CN101941602B - 自动给料控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动给料控制方法，该方法通过确定放大系数函数、获取目标流量函数以及对目标流量函数进行预估处理，实现了对每个漏斗的目标振动频率的确定，从而能够更加准确的实现目标装船流量，并能够对各个漏斗的物料流量进行单独的调整，在保障了整个装船过程的安全性的同时，使装船(堆料)过程的完全自动化成为可能。

Description

自动给料控制方法

技术领域

本发明涉及自动给料控制领域，尤其涉及一种自动给料控制方法。

背景技术

在目前国内主要沿海煤炭港口(如黄骅港、秦皇岛港等)，翻车机是一种常用的大型专用煤炭卸车装船工具。在工作时，翻车机将装载有物料(如煤炭)的列车车厢夹紧并进行翻转，将车厢中的物料倾入多个漏斗中，物料经过漏斗和振动给料机倾泻到皮带传送装置上，并进一步进行输送，以便装船运输(或将煤炭堆到堆场上)。

通常，可以把漏斗和振动给料机的组合称为翻车机给料系统。根据装载规模的不同，翻车机的型号也有所不同，可以分为一次翻一节车厢的翻车机、一次翻两节车厢的翻车机等，翻车机每一次翻车所翻的车厢数目越多，翻车机给料系统中所需要的漏斗数目也要相应的增加。图1中示出了一种现有的供一次翻两节车厢的翻车机使用的给料系统以及皮带传送装置。如图1所示，该翻车机给料系统包括5个给料各个漏斗(1-5)，每个漏斗下方有一台振动给料机(参见图1中的振动给料机5’，其中每台振动给料机5’由两台凸轮电机(未示出)驱动)，通过振动给料机5’的振动将漏斗里的物料振动到皮带传送装置6上进行输送。通过5个漏斗同时给料，在皮带传送装置6上形成料流，皮带传送装置6出口的皮带秤7对料流进行动态称重，用来反馈料流的实际重量流量。

利用翻车机给料系统，可以通过在漏斗端对凸轮电机的振动频率(即漏斗的振动频率)进行调整来实现所需要的装船速度(重量流量)，从而使整个装船过程安全、稳定并且可控。但在使用现有的翻车机给料系统时，实际的调整过程并不够精确，往往需要人工地根据实际的装船重量来对漏斗的卸料速度进行实时调整，这样既耽误了装船进度，又浪费了人力资源。

现有的翻车机给料系统之所以不够精确，可以是由多种原因造成的。首先，通过改变漏斗的振动频率来调整装船速度时，振动频率与装船速度之间所对应的函数关系通常并不是现有系统中所采用的线性关系。其次，由于物料的种类很多，物料的含水量(由于天气或人工原因造成)等也不相同，不同批次的物料之间的比重差异可能会很大，这也会导致上述调整过程不够准确。另外，从图1可以看出，由于物料从漏斗传输到皮带秤需要经过很长的一段距离，这便产生了“纯滞后”现象，并且不同的漏斗之间的滞后情况会稍有差异，这些因素都会影响调整过程的准确性。因此，亟需一种能够准确对装船流量进行调整的翻车机给料控制方法，以便实现整个装载过程的完全自动化。

此外，在使用现有翻车机给料系统时，由于向各个漏斗中倒入的物料数量并不相同，比如由于车厢的位置原因，图1中的漏斗2和漏斗4中往往会倒入更多的物料，这种不一致性会导致严重的问题。一方面，当任何一个漏斗的物料满斗时，如果继续翻车，将导致漏斗物料溢出造成事故；另一方面，当任何一个漏斗空斗时，如果翻车，将导致流量出现峰值，对装船测量造成影响。这也是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有的方法中对翻车机给料时存在的装船流量测定不准确的问题，本发明提出了一种自动给料控制方法。

