張凌智， 代偉， 馬小平

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 地下空間智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

我國煤炭資源儲量大，煤炭在我國一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中一直占據(jù)十分重要的地位[1-2]，以煤炭為主的能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)難以改變。但當(dāng)前我國存在大量不潔凈煤炭生產(chǎn)和煤炭低效率利用問題，不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，還嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使煤炭生產(chǎn)適應(yīng)我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，亟需發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)。

煤炭洗選加工是潔凈煤技術(shù)的基礎(chǔ)和源頭[3]，它是利用物理或化學(xué)處理方法，降低原煤中的雜質(zhì)(如灰分、硫、水分等)，以改善煤質(zhì)，達(dá)到降低環(huán)境污染和提高能源利用效率的目的。我國煤種齊全、煤質(zhì)差別大，需采用跳汰、重介質(zhì)、浮選、風(fēng)選等不同選煤工藝來滿足特定的產(chǎn)品要求[4]。其中，重介質(zhì)選煤以分選精度高、密度調(diào)節(jié)范圍寬、處理量大、易于實(shí)現(xiàn)自動控制等特點(diǎn)[5-6]，得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

采用傳統(tǒng)控制方法(如PID等)實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)選煤過程自動控制的方式基于單變量、單回路，存在能耗高、表征精煤產(chǎn)品質(zhì)量的灰分含量波動大等問題，影響選煤廠生產(chǎn)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)控制包含建模、預(yù)測、控制策略設(shè)計、故障診斷等技術(shù)，旨在改善過程動態(tài)性能，使過程變量更接近其優(yōu)化值、系統(tǒng)運(yùn)行更接近最優(yōu)狀態(tài)[7]，從而達(dá)到提高生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性、確保產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染等目的[8]?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，先進(jìn)控制在重介質(zhì)選煤過程中的應(yīng)用研究得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、對影響重介質(zhì)選煤生產(chǎn)過程相關(guān)因素認(rèn)知的提高、自動控制技術(shù)的應(yīng)用及工藝水平的進(jìn)步，重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制技術(shù)逐步發(fā)展，不僅穩(wěn)定了選煤產(chǎn)品的生產(chǎn)，還優(yōu)化了選煤過程的質(zhì)量和能耗指標(biāo)，節(jié)約了成本，促進(jìn)了重介質(zhì)選煤過程從自動化與信息化向智能化與智慧化方向發(fā)展[9]。

本文在分析重介質(zhì)選煤過程的典型工藝流程、先進(jìn)控制結(jié)構(gòu)及控制難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展方向做了進(jìn)一步展望。

1 重介質(zhì)選煤工藝

重介質(zhì)選煤是用密度介于凈煤與矸石之間的磁性物和水混合后作為介質(zhì)進(jìn)行分選的方式[10]，主要由混料桶、重介質(zhì)旋流器、磁選機(jī)、弧形篩、脫水脫介篩、合格介質(zhì)桶、介質(zhì)泵等組成，如圖1所示。

圖1 重介質(zhì)選煤工藝Fig.1 Dense medium coal separation technology

重介質(zhì)旋流器是礦物分離的重要設(shè)備，分為二產(chǎn)品和三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器。本文主要介紹采用二產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的選煤工藝，其包括礦漿混合、礦物分選、介質(zhì)回收與懸浮液再造3個過程。

(1) 礦漿混合過程。原煤經(jīng)過脫泥脫水處理后，與重介質(zhì)懸浮液一起在混料桶中充分混合形成礦漿，隨后送入重介質(zhì)旋流器進(jìn)行分選。

(2) 礦物分選過程。混合礦漿在重介質(zhì)旋流器中開始分選，密度比重介質(zhì)懸浮液低的精煤上浮并從溢流口排出，為精礦礦漿；高密度的煤矸石下沉從底部排出，為尾礦礦漿。精礦和尾礦礦漿經(jīng)過弧形篩和脫水脫介篩處理后，分別作為精煤和矸石進(jìn)入后續(xù)作業(yè)。

(3) 介質(zhì)回收與懸浮液再造過程。經(jīng)分選后，懸浮液中的重介質(zhì)通過磁選機(jī)回收，返流入合格介質(zhì)桶。在分選和回收過程中不可避免地發(fā)生介質(zhì)損耗，為保證重介質(zhì)懸浮液密度維持在一定水平，需要在合格介質(zhì)桶中加入一定的高濃介質(zhì)與補(bǔ)加水，與回收介質(zhì)充分混合，形成密度合格的重介質(zhì)懸浮液，進(jìn)入混料桶進(jìn)行礦漿混合。

