CN101963814B - 一种缓冲槽的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种缓冲槽的协调控制方法，其包括以下步骤：1)设置一协调控制系统；2)对工业控制计算机进行初始化设置；3)启动驱动电机，离心泵工作，缓冲槽不断通过入口管道输入料浆，同时通过出口管道输出料浆；4)数据采集设备每隔一个采样周期采集一次液位检测设备和转速检测设备的检测值，并将得到的液位检测值h和此时对应的离心泵转速，传送给工业控制计算机；5)工业控制计算机根据步骤2)～4)中的设置及得到的参数和数据，通过工作状态判定模块、恒速控制模块和PI控制模块对缓冲槽进行协调控制；6)重复步骤4)和步骤5)，直至系统停止工作。本发明构思巧妙，精确实用，可以广泛用于实际生产的协调控制过程中。

Description

一种缓冲槽的协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别是关于一种选矿过程缓冲槽的协调控制方法。

背景技术

单容水槽是工业上广泛应用的设备，根据实际生产应用需求的不同，单容水槽通常有两种结构：一种是在单容水槽的输出口装配调节阀，这种水槽的输出流量与液位高度有关，当液位稳定时，输出流量才能稳定，因而通常需要控制水槽的液位保持恒定；另外一种是在单容水槽的输出口装配离心泵，这种水槽的输出流量与液位高度无关，是由离心泵转速决定的。

这种输出口装配有离心泵的单容水槽通常被用作缓冲装置，因此也被称为缓冲槽，其作用是缓解上游来料的扰动，为下游创造更稳定的工作条件。这种缓冲槽一般通过控制离心泵的转速，来控制输出流量，使输出流量保持恒定。但是由于缓冲槽体积有限，如果对其液位不加控制，会造成缓冲槽溢流损失或离心泵的气蚀事故，因此，为了使缓冲槽安全工作，通常采用保持液位恒定的控制方案，但是这种方案会使缓冲槽丧失对入口流量扰动的抑制作用。

