超大型浮选机智能控制系统设计与开发.pdf

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2 0 1 9 年第4 期有色金属 选矿部分 8 1 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n l 6 7 1 9 4 9 2 .2 0 1 9 .0 4 .0 1 6 超大型浮选机智能控制系统设计与开发 武涛1 ,刘利敏1 ,杨文旺1 ,谢建辉2 ,韩登峰1 1 .北矿机电科技有限责任公司,北京1 0 0 1 6 0 ; 2 .江西铜业集团有限公司德兴铜矿,江西德兴3 3 4 2 0 0 摘要超大型浮选机作为当前矿产资源大规模高效开发的关键设备,智能控制系统是其核心技术之一。该系统运州 多传感器感知、人工智能控制以及云平台等多项前沿技术,将选矿机理和智能控制模型有效融合。创新性提出了浮选机充气 速率自动测量技术、充气回收因子口的浮选机优化控制技术、浮选机A P P 监测三项关键技术。该智能控制系统在江铜某选矿 厂成功应用,不仅提高了矿物回收率,而且极大降低了人工操作强度。 关键词超大型浮选机;充气速率;空气回收因子;手机A P P 中图分类号T D 9 2 8 .9 ;T D 4 5 6文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 19 0 4 0 0 8 1 0 6 D e s i g na n dD e v e l o p m e n to fI n t e l l i g e n tC o n t r o lS y s t e mf o rS u p e rL a r g eF l o t a t i o nM a c h i n e W UT a 0 1 ,L I U L i m i n l ,Y A N GW e n w a n 9 1 ,X I EJ i a n h u i2 ,H A ND e n g f e n g ’ j .B G R I M MM a c h i n e r y A u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o .,L t d .,B e i j i n g1 0 0 16 0 ,C h i n a ; 2 .Ji a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o nL i m i t e d ,D e x i n gJi a n g x i3 3 4 2 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t S u p e rl a r g ef l o t a t i o nm a c h i n ei st h ek e ye q u i p m e n tf o rl a r g e s c a l ea n de f f i c i e n td e v e l o p m e n t o fm i n e r a lr e s o u r c e sa tp r e s e n t ,a n di t si n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi si t sc o r et e c h n o l o g y .T h ec o n t r o ls y s t e m u s e sc u t t i n g e d g et e c h n o l o g i e ss u c ha sm u l t i s e n s o rs e n s i n g ,a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ec o n t r o la n dc l o u dp l a t f o r m t oe f f e c t i v e l yi n t e g r a t et h eb e n e f i c i a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lm o d e l .I n n o v a t i v e l yp u t f o r w a r dt h r e ek e yt e c h n o l o g i e s a u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo ff l o t a t i o nm a c h i n ei n f l a t i o nr a t e , o p t i m i z a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yo ff l o t a t i