基于专家PID的锂云母浮选系统液位控制方法.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0173-04中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230413Vol.32,Suppl 1June2023基于专家PID的锂云母浮选系统液位控制方法周冶1.2 3，刘道喜1.2 3，刘 1-2 2 3（1矿冶科技集团有限公司，北京10 0 16 0；2.矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，北京10 0 16 0；3.矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京10 0 16 0)摘要：现有锂云母浮选系统的浮选设备由于容积小，缓冲能力有限，若使用常规PID控制易造成浮选液面大幅震荡，导致生产操作过程中各作业产率波动较大，对浮选产品品质的稳定造成了极大影响。此外，由于作业设备之间缺乏联动，整个浮选流程抵御来矿扰动能力差，作业重新恢复稳定所需人工调节时间较长。由于现有技术方案均过分依赖人工手动经验操作，多以经验调节为主，易造成经济损失。针对设备特点，设计一种基于专家PID和协同控制策略的锂云母浮选系统液位控制方法，能够解决现有采用常规PID控制造成浮选液面大幅震荡，采用人工手动经验操作控制稳定性差等问题。关键词：锂云母浮选；小容积浮选机；液位控制；专家PID；协同控制中图分类号：TD955Liquid level control method of lepidolite flotation system based on expert PID2.State Key Laboratory of Mining and Metallurgical Process Automation,Beijing 100160,China;3.Beijing Key Laboratory of Mining and Metallurgical Process Automation,Beijing 1oo160,China)Abstract:The flotation equipment of the existing lepidolite flotation system is small in volume and limited inbuffer capacity.If the conventional PID control is used,the flotation liquid level will easily fluctuate greatly,resulting in large fluctuations in the yield of each operation during the production operation.The stability ofquality has had a great impact.In addition,due to the lack of linkage between the operating equipment,theentire flotation process has poor ability to resist the disturbance of incoming mines,and it takes a long timefor manual adjustment to restore the stability of the operation.Since the existing technical solutions all relytoo much on manual experience operation,and mostly rely on the experience adjustment of touch and searchtype,it is easy to cause economic losses.Design a liquid level control method for lithium mica flotationsystem based on expert PID and collaborative control strategy,which can solve the problems of largeoscillation of flotation liquid level caused by conventional PID control and poor stability of manual experienceoperation control.Keywords:lepidolite flotation;small volume flotation machine;liquid level control;expert PID;cooperative control0引 言浮选是锂云母产品的主要生产工序，对于矿物文献标识码：AZHOU Yel-23,LIU Daoxil-2.,LIU Meng.-2.(1.BGRIMM Technology Group,Beijing 100160,China;加工过程中的锂云母浮选工艺，鉴于其产量有限，浮选设备多以2 3m的小型浮选机为主1。由于矿收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 5第一作者简介：周冶（1994一），男，主要从事选矿自动化方向的研究，E-mail：z h o u y e b g r i mm.c o m。引用格式：周冶，刘道喜，刘猛.基于专家PID的锂云母浮选系统液位控制方法J.