CN103191826B - 一种基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及系统控制领域，特别是涉及一种基于钢球动能的球磨机内存煤量的控制系统以及控制方法。该系统包括激励检测线圈，用于通过传感器阵列采集X线管扫描的各测量点的投影数据，系统控制电路，用于将采集到的实时投影数据进行相应变化的感应信号采集和预处理，以及图像重建与特征参数提取单元，本发明的方法通过检测钢球的空间分布情况，计算钢球各状态下的动能，通过调节内存煤量值使得钢球获取最大动能，确定钢球实时动能与内存煤量、运行效率之间的关系，从而实现球磨机内存煤量的最优控制，有效克服现有方法中众多环境因素对料位检测的影响，使制粉系统稳定、可靠、优化地运行。

Description

一种基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法

技术领域

本发明涉及系统控制领域，特别是涉及一种基于钢球动能的球磨机内存煤量的控制方法。

背景技术

球磨机是制粉系统的关键设备，其应用十分广泛，能源消耗巨大。该系统的控制问题是多年来控制工程界普遍关注而又一直未很好解决的问题，实现该系统的自动化对于保障设备的安全经济运行具有十分重要的意义，而如何准确测量、控制球磨机内存煤量便成为问题关键和技术难点。

对系统的控制要求是保证球磨机内存煤量接近最佳存煤量，以便制成尽可能多的煤粉，提高制粉系统经济性。在传统控制系统中，物位检测仪表具有较大局限性，精准度很差，不能如实反映球磨机内的存煤量。目前的检测方法主要有：

（1）差压法，即用球磨机进出口差压代表球磨机内存煤量。由于受通风量等因素影响干扰，测量不稳定且精度极其有限。

（2）振动法，即通过球磨机转速不变时其系统振动强度与内存煤量关系实现检测方案。此方法线性度差，准确度不高。

（3）噪声法，即采用球磨机噪音作为存煤量检测手段。球磨机运行中筒体噪声之外的环境噪声对音频信号产生影响，抗干扰能力差，造成测量偏差。

（4）超声波法，即利用收发超声波的时间间隔与分界面位置的关系进行物位检测。但其系统造价高，环境要求苛刻，稳定性及可靠性差。

（5）功率法，即利用功率与内存煤量之间的变换规律检测料位。但灵敏度差，功率降低时难以判断。

除以上几个主要方法外，业内人士还进行了多种方法结合，比如超声波和电磁波，差压法和噪声法，功率法和噪声法等，但球磨机本身是一个包含了机械能量转换、热交换和两相流动的复杂过程，具有非线性、大滞后、强耦合及易受干扰的性质，导致内存煤量检测及控制还缺乏可靠有效的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：X线管扫描X射线对球磨机筒体中运动钢球的线性衰减系数的二维分布；

步骤二：通过传感器阵列采集扫描的钢球位置的投影数据，进行钢球位置变化的感应信号预处理；

步骤三：依据电磁层析成像技术的逆问题分析，采用Radon变换并且结合傅里叶变换法的有效算法，基于所述投影数据，重建相应钢球位置的密度分布图像；

步骤四：通过抛物线运动方程及圆周运动方程，得出提取特征参数的钢球运动速度；

步骤五：根据上述步骤得出的钢球位置和运动速度，计算钢球在相应状态下的动能；

步骤六：调节球磨机筒体内煤量值，绘制少煤、常煤及满煤情况下钢球动能的变化曲线；

步骤七：确定所述钢球获取最大动能时对应的煤量值，调节内煤量，实现内煤量的最优控制。

上述步骤二包括以下步骤：

步骤一：将传感器阵列的N个检测/激励线圈按顺序编号，其中，所述N个检测/激励线圈中的第i个激励线圈激励时通入电流I(i)，其他位置的线圈检测作为测量线圈，所述N个检测/激励线圈的感应电压值分别为U(i,j)(j=1,2,…,N;其中i≠j)，当i从1变化到N时获取N个独立的钢球位置激励磁场信号，每个信号有N-1个边界测量值；

步骤二：检测线圈通过感应方式将X线管扫描的所述钢球位置的投影数据进行相应的滤波、解调和放大处理，每次处理的独立数据数为N×(N-1)个，并且建立所述钢球位置分布的独立数据库。

上述步骤三中，电磁层析成像技术的逆问题分析，是用来获得筒体内具有电磁特性的运动钢球的空间分布数据，所述的逆问题分析包括步骤：

步骤一：将钢球位置的投影数据进行Radon变换，表达式如下

其中，f(x,y)为钢球位置的投影数据，Rf(θ,t)为层析成像的图像数据，θ为钢球位置的变化角度，t和s分别为变换后的图像位置的横坐标、纵坐标；其中，X-射线穿过钢球时的投影数据的傅里叶变换为钢球的傅里叶变换通过原点时的直线；

