監(jiān)控、控制環(huán)節(jié)，降低了生產(chǎn)費(fèi)用；提高了洗煤率，提高了經(jīng)濟(jì)與社會效益。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。