近年来针对缓冲槽的控制问题，很多研究者采用预测及优化控制等先进控制方案，这类方案的基本思路是将缓冲槽控制问题转化为带有约束条件的优化问题，通过求解优化问题得到合适的控制策略。例如一些研究者利用滚动优化，求出每一个采样时刻最佳的控制律。但在实际操作时，这种滚动优化过于复杂，工业现场应用与调试都不方便，而且采用这种方案会使得离心泵转速不断调整，很多可以通过缓冲槽自身抑制的波动，也需要调节离心泵转速来稳定，这对于缓冲槽出口流量的稳定以及下游生产环节都是不利的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可充分利用缓冲槽的缓冲能力，在保持缓冲槽液位安全的同时，最大限度地减少离心泵转速改变次数，稳定出口端流量的缓冲槽的协调控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种缓冲槽的协调控制方法，其包括以下步骤：1)设置一协调控制系统，其包括一设置有液位检测设备的缓冲槽，缓冲槽的入口连接一入口管道，出口连接一离心泵，离心泵连接一驱动电机，驱动电机连接一工业控制计算机，离心泵上还设置有一出口管道和一转速检测设备；转速检测设备和液位检测设备通过同一数据采集设备连接所述工业控制计算机，工业控制计算机内预置有工作状态判定模块、恒速控制模块和PI控制模块；2)对工业控制计算机进行初始化设置：①输入缓冲槽高度值的一半h_middle；将缓冲槽内部的液位划分为中线区域、安全区域和警戒区域三个区域，设置中线区域范围值为e_middle，安全区域范围值为e_safe；设检测过程中得到的液位检测值为h，液位检测值h与h_middle的差值为e；当|e|≤e_safe时，液位处于安全区域，当|e|≤e_middle时，液位处于中线区域，且中线区域位于安全区域内；当|e|＞e_safe时，液位处于警戒区域；②设置一计时器timer和停止时间T，在PI控制模块中的PI控制器作用下，当液位第一次进入中线区域时，启动计时器，直到计时器计时终止，即timer≥T，此时认为液位已经稳定在中线区域，停止PI控制器的调节，计时器清零；③输入缓冲槽入口流量改变的最大值F；④设置一个协调控制策略的标志位flag，用于辅助判断缓冲槽是否结束调整；当flag＝0时，表示缓冲槽液位调整结束；当flag＝1时，表示缓冲槽处于液位调整过程中；该标志位flag的初值设置为0；3)启动驱动电机，离心泵工作，缓冲槽不断通过入口管道输入料浆，同时通过出口管道输出料浆；4)液位检测设备实时检测缓冲槽内的液位，转速检测设备实时检测离心泵的转速；数据采集设备每隔一个采样周期采集一次液位检测设备和转速检测设备的检测值，并将得到的液位检测值h和离心泵转速，传送给工业控制计算机；5)工业控制计算机对缓冲槽进行协调控制；①在工作状态判定模块中，判断标志位flag是否为0；如果标志位flag为0，判断液位是否在安全区域，当|e|≤e_safe，即位于安全区域时，则进入恒速控制模块，保持标志位flag为0；当|e|＞e_safe，即位于警戒区域时，则进入PI控制模块，将标志位flag置于1；如果标志位flag为1，判断液位是否在中线区域，当|e|＞e_middle，即位于中线区域之外时，进入PI控制模块，保持标志位flag为1；当|e|≤e_middle，即液位处于中线区域，启动计时器timer，然后判断计时器计时是否结束：如果计时器计时没有结束，即timer＜T，进入PI控制模块，将标志位flag置1；如果计时器计时结束，即timer≥T，进入恒速控制模块，标志位flag置0；②在恒速控制模块中，当前离心泵的转速设定值与前一工作周期的转速设定值一致，恒速控制模块将当前转速设定值的控制信息传送至驱动电机处执行；③在PI控制模块中，计算e＝h-h_middle，并根据：

$K_p\left(e\right)=\frac{0.74F}{h_{\mathrm{middle}}}\exp \left(\frac{\left|e\right|}{h_{\mathrm{middle}}}\right)---\left(1\right)$

$K_i\left(e\right)=\frac{K_p^2\left(e\right)}{4A}---\left(2\right)$

计算PI控制器的参数K_p和K_i；其中，A为缓冲槽底面积；

根据式(1)和式(2)计算得到PI控制器的输出转速u_PI：

$u_{\mathrm{PI}}\left(t\right)=K_p\left(e\right)e+K_i\left(e\right){\∫}_0^t\mathrm{edt}---\left(3\right)$

PI控制模块将输出转速u_PI传送至驱动电机处执行；6)重复步骤4)和步骤5)，直至系统停止工作。

所述步骤2)中，e_middle的取值范围为0.05m～0.3m。

所述步骤2)中，e_safe为所述缓冲槽高度的三分之一。

所述步骤2)中，缓冲槽入口流量改变最大值F通过统计工业现场缓冲槽的入口流量数据得到。

所述步骤2)中，缓冲槽入口流量改变最大值F通过所述缓冲槽的入口流量均值的20％估计得到。

所述步骤2)中，停止时间T的取值范围为100s～200s。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过设置液位检测设备和转速检测设备，可以实时将缓冲槽内的液位和离心泵的转速信息通过数据采集设备传送给工业监控计算机，以便为后续进行协调控制做准备。2、本发明的工业监控计算机内预置有工作状态判定模块、恒速控制模块和PI控制模块，通过上述模块的相互配合完成协调控制，因此，当上游流量均值稳定时，相当长时间内可以不用调节出口流量，仅需要通过缓冲槽自身消化上游波动，大大增强了下游环节工作的稳定性；当上游流量均值发生改变时，可以通过PI控制模块自动调整到新的工作点，不会影响生产安全，经调整后，液位仍然稳定在缓冲槽中间区域。3、本发明的协调控制系统仅需要在缓冲槽输出端设置离心泵和配套驱动电机，以及液位检测设备、转速检测设备、数据采集设备和工业监控计算机即可实现协调控制，因此结构简单，易于现场实施，可靠性强。本发明构思巧妙，精确实用，可以广泛用于实际生产的协调控制过程中。