2 重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制結(jié)構(gòu)

重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制通常包括回路控制層和運(yùn)行優(yōu)化層，如圖2所示。

圖2 重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Advanced control structure of dense medium coal separation process

運(yùn)行優(yōu)化層面向分選運(yùn)行過程，目標(biāo)是根據(jù)計劃調(diào)度部門給出的生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前生產(chǎn)工況，動態(tài)優(yōu)化重介質(zhì)懸浮液密度等回路設(shè)定值；回路控制層面向密度、流量等回路過程，目標(biāo)是通過DCS(Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))等設(shè)備實(shí)現(xiàn)回路設(shè)定值的快速跟蹤。由于分選運(yùn)行過程與回路過程分別具有慢、快時間尺度特性，所以運(yùn)行優(yōu)化層與回路控制層的控制周期分別設(shè)置為分鐘級和秒級[11]。此外，實(shí)際重介質(zhì)選煤工藝中各過程快慢特性不統(tǒng)一，使得信號采樣周期和控制刷新周期不一致，導(dǎo)致多種采樣速率特性。

可見重介質(zhì)選煤是一個多時間尺度和多速率并存的復(fù)雜工業(yè)過程，其先進(jìn)控制算法及系統(tǒng)設(shè)計具有相當(dāng)難度。

3 重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制難點(diǎn)分析

重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制涉及的設(shè)備和儀器儀表眾多，且選煤工藝復(fù)雜，具有強(qiáng)非線性、多變量耦合、時變性等特性，并易受多種干擾影響，具體如下。

(1) 重介質(zhì)選煤過程具有強(qiáng)非線性，難以精確建模。傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)主要基于線性模型進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，然而重介質(zhì)選煤過程具有明顯的強(qiáng)非線性，如混合礦漿流量、合格重介質(zhì)懸浮液流量與原煤進(jìn)料速率之間，重介質(zhì)懸浮液密度與精煤產(chǎn)品的灰分含量之間均呈現(xiàn)明顯的非線性動態(tài)關(guān)系。盡管可以對重介質(zhì)選煤過程進(jìn)行假設(shè)和簡化以節(jié)約建模成本，但完整的運(yùn)行過程仍難以用精確數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，導(dǎo)致難以基于模型設(shè)計重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制系統(tǒng)。

(2) 過程變量耦合。重介質(zhì)選煤過程的多變量動態(tài)特性使其運(yùn)行指標(biāo)與各過程變量之間存在強(qiáng)耦合和交互作用，如重介質(zhì)懸浮液的密度變化會導(dǎo)致注入合格介質(zhì)桶中的高濃介質(zhì)和水的流量發(fā)生改變，最終影響重介質(zhì)旋流器分選效果。過程變量的耦合特性會導(dǎo)致重介質(zhì)選煤過程控制效果變差，調(diào)節(jié)時間長，阻礙運(yùn)行指標(biāo)快速跟蹤控制。

(3) 生產(chǎn)過程動態(tài)時變。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，原煤的進(jìn)料速率、粒度、雜質(zhì)含量會在較大范圍內(nèi)頻繁波動，弧形篩和脫水脫介篩的篩選效果并非一成不變，重介質(zhì)旋流器的分選效果受懸浮液密度、壓力等影響。這些因素都會隨時間變化而變化，在一定程度上改變選煤過程的動態(tài)特性。若對過程模型或先驗(yàn)知識的掌握不夠全面，動態(tài)特性將最終影響重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4) 不確定干擾多。重介質(zhì)選煤過程受到多源干擾和動態(tài)因素的影響。除原煤進(jìn)料速率、原煤性質(zhì)外，重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、旋流器中重介質(zhì)懸浮液的黏度及煤泥含量等均會不同程度地影響分選效果[12]。如隨著原煤不斷輸入，旋流器中懸浮液的煤泥含量逐漸增加，懸浮液的穩(wěn)定性提高，但懸浮液黏度增大，將迅速降低旋流器中的礦粒沉降速度，導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)能力下降，降低分選效率[13]。此外，不確定干擾和動態(tài)因素會使重介質(zhì)選煤過程的機(jī)理更加復(fù)雜，可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)中的過程變量超出正常運(yùn)行范圍，也不利于運(yùn)行指標(biāo)控制。