本发明提供了一种自动给料控制方法，其中使用至少一个漏斗进行给料，该方法包括：a)确定放大系数函数K(f)，其中f为漏斗的振动频率；b)获取目标流量函数G(t)，其中t为时间；c)对目标流量函数G(t)进行预估处理，得到预估目标流量函数G’(t)；d)根据所述至少一个漏斗中的每一个漏斗的当前振动频率，利用所述放大系数函数K(f)和所述预估目标流量函数G’(t)来确定所述每一个漏斗在之后的任意时刻t的振动频率。

在本发明提供的自动给料控制方法中，通过计算放大系数函数并进行预估处理，能够更加准确的通过改变漏斗的振动频率来实现目标装船流量，并能够根据各个漏斗的物料位置对其物料流量进行单独的调整，从而在保障了整个装船过程的安全性的同时，使装船过程的完全自动化成为可能。

附图说明

图1中示出了一种供一次翻两节车厢的翻车机使用的给料系统以及皮带传送装置；

图2是根据本发明的实施方式的自动给料控制方法的流程图。

具体实施方式

图2是根据本发明的实施方式的自动给料控制方法的流程图。

在步骤210中，首先确定放大系数函数K(f)。

K(f)满足g(f)＝K(f)·f，其中f为漏斗的振动频率，g(f)是振动频率为f的漏斗中供给的物料流量，对于不同的振动频率f，从漏斗中供给的物料流量也会不同，放大系数函数K(f)表示物料流量与振动频率之间的关系，并且由于这种关系是非线性的，使得K(f)是频率f的函数。

在本发明的一种实施方式中，可以按下列方法来确定放大系数K(f)：

首先，采集一组漏斗振动频率数据以及与所述一组振动频率数据相对应的一组物料流量数据。

这里的物料流量数据指的是单个漏斗所对应的物料流量数据，但在具体地采样过程中，可以用一个漏斗或多个漏斗进行上述工作。由于在随后的步骤中所使用的皮带秤的误差绝对值是一定的，因此使用的漏斗越多，每个漏斗所分担的误差就越小，测量过程也就越准确，从而，优选的采用多个漏斗进行数据采集工作(考虑到给料增加时对皮带传送装置的压力，该过程使用的漏斗数量也不宜过多)。在图1所示的系统中，可以选择三个漏斗(比如漏斗2-4)来进行数据采集，将三个漏斗的初始频率设定为相同的较低值，然后每过一定的时间周期(比如1秒)将频率增加一预定值(比如2赫兹)，直到经过若干个时间周期后，将三个漏斗的频率增加到预定最大频率(比如50赫兹)，这样便得到了一组与时间对应的漏斗振动频率数据。在皮带秤7上，可以对不同频率所对应的物料流量进行采集，考虑到皮带传送装置6的时延，相对应的频率数据与物料流量数据之间应该存在一个固定的时间差，该时间差是由系统结构决定的。需要注意的是，这种情况下所采集的物料流量是对应于三个漏斗的物料流量，因此还需将所述物料流量除以三，得到单个漏斗的物料流量。

接下来，再根据这一组对应于单个漏斗的物料流量数据和所述一组振动频率数据，得到一组与所述该组振动频率数据相对应的放大系数数据，该步骤可以利用公式g(f)＝K(f)·f来实现。

最后，再对所述一组放大系数数据和所述一组振动频率数据进行拟合，得到放大系数函数K(f)。拟合的过程可以采用数据分析领域的各种适用手段进行，比如线性拟合，曲线拟合等等。在本发明的一种实施方式中，将所采集的放大系数数据和振动频率数据分成多个区段，对每个区段中的放大系数数据和振动频率数据进行线性拟合。更为优选的，可以在每个区段内，认为放大系数函数K(f)为常函数，比如可以令该区段内各个频率的放大系数都为区段的中间频率所对应的放大系数。

在步骤220中，获取目标流量函数G(t)。

目标流量指的是所期望的装船流量，可以认为在皮带秤上称得的物料流量就是所述装船流量。随着装船进度的不同，或由于装船速度需求的变化，很可能需要不断的改变所述目标流量，这样便可得到目标流量函数G(t)(即所期望的装船流量对于时间的函数)，其中G(t)在任意时刻t的取值，就是该时刻t时的目标流量。

