模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究.pdf

第 3 9卷第 4期 2 0 1 5年 7月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y Au t o ma t i o n Vo 1 ． 3 9 No ． 4， p 1 21 8， 2 4 J u l y 2 01 5 综述与评 论 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 5 9 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 3 模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究 周 平 东北大学流程工业综合 自动化国家重点实验室， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 摘要 描述冶金磨矿工艺流程、 运行指标及其影响因素， 分析磨矿过程运行控制的复杂性 ， 介绍磨矿过程监督 控制、 磨矿过程运行优化控制、 磨矿过程运行反馈控制等基于模型的磨矿过程运行控制方法和技术以及磨矿 运行控制软件的发展 ， 最后指出在磨矿运行指标多 目标智能优化、 磨矿多模型运行控制、 磨矿故障工况诊断 和自愈控制、 多网络环境下磨矿运行控制等方面的未来研究方向。 关键词 运行控制 ； 磨矿过程 ； 运行指标 ； 运行优化 文献标志码 A文章编号 l O o o ． 7 0 5 9 2 0 1 5 0 4 - 0 0 1 2 - 0 7 Re s e a r c h o n mo d e l - b a s e d o p e r a t i o n a l c o n t r o l f o r me t a l l u r g i c a l g r i n d i n g p r o c e s s Z HOU P i n g S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S y n t h e t i c a l A u t o ma t i o n f o r P r o c e s s I n d u s t r i e s ， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , t h e p r o c e s s a n d o p e r a t i O n a l i n d i c e s o f t h e me t a l l u r g i c al g r i n d i n g a n d t h e i r i n - fl u e n c e f a c t o r s a d e s c r i b e d ． T h e c o mp l e x i t y o f g r i n d i n g o p e r a ti o n al c o n t r o l i s a n a l y z e d ． T h e d i f f e r e n t m o d e l - b a s e d ． me tho d s a n d t e c h n o l o gi e s o f g r i n d i n g o p e r a t i o n a l c o n t r o l ， s u c h a s t h e s u p e r v i s o r y c o n - t r o l ， the o p e r a ti o n M o p t i mi z a t i o n c o n t r o l ， the o p e r a ti o n a l foe d b a c k c o n t ro1 ， e t c ． a n d t h e d e v e l o p me n t o f s o f t wa r e s f o r g r i n d i n g o p e r a t i o n a l c o n t r o l a r