(5) 關(guān)鍵參量難以實(shí)時精確感知?；曳质欠从持亟橘|(zhì)選煤過程精煤產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受技術(shù)或經(jīng)費(fèi)的限制，灰分含量往往通過人工化驗(yàn)獲得，過程繁瑣、耗時長。盡管部分選煤廠已經(jīng)開始使用灰分檢測儀在線檢測灰分，但檢測結(jié)果易受外部環(huán)境的干擾，誤差較大[14]，僅可作為參考。由于灰分等關(guān)鍵指標(biāo)難以實(shí)時檢測，無法保證控制系統(tǒng)性能，所以難以實(shí)現(xiàn)全流程先進(jìn)控制。

重介質(zhì)選煤過程的復(fù)雜特性給先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大挑戰(zhàn)。國內(nèi)外學(xué)者從過程建模、回路控制層的重介質(zhì)懸浮液密度控制、運(yùn)行優(yōu)化層的精煤灰分控制等方面，開展了重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制研究與探索。

4 重介質(zhì)選煤過程建模

先進(jìn)控制是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制策略。為便于重介質(zhì)選煤過程實(shí)施先進(jìn)控制，確保重介質(zhì)選煤過程的穩(wěn)定性，保障選煤廠經(jīng)濟(jì)效益，需要充分理解其生產(chǎn)過程，以建立數(shù)學(xué)模型。目前重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制數(shù)學(xué)模型主要包括以下4種。

(1) 靜態(tài)模型。T. Napier-Munn[15]將分配系數(shù)作為相對密度和礦石粒度的函數(shù)，得到了重介質(zhì)旋流器模型。I. A. Scott等[16]使用類似方法設(shè)計了一種表示分選效率的模型。B. V. Rao[17]采用Weibull方程建立了整合原煤粒度和密度分區(qū)的效率模型。以上均為靜態(tài)模型，不適用于包含時變參數(shù)的動態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計。

(2) 流體力學(xué)模型?；诹黧w力學(xué)的重介質(zhì)旋流器模型已被用于研究重介質(zhì)分選過程機(jī)理。M. S. Brennan[18]提出了代數(shù)滑動混合模型，利用CFD (Computational Fluid Dynamics, 計算流體動力學(xué))求解雷諾平均納維-斯托克斯方程。黃波等[19]分析了重介質(zhì)旋流器內(nèi)部懸浮液速度場、密度場、壓力梯度場和黏度場，同時對旋流器分選過程中的煤粒運(yùn)動行為及分選效果評價展開研究。然而，C. Cortés等[20]指出，由于流體具有非定常特性，CFD建模通常需要進(jìn)行大渦模擬或數(shù)值模擬，成本巨大，且CFD模型過于復(fù)雜，不適用于控制系統(tǒng)設(shè)計。

(3) 質(zhì)量守恒模型。為了便于設(shè)計重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制系統(tǒng)，E. J. Meyer等[21-22]根據(jù)質(zhì)量守恒原理，對重介質(zhì)選煤過程中的各設(shè)備，如單層篩、雙層篩、混料桶、重介質(zhì)旋流器等進(jìn)行了動態(tài)特性分析，最終建立了全流程動態(tài)模型，主要包括以向合格介質(zhì)桶中所加重介質(zhì)和水的流量為輸入、重介質(zhì)懸浮液密度為輸出的回路過程模型，以及以重介質(zhì)懸浮液密度為輸入，分別以灰分、水分和揮發(fā)分等精煤產(chǎn)品中雜質(zhì)含量為輸出的運(yùn)行過程模型，并結(jié)合實(shí)際工廠數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)辨識和模型驗(yàn)證。該質(zhì)量守恒模型能夠基本保證準(zhǔn)確性，但由于進(jìn)行了大量的簡化和假設(shè)，不可避免地忽略了眾多影響因素，如設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)、重介質(zhì)懸浮液黏度等，與實(shí)際生產(chǎn)過程有差距，也并不適用于所有選煤系統(tǒng)。若選煤廠設(shè)備或煤質(zhì)等稍有區(qū)別，便難以直接應(yīng)用該模型設(shè)計重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制系統(tǒng)。

