CN109634125A - 一种陶瓷过滤机矿物水分模糊pid自整定控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陶瓷过滤机矿物水分模糊PID自整定控制系统及控制方法，系统包括：红外水分检测仪，用于检测陶瓷过滤机圆盘上的精矿水分，并将检测结果送入模糊PID控制器；模糊PID控制器，用于根据红外水分检测仪检测的精矿水分得到水分偏差e和水分偏差变化率ec，对输入量e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，最后对输出量进行清晰化处理，并进行模糊PID控制，输出控制命令给执行机构；从而实现对PID的在线自整定；以及，执行机构，根据模糊PID控制器输出的控制命令，对圆盘上的精矿进行干燥处理，并由红外水分仪进行检测水分含量是否达到设定值r(t)，进行调节在线整定。此种技术方案可提高系统的产能和生产效率。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种陶瓷过滤机矿物水分模糊PID自整定控制系统及控制方法。
背景技术
陶瓷过滤机作为一种近几年兴起来的一种高效脱水设备，以其真空度高、节能显著、产能高、滤饼含水率较低、水资源可充分利用等优点，已被广泛应用于建材、矿山、冶金、环保等行业的固液分离。目前国内陶瓷过滤机主要控制方法有三种：一种采用工业计算机控制，第二种是采用ARM嵌入式控制，第三种是采用不同类型的PLC控制。但是由于过滤机脱水工段环境恶劣、工艺复杂，矿物粉尘较多，在工作时干扰因素错综复杂，存在很多不稳定因素。陶瓷过滤机在实际运行中存在着种种问题，特别是过滤机矿物水分的控制，必须采用先进的控制方法，才能取得良好的控制效果；如采用传统的PID控制器存在超调量大，调节时间长，系统频繁调节引起振荡，且参数不易实时在线调整，即不易维护，也难以满足实时控制的要求。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种陶瓷过滤机矿物水分模糊PID自整定控制系统及控制方法，其可提高系统的产能和生产效率。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种陶瓷过滤机矿物水分模糊PID自整定控制系统，包括：
红外水分检测仪，用于检测陶瓷过滤机圆盘上的精矿水分，并将检测结果送入模糊PID控制器；
模糊PID控制器，用于根据红外水分检测仪检测的精矿水分得到水分偏差e和水分偏差变化率ec，对输入量e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，最后对输出量进行清晰化处理，并进行模糊PID控制，输出控制命令给执行机构；从而实现对PID的在线自整定；以及，
执行机构，根据模糊PID控制器输出的控制命令，对圆盘上的精矿进行干燥处理，并由红外水分仪进行检测水分含量是否达到设定值r(t)，进行调节在线整定。
上述模糊PID控制器包括模糊推理机构(模糊器)和PID控制器，其中，控制系统的输入为设定值r(t)，以及通过输出信号y(t)通过红外水分检测仪反馈回来的信号(负反馈)，两者的差值e作为PID控制器的输入；模糊器的输入为水分偏差e以及水分偏差变化率ec(偏差e对时间t的一阶微分)；
对模糊器的输入量e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，最后对输出量进行清晰化处理(反模糊化)。根据在不同时刻检测到的e和ec，经过模糊推理做出决策，找出模糊器的输出量Δkp、Δki、Δkd这三个参数和偏差e及偏差变化率ec之间的模糊关系。
其中，Δkp、Δki、Δkd是模糊器的三个输出值，通过与工程项目的比例因子k相乘即得到实际输出值，而kp1、ki1、kd1是PID的初始值，通过计算从而得到整定后的值。在水分检测时，通过PLC采集各个变量的值，并计算出水分偏差和偏差变化率，经模糊化后，送入模糊控制器，经编程计算查询kp、ki、kd的最后调整的值，实现对PID的在线自整定。
上述红外水分检测仪型号为IMS-W8B，安装在传送精矿的皮带上方。
上述执行机构采用真空阀，通过增加或减小真空压力，对圆盘上的精矿进行干燥处理。
一种陶瓷过滤机矿物水分模糊PID自整定控制方法，包括如下步骤：
步骤1，检测精矿水分，结合设定值r(t)，计算得到水分偏差e以及水分偏差变化率ec；
步骤2，对e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，找出Δkp、Δki、Δkd和e及ec之间的模糊关系；
步骤3，根据实际经验确定经红外水分检测后精矿水分的误差e范围，转化后误差的基本论域，误差变化的论域，e和ec的模糊集，Δkp、Δki、Δkd的基本论域。