附图说明

图1是本发明控制系统结构示意图

图2是本发明控制模块结构示意图

图3是本发明算法流程示意图

图4是本发明具体实施例中缓冲槽液位随时间变化曲线示意图

图5是本发明具体实施例中离心泵流量随时间变化曲线示意图

图6是本发明具体实施例中缓冲槽液位和离心泵流量随时间变化曲线示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明方法包括以下步骤：

1)如图1所示，设置一协调控制系统，该系统包括一缓冲槽1，缓冲槽1内部设置有一液位检测设备2，缓冲槽1的输入端设置有一入口管道3，输出端设置一离心泵4，离心泵4上配套设置有一驱动电机5，离心泵4上还设置有一出口管道6和一转速检测设备7；转速检测设备7和液位检测设备2的输出端分别连接同一数据采集设备8，数据采集设备8的输出端连接一带有显示屏的工业控制计算机9；工业控制计算机9的输出端连接驱动电机5。如图2所示，工业控制计算机9内预置有一工作状态判定模块91，一恒速控制模块92和一PI(比例积分)控制模块93。

2)将缓冲槽1内部的液位划分为三个区域：“中线区域”、“安全区域”和“警戒区域”。当液位在中线区域内时，认为液位已经回到缓冲槽1的中间位置；当液位在安全区域内时，液位安全而且有很大的缓冲余量；当液位在警戒区域时，虽然安全，但是很容易发生事故，需要立即处理。

3)对工业控制计算机9进行初始化设置：

①将缓冲槽1高度值的一半h_middle输入给工业控制计算机9；

②根据现场工艺情况，设置中线区域范围值为e_middle，e_middle的取值范围一般为0.05m～0.3m，但不限于此；设置安全区域范围值为e_safe，e_safe一般为缓冲槽1高度的三分之一，或者根据实际需要调整设置；将确定后的e_middle和e_safe值输入给工业控制计算机9。

③设检测过程中得到的液位检测值为h，液位检测值h与h_middle的差值为e，即e＝h-h_middle；当|e|≤e_middle时，认为液位处于中线区域；当|e|≤e_safe时，认为液位处于安全区域，安全区域包括中线区域；当|e|＞e_safe时，认为液位处于警戒区域。

④设置一计时器timer，并依据现场工艺情况设置停止时间T；停止时间T的意义在于判断液位是否稳定在中线区域：在PI控制模块中的PI控制器作用下，当液位第一次进入中线区域时，启动计时器，直到计时器计时终止，即timer≥T，此时认为液位已经稳定在中线区域，可以停止PI控制器的调节，停止时间T通常设置为100s～200s，但不限于此；当timer≥T时，计时器停止计时并清零。

⑤设置一个协调控制策略所需的标志位flag，用于辅助判断缓冲槽1是否结束调整；当flag＝0时，表明缓冲槽1的液位调整结束；当flag＝1时，表明缓冲槽1处于液位调整过程中。该标志位flag的初值设置为0。

⑥将缓冲槽1的入口流量改变最大值F输入给工业控制计算机9。其中，缓冲槽1的入口流量改变最大值F，可以通过统计工业现场缓冲槽1的入口流量数据得到，也可以通过缓冲槽1的入口流量均值的20％来估计得到。