(4) 數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。隨著信息和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法得到了廣泛關(guān)注。數(shù)據(jù)驅(qū)動模型結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，準(zhǔn)確度高，無需對工業(yè)生產(chǎn)過程的機(jī)理進(jìn)行仔細(xì)分析，僅利用生產(chǎn)過程中大量隱含生產(chǎn)運(yùn)行的各類信息數(shù)據(jù)，即可從中獲取重要信息[23]。因此，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型逐漸在重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制中得到應(yīng)用[14，24-26]。Dai Wei等[25]采用模擬退火算法自動設(shè)置批量向網(wǎng)絡(luò)中所加節(jié)點(diǎn)塊的大小，設(shè)計了基于塊增量的隨機(jī)配置網(wǎng)絡(luò)建模方法，并以選煤過程為背景，建立了以原煤進(jìn)料速率、重介質(zhì)懸浮液密度為輸入，精煤灰分含量為輸出的預(yù)測方案。該類研究成果主要用于灰分含量在線估計與預(yù)測，難以用于控制系統(tǒng)設(shè)計。此外，實(shí)際生產(chǎn)中的干擾因素會導(dǎo)致采樣誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的精確性難以得到持續(xù)保障。

可見重介質(zhì)選煤過程建模要求研究人員充分研究選煤過程機(jī)理和特性。盡管目前已有較多研究成果，但重介質(zhì)選煤生產(chǎn)是同時滿足物料平衡和能量平衡的過程，工況復(fù)雜、耦合性強(qiáng)，且伴隨多源干擾，因此重介質(zhì)選煤過程建模仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

5 重介質(zhì)懸浮液密度控制

重介質(zhì)懸浮液密度對分選效果的影響最直接、最重要，直接決定精煤質(zhì)量和產(chǎn)率[27]。當(dāng)前重介質(zhì)懸浮液密度控制的研究集中于穩(wěn)定控制，通過自校正控制[28]、模糊控制[29-30]、無模型自適應(yīng)控制[24]等先進(jìn)控制方法解決上文所述控制難點(diǎn)，具體可分為基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動兩類。

(1) 基于模型的重介質(zhì)懸浮液密度控制。針對重介質(zhì)選煤過程的非線性和多變量耦合特點(diǎn)，趙春祥等[28]以三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器為研究對象，建立了簡化的重介質(zhì)選煤過程懸浮液密度控制模型和煤泥含量預(yù)測模型，采用自校正控制求解過程變量。郝繼飛等[27]研究了懸浮液密度與合格介質(zhì)桶體積之間的耦合關(guān)系，建立了重介質(zhì)懸浮液密度控制系統(tǒng)預(yù)測模型。陳章寶[30]采用PID控制及基于繼電反饋的自整定算法，實(shí)現(xiàn)了在線調(diào)節(jié)重介質(zhì)懸浮液密度設(shè)定值。

(2) 數(shù)據(jù)驅(qū)動的重介質(zhì)懸浮液密度控制。重介質(zhì)選煤過程具有強(qiáng)非線性和復(fù)雜機(jī)理，可能導(dǎo)致機(jī)理模型面臨復(fù)雜度和階數(shù)太高、準(zhǔn)確性和適應(yīng)性低等問題，甚至難以建模。數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和控制方法為重介質(zhì)懸浮液密度控制系統(tǒng)設(shè)計提供了更廣闊的思路和更有效的手段，基于數(shù)據(jù)模型或無模型的控制方法逐漸得到應(yīng)用。孟凡芹等[31]研究了重介質(zhì)懸浮液密度和液位系統(tǒng)的動態(tài)特性，設(shè)計了液位和密度的多變量模糊控制方法，但相對簡單的模糊處理會降低控制精度和系統(tǒng)動態(tài)性能。邱佳楷等[26]將懸浮液密度實(shí)際值與設(shè)定值的偏差、合格介質(zhì)桶液位實(shí)際值、水閥開度等過程變量作為模型輸入量，以合格介質(zhì)桶的液位為輸出量，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型，并在此基礎(chǔ)上提出了一種重介質(zhì)懸浮液密度寬域智能控制方法。李停[24]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，采用基于最大最小螞蟻系統(tǒng)優(yōu)化的抗滯后無模型自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)懸浮液密度跟蹤控制。

上述重介質(zhì)懸浮液密度先進(jìn)控制方法為穩(wěn)定選煤生產(chǎn)提供了重要保障，但對其提質(zhì)增效并沒有很好的效果，原因是回路控制器雖然決定了懸浮液密度對其設(shè)定值的跟蹤效果和響應(yīng)速度等，但正確選擇設(shè)定值更為重要，而當(dāng)前主要通過人工方式設(shè)定懸浮液密度設(shè)定值，具有主觀性和隨機(jī)性，無法保證設(shè)定值適用于邊界條件頻繁變化的工況，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行[32]。因此，重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制不僅要實(shí)現(xiàn)密度等基礎(chǔ)回路的自動控制，還要能優(yōu)化回路設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)灰分等產(chǎn)品質(zhì)量與效率等生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)的控制。