步骤4，建立输入变量偏差e和偏差变化率ec的隶属度函数，模糊器输出变量Δkp、Δki、Δkd的隶属度函数，采用最大隶属度法，将隶属度最大的值最为精确值，实现模糊量的精确化。
步骤5，经运算，得到Δkp、Δki、Δkd这三个值的矩阵查询表，经编程计算得到kp、ki、kd的最后调整值，实现对PID的在线自整定。
步骤6，输出控制命令，对精矿水分进行干燥处理。
由于陶瓷过滤机运行参数不稳定，时常影响生产，为使陶瓷过滤机设备高效运行，在生产中达到最佳状态，整个工艺流程必须实现各工艺设备的过程联锁控制和关键工艺参数调整的快速响应和精确控制。过滤机采用模糊PID控制算法，是控制过滤机矿物水分的一种有效途径。操作人员可以根据生产情况随时在线修改压力设定参数，使过滤效果达到最佳，能在短时间内就把进料压力稳定在安全生产范围之内，为系统的稳定性和安全性打下了坚实的基础，并降低调试成本。模糊PID控制在过滤机矿物水分控制系统的应用，综合考虑到了系统整体的安全性、稳定性和经济性。模糊PID控制对于信息的精确度依赖较低，当过滤矿物压力控制过程的输入输出存在潜在的扰动、动态特性的变化或其它不确定因素时，都能达到较好的控制效果，并且具有响应速度快，超调量小和振荡弱等。
采用上述方案后，本发明通过选取模糊PID的控制算法，以达到提高系统精矿水分的控制精度的目的，与传统PID相比，模糊自整定PID能更好地对矿物水分进行控制，使陶瓷过滤机使用时水分不达标这一状况得到了解决，提高了系统的产能和生产效率。
系统不需要建立被控对象的数学模型，只需获取操作人员的经验或现场数据。模糊PID超调量小，上升速度快，稳定性好，在受到干扰后能很快达到稳定状态。模糊PID具有自学习能力，会随着矿物水分检测情况而整定自己的行为，使得矿物水分的控制更加精确化，应用在精矿脱水系统时具有较好的优越性。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是水分偏差e的隶属度函数示意图；
图3是水分偏差误差变化率ec的隶属度函数示意图；
图4是Δkp的隶属度函数示意图；
图5是Δki的隶属度函数示意图；
图6是Δkd的隶属度函数示意图；
图7是控制结果比较曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
通常情况下，真空度越高，压力越大，干燥程度越高，产能越好。通过选择高极限真空度的真空泵或者通过滤液泵，来协助以提高真空压力。脱水工段滤饼水分受很多因素的影响，不存在一定的线性关系，建立精确的数学模型十分困难。在这种种因素之中，真空压力始终贯穿于陶瓷过滤机整个工艺流程中，所以对于真空压力的控制和维持至关重要，通过对影响精矿产量及精矿水分含量的分析，可以对影响矿物水分的因素进行有效、针对性的控制。本发明提出一种模糊PID自整定控制技术，它不需要建立被控对象的数学模型，只需获取操作人员的经验或现场数据。
模糊器和PID控制器相结合构成了模糊PID控制器，模糊控制器的设计可分为3个过程：首先，对输入量e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，最后对输出量进行清晰化处理。根据在不同时刻检测到的e和ec，经过模糊推理做出决策，找出输出量Δkp、Δki、Δkd这三个参数和偏差e及偏差变化率ec之间的模糊关系。控制系统的框图如图1所示。模糊PID控制器的输入量为水分偏差e、水分偏差变化率ec，执行机构为真空阀，通过增加或减小真空压力，对圆盘上的精矿进行干燥处理，并由红外水分检测仪检测水分含量是否达到设定值r(t)，进行调节在线整定。图中的输出y(t)表示检测的精矿水分含量。红外水分检测仪型号：IMS-W8B，安装在传送精矿的皮带上方，用来检测精矿含水量。
在精矿水分自动控制系统中，根据厂矿的实际经验，经红外水分检测后精矿水分的误差e范围为[-0.6，+0.6]，转化后误差的基本论域为[-6，+6]，误差变化的论域为[-0.15，+0.15]，对应到整数域则为[-3，+3]。输入量e和ec的模糊集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，即简写为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。Δkp的变化基本论域为[-0.9，+0.9]，Δki的变化基本论域为[-0.015，+0.015]，Δkd的变化基本论域为[-0.9，+0.9]。
隶属度函数的建立：建立输入变量偏差e和偏差变化率ec的隶属度函数，如图2、图3所示，同样的建立输出变量Δkp、Δki、Δkd的隶属度函数，分别如图4-图6所示。
根据上述原则，考虑到论域的精确性和覆盖程度，系统选取三角形作为隶属度函数，控制规则如下表1：
表1 Δkp、Δki、Δkd的规则表