o nm a c h i n eb a s e do ni n f l a t i o nr e c o v e r yf a c t o r | 3 ,a n dm o b i l ep h o n e A P Pm o n i t o r i n go ff l o t a t i o nm a c h i n ep r o c e s sd a t a .T h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e di nt h eJ i a n g x iC o p p e rC o n c e n t r a t o r ,w h i c hn o to n l yi m p r o v e st h em i n e r a lr e c o v e r yr a t e ,b u ta l s o r e d u c e st h ei n t e n s i t yo fm a n u a lo p e r a t i o n . K e yw o r d s s u p e rl a r g e f l o t a t i o nm a c h i n e ;i n f l a t i o nr a t em e a s u r e m e n t ;a i r r e c o v e r yf a c t o r ; m o h i l eA P P 近年来,随着矿石开采的不断深入,入选矿石变 得难磨、品位降低、性质不断恶化,选矿厂整体回收 率呈下降趋势。受现有设备技术和经济因素制约, 大部分选矿厂尾矿资源未得到充分的回收利用。超 大型浮选机具有容积大、浮选时间长、建造和运行成 本低等优点,适宜于对大宗尾矿集中处理[ 1 。2 j 。在当 前矿业经济总体处于下行阶段情况下,北京矿冶科 技集团有限公司设计研制出国内最大规格浮选机, 并在工业现场成功应用。 智能控制系统作为超大型浮选机核心研究技术 之一,不仅运用多传感器检测、人工智能理论以及云 平台等多项前沿技术,而且将选矿机理和智能控制 模型有效融合,有效解决了目前超大型浮选机以下 技术难题 1 超大型浮选机设备庞大,设备监测过程量多, 人工检测存在操作难度大、精度低等问题; 2 不同操作人员对于浮选泡沫状态判断不同、 操作不同,造成选矿指标出现较大差异,不利于有用 矿物的回收【3 1 ; 3 现有浮选机控制系统信息化技术落后,该如 何结合目前前沿技术实现浮选设备数据上云和手机 A P P 在线监测是个难题。 收稿日期2 0 1 8 1 2 - 1 2修回日期2 0 1 8 - 1 2 - 2 1 作者简介武涛 1 9 8 2 ,男,河北武强人,硕士,高级工程师,长期从事选矿过程自动化技术研究T 作。 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第4 期 1 超大型浮选机控制系统功能、结构 设计介绍 超大型浮选机对控制系统安全性、稳定性以及 智能化程度提出了更高要求,所以系统功能以及结 构设计相对均比较复杂。目前该系统通过采用多点 数据检测与物理信息协同控制技术,已经完成了充 气速率自动测量、沉槽预警、手机A P P 实时监控、数 据上云和基于空气回收因子口的浮选优化控制等多 项全新功能,并且系统具备多重安全防护和响应 机制。 面向超大型浮选机控制系统的拓扑结构,主要 分为四层首先是仪器仪表层,负责采集浮选机过程 参数和执行逻辑控制层发出的控制指令。该层由液 位、气量检测传感器、泡沫图像仪、高压启动柜以及 执行器等部分组成;其次是逻辑控制层,其接受专家 控制层的优化控制决策,输出到P L C 模块单元,实 现浮选机多点数控技术。专家控制层是本系统最核 心部分,通过采集和分析与选矿指标最相关的数据, 结合浮选泡沫图像专家系统规划和决策出浮选机液 位或气量的最佳设定值,完成浮选机关键工艺参数 智能给定;系统最上层为云端层,利用云服务平台, 将现场数据上传到云端进行备份或高速计算,同时 在手机端开发出基于浮选机监控功能的工业A P P 软件,实现浮选机远程数据共享同时,也为远程专家 故障在线诊断提供了支撑平台。 2关键技术 2 .1 充气速率自动测量技术开发 浮选机充气速率 单位充气量 是表征浮选机气 泡分散性能优劣的关键参数,因此对于浮选机充气 速率测量精度要求非常高。在目前测量手段中,多 数使用量杯或有机玻璃管容器依靠排水集气法人工 手动测量浮选机的充气速率,如下图1 所示。 图1人工测量装置 F i g .1 M a n u a lm e a s u r i n gd e v i c e 由于人工排水集气时需要把测量装置手动伸入 到浮选机矿浆内部,而超大型浮选机直径极大,这种 操作方式存在操作难度大、测量精度低、具有一定危 险性等缺点,所以亟待在超大型浮选机上开发一套 充气速率自动测量装置。 