步骤二：通过数据处理电路的处理产生计算机可以识别的数据，根据这些数据获得物场空间中运动钢球的空间位置分布，并且重建相应钢球位置的密度分布图像。

在本发明提供的基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法中，随着内煤量的增加，钢球有泄落式、抛落式及离心运转式的不同运动轨迹，利用曲线拟合与逼近得到钢球实时动能值与内煤量值之间的关系曲线，该过程包括以下步骤：

步骤一：基于所述步骤五获得的钢球不同运动轨迹下的实时动能，以内煤量值为横坐标，所述钢球的动能值为纵坐标，绘制随内煤量增加的钢球动能曲线；

步骤二：利用Matlab多项式曲线拟合及Origin数据规律逼近，获取钢球实时动能与内煤量之间的关系曲线。

其中，在得到钢球在抛落运动中获得最大动能所对应的煤量值后，调节筒体现有内煤量，实现内煤量的最优控制。

有益效果

本发明的系统以及方法通过检测钢球的空间分布情况，计算钢球各状态下的动能，通过调节内存煤量值使得钢球获取最大动能，确定钢球实时动能与内存煤量、运行效率之间的关系，从而实现球磨机内存煤量的最优控制，有效克服现有方法中众多环境因素对料位检测的影响，使制粉系统稳定、可靠、优化地运行。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明利用球磨机工作原理，通过在线实时分析计算钢球动能的方法确保球磨机筒体内存煤量的最优控制，所得结果避免煤种、通风量、背景噪声等众多因素的影响；

2、首次从能量角度考虑料位控制，当钢球运动获得最大动能时，系统获得最佳存煤量，运行效率最高，较传统方法依据测点采集到的数据更精准，是针对目前球磨机运行工况的反映内存煤量，提高效率的便捷有效途径；

3、本发明采用的技术稳定可靠，误差范围小，保证系统安全有效地运行，提高了料位的检测和控制水平；

采用本发明给出的球磨机动能检测、煤量控制系统以及方法，有效克服了现有方法中众多环境因素对检测料位的影响，使得球磨机制粉系统安全可靠地运行，为锅炉系统的优质燃烧提供了保证。基于运动钢球的动能，提高控制准确性，从而提高经济效益，改善工作环境，在节能环保方面具有重要意义。

附图说明

图1所示是检测计算钢球动能的电磁层析成像系统图，其中1是物场，2是激励检测线圈，3为图像重建及信息提取装置；

图2所示是球磨机钢球运动轨迹示意图，其中A和A₁分别是钢球做圆周运动结束时滚筒内最外层和最内层的脱落点，B和B₁则分别是钢球做抛落运动结束时滚筒内最外层和最内层的落回点；而α、β为最外层钢球的脱落角、落回角；

图3所示球磨机筒体内钢球的空间分布简图，其中的状态对应关系为：

Ⅰ—少煤、 Ⅱ—常煤、 Ⅲ—满煤；

图4所示是基于钢球动能的系统闭环控制图。

具体实施方式

参见图1，1是物场，2是激励检测线圈，3为图像重建及信息提取装置，基于钢球动能的球磨机内存煤量的控制方法，采用的是电磁层析成像技术或工业用计算机断层成像技术检测计算球磨机运行中钢球各分布下的动能，此过程包括以下步骤：

（1）通过X线管扫描X射线对球磨机筒体中运动钢球的线性衰减系数的二维分布；

（2）传感器阵列采集扫描的钢球位置的投影数据，进行位置变化的感应信号预处理；

具体步骤为：

1）将传感器阵列的N个检测/激励线圈按顺序编号，其中，所述N个检测/激励线圈中的第i个激励线圈激励时通入电流I(i)，其他位置的线圈检测作为测量线圈，所述N个检测/激励线圈的感应电压值分别为U(i,j)(j=1,2,…,N;其中i≠j)，当i从1变化到N时获取N个独立的钢球位置激励磁场信号，每个信号有N-1个边界测量值；

2）检测线圈通过感应方式将X线管扫描的所述钢球位置的投影数据进行相应的滤波、解调和放大处理，每次处理的独立数据数为N×(N-1)个，并且建立所述钢球位置分布的独立数据库。