e i n tr o d u c e d ． F i n a l l y ， s e v e r al p o s s i b l e r e s e a r c h d i r e c t i o n s o f g r i n d i n g o p e r a t i o n al c o n t r o l ， s u c h a s mu l t i - o b j e c t i v e i n t e l l i g e n t o p t i mi z a t i o n f o r g r i n d i n g o p e r a t i o n a l i n d i c e s ， g r i n d i n g o p e r a t i o n a l c o n t r o l b a s e d o n mu l t i - mo d e l ， d i a g n o s i s and s e l f - r e c o v e r y c o n t r o l f o r f a u l t wo r k i n g c o n d i ti o n s ， g rin d i n g o p e r a ti o n a l c o n tr o l u n d e r mu l t i p l e n e t wo r k e n v i r o n me n t s ， e t c ． a r e p o i n t e d o u t ． Ke y wo r d s o p e r a ti o n a l c o n t r o l ； g r i n d i n g p r o c e s s ； o p e r a t i o n al i n d i c e s ； o p e r a t i o n al o p t i mi z a t i o n O 引言 随着信息技术、 计算机技术尤其是工业 自动 化技术的发展。 工业控制经历 了模拟控制、 直接 数字控制以及 P L C 、 D C S 等专用控制系统 3个主 要阶段 R o c k w e n S i e m e n s 、 H o n e y w e l l 、 A B B等专 用 P L C以及 D C S 使得工业过程控制越来越简易 化和集中化， 并可使工业过程能够按一定的工况 条件连续运行。然而， 原料成分及性质的波动、 工艺设备的磨损和老化等因素形成了对工业过 程运行的持续扰动。 这种情况下， 之前设定的过 基金项目 国家 自然科学基金资助项目 6 H0 4 0 8 4 ； 6 1 4 7 3 0 6 4 6 ； 6 1 3 3 3 0 0 7 ； 6 1 2 9 0 3 2 3 ； 中央高校基本科研业务费资助项目 N 1 3 0 5 0 8 0 0 2 ． N 1 3 0 1 0 8 0 0 1 ； 流 程 工 业 综 合自 动 化国 家 重 点 实 验 章基 础 科 研 业 务费 资 助 项目 2 0 1 3 Z C X 0 2 9 ． 作蕾筒介 周 平 1 9 8 0 一 ， 讲师， 博士； 收稿日期 2 Q 1 4 -0 9 - 1 4 ’ 第4期 周 平 模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究 1 3 程运行工作点不再与 当前工况条件 相匹配 ， 即不 是最优的。为此 ， 需要根据运行工况 和过程干扰 的变化 ， 通过上层监督或相关运行控 制系统 自动 修改和调整底层基础反馈控制回路的设定值 ， 使 工业过程能长时间保持在最优运行状态 ， 从而达 到提高产品质量和生产效率 ， 减少 原材料和能源 消耗 的运行控 制 目标 。这就是 工业 运行控 制 的 范畴 ， 其与传统过程控制有着本质不同_ l J 。 传统过程控 制在假定 可 以获得控 制器设 定 值 的条件下 ， 研 究集 中在如何设 计控 制器 ， 使被 控对象在闭环系统稳定的前提下使得输出尽可 能好地跟踪设定值 ， 从而完成特定 的过程控制指 标控制 ， 如响应速 度 、 稳定 性 、 收敛 性 、 干扰抑 制 能力等。传统过程 控制通 常忽 略了偏 离理想设 定点的反馈控 制无法 实现工业过 程或 系统 的整 体优化运行的事实 J 。 