在步骤230中，对目标流量函数G(t)进行预估处理，得到预估目标流量函数G’(t)。

本发明中所要考虑的过程属于纯滞后过程。具体来讲，纯滞后指的是当控制作用产生后，在滞后时间τ范围内，被控参数完全没有响应。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。在本系统中，控制量是在漏斗端通过改变振动频率来设定流量，被控量是皮带秤反馈的皮带流量，从设定流量到反馈的流量要经过变频器、振动给料电机、皮带传送装置再到皮带秤，故皮带秤所反馈的实际流量其实是延迟时间以前的设定流量。通常，过程的纯滞后时间τ与其动态时间常数T之比大于0.3时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程了。图1所示的系统一般来讲属于超大纯滞后工艺过程。

本发明的实施方式中，可以使用过程控制领域的各种适用的滞后过程处理方法(比如Smith预估器)来进行预估处理。

在本发明的一种实施方式中，G’(t)＝G(t+τ)，其中τ为滞后时间。

对于一般的静态纯滞后系统，经过拉普拉斯变换，开环传递函数如下表示：

$G\left(s\right)=G_0\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}=\frac{K_0{e}^{-\mathrm{\τS}}}{T_0+1}$

其中G₀(s)为不包括纯滞后时间τ的对象模型，τ为纯滞后时间，K₀为系统放大倍数，T₀为动态时间常数。

在本发明的实施方式中，由于系统的放大倍数K₀是根据输入采样而动态变化的，所以程序会根据漏斗的实际振动频率f来使用动态变化的K(f)作为放大倍数，从而使系统的开环传递函数呈现动态性。

在步骤240中，确定所述至少一个漏斗中的每一个漏斗的振动频率。其中，根据所述每一个漏斗的当前振动频率，利用所述放大系数函数K(f)和所述预估目标流量函数G’(t)来确定所述每一个漏斗在之后的任意时刻t的振动频率。

以图1为例，令图1中所示的五个漏斗的当前振动频率分别为f₁₀-f₅₀，当所述放大系数函数为K(f)时，可以得到这五个漏斗的当前物料流量分别为g₁₀-g₅₀，其中g_i0＝K(f_i0)·f_i0，i＝1，2，...，5，从而，这五个漏斗的物料流量之和为G₀＝∑g_i0，i＝1，2，...，5。

对于在当前时刻之后的任意时刻t₁，预估目标流量为G’(t₁)，当物料流量从G₀变化为G’(t₁)时，漏斗的振动频率发生改变(这里，G’(t₁)-G₀不一定为正值，当G’(t₁)-G₀大于零时，应该使漏斗的流量增加，当G’(t₁)-G₀小于零时，应该使漏斗的流量减少)。可以理解的是，不需要使这五个漏斗中的全部漏斗的频率都发生改变，只要有一个漏斗的频率发生改变，使得该漏斗的流量变化等于G’(t₁)-G₀即可达到目的。但是，考虑到物料流量的均匀性，应该对这五个漏斗进行整体的控制，从而尽量的避免部分漏斗出现满斗或空斗的现象。

在本发明的一种实施方式中，对所有漏斗的振动频率进行一致的控制。虽然各个漏斗的当前振动频率并不一定相同，其各自的输出流量也不一定相同，但可以控制各个漏斗的流量变化比率是相同的。在图1中，可以将五个漏斗的流量分别从各自的当前流量变化为g_i0·G’(t₁)/G₀，i＝1，2，...，5，这样变化后的流量之和为：∑g_i0·G’(t₁)/G₀＝G’(t₁)，实现了在t₁时刻所期望的预估目标流量G’(t₁)。并且可以从下式中得到五个漏斗的每一个漏斗在之后的任意时刻t₁的振动频率f_i0’：f_i0’·K(f_i0’)＝g_i0·G’(t₁)/G₀，i＝1，2，...，5。

在步骤250中，检测是否存在更新的目标流量函数。

如果存在更新的目标流量函数，则再次进入到步骤220，并重复步骤220-240。

这时在步骤220中所获得的目标流量函数，便是所述更新的目标流量函数。可以周期性地检测是否存在更新的目标流量函数，也可以根据输入指示来检测是否存在更新的目标流量函数。