（3）依据电磁层析成像技术的逆问题分析，采用Radon变换结合傅里叶变换法的有效算法将投影重建相应钢球位置的密度分布图像；包括如下步骤：

1）设f(x,y)是平面上的可积函数，沿平面上任一条直线L:xcosθ+ysinθ=t的积分称为函数f(x,y)的Radon变换，具体为：

其中，f(x,y)为钢球位置的投影数据，Rf(θ,t)为层析成像的图像数据。而X-射线穿过钢球时的投影数据的傅里叶变换为钢球的傅里叶变换通过原点时的直线。

2）通过数据处理电路的处理产生计算机可以识别的数据，根据这些数据在主机屏幕上显示物场空间中运动钢球的位置分布，重建相应钢球位置的密度分布图像。

（4）通过抛物线运动及圆周运动方程求解提取特征参数钢球运动速度；

（5）以钢球的空间位置和速度，计算钢球此状态下的动能；

（6）调节球磨机筒体内煤量值，绘制少煤、常煤及满煤情况下钢球动能的变化曲线；

（7）确定钢球获取最大动能时对应的煤量值，调节内煤量，实现内煤量的最优控制，使得球磨机持续高效运行。

在步骤（4）和（5）中，在此给出钢球具体的一个运动轨迹实例，因钢球以抛落形式到达球磨机筒体底部区域，能以很大冲击力冲击落点区域的煤，从而使物料受到较大冲击而被磨细，此时效率最高。如图2所示，最外层钢球起始随筒壁一起做圆周运动（半径等于滚筒半径R），当运行到脱离点A时，作用在钢球上的离心力和钢球重力的径向分力相同，则钢球以初速度v离开筒壁，与水平方向成一角度做抛物线运动，最后落到落回点B。

球磨机筒体内的煤主要靠下落钢球的冲击和研磨作用形成煤粉，具体表达式如下：

选取n(n≥1)个直径为D_b(cm)、体积为V(cm³)的钢球来研究。

假设钢球分别落到落回点B_i（i=1,2,…）时,其速度υ_pi分解为从球磨机中心到落回点B_i方向的法向分速度υ_ni及与筒体圆周相切的切向分速度υ_ti。速度υ_ni冲击煤块，速度υ_ti沿筒壁切线方向对煤块产生研磨作用。

钢球抛物线方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=-R\sin {\mathrm{\α}}_i+\mathrm{vt}{\cos \mathrm{\α}}_i\\ y=R\cos {\mathrm{\α}}_i+\mathrm{vt}{\sin \mathrm{\α}}_i-\frac{1}{2}{\mathrm{gt}}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，t为抛落时间。联立圆的方程得落回点B_i的坐标（Rcosβ,Rsinβ），根据戴维斯及列文逊等人的理论及能量守恒定律，υ_ni为：

$v_{\mathrm{ni}}=8v{\sin }^3{\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i---\left(3\right)$

由于mgcosα_i=mv²/R，推得υ_ni为:

$v_{\mathrm{ni}}=8\sqrt{{\mathrm{Rg}\cos \mathrm{\α}}_i}\·{\sin }^3{\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i---\left(4\right)$

具有质量m，法向速度υ_ni的钢球落回点B_i时具有的法向动能E_ni为：

$E_{\mathrm{ni}}=\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_{\mathrm{ni}}}^2=\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{\π}{D_b}^3\mathrm{\ρ}}{6g}\·64\mathrm{Rg}{\sin }^6{\mathrm{\α}}_i{\cos }^3{\mathrm{\α}}_i---\left(5\right)$

则钢球总的法向动能E_w(n≥w≥1)为：

$E_w=\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ni}}=\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{\π}{D_b}^3\mathrm{\ρ}}{6g}\·64\mathrm{Rg}{\sin }^6{\mathrm{\α}}_i{\cos }^3{\mathrm{\α}}_i---\left(6\right)$

上述式子仅考虑处于R位置的最外层上的钢球。但最外层球工作有利并不意味整个球荷工作都有利。现假设全部球荷质量集中在某一层上，称“中间缩聚层”（聚积层），此层球的琺层直径为D₀。扇形对O点的极转动惯量是：

$J=\mathrm{\π}(R^2-{R_1}^2){R_0}^2={\∫}_{R_0}^{R}2\mathrm{\πrdr}\·r^2---\left(7\right)$

求得半径R₀得：

$R_0=\sqrt{\frac{R^2+{R_1}^2}{2}}=\sqrt{\frac{R^2+{\left(\mathrm{kR}\right)}^2}{2}}---\left(8\right)$

式中 R、R₁——最外层和最内层球的球层半径。k=R₁∕R，与转速率Φ和装球率φ有关。又D₀=2R₀，则“中间缩聚层”上的钢球落到落回点衬板上的法向冲击动能E_ni为：

$E_{\mathrm{ni}}=\frac{16}{6}\mathrm{\π}{D_b}^3\mathrm{\ρ}{D}_0{\sin }^6{\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i---\left(9\right)$