而工业过 程运行 控制是 在保证 过程 安全 运 行 的条件下 ， 不仅使过程底层局部单元 的基 础反 馈控制系统输出很好地跟踪设定值 ， 而且要 控制 整个过程 运行 ， 通 过调 整 基 础控 制 系统 的设 定 值， 使反映产品加工过程 中产品质量、 生产效率 和消耗的运行控制指标 即运行 指标 控制 在 目 标值范围 内， 同时 ， 尽 可能提 高产 品加工过 程 的 产 品质量和生产效率 的运行指标 ， 降低 消耗 的运 行指标 ， 实现工业过程优化运行 _ 2 一 。 流程工业中 ， 选矿是极 为重要 的金属原材料 工业 。特别是 在 中国 ， 主要 以低 品位 的赤铁矿 、 菱铁矿 、 褐铁矿 、 镜铁矿等 贫矿为 主， 9 7 ％ 的铁矿 石需经选矿处理得到有用成分含量高 的精 矿后 ， 才能再进行金属 的冶炼 及相关 处理 。选矿 工业 中 ， 磨矿是最 为关键 的生产过程 ， 起 着承上 启下 的作用， 其任务就是将破碎后的矿物原料粉碎到 适宜的粒度 ， 使有用矿物与脉石单体解离或使不 同的有用矿物相互解离 ， 为后续选别作业提供原 料。磨矿是典型的高耗能、 低效率过程， 其 电能 消耗约 占整个选矿厂的 4 5 ％ ～ 7 0 ％ ， 生产成本约 占4 0 ％ 一 6 0 ％。在磨矿生产 中， 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 选矿精矿品位 的好 坏和生产能力 的高低 ， 并与整 个选矿厂经济技术指标密切相关 。 长期 以来 ， 磨矿过程控制及优化被认为是提 高磨矿产品质量 、 生产效率 以及整个选矿厂经济 利润 的关 键 ， 受 到 国 内外 学 者 的广 泛关 注 和重 视。以多 回路 P I ／ P I D和多变量 预测 控制为主 的 控制技术 ， 虽然均在一定程度上达到 了调控磨矿 设备 局 部 单 元 、 使 其 按 照 期 望 目标 运 行 的 目 的 1 3 ， 然而 ， 从过程工程的角度来看 ， 磨矿 自动控 制不仅仅是使磨 矿设备 局部单元 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 度和 生产 效率等运行指标的优化 。因此 ， 将 复杂磨矿生产 与各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 ， 而且其动 态特性还受原矿成分和性质 、 生产技术规 范和操 作规范 、 设 备能 力 以及 各种 未 知动 态 干扰 的影 响 ， 具有较 强 的时变特性 。因此 ， 磨矿过 程运行 控制研究具有挑 战性 ， 受到工程技术界 和控制学 术界 的广泛关 注和重 视。本 文在 描述 冶金磨 矿 过程及其运行控制 问题的基础上 ， 详 细综述 了基 于模 型的冶金磨矿过程运行控制方法 ， 并探讨 了 磨矿过程运行控制研究的几点展望。 1 冶金磨矿过程及其运行控制问题 1 ． 1 磨矿过程 冶金选矿行业中 ， 矿石冶炼入选前 的准备工 作包括破碎和磨矿两大作业， 其中磨矿作业是破 碎作业的继续， 是入选前矿料准备的最后一道作 业 。下面 以典 型的单 阶段 磨矿 回路 为例说 明磨 矿过程 。磨矿过程开始时 ， 原矿石 以一定速度 由 给矿机经给矿皮带输送到磨机进行研磨 ， 同时按 比例添加一定量的水 。矿石在磨机 内研磨 时， 一 方面 ， 矿石和磨矿介质随着磨 机的旋 转被带到一 冶 金自 动 化 第3 9 卷 定高度 ， 在磨机旋转离心力 和摩擦力作 用下 自由 下落或滚下 ， 这 时， 矿石受 到磨矿 介质 的不 断冲 击 ； 另一方 面 ， 磨矿介质在 磨机 内沿磨 机轴 心的 公转和 自转又产生对矿石 的挤压和磨剥 ， 从而将 矿石磨碎。磨碎后的矿石输送到分级机 螺旋分 级机或水力旋 流器 等 进行 粒度分级 ， 粒 度合格 的矿浆从分级 机排 出进入下段 磨矿 或者 直接进 入浮选 、 磁选等选 别工 序进行矿 浆分选 ， 不合格 的矿浆继续送人磨机研磨 。 1 ． 2 磨矿过程运行指标及其影响因素 1 ． 2 ． 