本系统开发的充气速率自动测量装置主要包 括测量筒、3 组电极棒、电磁阀、过滤网、空气软管、 真空泵及控制单元,其中真空泵和控制单元可以为1 个至N 个测量装置共用。真空泵主要作用是将测 量筒内空气抽出,然后产生负压使矿浆充满测量筒。 A 、B 、C 三组电极棒作用分别为触发计时器、终止 计时器和触发电磁阀关闭防止矿浆进人到真空泵 中。通过电极棒A 组和B 组就可以测出矿浆面由A 点降到B 点的时间间隔,再根据两点之间的距离H , 就可以计算出该点浮选机充气速率。 该测量装置安装在浮选机矿浆界面1 0 0m m 以 下,非工作状态下电磁阀关闭。随着浮选机不断的 充气搅拌,测量筒内会充满气体。当需要测量18 位 置充气速率时,首先将控制单元开启为l4 检测模 式,然后18 电磁阀打开,真空泵开始运转,真空泵将 测量筒内的空气抽出,矿浆会被吸入到测量筒内,当 矿浆上升到C 组电极时,C 组两个电极被矿浆接通, 立刻触发电磁阀关闭指令,电磁阀关闭。随着气泡 的不断进入,测量筒内的液面开始往下降,当液面低 于A 组电极时,A 组信号由导通变为关断,此时控制 单元开始计时;液位继续下降,当液面低于B 组电极 时,B 组信号由导通变为关断,此时控制单元停止计 时。这样控制单元就捕捉到了空气充满测量筒H 高度对应的时间t ,通过公式Q 一6 0 H /t 控制单元 可以计算出14 测量点的充气量。当1 。点测量完成 后,控制单元自动开始测量28 点,步骤同上,直至测 完第N 个测量点。 图2 充气速率自动测量装置 F i g .2I n f l a t i n gr a t ea u t o m a t i cm e a s u r i n gd e v i c e 万方数据 2 0 1 9 年第4 期武涛等超大型浮选机智能控制系统设计与开发 8 3 2 .2 基于充气回收因子口的浮选机优化控制技术 开发 浮选机充气回收因子口,表示单位时间流过浮选 机溢流堰的未破裂气泡的空气含量与充气量的百分 比,它是对泡沫稳定性进行定量描述的关键变量,同 时对矿物回收率有重要的指示作用[ 4 ] 。通过试验发 现当浮选机的充气量逐渐增加时,回收因子口均出 现了先增长至某个峰值而后下降的现象,并且在回 收因子达到峰值的时候其对应矿物回收率最高。所 以通过改变浮选机的充气量可以快速调节充气回收 因子口,增强气泡稳定性,这种方法可以有效提高浮 选生产指标。 2 .2 .1 充气回收因子口在线采集方法实现 充气回收因子舟采集装置主要由热式气体流量 计、泡沫图像采集仪、图像处理工作站和P L C 模块 组成。 泡沫图像采集仪主要由高速工业C C D 相机、 高亮点光源以及激光传感器构成。工业C C D 相机 主要用于采集浮选机泡沫层上方的图像信息;高亮 点光源主要起到补光作用,避免相机成像受到浮选 机槽内光线不足的影响;图像处理工作站内嵌图像 处理算法,用于计算泡沫的溢流速度以及颜色;激光 传感器用于测量泡沫层上沿距离浮选机溢流堰的高 度,并作为浮选泡沫层的溢流高度;热式气体流量计 主要用于浮选机总进气量的在线检测。 图像处理工作站,主要由高性能计算机工作站 组成,内嵌浮选泡沫动静态特征的检测算法,可以输 出浮选泡沫的溢流速度和颜色值。 P L C 模块单元,主要用于激光传感器的模数转 换,最终输出浮选泡沫层的溢流高度。根据以上的检 测装置和检测方法就可以实时输出充气回收因子 B 值。 图像处理工作站 热式气体 流量计 L C 模块 图3充气回收因子口采集系统结构图 F i g .3 S t r u c t u r eo fa e r a t i o nr e c o v e r yf a c t o r 卢 a c q u i s i t i o ns y s t e m 2 .2 .2 充气回收因子口寻优方法实现 充气回收因子口寻优方法策略为通过对比当 前和上一时刻的回收因子口均值,并根据充气量限 制条件和R G B 红色分量限制条件,对充气量进行遍 历操作,在当前规定的充气量范围内寻找最大回收 因子口以及所对应充气量设定值。 表1充气回收因子口寻优过程参数 T a b l e1I n f l a t a b l er e c o v e r yf a c t o r 卢 o p t i m i z a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s 参数名称设定值 回收因子口的采集时间T c o l l e c t 气量P I D 调节时间T p i d 充气量设定值更改时间步长T s t e p 回收因子卢正常区间[ p r a i n ,p m a x ] R G B 颜色正常区间E R G B - l o w ,R G B - h i g h ] 充气量设定值范围[ A I R S E T l o w ,A I R S E T _ h i g h - ] 连续正/负向最大遍历次数 N 前一时刻充气回收因子p 均值p l a s t 当前时刻充气回收因子p 均值p n e