重介密度控制方法研究

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