1 运行指标 无论从工艺角度还是从控制 角度 ， 磨 矿过程 都需要满足生产对如下运行指标的需求 1 磨矿 产 品粒度 简称磨 矿 粒 度 。磨 矿 生产最为重要 的质量指标 ， 直接影 响选 矿产 品精 矿品位的好 坏和金 属 回收率 的高低 。磨矿 粒度 通 常以某特定粒度 如小 于 0 ． 0 7 4 m m 的矿石在 矿浆中的含量来表示 。 2 循环负荷。可用返 回矿浆量 的绝对值表 示 ， 用绝对值表示 的循 环负荷 即为磨 机返砂 量 ； 也可用返 回矿 浆量与新 给矿 量 的 比值表示 。根 据磨矿动力学原理 ， 循环负荷与磨矿生产率 和磨 矿粒度指标直接相关 。 3 磨机台时处理量 。在一定给矿和产品粒 度条件下 ， 单位时间内单台磨机能够处理的原矿 量 。根据磨机 台时处理 量可 以判别磨 机工 作 的 好坏和磨矿生产率的高低 。 4 磨机作业率。磨矿机组实际工作小 时 占 同期 日历小时的百分 比。磨机作业率反映磨机 利用程度， 也是反映磨矿生产率以及运行安全的 综合性指标。 5 能耗。实际磨 矿操 作 中， 通常认 为合 格 的磨矿粒度、 较高的磨矿台时处理量和磨机作业 率意味着能耗最小 。 除 以上几个 主要指标外 ， 还需考虑 的其他指 标有 磨矿生 产率 、 磨矿效 率 、 磨矿产 量 、 磨机 负 荷等 。但这些 指标在 实际 操作 中通常可 用循环 负荷、 磨机台时处理量和磨机作业率间接表示。 1 ． 2 ． 2 运行影响 因素 影 响磨矿运行性能的主要 因素有如下几类 1 原矿成分和性 质主要包括 矿石硬 度、 韧 性和矿粒大小。在实际工程 中 ， 通常用矿石可磨 性参数来表示这些参数对磨矿过程的影响， 可磨 性参数越大表明矿石越容易磨细。 2 磨机操作参数 。主要指磨机给矿量和磨 矿浓度 或磨机 给水量 。磨机 给矿量指单 位时 间内进入磨 机 的矿 量 ， 为了增加 磨矿效 率 ， 应 当 保持充分大 的给矿量 ， 但是不能超过磨 机最大允 许 给矿量 ， 否则将造成磨机过负荷故 障工况 。磨 矿浓度指 磨机 内的矿 浆 浓度 ， 通 过 给矿 水量 调 节 ， 研究表明 ， 磨 矿浓度 随被 磨物 料性质 以及具 体的磨矿工艺而定 ， 硬度大或者密度大 的矿石磨 矿浓度大 ； 反之 ， 磨矿浓度小。 3 分级机操作参 数。从 某种 角度来 说 ， 磨 机操作 主要影响磨机 台时处理量和磨 矿效率 ， 而 分级机操作 主要 影响磨矿 粒度 。相 对于磨 机 的 慢动态特性 ， 分级机的操作响应速度较快， 因而 其对磨矿 粒度 的影响也最 为重要 。分级机 主要 包括螺旋分级机 和水力旋 流器 ， 其 中， 螺旋 分级 机 的操作参 数主要 是通过稀 释水量 调节 分级机 矿浆溢流浓度 ， 它影 响分级机 的生产 率 ； 水力 旋 流器的操作参数 主要是旋 流器给矿流量 或压力 、 给矿浓度等 ， 给矿流量或压力影 响旋流器 的处 理 量及分级粒 度 ， 而 给矿浓度 影 响产 品的浓度 、 粒 度和分级效率。 1 ． 3运行控制复杂性 磨矿过程的复杂性表现如下 1 关键参量难以直接在线检测。由于磨机 运行 时封闭且高速运转 ， 因而难 以对磨 机 内矿浆 浓度 和磨机负荷进行实时在线检测 ， 磨 矿粒 度虽 然有专门的粒度仪对其进行在线检测， 但是粒度 仪一般只适 用于矿石 成分 和物性 比较 单一 且稳 定 的情况。 2 多变量耦合特性 。闭路磨矿是一个 复杂 多变量动态系统 ， 具有 多运行 控制指 标 、 多过 程 控制变量及多元外部干扰等特点 。另外 ， 多运行 第4 期 周 平 模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研 究 1 5 控制指标与多过程 控制变量 之间及不 同阶段 的 磨矿 回路之间均存在强烈 的耦合和交互作用 。 3 非线性特性 。磨 矿过程 影 响因素众 多 ， 虽然在做 了一些假设和限定条件后 ， 部分 因素之 间可能具有明显的线性关系， 但是大部分磨矿系 统变量基本都是未知的非线性动态关系， 如磨矿 浓度与循环负荷 、 磨矿粒度与磨机给矿量和 给矿 水量等。 4 时变特性。磨 矿介 质和磨机 衬板 、 螺旋 分级机螺旋片以及水力旋流器给料 口、 溢流口、 沉砂口的磨损， 都会改变磨矿过程的时变特性。 