PID控制系统设计及其选矿应用实践.pdf

2 5 4 有色金属 选矿部分 2 0 1 1 年增刊1 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n l 6 7 1 - 9 4 9 2 J ．0 1 1 ．z 1 ．0 5 9 P I D 控制系统设计及其选矿应用实践 于岸洲- ，一，张颖新1 ，一，王建业- t 一，程晓峰1 , 2 1 ．中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，郑州4 5 0 0 0 6 ；2 ．国家非金属矿资源综合利用工程技术 研究中心，郑州4 5 0 0 0 6 摘要介绍P I D 控制原理、应用现状，以自动排矿及液位保持P I D 控制系统设计及选矿工业应用实践为基础，阐述 了该类P I D 控制系统的控制性能以及在选矿工艺中的适用范围，并进行了P I D 控制系统应用的经济、管理效益分析。 关键词P I D 控制器；传感器；定位器；闭环控制系统 中图分类号I “ I 9 2 8 ．9文献标识码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 1 s o 一0 2 5 4 - - 0 4 D e s i g na n dA p p l i c a t i o no fP I DC o n t r o lS y s t e mi nO r eD r e s s i n gF i e l d Y UA n z h o u T M ，Z H A N GY i n g x i n l 一，W A N GJ i a n y e l 盘，C H E N GX i a o f e n g 埘 1 ．Z h e n g z h o uI n s t i t u t eo fM u l t i p u r p o s eU t i l i z a t i o no fM i n e r a lR e s o u r c e sC G S ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 6 。C h i n a ；aC h i n aN a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rU t i l i z a t i o no fI n d u s t r i a l M i n e r a l s ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r i n c i p l eo fP I Dc o n t r o la n di t sp r e s e n ts i t u a t i o no fa p p l i c a t i o na r ei n t r o d u c e di n t h i s p a p e r ．B a s e do nt h ed e s i g na n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fP I Dc o n t r o lS y s t e mo fa u t o m a t i co r e - d i s c h a r g ea n d l i q u i dl e v e lk e e p i n gi no r e d r e s s i n gf i e l d ．t h ea u t h o r se l a b o r a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h eP I Dc o n t r o ls y s t e m a n dt h es u i t a b l ea p p l y i n gf i e l do fs u c hP I Dc o n t r o ls y s t e mi n o r e - - d r e s s i n gp r o c e s s ，a n a l y s et h ee c o n o m i c p e r f o r m a n c ea n dm a n a g e m e n tp e r f o r m a n c eo f P I Dc o n t r o la p p l i c a t i o