4)启动驱动电机5，离心泵4工作，缓冲槽1不断通过入口管道3输入料浆，同时通过离心泵4上设置的出口管道6输出料浆。

5)液位检测设备2实时检测缓冲槽1内的液位，转速检测设备7实时检测离心泵4的转速；数据采集设备8每隔一个采样周期采集一次液位检测设备2和转速检测设备7的检测值，并将得到的液位检测值h和此时对应的离心泵转速，传送给工业控制计算机9。

6)如图3所示，工业控制计算机9根据步骤3)～5)中的设置及得到的参数和数据，对缓冲槽1进行协调控制，具体步骤为：

①首先在工作状态判定模块91中，判断标志位flag是否等于0；

如果标志位flag等于0，那么根据液位检测值h，判断液位是否在安全区域，即对e＝h-h_middle进行判断，当|e|≤e_safe，即液位处于安全区域，则进入恒速控制模块92，保持标志位flag等于0，离心泵1的转速设定值不改变；当|e|＞e_safe，即液位没有处于安全区域，进入警戒区域时，进入PI控制模块93，将标志位flag置于1；

如果标志位flag等于1，判断液位是否在中线区域，即对e＝h-h_middle进行判断，当|e|＞e_middle，即液位没有处于中线区域，则进入PI控制模块93，保持标志位flag等于1；当|e|≤e_middle，即液位处于中线区域，启动计时器timer，然后判断计时器计时是否结束：如果计时器计时没有结束，即timer＜T，进入PI控制模块93，保持标志位flag等于1；如果计时器计时结束，即timer≥T，进入恒速控制模块92，将标志位flag置于0。

②如果进入恒速控制模块92，则当前离心泵1的转速设定值与前一工作周期的离心泵1的转速设定值一致，不发生改变，恒速控制模块92将当前离心泵1的转速设定值控制信息传送至离心泵4的驱动电机5处执行，将标志位flag等于0反馈至工业监控计算机。

如果进入PI控制模块93，计算e＝h-h_middle，并根据：

$K_p\left(e\right)=\frac{0.74F}{h_{\mathrm{middle}}}\exp \left(\frac{\left|e\right|}{h_{\mathrm{middle}}}\right)---\left(1\right)$

$K_i\left(e\right)=\frac{K_p^2\left(e\right)}{4A}---\left(2\right)$

计算PI控制模块93中PI控制器的参数K_p和K_i；其中，A为缓冲槽底面积；

根据式(1)和式(2)计算得到PI控制器的输出转速为u_PI：

$u_{\mathrm{PI}}\left(t\right)=K_p\left(e\right)e+K_i\left(e\right){\∫}_0^t\mathrm{edt}---\left(3\right)$

PI控制模块93将输出转速u_PI传送至离心泵4的驱动电机5处执行，将标志位flag等于1反馈至工业监控计算机。

7)重复步骤5)和步骤6)，直至系统停止工作。

上述实施例中，恒速控制模块92与PI控制模块93在一个工作周期中有且只有一个模块在工作，输出为离心泵4的转速设定值和标志位flag，离心泵4的转速设定值传送至离心泵4的驱动电机5处执行，标志位flag反馈至工业控制计算机9。

下面列举一具体实施例：

选择选矿过程中砂泵池为示例。选矿生产作业过程中，矿石经破碎后进入球磨机研磨形成原矿矿浆，矿浆需进入砂泵池，然后由渣浆泵抽到水力旋流器进行进一步分离，最终进入浮选设备。砂泵池在磨矿过程中可以视为一缓冲槽，是承上启下的重要环节，需要尽量利用缓冲能力抑制入口流量的波动，保证出口流量稳定，为下游水力旋流器提供最佳工作条件。但是砂泵池容积有限，为了保证安全生产，砂泵池的液位要保持相对稳定。若矿浆液面过高，易造成矿浆溢流损失；若矿浆液面过低，空气易进入泵内，会造成气蚀。因而，与常见的液位控制系统不同，砂泵池作为缓冲槽，其控制目标是在保证安全生产的条件下，出口矿浆流量变化尽可能平缓。