另外 ， 矿石可磨性 和矿石块粉 比等参 数随原矿石 种类和性质的变化而变化 ， 且同一类型矿石的这 些参数也往往不完全相同。 5 时滞特性 。磨 矿过程是 典型 的长流 程 、 大时滞系统。磨机 、 螺旋分级机 、 水力旋 流器 、 泵 池以及给矿皮带对 原矿石 的运送 和管道对 矿浆 的运送等是典型的时滞对象 ， 再加上闭路磨矿 自 循环再磨影响 ， 使得从磨机给矿到形成磨矿产 品 的过程具有很长的滞后时间。 2 基于模型的磨矿过程运行控制 针对磨矿过程及其特点 ， 冶金磨矿过程基 于 模型的运行控制 主要采用磨 矿过程监督 、 磨矿 过 程运行实时优化 以及运行反馈等控制方法 。 2 ． 1 磨矿过程监督控制 早 在 2 0世 纪 8 0年 代 ， H e r b s t及 Ma s s a c c i 等 _ 6 就较早地 探讨 了基于模 型 的磨 矿过 程监 督控制问题 。之后 ， H e r b s t 等在文 献 [ 8 ] 中指 出 基于模 型的监督控制 和决策依赖 于优质 在线模 型以及基于准确测量与适宜分布控制的精确参 数估计 ， 作者深入研究了几种基 于模 型的选矿 监 督控 制方 案 ， 其 中 3种 是针对磨 矿 过程 的 第 1 种是针对半 自磨回路的基于模型的监督控制方 案， 采用卡尔曼滤波器对矿石硬度和磨矿介质等 参数进行估 计 ； 第 2种是针 对一段 棒磨 开路、 二 段球磨 一旋 流器 闭路磨 矿产 品粒度 和泵池矿 浆 体积优化设定的监督控制策略； 第 3 种是可以动 态优化磨机给矿和磨矿粒度的单段磨矿模型辅 助控制 策 略。R a d h a k r i s h n a n 针 对 由球 磨 机 和 水力旋流器构成 的典型闭路磨矿 ， 研 究 了基于模 型的磨矿过程监督控制 问题 ， 底层基础反馈控制 采用常规多 回路 P I D控制技术进行设计 ， 上层监 督层为基于经济性能指标的优化模 型 ， 用于在线 求解适合于底层基础反馈控制系统 的设定值。 B o r e l l 等 。 。 研究 了基于 经验模 型 的 自磨过 程监 督控制问题 ， 其控制 目标是通过严格 的磨机功率 控制最大化 磨 机处 理量 ， 当矿 石性 质 发生 变 化 时 ， 监督控制系统能够 自动调节控制 回路设定值 从 而优化过程运行性能 ， 所采用的监督 控制方法 可使磨机处理量提高 5 ％。 2 ． 2 磨矿过程运行优化控制 D u a e等 利 用 子 优 化 控 制 策 略研 究 了 C O D E L C O - A n d i n a选矿厂的磨矿 运行 优化 问题 ， 子优化 控制 算法 分三 步进 行 辨 识磨 矿 对 象模 型 ； 估计用于求解参数估计矩 阵方程 的汉密尔顿 Ha mi l t o n i a n 梯度 ； 进行最优控制 问题求解 。文 献 [ 1 1 ] 提出的运行 控制方法 的基本思 想就是在 不超过磨机最 大容量 的基础上最 大化磨 机处 理 量， 同时力求以 一1 0 0目表示的磨矿粒度不超过 工艺要求的限值。 L e s t a g e等 采用稳态线性规划 L P 优化技 术研究了磨矿 过程带 有约束 的实时优 化控制 问 题 ， 底层采用多变 量预测控 制技术 ， 上 层为基 于 实时优化控制 R T O 的模型优化器 ， 其运 行控制 目标是最 大化磨机处 理量 ， 约束为循 环 负荷 、 泵 池液位以及旋流器溢流和底流浓度 的上下 限值 ， 为 了便于优化计算 ， 作者采 用泰勒 近似算 法将非 线性性能函数转化 为关于底层 控制 回路设定 值 的线性函数 ， 然后采用线性规划方法对其进行优 化求解。Mu fi o z 等 采用类 似技术对 具有 多个 并行磨矿 回路和一个 浮选机 的选矿厂 进行 最优 经济优化， 其中底层控制采用基于线性模型的多 变量约束预测控制， 而上层优化器的经济性能函 数为具有线性约束的非线性动态模型 ， 运行优化 的目标是最大化经济利润， 以此求解底层控制器 的最优设定值。 