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：17 3-17 6，18 1.ZHOU Ye,LIU Daoxi,LIU Meng.Liquid level control method of lepidolite flotation system based on expert PIDEJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):173-176,181.责任编辑：边晶莹174源品质不稳定，加之缺少必要的入选pH值监测，及选浓度、浮选液位的有效控制，导致生产操作过程中各作业产率波动较大，对浮选产品品质的稳定造成了极大影响。此外，由于小型浮选机应对生产波动的缓冲能力不足，前后工序作业设备之间缺乏生产工艺需求的联动，导致整个浮选流程抵御来矿扰动能力较差，最终导致生产作业重新恢复稳定所需人工调节时间较长，直接影响到锂云母浮选效率。常规PID一方面不能适用锂云母浮选系统浮选机容量不足的问题2,另一方面在生产过程中，由于浮选槽多级串联的布置，会造成各级浮选槽相互影响，从而进一步放大浮选系统液位波动，最终导致150水力旋流器0.00A回收总用水流量334.95mh250水力旋流器磨重总尾矿0.00%0.00m/h4.67m/h-118.52%0.00Hz0.00A2.04m液位控制42.00%0.00APH4.135.30m3112.15m/h回水回水池中国矿业各个浮选机液位控制回路不断震荡的问题。针对上述问题，设计了一种采用专家PID控制31，通过模糊专家规则方式减少频繁调整液位次数，同时采用一种比例积分结合常系数前馈的控制策略，即浮选槽液位协同控制技术，以实现浮选流程液位的快速调整，最终实现整个浮选流程的产率稳定。1浮选过程某选矿厂浮选生产线年产12 万t锂云母，采取的是“2 次粗选十2 次扫选十2 次精选”工艺。锂云母浮选分为2 个系列，单个系列各配置粗选3m浮选机7 台，精选2 m浮选机7 台，扫选3m4 台(图 1)。1#泵去往53米浓密机膳重总尾矿0.00A0.00m/h60.22%RL粗选264.552.87%扫选41.76%刮板一169.8349.532.77%246.2398.97%中30.14%第32 卷浮选智能控制0.00A0.00%613m2/h52.13%0.00/h0.00Hz0.00A铁屑369.1刮板精选95.06%刮板去往53米浓密机2#溢流泵池*元0.36m/h100.33%0.00A粗选*5#，6#过滤机0.47m液位控制0.00 A47.67%PH5.9395.22293.9刮板353.0249.955.77%扫选44.75%393.124.024.92%铁屑精选5#，6#过滤机367刮板397.199.23%49.91%2特泵去车间外螺旋分级铁屑592.59元1#，2#过滤机1饼溢流泵池3#过滤机浮选机是选矿工艺流程中最为重要的设备之一，对整个选矿生产作业起到了决定性的作用。对于浮选机，浮选槽内矿浆液位的稳定是对浮选机设备本身和选矿工艺流程正常运行的重要前提和保证，直接影响到浮选工艺流程的生产指标。因此，对于浮选生产迫切需要采用先进的自动控制算法实现液位的稳定控制4。一个完整的控制系统主要由控制对象、检测机构、控制器和执行机构组成（图2)5。控制系统针对浮选机和现场浮选工艺流程的特点，对现场液位自动控制系统的硬件结构进行了升级和改造。其中，液位控制器是控制系统的核心，控制算法由BGRIMM自主开发设计，通过CPU配套的1/O模块，将各级浮选槽液位反馈、气动调节阀开度反馈等相关测控信号实时采样输入至控制器，CPU通过事先加载的程序进行计算，将计算出的各级浮选槽气动阀调节阀开度等控制信号给输出模块，刷新控制系统执行机构的动作，从而调节各级浮选槽间的矿浆流量，最终实现液位保持在预期的设定值。铁浮选箱矿泵池-592.59A12m浓密机2#溢流泵池图1设备联系图Fig.1Equipment contact diagram2专家PID控制算法传统的PID控制器自问世起，凭借其结构简单、作业稳定可靠、调整方便等诸多优点成为现代工业控制最为广泛的技术之一（图3）。当被控对象的结构和参数具有一定的不确定性时，无法对其建立液位控制器图2 液位自动控制原理Fig.2 Principle of automatic liquid level control专家算法工输人控制器测量元件图3 专家PID控制系统Fig.3Expert PID control system去车间外螺旋分级4讲过滤机气动阀液位计执行机构浮选机输出增刊1精确的模型，专家PID和专家控制一样不需要知道对象的模型的情况下，可以实现对系统进行控制。专家PID和PID控制逻辑相同,同样是对偏差和偏差增量的判断采取控制。假设当前为第k采样，当前偏差为e（k），同样前一采样时刻偏差为e(k一1),而前两个采样时刻的偏差为e（k 一2),可得到两次的偏差增量见式（1）和式（2）。e(k)=e(k)-e(k-1)e(k-1)=e(k 1)一e(k-2)再设定偏差的一个极大值，记为Mmax；设定一个偏差较大的中间值，记为Mmid；设定一个偏差的极小值，记为Mmin。根据上述偏差、偏差增量以及偏差极值的设定，设计控制算法，算法的设计原则如下所述。1）如果e（k）M m a x。该情况说明偏差的绝对值已经足够大，不论偏差变化趋势如何，都应该考虑控制器的输人应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整偏差的效果，使偏差绝对值以最大的速度减小。该情况下控制系统相当于开环控制，是一种对偏差出现极限情况的快速响应。2）如果e（k）O 或者 e(k）=O 时,该情况说明偏差在朝向偏差绝对值增大的方向变化，或者偏差为某一固定值，此时再判断偏差的绝对值与偏差的中间值Mmid之间的关系。此时如果le（k）lMmid，说明偏差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转偏差绝对值的目的，实现偏差绝对值向减小的方向快速变化。