n ． K e yw o r d s p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l - - d e r i v a t i v ec o n t r o l l e r , s e n s o rl o c a t o r , c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m P I D 控制器问世至今已有7 0 多年的历史，尽 管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但它以 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便、易实 现、鲁棒性强等优点一直是工业生产过程中应用最 广、也是最成熟的控制器，即便是在美国、日本等 工业发达国家，P I D 控制仍达9 0 ％以上[ 1 圳。矿业 是我国传统的基础工业，已具备相当规模，但是选 矿自动化研究和应用起步较晚，除少数大型选厂有 一些自动化装备外，大多数选厂还是在旧的管理方 式下依靠人工操作，能耗高、效率低、劳动强度 大、经济技术指标不稳定，生产很难维持在最优状 态。据报道，实现选矿自动化的选厂可提高金属回 收率l ％～2 ％，精矿品位提高0 ．4 ％～2 ％，破碎能力 提高1 0 ％一1 5 ％，磨矿处理量提高2 ％～1 0 ％，节约 能耗5 ％～1 0 ％，生产成本降低3 ％～5 ％，劳动生产 率提高2 5 ％～5 0 ％【引。目前我国许多矿山不注重成 本效益，选矿自动化水平低，导致了运营成本高， 生产效率低，损耗浪费严重⋯】。 在选矿自动化领域，目前应用最为广泛、技术 基本成熟、效果显著的几项技术包括碎矿过程控 制、磨矿过程的多参数综合控制、以磁选柱和浮选 柱等为代表的新型高效选别设备的自动控制、浮选 过程基于品位分析的自动加药、矿浆液位自动控制 等；按单一过程控制分类包括液位自动控制、排矿 自动控制、粒度自动检测控制、流量自动控制、浓 度自动控制、密度自动控制、给矿自动控制等。大 部分控制都直接或间接采用了P I D 控制技术。这些 控制技术在选矿自动化的工业应用实践表明，选矿 自动化投资回收快、见效大，提高生产能力、分选 指标的同时，有效降低了生产成本。 收稿日期2 0 1 l 棚一1 5 作者简介于岸洲 1 9 7 9 一 ，男，河南郑州人，工程师，主要从事选矿设备自动化系统设计及磁铁矿高效选矿设备研发。 万方数据 2 0 11 年增刊1于岸洲等P I D 控制系统设计及其选矿应用实践 2 5 5 本文仅以自动化排矿及液位保持P I D 控制系统 设计及其工业应用实践为基础，分析P I D 控制机 理、适用范围，提出P I D 控制系统应用于选矿工艺 的设计思路，阐述P I D 控制系统工业应用经济、管 理效益。 1P I D 控制基本原理 P I D 控制是一种线性控制方法，它根据给定 值r t 与实际输出值y f 构成控制偏差e t ，即 e t r t 7 t ，对偏差e ￡ 进行比例、积分、微 分运算，将三种运算结果相加，就得到P I D 控制器 的控制输出u ￡ 。P I D 控制原理如图1 所示。 图1P I D 控制原理 F i g ．1 T h ep r i n c i p l eo fp r o p o r t i o n a l i n t e g r a l - d e r i v a t i v ec o n t r o l 该系统由模拟P I D 控制器和被控对象组成，图 中，r t 是给定值，y t 是系统的实际输出值，给 定值与实际输出值构成控制偏差e t ，有e t r t - y t ，e t 作为P I D 控制器的输入，u t 作为 P I D 控制器的输出和被控对象的输入。P I D 控制器 的算法如下 『巳，．1 z ‘ f 砟Ie ￡ 导le ‘ d t 死掣l 【 1 i 6 m J 上式中加权三项分别为比例环节、积分环节、 微分环节。系数‰、正、死的取值决定了P I D 的控 制效果。 比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应， 偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制 量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于 比例系数k ，，k ，越大，控制越强，但过大的k 会 导致系统震荡，破坏系统稳定性。 