冶 金自 动 化 第3 9 卷 为最大化浮 选过程 的经 济效益 ， S o s a ． B l a n c o 等L l 针对一个具有磨矿 一浮选 的仿真选矿 过程 进行 了运行优化控制研究 ， 建立 的优 化模 型包括 质量模 型、 产量模 型 以及 经济性 能指标 模型 ， 决 策变量为磨矿过程给矿量 、 磨 机给水量和磨机排 水量等调节变量以及旋流器结构参数 、 磨矿介质 等参数。最后 ， 采用 s t e p b y s t e p方法 对建立 的 3 个性能指标分别进行优化求解。 李勇 研究 的磨矿 过程综合优化 控制模 型 由 3部分组成 磨矿生 产率模 型 、 能耗模 型及 优 化求解模型。由于过程动态机理模 型难 以得到 ， 因此作者采用 回归 试验 建模技术 建立磨 矿生 产 率 E与磨矿 浓度 等参 数之 间的 回归分 析模 型 。 由于磨矿能耗可用磨机驱动功率 P 包 括有用功 率和机械损耗功率 表 示 ， 为此作 者通过分析 磨 机运行机理， 建立 P与磨机内部参数之间的近似 数学模 型 ， 磨机 内部 参数 包括磨 矿浓度 、 介 质填 充率 、 料球 比及磨机转速 、 磨机驱动转矩 、 物料密 度 、 介质密度 、 物料间空隙 、 介质 间空 隙等。基 于 这些模 型 ， 李 勇 最 后通 过下 面求解 式所 示 的 综合优化 问题对决策变量 即磨 矿浓度 、 介质填充 率 、 料球 比3个基础控制 回路的设定值进行求解 。 m i nJ1 ／ 0 b E一0 i P s ． t ． E i ≤ E≤ E 0≤ 0 b E i P ≤ P 0≤ P 上述式中 ．， 为单位时间磨矿生产利润 的倒数 ， 为磨矿生产率产值系数， 0 i 为单位时间能耗成本 系数 ， 它们都是关于磨矿浓 度、 介质填充率 、 料 球 比的未 知非 线性 函数 ； 另 外 ， 为 任意 小 正数 。 由于上述优化目标函数 ．， 为多变量、 光滑非线性 函数 ， 因此作者采用序列二次规 划 S Q P 方法进 行优化计算 ， 在实际操作 中可以通过调整 0 和 0 i 使磨矿生产利润根据市场需求的变化而变化。 2 ． 3 磨矿过 程运行反馈控制 目前 ， 大部分运行控制方法没有考 虑实际运 行指标的实时反馈信息 ， 因而没有真正 实现运行 指标 的运行反馈控制 ， 因此难 以根据复杂 运行 环 境的动态变 化对 运行 磨 矿过 程 进 行及 时 调整 。 另外， 由于磨矿粒度和生产率等运行指标和基础 反馈控制 回路输出之 间表现为多变量耦合 、 多时 滞特性 ， 因而要求运行控制 时必须具 有 良好 的解 耦和多时滞补偿能 力。现有 可对运行 指标 进行 多变量 解 耦 的 方 法 主要 为基 于模 型预 测 控 制 MP C 的方法 。近年 来 ， 笔者 _ 1 研 究 了基 于 扩展多变量解耦 的大时滞磨 矿过程 运行 反馈 控 制方法 ，将对 设定值 跟踪 和干扰 抑制 分 别优 化 设计 的双 自由度 2 - D O F 解析解耦 技术 在运 行控制过 程进 行 扩展 和推 广 ， 提 出基 于改 进 2 ． D O F解耦的大时滞磨 矿过程 多层次运行 反馈控 制方法 。首先 ， 通过最优化特定 的经济性能 函数 计算 出最上层 的稳态最 优运行 点 ； 然 后 ， 运行 反 馈控制 系统 的 回路预设 定控制器 根据稳 态最 优 运行 点计算 出底层基 础控 制 的标 称设定 值 。方 法采用反馈补偿 器增强系统 的控制性能 ， 即根据 大测量滞后得到的磨矿运行指标控制误 差 ， 通 过 反馈补偿算 法计算 出基础 反馈控制 系统相 应 的 补偿增量。基 础反馈 控制 系统跟踪 修改后 的设 定值 ， 从 而快速消除或减小过程运行指标控制 误 差 ， 获得期望 的磨矿运行指标。 针对冶金磨 矿过 程运行 中存在 的各种 动 态 干扰 如原矿石颗粒 大小和 矿石硬度 的波动 、 各 种不确 定 动态 以及耦 合效 应 等 以及 常规 基于 MP C运行反馈控制方法 在控 制具有强 外部干扰 和不确定动态过程时控制性能 的不足 ， 笔者 引入 干扰观测 D O B 技术 。 ， 研究 了具有 层次结 构的基于 D O B与 MP C的磨矿过程集成运行反馈 控制方法 n 。 I 2 。通过最大化经济 利润 函数计算 出最上层磨矿运行 的最优运行点 ， 并下达给运行 层 M P C系统。