砂泵池入口流量出现扰动的原因存在以下几种可能：

1)给矿设定值改变：在现场操作时，通常可以预知这种改变。

2)实际给矿量发生波动：由于料仓矿量不足或者矿水分太高凝结成块，导致给矿量不连续，发生突变，但是通常持续时间很短。从现场分析可知，通常持续10分钟，增幅与降幅最大为60％，随后，给矿量又回到设定值附近。

3)返砂量的改变：由于磨矿过程某个环节出现异常，导致返砂量增加，从而磨机负荷过大，出口矿量增加，返砂扰动在整个磨矿各个环节中传递。现场单独靠人工调节很难全面兼顾所有环节，经常会形成周期比较大的扰动。

下面将本发明应用于砂泵池控制系统，使砂泵池输出流量变化尽可能小，保持下游水力旋流器工作条件的稳定。仿真时，砂泵池底面半径r＝3m，泵池内原有矿浆液位高度为2m，根据砂泵池安全条件，其液位最大改变量为±1.5m，上游磨机出口流量生产均值为0.4m³/s。利用本发明步骤如下：

1)设置安全区域为1m～3m，中线区域为1.9m～2.1m，计时器停止时间设置为120s，即e_safe＝1，e_middle＝0.1，h_middle＝2，T＝120；

2)估计F＝0.05m³/s，根据公式(1)和公式(2)推算出

$K_p\left(e\right)=0.0185\exp \left(\frac{\left|e\right|}{2}\right)$

$K_i\left(e\right)=\frac{8.6\×{10}^{-5}\exp \left(\right|e\left|\right)}{A}$

3)将步骤1)和2)得到的参数设置到工业控制计算机内，设置初始标志位为0；

4)e＝h-2，其中，h为当前液位测量值，并根据方法流程，如图3所示，得到离心泵转速设定值，馈送至离心泵的驱动电机执行；

5)PI控制器输出为

$u_{\mathrm{PI}}\left(t\right)=0.0185\exp \left(\frac{\left|e\right|}{2}\right)e+\frac{8.6\×{10}^{-5}\×\exp \left(\right|e\left|\right)}{36\mathrm{\π}}{\∫}_0^t\mathrm{edt}$

设置入口流量为阶跃干扰，在第50秒时，入口流量从0.4m³/s增至0.45m³/s，图4是在这种条件下缓冲槽液位随时间的变化曲线，图5是相同条件下离心泵流量随时间的变化曲线；设置入口流量为均值0.4m³/s，幅值为0.04m³/s，周期100s的正弦干扰，图6是在这种条件下缓冲槽液位和离心泵流量随时间的变化曲线，从中可以看出本发明的两个特点：

1)如图4、图5所示，当工作点改变使得缓冲槽面临安全危险时，利用本发明可以迅速调节离心泵的泵速，找到新的工作点；

2)如图6所示，当上游来料均值稳定时，利用本发明无需调节离心泵的泵速，输出流量保持不变。

上述实施例说明了本发明能够充分利用缓冲槽的缓冲能力，使输出端离心泵的泵速较长时间内保持平稳，为下游环节提供了稳定的生产条件。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种缓冲槽的协调控制方法，其包括以下步骤：

1)设置一协调控制系统，其包括一设置有液位检测设备的缓冲槽，缓冲槽的入口连接一入口管道，出口连接一离心泵，离心泵连接一驱动电机，驱动电机连接一工业控制计算机，离心泵上还设置有一出口管道和一转速检测设备；转速检测设备和液位检测设备通过同一数据采集设备连接所述工业控制计算机，工业控制计算机内预置有工作状态判定模块、恒速控制模块和PI控制模块；