根据上面的模糊规则可求出对应的模糊关系，采用最大隶属度法，将隶属度最大的值作为精确值，实现模糊量的精确化，如果得到的最大隶属值大于等于1个时，可以选择把平均值作为精确值。然后写入输入量的查询值，经运算后将数据调用即可得到输出值，最终得到Δkp、Δki、Δkd这三个值模糊控制的矩阵查询表。其查询表如下表2、表3及表4所示。
表2 Δkp模糊控制查询表
表3 Δki模糊控制查询表
表4 Δkd模糊控制查询表
Δkp、Δki、Δkd参数的调整算式如下：
其中，Δkp、Δki、Δkd是模糊控制器的三个输出值，通过与工程项目的比例因子k相乘即得到实际输出值，而kp1、ki1、kd1是PID的初始值，通过计算从而得到整定后的值。在水分检测时，通过PLC采集各个变量的值，并计算出水分偏差和偏差变化率，经模糊化后，送入模糊控制器，经编程计算查询kp、ki、kd的最后调整的值，实现对PID的在线自整定。通过经验数据及反复试验，得到图7所示控制效果图，试验时PID的初始值分别为kp＝2.0，ki＝1.2，kd＝0.15。
图7中虚线曲线1代表了本发明提出的模糊PID控制，实线代表常规PID曲线。可以看出，模糊PID较之于传统PID收敛快、超调量小，系统稳定性高。模糊PID超调量小，上升速度快，稳定性好，在受到干扰后能很快达到稳定状态。而传统的PID在受到外部干扰时，控制性能会有所下降，精矿水分波动较大，系统中的模糊PID具有自学习能力，会随着水分检测情况而整定自己的行为，使得矿物水分的控制更加精确化，应用在精矿脱水系统时具有较大的优越性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种陶瓷过滤机矿物水分模糊PID自整定控制系统，其特征在于：包括：
红外水分检测仪，用于检测陶瓷过滤机圆盘上的精矿水分，并将检测结果送入模糊PID控制器；
模糊PID控制器，用于根据红外水分检测仪检测的精矿水分得到水分偏差e和水分偏差变化率ec，对输入量e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，最后对输出量进行清晰化处理，并进行模糊PID控制，输出控制命令给执行机构；从而实现对PID的在线自整定；以及，
执行机构，根据模糊PID控制器输出的控制命令，对圆盘上的精矿进行干燥处理，并由红外水分仪进行检测水分含量是否达到设定值r(t)，进行调节，在线自整定。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述模糊PID控制器包括负反馈机构、模糊推理机构和PID控制器，其中，负反馈机构的给定输入为设定值r(t)，负反馈信号为输出信号y(t)通过红外水分检测仪反馈回来的信号，两者的差值e作为PID控制器的输入；模糊推理机构的输入为水分偏差e以及水分偏差变化率ec，ec为水分偏差e对时间t的一阶微分；
模糊推理机构对输入量e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，最后对输出量进行清晰化处理；根据在不同时刻检测到的e和ec，经过模糊推理做出决策，找出输出量△kp、△ki、△kd这三个参数和偏差e及偏差变化率ec之间的模糊关系；其中，△kp、△ki、△kd是模糊器的三个输出值，通过与工程项目的比例因子k相乘即得到实际输出值，而kp1、ki1、kd1是PID的初始值，通过计算从而得到整定后的值，经编程计算查询kp、ki、kd的最后调整的值，实现对PID的在线自整定。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述红外水分检测仪型号为IMS-W8B，安装在传送精矿的皮带上方。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述执行机构采用真空阀，通过增加或减小真空压力，对圆盘上的精矿进行干燥处理。
5.一种陶瓷过滤机矿物水分模糊PID自整定控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，检测精矿水分，结合设定值r(t)，计算得到水分偏差e以及水分偏差变化率ec；
步骤2，对e和ec进行模糊化，然后确定模糊推理规则，找出△kp、△ki、△kd和e及ec之间的模糊关系；
步骤3，根据实际经验确定e范围，e基本论域，ec的论域，e和ec的模糊集，以及△kp、△ki、△kd的基本论域；
步骤4，建立水分偏差e和水分偏差变化率ec的隶属度函数，采用最大隶属度法，将隶属度最大的值作为精确值，实现模糊量的精确化；
步骤5，经运算，得到△kp、△ki、△kd这三个值的矩阵查询表，经编程计算得到kp、ki、kd的最后调整值，实现对PID的在线自整定；
步骤6，输出控制命令，对精矿水分进行干燥处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190416 |