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重介密度控制方法研究

供稿:工控网 2006/7/3 8:56:00

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1 问题提出
  重介法选煤是三大选煤工艺之一。在重介选煤工艺中,重介悬浮液的密度是决定精煤质 量和产率的主要参数。悬浮液的密度过低会导致精煤灰份增加,而密度过高会使精煤的产率 下降。这些都会影响选煤厂的经济效益。因此,国内外的许多选煤厂都对重介悬浮液的密度 实行自动调节和控制。
  目前国内外的重介密度控制系统,无论是常规仪表控制,还是计算机控制,基本上都使 用PI调节。由于重介密度控制系统模型复杂,影响因素较多,因此普通PI调节器的效果欠佳 。这主要是由系统的稳定性与快速性之间的矛盾难以兼顾造成的,即使是某些先进的控制系 统 ,也时有振荡现象发生。有人把这些现象归咎为调节器参数调整不当,也有人认为原因是系 统内存在时间滞后。
要找出这些问题的主要原因,必须对重介密度控制系统的数学模型加以深入研究,找出 其内在原因。本文正是从这方面着手,首先对重介密 度控制系统的数学模型加以研究,找出影响控制质量的主要原因,并针对这些原因提出一种 适于工程应用的控制方法。计算机仿真结果表明,这种方法的效果是令人满意的。
  2  数学模型研究
在一个典型的重介选煤悬浮液循环流程中,其主洗产品为精煤,再洗 产品为中煤。由于选煤厂的经济效益主要取决于精煤质量与产率,所以我们主要考虑主洗系 统的重介悬浮液密度控制问题。
主洗系统的重介悬浮液由介质泵提升至定压箱内,再由定压箱流 入主洗分选机,这部分悬浮液的密度应是合格的。由分选机流出的悬浮液部分直接回流主洗 介质桶,部分由脱介筛经分流箱1分流,其中一部分回流主洗介质桶,一部分回流稀介质桶 。为研究方便,我们将这两部分回流至主洗介质桶的流量用F2表示,在后面的仿真中, 我们 令F2的下限大于零,以表示从分选机直接回流主洗桶的那部分流量。回流至主洗介 质桶 的悬浮液,由于经过脱介筛,所以其介质量受到损失,密度下降。同时流入主洗介质桶的还 有从分流箱2分流过来的再洗系统的高密度悬浮液。
  重介密度控制系统的任务是,保证主洗介质桶内的悬浮液密度为恒定值。因此,我们首先分 析主洗介质桶内悬浮液密度变化的情况。根据物料平衡原理,在Δt时间内流入主洗介质桶 内的干介量与流出的干介量之差,即为主洗介质桶内干介量的变化。假定主洗介质桶内的介 质是均匀的,则有下式。(略)
  从上式可看出,影响主洗介质桶内介质密度的因素有,F1、F2、F4、F 5 、d2、d3、d4、U。其中,F1、d4是常数,d2、d3分别由主洗和再洗过程决 定,无法作为控制变量。而悬浮液的体积U也是一个变化的量,它与流入和流出主洗介质 桶的流量有关,如下式所示。(略)
  我们最终要控制的参数是d1,从(2)式可以看出,如果U是常量,则被控过程为一个惯 性环 节,但如果U是一个变量,问题便复杂了。事实也是如此,在选煤过程中,介质桶的液位 是经常变化的,所以U也是变化的。从(3)式可以看出,影响U的因素有F1、F2、F4 、F5,其中F1是常数。
这样,对于重介密度控制系统来说,我们有2种控制方案供选择。一是将整个系统 看成是一个有2个输出(d1、U)3个输入(F2、F4、F5)的多变量系统,按多变 量系统的方法进行控制。但这种方案实现复杂,且从(2)、(3)两式可以看出,这2个输 出之间的耦合是非线性的,这就使问题更加复杂了,所以工程中一般不采用。
  另一种方案是将U和d1分别看成是2个单输出系统,用一个控制系统来保持U为常值, 另一个控制系统来保持d1为常值。但这种方案在工程应用上过于复杂,成本过高。所 以实际中最常见的控制方案是,由向主洗介质桶内加水来保持桶内的悬浮液不致过多或过少 。具体办法是,当液位高度降至下限时,打开进水阀门;当液位高度升至上限时,关闭进水 阀门。即,F5是开关控制。这样就大大简化了系统结构。但带来的问题是,引起U的大幅 度变化,以致影响到d1的控制精度。