MP C运行控制器根据最优运行点 和相关边界约束条件 ， 通过最优化 特定 的性能指 标 如最优跟踪性 能 计 算 出底 层基础 控制 系统 的回路预设定值 。D O B作 为运 行控 制系统 的反 馈补偿器根据观 测到 的各 种动态 干扰 给 出基 础 控制设定值 的补偿 增量 以增强 系统 的运行控 制 第4 期 周 平 模 型驱动 的 冶金 磨 矿过 程运 行控 制研 究 性能 。在具体设计方法方面 ， 文献 [ 1 8 ] 针对已有 D O B设计仅适 用于最小相位 时滞或非 时滞 系统 的问题 ， 提 出非 最小 相 位 时滞 系统 的改进 D O B I D O B 设计方法 ， 在此基础上 ， 文献 [ 1 9 ] 提出基 于 I D O B MP C的集 成运行 反馈 方法 及在 一段 棒 磨开路 、 二段球磨机 一旋流器闭路磨 矿的仿真实 验及 比较研 究 ， 文 献 [ 2 0] 针对 已有 D O B技 术 的 单变量本 质 ， 提 出基于多输人 多输 出 MI MO 系 统近似逆 的多变 量干 扰观测 器 MD O B 设 计方 法 ， 并提 出基 于 MD O B ． MP C的集成 运 行反 馈控 制方法及磨 矿过程的仿 真实验和比较研究。 3 基 于模型 的磨矿 过程运 行控 制软件 在基于模 型 的磨 矿过程 运行优 化与 控制专 用技术及 软件方 面 ， 美 国 H o n e y w e l l 公 司推 出了 基于现 场基金会 总 线 的 P l a n t S c a p e系统 。 该系统 中包含两个用于选矿行业的软件包 S m a r t G r i n d和 S ma r t F l o a t 。S ma r t G r i n d使用 H o n e y w e l l 公司的鲁棒多变量预测控制技术 ， 通过 分析过程 的动态因素 ， 包括操作模 式 、 产量和进料质量等 ， 在保证过程约束的同时 ， 对磨 矿控 制系统进行优 化设定 ； 而 S ma r t F l o a t 采用相 同的技术 对浮选过 程控制系统进 行优 化设 定。据 报道 ， 使 用 S ma rt G r i n d先进控 制软件 能够稳 定磨 矿过程 运行 ， 优 化磨矿产品粒度， 使矿石处理量提高 2 ％ 一 5 ％， 磨矿系统运行能耗降低 1 ％ 一2 ％ ； 而 S ma r t F l o a t 可以稳定精矿 品位并使其增加 1 ％ ， 回收率提高 l ％ ～3 ％ ， 药剂消耗减少 2 ％ ～ 2 0 ％ ， 带来可观的 利润 。 南非 Mi n t e k公 司采用优 化控制 技术 和软测 量技术开发 了磨矿 过程优化 控制 的一 系列软件 系统 ， 包括磨 矿过程优化控制软件 系统 Mi l l S t a r 、 磨矿粒 度 软测量 软件 系统 P S E、 旋 流器 非接 触 角 度 测 量 软 件 系统 C YC A M 等。其 中， Mi l l S t a r 软件系统通过上层 在线优化调 整底层 给 矿 、 给水 以及旋流器给矿压力等基础控制 的设定 值参数以稳定磨矿粒度； 另外， 通过引入给矿量 的摄动 自动寻找最佳磨机负荷 ， 以适应矿石性质 的变化 。据报 道 ， Mi l l S t a r 软件 系统 在稳 定 旋流 器溢流浓度和粒度的前提下 ， 可 提高磨 机处理能 力 6 ％ ～1 6 ％ 。 澳 大利亚 Ma n t a C o n t r o l s P t y L t d ． 公司开发 了 Ma n t a C u b e 控制软件系统 。 用于磨矿先进控 制。该系统采用基于模型的约束控制、 前馈控 制 、 解耦 控制 、 增益调度等控制技术 ， 能够有效克 服给矿量和矿石成分 的扰动 ， 稳定磨矿生产与产 品质量 ， 使磨矿处理量提高约 6 ％。 4结论 与展望 现有磨矿 过程运 行优 化与控制 方法 虽然 对 磨矿过程 的节能降耗 、 优质高效生产起 到积极作 用 ， 但是在 以下方面还有待进一步深 入或进行后 续研究。 1 磨矿运行指标多 目标智能优化决策 。磨 矿过程的运行与优化控制需要将磨矿产 品质量 、 效率和消耗等多运行指标控制在 目标值范围内， 尽可能提高质量和效率指标 ， 尽可能降低消耗指 标。