此时如果|e(k）Mmid，说明尽管偏差是向绝对值增大的方向变化，但实际偏差绝对值并不大，可以考虑控制器实施一周冶，等：基于专家PID的锂云母浮选系统液位控制方法175般的控制作用，只需要扭转偏差的变化趋势，使其向偏差绝对值减小的方向变化即可。当 e(k)Xe(k)0 或者e(k)=0时,说明偏差的绝对值向减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，此时保持控制器输出不变即可。即:U(k)=U(k一1)。当 e(k)X e(k)0 且 e(k)X e(k -1)M m i d，可以考虑实施较强控制作用。如果此时偏差绝对值较小，即e(k）|Mmid，可以考虑实施较弱控制作用。3）如果le（k）M m i n。该情况说明偏差绝对值实际上很小，这种偏差大概率可以认为是系统静差引起的，此时对于精度较高的控制回路必须要引入积分作用。在锂云母浮选液位控制中，控制规律见式(3)。U(t)=U(t-1)+ki(kp X e(k)+k;X e(k)+(3)式中，kl为专家控制的控制参数，当误差较大，可将k增大，反之可以减小。通过设置给矿量偏差Mmax、M m i n，以及针对不同误差反馈结合预先设计好的k1，针对不同的误差反馈，输出不同的给矿频率调整U(t)。3现场应用结合上述算法描述，设计专家PID液位控制器，基于当前浮选液位值的误差及误差变化率的变化情况，相应的专家PID控制调节示意图如图4所示。由图4可知，自动控制浮选机底流排矿锥阀的变化，有效解决了小容积浮选机在传统液位控制方法中容易发生震荡的问题。结合浮选液位典型变化过程，基于液位测量值偏差及液位测量值偏差变化率的底流闸阀自动调节控制策略见表1。ka(e(k)一e(k一1)控制上限控制下限H最低限值2BFig.4 Schematic diagram of floatation liquid level change and adjustment process液位测量值3D4图4浮选液位变化及调节过程示意图控制阶段区一一控制中值C6176Table 1Automatic control rules of flotation liquid level测点 阶段液位值偏差液位值变化趋势控制规则描述1A在控制范围内2B3C高于控制上限4E在控制范围内5G在控制范围内6H低于控制下限7低于控制下限8高于控制上限9低于控制下限厂1粗选I-1浮选机人料量1变化L厂1粗选浮选机人料量变化L中国矿业表1浮选液位自动控制规则表在实现了各作业的浮选液位自动控制基础之上，针对浮选槽多级串联时各级相互影响，使液位系统波动放大的情况，采用一种比例积分结合常系数上升阀门开度+2高于控制上限上升下降下降平稳下降平稳平稳上升控制系统控制系统第32 卷前馈的控制策略，即浮选槽液位协同控制技术，以实阀门开度+5现浮选流程液位的快速调整，稳定整个浮选流程的阀门开度不变产率。浮选槽多级串联时，各浮选槽之间相互影响，阀门开度-2阀门开度不变阀门开度-5阀门开度-3阀门开度+3阀门开度不变1锥阀开度变化7锥阀开度变化使系统波动放大，数据传递如图5所示。当没有协同控制策略时，浮选人料流量变化，引起粗选I第一个浮选机溢流量变化，该浮选机控制系统发现后调整锥阀开度，引起下游粗选I第二个浮选机溢流量发生变化，该浮选机控制系统发现后1粗选1-21浮选机人料量控制系统变化L厂1粗选I浮选机人料量变化L锥阀开度变化171控制系统锥阀开度变化图5无协同控制时串联浮选槽Fig.5Series of flotation cells without coordinated control调整锥阀开度，再传递给粗选，以此类推。在单个浮选槽专家PID控制算法基础上，增加前馈控制实现前后浮选槽液位的协同控制，如图6 所示。由图6 可知，本协同控制方法综合各个回路之间的耦合度、前后给矿量的变化、气动调节阀开度的变化等因素作为影响控制系统的干扰源，结合执行机构的流量特性，以此计算得到控制量，并与专家PID控制算法计算得到的控制量一起来控制执行机构输出动作，最终控制浮选作业的液位并使其达到预期的设定值。前一个浮选槽变化前馈Yo十Fig.6Control principle of series flotation cell浮选机液位控制系统只有在发现测量值偏离设定值时才会做出反应，且调整时往往会有超调，从而导致系统波动逐级传递甚至放大的问题。针对浮选槽多级串联控制问题，浮选槽液位协同控制可以大大降低浮选槽之间的互相影响。经过现场一段时间的应用，浮选机液位控制系统能够显著减小各级浮选槽的液位波动，明显优于传统PID控制和人工手动控制，当投用浮选液位协同自动控制时，浮选入料流量变化，引起粗选I第一个浮选机溢流量变化，该浮选机液位控制系统捕获这一信息后立即调整锥阀开度，同时将该信息发给协同控制，协同控制根据调整量对下游系统输出预先做出调整，使上游传导的波动平稳通过。4结论结合某选矿锂云母浮选生产工艺技术特点，本文设计开发的基于专家PID液位控制器，可以实现良好的浮选液位自动控制，通过根据实时测量得到+的浮选作业中的浮选机液位测量值，计算测量值的e+u专家PID气动阀浮选机液位计图6 协同控制时串联浮选槽控制原理during cooperative control变化趋势，根据浮选机液位测量值与浮选机液位设定值的偏差和变化趋势，通过浮选机液位专家PID控制规则和浮选机液位协同控制规则，分别自动调整浮选机底流锥阀的开度和扫选浮选机液位的设定值，能够保证锂云母浮选系统的浮选机液位较快稳定在合理设定范围内，进而稳定生产指标，确保浮选流程的稳定运行。参考文献1魏德洲.固体物料分选学M.北京：冶金工业出版社，2 0 0 0.(下转第18 1页)增刊1对于解决浮选机复杂非线性特征造成运行指标不稳定的问题具有良好的控制性能。参考文献1张一敏.固体物料分选理论与工艺M.北京：金工业出版社，2007.2 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