如果不存在更新的目标流量函数，则进入步骤260，在步骤260中，对每个漏斗的物料位置参数进行检测。

在本发明的一种实施方式中，可以在漏斗中设置物位检测装置，对物料表层到漏斗底部的距离进行检测。如果漏斗的上下截面是等大的(比如圆柱形或长方体)，则可以将检测到的距离作为将要使用的物料位置参数。如果漏斗的上下截面并不是相同大小的(如图1中所示，漏斗实际上是倒置的圆台)则应当利用所测得的物料表层到漏斗底部的距离对漏斗中剩余的物料体积进行计算，并将计算得到的体积作为所述物料位置参数。

在步骤270中，利用所述放大系数函数K(f)，根据每个漏斗的当前振动频率得到每个漏斗的当前物料流量g，其中利用公式g(f)＝K(f)·f。

在步骤280中，按照下式对每个漏斗的物料流量进行改变：

$\mathrm{\Δ}{g}_i=\frac{B_i-\stackrel{\‾}{B}}{\stackrel{\‾}{B}}\·\stackrel{\‾}{g},$

其中g_i是所述多个漏斗中的第i个漏斗的物料流量，B_i是所述多个漏斗中的第i个漏斗的物料位置参数，Δg_i是所述多个漏斗中的第i个漏斗的物料流量的改变量，

和

分别代表所述多个漏斗的物料流量和物料位置参数的平均值。假设共存在N个漏斗(例如，在图1中，N等于5)，变化之前各个漏斗的物料流量是g_i(i＝1，2，...，N)，流量之和是

经过变化，各个漏斗的物料流量变为g_i′＝g_i+Δg_i，根据下式，再次计算它们的流量之和：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g_i}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(g_i+\mathrm{\Δ}{g}_i)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(g_i+\frac{B_i-\stackrel{\‾}{B}}{\stackrel{\‾}{B}}\·\stackrel{\‾}{g})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i+\frac{\stackrel{\‾}{g}}{\stackrel{\‾}{B}}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i-N\·\stackrel{\‾}{g}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i,$

其中利用了 $\stackrel{\‾}{B}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i$ 和 $\stackrel{\‾}{g}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i.$

从而可知，按照这种方法对各个漏斗的流量进行改变之后，各个漏斗的流量之和并没有发生变化。并且对于物料流量大于平均物料流量的漏斗，其物料位置参数越大(对应于漏斗中的物料余量越大)，其物料流量的增加量就越多，而对于物料流量小于平均物料流量的漏斗，其物料位置参数越小(对应于漏斗中的物料余量越小)，其物料流量的减少量就越多，从而该方法能够非常合理有效的避免某个漏斗出现空斗或满斗的现象。

在本发明的一种实施方式中，可以周期性地对每个漏斗的物料流量进行改变。其中所述周期可以是1～5分钟。

在本发明的另一种实施方式中，当检测到的所述多个漏斗中的各个漏斗的物料位置参数最大值和最小值之差超过预定值时才对每个漏斗的物料流量进行改变。其中所述预定值为1000～3000毫米。

在步骤290中，利用所述放大系数函数K(f)，根据每个漏斗的改变后的物料流量g′得到每个漏斗的改变后的振动频率，其中仍然利用公式g(f)＝K(f)·f。

在本发明的一种实施方式中，在进行完步骤290之后，继续回到步骤250。

在图2的流程图中，首先进入到步骤250对是否存在更新的目标流量进行检测并在存在更新的目标流量时对每个漏斗的流量进行整体修正，然后才去根据每个漏斗内的物料位置在步骤260-290中对各个漏斗的流量分别进行个体修正。在本发明的其它实施方式中，整体修正和个体修正并不受到上述顺序的限制，这时两个互相独立的修正过程，可以分别单独实现，也可以按照任何顺序先后进行实现。