因此 ， 如何决策运行指标的优化 目标值成为 关键 。磨矿运行指标 与选矿 生产全 流程 的产 品 质量 、 产量 、 能耗等指标密切相关 ， 其动态特性 随 原料成分波动 、 生产设备磨损等生产条件 的变化 而变化 。因此运行 指标优化 决策 涉及 到多 目标 智能优化 ， 研究 以选矿全局优化为 目标 的运行指 标多目标智能优化决策方法， 对于实现磨矿过程 的运行控制至关重要 。 2 多模型运行控制系统设计。复杂磨 矿生 产 中， 原矿石成分和性 质以及颗粒大小 的显 著波 动 、 各种磨 矿运行设 备或子 系统故 障 、 其 他外部 不可测干扰 等多种 因素常常导 致磨矿 系统从 一 个工作点变到另一个工作点 ， 造成 系统参 数往往 发生大范 围跳变 ， 这时常规基 于单一模 型的运行 控制系统设计 方法无法 得到令 人满 意的控制 效 果 。为了解决上述 问题 ， 必须研究基 于多模 型的 磨矿过程运行控制方法 。 3 故障工况诊断和 自愈控制 。磨矿运行控 制系统运行过程中 ， 尽管控制器 、 执行机构 、 检测 仪表均运行正常 ， 但操作不当造成基 础控制系统 的设定值不 合理将 导致故 障工 况。故障工 况直 1 8 冶 金自 动 化 第 3 9卷 接影响磨矿运行指标 ， 会造成产品质量下降、 效 率 降低 、 消耗增 高 ， 甚 至造成磨 矿 系统瘫痪 并危 及操作者人身安全 。因此 ， 必须研究磨矿故 障工 况的诊断、 预报及排除故障工况的 自愈控制方法 。 4 多网络环境下 的磨矿运行控制。为了保 证磨矿运行控制的可靠性， 常规磨矿过程运行控 制采用基础 反馈控制 层和运行 控制层 两层结 构 实现。基础反馈控制层输入与输出信息传输采 用设备网， 运行控制的信息传输采用工业以太 网， 而采用工业以太网传输信息有时可能出现丢 包 、 延时等现象。为了克服复杂磨矿过程 的运行 过程动态特性 的不确定性 ， 通常需要采用运行 反 馈控制来 实现磨 矿过 程 的运行 优化 和控制 ] ， 此种情 况下 ， 就 必须 考 虑 以太 网可 能 出现 的丢 包 、 延时等对闭环运行控制 的影响。 5 磨矿运行控制 系统性能分析 。磨矿过程 运行控制要将运行指标控制在 目标值范 围内。 因此 ， 对 于磨 矿过程运行 反馈 控制 ， 不仅要 具有 良好 的动态性能 ， 还必须考虑运行反馈控制 系统 的稳定性 。由于磨 矿过程 运行 反馈控 制具有分 层反馈控制结构 ， 难以采用 已有 的控制系统稳定 性分析工具 ， 因此 ， 采 用解 析方 法与 实验方法 相 结合， 研究磨矿过程运行反馈控制的动静态性能 分析方法 ， 是解决这一 问题的可能途径之一 。 参考文献 [ 1 ] 段希祥． 碎 矿与磨矿[ M] ． 北京冶金工业 出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 穆拉尔 ， 杰根森． 碎磨回路的设计和装备[ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 3 ] 周平． 复杂磨矿过程运行反馈控制方法及应用研究 [ D] ． 沈阳 东北大学 ， 2 0 1 3 ． [ 4] L U S h a o w e n ， Z HO U P i n g ， C HA I T i a n y o u ， e t a 1 ． Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f wh o l e b a l l mi l l g r i n d i n g p l a n t f o r i n t e g r a t e d c o n t r o l [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n A u t o m a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 4 ， 1 1 4 1 0 0 4 1 0 1 9 ． [ 5] 陈炳 辰． 磨矿 原理 [ M] ． 北京 冶 金工