2)对工业控制计算机进行初始化设置：

①输入缓冲槽高度值的一半h_middle；将缓冲槽内部的液位划分为中线区域、安全区域和警戒区域三个区域，设置中线区域范围值为e_middle，安全区域范围值为e_safe；设检测过程中得到的液位检测值为h，液位检测值h与h_middle的差值为e；当|e|≤e_safe时，液位处于安全区域，当|e|≤e_middle时，液位处于中线区域，且中线区域位于安全区域内；当|e|＞e_safe时，液位处于警戒区域；

②设置一计时器timer和停止时间T，在PI控制模块中的PI控制器作用下，当液位第一次进入中线区域时，启动计时器，直到计时器计时终止，即timer≥T，此时认为液位已经稳定在中线区域，停止PI控制器的调节，计时器清零；

③输入缓冲槽入口流量改变的最大值F；

④设置一个协调控制策略的标志位flag，用于辅助判断缓冲槽是否结束调整；当flag＝0时，表示缓冲槽液位调整结束；当flag＝1时，表示缓冲槽处于液位调整过程中；该标志位flag的初值设置为0；

3)启动驱动电机，离心泵工作，缓冲槽不断通过入口管道输入料浆，同时通过出口管道输出料浆；

4)液位检测设备实时检测缓冲槽内的液位，转速检测设备实时检测离心泵的转速；数据采集设备每隔一个采样周期采集一次液位检测设备和转速检测设备的检测值，并将得到的液位检测值h和离心泵转速，传送给工业控制计算机；

5)工业控制计算机对缓冲槽进行协调控制；

①在工作状态判定模块中，判断标志位flag是否为0；

如果标志位flag为0，判断液位是否在安全区域，当|e|≤e_safe，即位于安全区域时，则进入恒速控制模块，保持标志位flag为0；当|e|＞e_safe，即位于警戒区域时，则进入PI控制模块，将标志位flag置于1；

如果标志位flag为1，判断液位是否在中线区域，当|e|＞e_middle，即位于中线区域之外时，进入PI控制模块，保持标志位flag为1；当|e|≤e_middle，即液位处于中线区域，启动计时器timer，然后判断计时器计时是否结束：如果计时器计时没有结束，即timer＜T，进入PI控制模块，将标志位flag置1；如果计时器计时结束，即timer≥T，进入恒速控制模块，标志位flag置0；

②在恒速控制模块中，当前离心泵的转速设定值与前一工作周期的转速设定值一致，恒速控制模块将当前转速设定值的控制信息传送至驱动电机处执行；

③在PI控制模块中，计算e＝h-h_middle，并根据：

$K_p\left(e\right)=\frac{0.74F}{h_{\mathrm{middle}}}\exp \left(\frac{\left|e\right|}{h_{\mathrm{middle}}}\right)---\left(1\right)$

$K_i\left(e\right)=\frac{K_p^2\left(e\right)}{4A}---\left(2\right)$

计算PI控制器的参数K_p和K_i；其中，A为缓冲槽底面积；

根据式(1)和式(2)计算得到PI控制器的输出转速u_PI：

$u_{\mathrm{PI}}\left(t\right)=K_p\left(e\right)e+K_i\left(e\right){\∫}_0^t\mathrm{edt}---\left(3\right)$

PI控制模块将输出转速u_PI传送至驱动电机处执行；

6)重复步骤4)和步骤5)，直至系统停止工作。

2.如权利要求1所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，e_middle的取值范围为0.05m～0.3m。

3.如权利要求1所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，e_safe为所述缓冲槽高度的三分之一。

4.如权利要求2所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，e_safe为所述缓冲槽高度的三分之一。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，缓冲槽入口流量改变最大值F通过统计工业现场缓冲槽的入口流量数据得到。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，缓冲槽入口流量改变最大值F通过所述缓冲槽的入口流量均值的20％估计得到。

7.如权利要求1或2或3或4所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，停止时间T的取值范围为100s～200s。

8.如权利要求5所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，停止时间T的取值范围为100s～200s。

9.如权利要求6所述的一种缓冲槽的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，停止时间T的取值范围为100s～200s。

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