在本发明提供的自动给料控制方法中，通过计算放大系数函数并进行预估处理，能够更加准确的通过改变漏斗的振动频率来实现目标装船流量，并能够根据各个漏斗的物料位置对其物料流量进行单独的调整，从而在保障了整个装船过程的安全性的同时，使装船过程的完全自动化成为可能。

Claims (16)

1.一种自动给料控制方法，其中使用至少一个漏斗进行给料，该方法包括：

a）按照下列步骤确定放大系数函数K(f)，其中f为漏斗的振动频率；

采集一组振动频率数据以及与所述一组振动频率数据相对应的一组物料流量数据；

由所述一组物料流量数据中的每一个物料流量数据分别除以所述一组振动频率数据中与该物料流量数据相对应的振动频率数据得到一组与所述一组振动频率数据相对应的放大系数数据，对所述一组放大系数数据和所述一组振动频率数据进行拟合，得到放大系数函数K(f)；

b）获取目标流量函数G(t)，其中t为时间；

c）对目标流量函数G(t)进行预估处理，得到预估目标流量函数G’(t)；

d）通过下列公式来确定所述每一个漏斗在之后的任意时刻t的振动频率：

f_i0’·K(f_i0’)=g_i0·G’(t)/G₀，

其中g_i0=K(f_i0)·f_i0，G₀=Σg_i0，在以上的公式中，f_i0’是所述至少一个漏斗中的第i个漏斗的目标振动频率，f_i0是所述至少一个漏斗中的第i个漏斗的当前振动频率，K(f_i0’)是放大系数函数在目标振动频率f_i0’处的取值，K(f_i0)是放大系数函数在当前振动频率f_i0处的取值，g_i0是所述至少一个漏斗中的第i个漏斗的当前物料流量，G₀是所述至少一个漏斗的当前物料流量之和。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述物料流量数据是对应于单个漏斗的物料流量数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使用多个漏斗来采集所述物料流量数据，其中使用所述多个漏斗的物料流量之和除以所使用的多个漏斗的数目得到单个漏斗的物料流量数据。

4.根据权利要求1所述的方法，所述一组振动频率数据和与其相对应的一组物料流量数据之间存在时间延迟。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其中将所述一组放大系数数据顺序地分成多个区段，并对每个区段中的放大系数数据和相对应的振动频率数据进行线性拟合。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其中对于每个区段，线性拟合得到的放大系数函数K(f)为常函数。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述预估处理是使用Smith预估器进行的。

8.根据权利要求1所述的控制方法，该控制方法还包括：

e）检测是否存在更新的目标流量函数。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其中如果在步骤e）中检测到存在更新的目标流量函数，则返回步骤b）。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其中周期性地检测是否存在更新的目标流量函数。

11.根据权利要求8所述的控制方法，其中根据输入指示来检测是否存在更新的目标流量函数。

12.根据权利要求1或8所述的控制方法，该控制方法还包括：

f）对每个漏斗内的物料位置参数进行检测；

g）利用所述放大系数函数K(f)，根据每个漏斗的当前振动频率得到每个漏斗的当前物料流量

h）按照下式对每个漏斗的物料流量进行改变：

${\mathrm{\Δg}}_i=\frac{B_i-\stackrel{\‾}{B}}{\stackrel{\‾}{B}}\·\stackrel{\‾}{g},$

其中g_i是所述多个漏斗中的第i个漏斗的物料流量，B_i是所述多个漏斗中的第i个漏斗的物料位置参数，Δg_i是所述多个漏斗中的第i个漏斗的物料流量的改变量，

和

分别代表所述多个漏斗的物料流量和物料位置参数的平均值；

i）利用所述放大系数函数K(f)，根据每个漏斗的改变后的物料流量得到每个漏斗的改变后的振动频率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中周期性地对每个漏斗的物料流量进行改变。

14.根据权利要求12所述的方法，其中当检测到的所述多个漏斗中的各个漏斗的物料位置参数最大值和最小值之差超过预定值时才对每个漏斗的物料流量进行改变。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述物料位置参数是物料的上表面到漏斗底面的距离。

16.根据权利要求12所述的方法，其中所述物料位置参数是漏斗中剩余物料的体积。

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