积分环节的作用是把偏差的积累作为输出，在 控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就 会不断增大，直到偏差e ￡ o ，输出的配 ￡ 才可能 维持在某一常量，使系统在给定值r t 不变的条件 下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然能够消除静 态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统超 调量。增大积分常数正会减慢静态误差的消除过 程，但可以减少超调量，提高系统稳定性。 微分环节的作用是阻止偏差的变化，它是根据 偏差的变化趋势进行控制。偏差变化的越快，控制 器的输出越大，并能在偏差值变大之前进行修正。 微分作用的引入，将有助于减少超调量，克服震 荡，使系统趋于稳定。 由于在P I D 控制系统应用中被控对象的特征大 不相同，P I D 控制算法有很多种，算法的设计都是 基于具体的被控对象特征，以便根据实际工况需 要，更精确地实现对被控对象的控制。据不完全统 计，目前已知的P I D 控制算法有几千种，比较常见 的算法有增量式算法、位置算法、微分先行算法 等，很多独特的算法由于被认为是商业秘密而没有 被广泛传播。本文中采用的是智能自整定型P I D 控 制器，其特点是能够适应现场工况的变化，对P I D 控制参数也、瓦、乃进行在线自适应调整，实现对 现场工况的最优化控制。 2P I D 控制系统设计 2 ．1 被控对象及特征 对于浮选机、浮选柱、磁选柱、浓密机、磁聚 机等选矿设备而言，设备正常工作必须保持稳定的 液位高度，其中磁聚机、磁选柱、浓密机等设备还 需要保证矿仓内稳定的矿层高度，实现给矿量与排 矿量相平衡，以期发挥设备稳定的浓密效果及分选 效果。该类设备正常工作状态如图2 所示。 图2 中h 为设备正常工作时，保持溢流的设备 液位高度，日为设备内部高浓度矿层高度，当设备 工作于最优化状态，h 、日为固定值。设备处于最 优化工作状态附近时，设备内部液位高度以及矿层 高度始终围绕着h 、日在极小的范围内波动。因 此，要充分发挥设备工作性能，就要始终保持设备 溢流状态，否则设备内部液位下降，工作效率将会 降低，当液位下降幅度较大时，设备甚至失去浓 密、分选功能。因此当发现液位下降时，要及时对 设备补水或者减小物料排放阀门的开度，以保持设 备溢流状态；设备内部高浓度矿层高度为某些选矿 设备正常工作的另外一项被控参数，稳定的矿层高 度可以实现给矿量与排矿量的平衡，对于分选设备 而言，矿层高度的大幅度波动会对分选效果产生不 利影响。实际的矿层高度如果远远大于设备最优化 工作时矿层高度日，极有可能导致矿物沉死，无法 万方数据 2 5 6 有色金属 选矿部分2 0 1 1 年增刊1 ．／纶霄 图2 设备工作状态 F i g ．2W o r k i n gs t a t eo fe q u i p m e n t 正常排矿，产生设备运转事故；如果设备内部矿层 高度远远低于日，对于浓密设备而言，就失去了浓 密效果，对于分选设备而言，降低分选效果甚至没 有分选效果。 以上h 、H 两个技术参数仅靠人工调节设备保 持其工作在最优化状态非常困难，选矿厂设备众 多，工人不可能2 4h 一直盯着一台设备。由于溢 流位于设备顶部，排矿位于设备底部，操作很不方 便，即便是及时发现问题进行调节，也存在一定的 滞后，影响设备的使用效果。因此有必要对该类设 备设计自动化控制系统，在线自动化调整排矿、补 水状态，使其始终工作在最优化状态，消除生产中 给矿量、水量波动等因素对分选以及浓密效果的不 利影响。 2 ．2 自动化系统设计 由设备正常工作状态图可知，设备正常工作必 须尽量保持矿层高度、液位高度始终等于或者接近 于日、h ，因此必须避免阀门的大开大关，保证排 矿量随着给矿量的变化及时调整；使设备始终保持 稳定溢流，溢流减小立即补水。在设备内部液位高 度为h 、矿层高度为日的稳定工作状态下，此时给 矿量与排矿量平衡，设备进水量与排水量平衡，即 设备内部水量与矿量始终保持在固定值，设备内部 整体矿浆密度基本为恒定值，因此设备内部某点压 力值与液位高度值存在线性关系，可以通过压力的 测量值与液位高度值之间的一一对应关系实现对设 备排矿及液位保持的自动化控制。