  从式(2)可看出,当U变化时,相当于系统的时间常数发生变化,我们可以根据这 种变化来改变调节器参数,使得系统在变化时,仍能运行在最佳状态,这种方法即本文所提 出的变参数PI调节器,从下面的仿真可以看出,这种控制方法的效果是令人满意的。
  此外,由于密度检测装置与主洗介质桶之间有一定的距离,所以导致了纯滞后,但我们 将从下面的仿真模型中看到,这个纯滞后将不是主要影响因素。
  3 仿真模型
现在我们以(2)、(3)两式为基础进行计算机仿真研究。根据选煤厂的工艺情况,我 们在仿真时做如下假设;主洗介质桶容积为10m3;
介质泵排除口径为100mm,流量为150m3/h;
介质泵至定压箱的距离为30m;
主洗悬浮液比重期望值为1.4;
再洗悬浮液比重期望值为 1.8。
由以上假设可以得到:U的变化范围为0~10m3;
F1=0.0417m3/s;F2的变化范围为0.01~0.0417m3/s;
F4的变化范围为0~0.03m3/s;F5为两位式,即0或0.01m3/s;
延时τ=5.31s(按管路长度为30m计算)。
由(2)式可以看出,主洗介质桶作为一个惯性环节,其时间常数为U/F1。若U=5 m3,则时间常数为120s,延时时间与此时间常数比较起来要小得多。因此,我们可以说, 延时在重介密度控制系统中并不起主要作用,可以忽略。首先,我们按两个单回路系统进行控制,用F2作为控制变量,将U控制在8m3;用 F4作为 控制变量,将d1控制在1.4。将F5作为一个固定的扰动,即F5=0.01m3/s。 得到2个回路控制方程。(略)
图1 U=8时的仿真结果(略)
图2 在到达稳定以后,U给一扰动时的仿真结果(略)
图3 F2、F4分别控制U和d1时的仿真结果(略)
在主洗悬浮液密度控制中,采用PI调节器,即  
按二阶最佳系统综合,取KC2=0.1,Tτ2=25。
在重介法选煤工艺中,还有一个参数影响到选煤效果,即重介悬浮液的黏度。 在实际工程中,要考虑黏度问题。一般解决的方法是,在回流到主洗介质桶 的悬浮液中,分流出一个固定的部分,流入稀介质桶。这时F2就是一个常数了,在仿真 中我们取F2=0.03m3/s。当然,这时F2也不能作为控制变量来控制U了。这时可 利用向主洗介质桶内加水来维持U在一定范围内,由于水的流量是两位式的,所以也要采取 两位式控制方法。设U降至2m3时,向桶内加水,当U升至8m3时停止加水。这种方 法势必引起U的大幅度变化,从而影响密度控制,而现有密度控制系统的效果之所以不 尽如人意,也正是这个原因。
图4 用F5控制U,采用常规PI调节器的仿真结果(略)
图5 用F5控制U,采用变参数PI调节器的仿真结果(略)
图6 在图5基础上加噪声干扰的仿真结果(略))
为适应这种情况,我们在主洗悬浮液密度控制中,采用变参数PI调节器。控制变量应为 F4,其表达式仍为(7)式,但其参数变为,KC3=0.15U-0.0232,Tτ3=18 0Kc3。
  4 仿真结果
  当U为常数时,该系统相当于一个惯性环节,采用常规PI调节器即可,仿真结果 如图1所示。图2为在d1,达到稳定后,U发生变化的仿真结果。可以看出,若U保持 不变,则固定参数调节器可以得到很好的控制效果。 图3为F2、F4分别控制U和d1,采用常规PI调节器的仿真结果,由此可以看 出其超调量较大,而且调节时间很长。因此我们在本文所提出的方案是:用向主洗介质桶加 水的方法保持U基本不变,采用变参数的PI调节器,其仿真的结果如图5所示。图4为常 规PI调节 器的仿真结果。在U值大 幅度变化的情况下,调节时间明显降低,超调量也可以接受。图6是在图5的基础上增加随 机噪音的仿真结果,结果表明其控制的效果也比较理想。 信息来源于:中国煤炭网

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