设“中间缩聚层”上的钢球个数为s(s≥1)，则总的法向冲击动能E_n为：

$E_n=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}\frac{16}{6}\mathrm{\π}{D_b}^3\mathrm{\ρ}{D}_0{\sin }^6{\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\α}}_i---\left(10\right)$

步骤六中，球磨机筒体内少煤、常煤及满煤等情况如图3所示，内存煤量的具体控制方法如下，见图4的具体闭环控制技术框图：

1）基于步骤（5）中钢球不同运动轨迹的实时动能，以内煤量值为横坐标，钢球的动能值为纵坐标，绘制随内煤量增加的钢球动能曲线。

2）利用Matlab多项式曲线拟合及Origin数据规律逼近，获取钢球实时动能与内煤量之间的关系曲线。

步骤七中，得到钢球在抛落运动中获得最大动能所对应的煤量值后，调节筒体现有内煤量，实现内煤量的最优控制，避免直接检测内煤量，达到使磨机高效、安全、稳定、可靠运行的目标。

本发明提出的新型控制方法，解决了球磨机的重要指标，即内存煤量，难以检测控制的问题，通过对钢球动能进行有效实时监控，方便有效地控制内存煤量，实现制粉系统安全、经济、可靠、稳定运行。

Claims (5)

1.一种基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：X线管扫描X射线对球磨机筒体中运动钢球的线性衰减系数的二维分布；

步骤二：通过传感器阵列采集扫描的钢球位置的投影数据，进行钢球位置变化的感应信号预处理；

步骤三：依据电磁层析成像技术的逆问题分析，采用Radon变换并且结合傅里叶变换法的有效算法，基于所述投影数据，重建相应钢球位置的密度分布图像；

步骤四：通过抛物线运动方程及圆周运动方程，得出提取特征参数的钢球运动速度；

步骤五：根据上述步骤得出的钢球位置和运动速度，计算钢球在相应状态下的动能；

步骤六：调节球磨机筒体内煤量值，绘制少煤、常煤及满煤情况下钢球动能的变化曲线；

步骤七：确定所述钢球获取最大动能时对应的煤量值，调节内煤量，实现内煤量的最优控制。

2.根据权利要求1所述的基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法，其特征在于：所述步骤二包括步骤：

步骤一：将传感器阵列的N个检测/激励线圈按顺序编号，其中，所述N个检测/激励线圈中的第i个激励线圈激励时通入电流I(i)，其他位置的线圈检测作为测量线圈，所述N个检测/激励线圈的感应电压值分别为U(i,j)，j＝1,2,…,N；其中i≠j，当i从1变化到N时获取N个独立的钢球位置激励磁场信号，每个信号有N-1个边界测量值；

步骤二：检测线圈通过感应方式将X线管扫描的所述钢球位置的投影数据进行相应的滤波、解调和放大处理，每次处理的独立数据数为N×(N-1)个，并且建立所述钢球位置分布的独立数据库。

3.根据权利要求1所述的基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法，其特征在于：所述步骤三中，电磁层析成像技术的逆问题分析，是用来获得筒体内具有电磁特性的运动钢球的空间分布数据，所述的逆问题分析包括步骤：

步骤一：将钢球位置的投影数据进行Radon变换，表达式如下

其中，f(x,y)为钢球位置的投影数据，Rf(θ,t)为层析成像的图像数据，θ为钢球位置的变化角度，t和s分别为变换后的图像位置的横坐标、纵坐标；其中，X-射线穿过钢球时的投影数据的傅里叶变换为钢球的傅里叶变换通过原点时的直线；

步骤二：通过数据处理电路的处理产生计算机可以识别的数据，根据这些数据获得物场空间中运动钢球的空间位置分布，并且重建相应钢球位置的密度分布图像。

4.根据权利要求1所述的基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法，其特征在于：随着内煤量的增加，钢球有泄落式、抛落式及离心运转式的不同运动轨迹，利用曲线拟合与逼近得到钢球实时动能值与内煤量值之间的关系曲线，包括以下步骤：

步骤一：基于所述步骤五获得的钢球不同运动轨迹下的实时动能，以内煤量值为横坐标，所述钢球的动能值为纵坐标，绘制随内煤量增加的钢球动能曲线；

步骤二：利用Matlab多项式曲线拟合及Origin数据规律逼近，获取钢球实时动能与内煤量之间的关系曲线。

5.根据权利要求4所述的基于钢球动能的球磨机内存煤量控制方法，其特征在于：得到钢球在抛落运动中获得最大动能所对应的煤量值后，调节筒体现有内煤量，实现内煤量的最优控制。