w 前一时刻R G B 分量均值 R G B - l a s t 当前时刻R G B 分量均值R G B - n e w 前一时刻充气量设定值A I R S E T l a s t 当前时刻充气量设定值A I R S E T - n e w 2 .2 .3 口寻优方法执行步骤 步骤a 开启优化控制 获得当前充气量初始设定值A I R S E T f i r s t ;启 动采集时间T c o l l e c t ,采集时间结束后计算出当前 充气回收因子p 均值p f i r s t ;同时将A I R S E T l a s t 和A V G l a s t 赋值A I R S E T l a s t A I R S E T f i r s t ;p l a s t B f i r s t 。 步骤b 执行单次正向遍历 更改当前充气量设定值,A I R S E T n e w A I R S E T l a s t 1 。间隔T p i d 时间后,启动采集 时间T c o l l e c t ,采集时间结束后计算出当前充气回 收因子8 均值p _ n e w 。 步骤c 比较后确认选择正向遍历函数还是负 向遍历函数 i f | 3 一n e w ≥t a _ l a s t { 执行气量设定值正向遍 历函数; e l s e{ 执行气量设定值负向遍历函数; 此外,在控制策略执行过程中,正常区间[ A R _ m i n , A R m a x - ] ,R G B 颜色正常区间[ R G B l o w ,R G B h i g h ] ,充气量设定值范围[ A I R S E T l o w ,A I R S E T h i g h - ] 以及连续正/负向最大遍历次数咒为主 要限制条件,分为以下几种情况 1 当充气量设定值更改时间步长T s t e p 结束 时,若当前采集的充气回收因子均值G n e w 与R G B 篙 万方数据 8 4 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第4 期 颜色均值R G B n e w 均位于正常区间内,则当前充气 量保持不变,并将当前充气量设定为最佳值A I R S E T o p t i m a l A I R S E T l a s t ; 2 当充气量设定值更改时间步长T s t e p 结束 时,当前采集的充气回收因子均值1 3 一n e w 在正常区 间内,R G B 颜色均值R G B n e w R G B h i g h ,说明当 前泡沫色泽较深,执行气量设定值正向遍历函数; 4 在正向遍历或负向遍历过程中,若连续遍历 次数超出最大遍历次数挖,则立即结束寻优,并将当 前时刻充气量设定为最佳值 A I R S E T o p t i m a l A I R S E T l a s t ; 5 在正向遍历执行过程中,若当前充气量设定 值超过了充气量设定值范围[ A I R S E T l o w , A I R S E T h i g h ] ,即A I R S E T A I R S E T h i g h , 则立即结束寻优,并将当前时刻充气量设定为最佳 值A I R S E T o p t i m a l A I R S E T l a s t ; 图4 充气回收因子p 寻优逻辑图 F i g .4 I n f l a t a b l er e c o v e r yf a c t o rJ 9o p t i m i z a t i o n l o g i cd i a g r a m 6 在负向遍历执行过程中,若当前充气量设定 值超过了充气量设定值范围[ A I R S E T l o w , A I RS E Th i g hI ,即A I RS E T A I RS E Tl o w ,则 立即结束寻优,并将当前时刻充气量设定为最佳 值A I RS E To p t i m a l A I RS E Tl a s t 。 这样就通过对充气量进行遍历操作,实现在当 前规定充气量范围内寻找最大回收因子口以及所对 应的充气量设定值。 2 .3 手机A P P 在线监控技术开发 随着全球物联网、新一代移动宽带网络、云计算 等信息技术迅速发展和深人应用,“智慧矿山”理念 在世界范围内悄然兴起。浮选机过程数据云服务平 台是现代信息技术的集成应用[ 5 ] ,通过手机采集、无 线网络、多传感器在线检测设备实时感知超大型浮 选机运行状态。这样远程手机A P P 端通过登录用 户名和密码就可以快捷访问到浮选机运转参数,判 断设备是否存在故障并作出科学决策。 浮选机A P P 监控系统主要由P L C 互联云平 台、工业物联网智能网关、现场P I 。C 及控制系统构 成。智能网关实现连接多型号P I 。C 进行远程组态 编程及监控,以下为系统架构的四个层次 1 传感层传感层位于生产现场,该平台包括智 能网关,该网关与现场可编程控制器或智能仪表连 接。