实测的压力值被 转化成高度值h ，、H 。，通过其与设定值h 、H 的比 较，实现在线自动化排矿、补水控制。系统控制流 程如图3 所示。 图3 系统控制流程 F i g ．3 C o n t r o lp r o c e s so fs y s t e m 该控制系统主要由感知、控制、执行三部分组 成，即传感器、智能模糊P I D 自整定控制器、执行 部件。传感器将实测的压力信号转化为4 ～2 0m A 电流信号作为P I D 控制器的输入，智能模糊自整定 P I D 控制器根据输入信号与设定值偏差进行在线自 整定计算，并输出4 ～2 0m A 模拟信号给执行部件， 不断调节排矿阀门及给水阀门开度，阀门开度引起 床层高度及液位高度的变化被传感器在线感知并输 入模拟反馈信号给控制器，控制器经过比较计算对 控制输出进行在线的不断修正，输出控制信号不断 调整阀门开度，最终实现稳定的液位高度及矿层高 度。该系统由压力变送器、P I D 控制器、定位器、 减压阀、气控组合阀及空压机等部件组成闭环反馈 控制系统，工作原理如图4 所示。 2 ．3P m 控制性能分析 该系统为在线模拟信号控制系统，将设备内部 矿层以及液位信息有效转化为4 。2 0 m A 模拟信号， 由智能模糊P I D 控制器在线自整定输出信号控制执 行部件，系统被控对象的输出返送回来形成反馈， 构成单回路闭环控制系统。 本系统适用于浮选柱、浮选机的液位控制，磁 选柱、磁聚机、浓密机等设备的排矿及液位保持控 制，旋流器入口压力控制，重介质密度控制等。由 于存在着系统扰动、执行部件滞后等影响因素，实 践中本系统一个采样控制周期为2 3s 。 万方数据 2 0 11 年增刊1于岸洲等P I D 控制系统设计及其选矿应用实践 P I D 控制器接收压力传 感器信号，与设定值比较 计算后，发出4 2 0m A 电 流控制信号给定位器 定位器通过电 的大小变化控制 入阀门的气量 压力变送器将检测 的矿层，液位高度压力 值变送为4 ～2 0m A 电 流信号输送给控制器 气控夹管阀通过气最l 变化控制开关，引起矿} 专自动捧矿辟} 东 层／液位高度变化l 减压阀调节供Ll 窄压机供给并 给恒定压缩空气厂I 储存压缩空气 图4 自动化排矿，奉l 、水系统工作原理 F i g ．4W o r k i n gp r i n c i p l eo fa u t o m a t i cm i n e d i s c h a r g i n g ／w a t e r - s u p p l e m e n ts y s t e m 该模糊自适应P I D 控制系统先后在湖北武钢大 冶铁矿、河北唐钢庙沟铁矿、新疆金宝公司、山西 代县兴旺矿业公司、云南腾冲恒益矿业公司、河南 舞阳澳瑞特矿业公司等国内数十家选矿厂成功获得 工业应用，在给矿量波动0 ～3 5t ／h 情况下，能够非 常精确地实现在线自适应排矿控制，使排矿随着给 矿量的波动做出相应的调整，保证了设备始终处于 最优化工作状态，控制系统对矿量、水量的波动适 应性较强；工业应用实践证明，该系统控制稳定， 故障率低，系统操作简单，容易掌握，配套的阀门 耐磨损，使用寿命长。 3 结论 采用P I D 控制系统对选矿设备进行自动化设计 改造的工业应用实践表明，该系统设计简单可行， 容易操作，控制性能稳定，故障率低；系统的采用 显著提高了设备的使用效率，减少了资源浪费，提 升了设备管理水平；整个系统投资在万元左右，投 资回收快，给企业带来了显著的经济效益与管理效 益。该P I D 控制系统在整个选矿行业的大范围推广 应用，必将大幅度提升我国资源的综合利用价值， 促进节能减排，提升我国选矿装备的总体技术水 平，经济、社会效益不可估量。 参考文献 [ 1 ] 刘金琨．先进P I D 控制及其M A T L A B 仿真E M ] ．北京 电子工业出版社，2 0 0 3 ． [ 2 ] 黄友锐，曲立国．P I D 控制器参数整定与实现[ M ] ．北京 科学出版社，2 0 l O ． [ 3 ] 现代铁矿石选矿编委会．现代铁矿石选矿[ M ] ．合肥 中国科学技术大学出版社，2 0 0 9 ． [ 4 ] 王丰雨．张覃．黄宋魏．我国选矿自动化评述[ J ] ．国外 金属矿选矿。2 0 0 6 8 1 8 2 1 ． [ 5 ] 李晓岚，曾云南．选矿自动化技术的新进展[ J ] ．金属矿 山，2 0 0 6 6 6 l - 1 5 4 ． 万方数据