可编程控制器将现场设备流量计、阀门、液位 计、沉槽检测传感器等信息采集上来并完成逻辑处 理,智能网关从可编程控制器取出实时工艺数据,然 后通过3 G /4 G /W I F l /W A N 等多种网络传输方式向 数据层传输。 2 数据层在服务器端首先由数据采集软件与 传感层对接,将数据通过内部的接口协议汇总到实 时数据库完成实时数据的存储、处理并对上层应用 提供数据访问服务接口。实时数据库是数据层的核 心,系统一切显示、分析、调度都是建立在数据库中 的大量数据的基础上的。 3 业务逻辑及访问服务层实时数据库中虽然 已经保存了全部实时、历史数据,但用户真正需要的 是直观的分析展示结果,因此业务逻辑及访问服务 层主要是根据用户的实际需求,为用户实现实时工 艺流程显示,报表、报警、趋势等功能,以及包括并能 够提供跨平台发布,支持各类移动终端。此层采用 支持H T M L 5 技术的组态软件来实现。 4 数据展示层数据展示层即手机A P P 客户端 万方数据 2 0 1 9 年第4 期武涛等超大型浮选机智能控制系统设计与开发 8 5 或通过I E 浏览器方式查看。采用图形化组态方式 开发软件页面,便于快速开发部署,可方便发布成 H T M L 5 页面,实现跨平台的使用。 3应用情况 3 .1 充气速率自动测量装置应用效果 在超大型浮选机上安装了6 个充气测量装置, 如图5 所示。当触发充气速率自动测量时候,仅需 点击触摸屏充气速率检测界面中的“启动”按钮,装 置内就会自动进行排水取气过程,经过2r a i n 后测 量结果会自动显示在屏幕上。通过人工排水取气法 进行校验,得出自动测量误差控制在2 %以内,说明 该装置较好达到了充气速率自动测试要求。 图5 充气测量装置 F i g .5 I n f l a t a b l em e a s u r i n gd e v i c e 3 .2 基于充气回收因子口的浮选机优化控制方案 应用效果 为了考察浮选机优化控制模型对选矿指标的影 响,在超大型浮选机开展了两周试验对比工作,第一 周首先将优化功能关闭,采用常规人工设定浮选机 充气量方法;第二周采用基于充气回收因子p 的浮 选机优化方式,浮选机充气量设定值根据口寻优结 果实现自动给定,然后通过计算该浮选机在第一周 和第二周给矿品位、精矿品位以及矿物回收率这三 个均值,比较分析优化控制系统有效性。 经过工业试验对比发现该浮选机投入优化控 制后,原矿品位和精矿品位与常规人工操作指标接 近,但矿物回收率得到了有效提升。说明基于充气 回收因子B 的浮‘选机优化控制方法不仅达到了较好 矿物回收效果,而且极大降低了操作工的劳动强度, 为企业降本增效提供了重要解决方案。 3 .3 手机A P P 在线监控技术应用效果 图6 为手机A P P 端浮选机运行界面,从图6 中可 以方便查找到设备运行相关参数,如主电机绕组温度、 电流、轴承温度、减速机油压、油温、沉槽状态等参数;另 外与工艺相关参数也可以实时显示并在云端存储,如泡 沫层厚度、充气量大小以及泡沫流速和颜色等参数,以 上数据会以3 秒钟间隔在界面上自动更新。这样远程 人员通过手机A P P 端登录用户名和密码就可以访问到 设备各项参数,判断设备是否存在异常并作出科学决 策,最终实现超大型浮选机“物联网”功能。 设备可视化 K Y F .6 8 0 浮选机 图6 超大型浮选机A P P 端界面 F i g .6S u p e rl a r g ef l o t a t i o nm a c h i n eA P P i n t e r f a c e 切换项目 囊津■- 越- ● 穿裟赞 井R1 4 1 躺1 4 6 一 井B ’勰’ 蘩鍪1 4 内e U O M I r 投 镶鼗嚣3 3 2 2 , “2 % 器蔷器o .2 菱 充气建事蔫■就面 0 .9 m Ⅵ一∞f n 投 ● ‰裕黜数l 1 .1 m 啦m 4 m i 吣投 ● 0 .9 m ‰虬m i n 】擐入● 0 .8 m Ⅵ一m 呻拽 ● 1 m ’/ m 2 m l 曲 万方数据 8 6 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第4 期 4结论 本文设计开发的浮选机智能控制系统,可以实 现超大型浮选机无人值守模式下的全自动操作功 能。该系统不仅极大提升了北京矿冶科技集团浮选 设备自动化和智能化水平,而且将现场岗位工从繁 重的操作维护劳动当中解放出来,满足了江铜泗州 选矿厂“提质降本增效”的迫切要求,有利于促进我 国浮选装备技术水平进步,助力“智能制造”国家战 略发展。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌.浮选机理论与技术[ M ] .北京冶金工业出版 社,2 0 12 . 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