6 精煤灰分控制

精煤灰分是衡量重介質(zhì)選煤產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，主要由重介質(zhì)懸浮液密度和重介質(zhì)旋流器入口壓力控制[9]。重介質(zhì)旋流器入口壓力通常設(shè)定為一定工作范圍內(nèi)的常值[33]，因此灰分含量主要通過調(diào)整重介質(zhì)懸浮液密度來實(shí)現(xiàn)控制。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常由操作員根據(jù)檢測的精煤灰分含量，憑借知識經(jīng)驗(yàn)給出重介質(zhì)懸浮液密度設(shè)定值，然后采用以PID算法為基礎(chǔ)的PLC基礎(chǔ)回路控制系統(tǒng)，調(diào)整加介和加水流量，使重介質(zhì)懸浮液密度跟蹤其設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)精煤灰分控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量。由于人工測定灰分具有嚴(yán)重滯后性，該類知識型控制系統(tǒng)無法保證實(shí)時性。另外因選煤過程工況十分復(fù)雜，選煤專家很難保證其基于知識和經(jīng)驗(yàn)所給出的重介質(zhì)懸浮液密度設(shè)定值適用于當(dāng)前工況，使得重介質(zhì)懸浮液密度設(shè)定值往往不能及時準(zhǔn)確地得以調(diào)整，導(dǎo)致精煤灰分偏離目標(biāo)值，生產(chǎn)出不合格精煤。

重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)灰分的優(yōu)化控制。Zhang Lijun等[34]基于機(jī)理模型[21]，在多種運(yùn)行條件約束下，采用MPC(Model Predictive Control, 模型預(yù)測控制)，通過在線優(yōu)化回路設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了對灰分的控制，并使用選煤廠原煤進(jìn)料速率，在多種不確定性并存的情況下，證明了該方法在實(shí)際動態(tài)環(huán)境下的可靠性。黃罡[35]對文獻(xiàn)[34]中方法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了精煤產(chǎn)品質(zhì)量和能耗2個運(yùn)行優(yōu)化指標(biāo)，提出了一種重介質(zhì)選煤過程的穩(wěn)定多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)模型預(yù)測控制算法。此外，Zhang Lijun等[36]針對重介質(zhì)選煤過程的多時間尺度特性，提出了一種雙回路控制算法：外環(huán)控制器用于使灰分盡可能逼近設(shè)定值，其由前饋控制器和閉環(huán)MPC組成；內(nèi)環(huán)控制器采用MPC調(diào)節(jié)合格介質(zhì)桶中磁鐵粉和水的補(bǔ)充量。代偉等[10]為了解決重介質(zhì)選煤過程的強(qiáng)非線性和時變問題，基于動態(tài)模型，利用先驗(yàn)知識和在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出了一種模型與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的重介質(zhì)選煤過程自適應(yīng)運(yùn)行反饋控制方法，在假設(shè)基礎(chǔ)回路懸浮液密度可以在短時間內(nèi)跟蹤其回路設(shè)定值的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對精煤灰分的跟蹤控制。陸文捷[11]、張凌智等[37]進(jìn)一步考慮了基礎(chǔ)回路過程的雙速率特性，即輸出采樣周期和控制刷新周期不一致，針對回路控制層近似線性化模型已知、運(yùn)行優(yōu)化層模型未知的重介質(zhì)選煤過程，提出了集成MPC、提升技術(shù)與基于 actor-critic 結(jié)構(gòu)的設(shè)定值優(yōu)化算法的多速率分層運(yùn)行優(yōu)化控制方法，實(shí)現(xiàn)了對精煤灰分的優(yōu)化控制。

上述精煤灰分控制方法在應(yīng)對非線性、時變性、多變量耦合和多源干擾問題方面取得了重要進(jìn)展，對實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)選煤過程的智能化和智慧化具有重要意義。

7 總結(jié)與展望

盡管現(xiàn)有重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制方法成果頗豐且已經(jīng)逐步應(yīng)用到選煤廠中，但理論研究及其實(shí)際應(yīng)用仍有待完善?，F(xiàn)有的先進(jìn)控制方法還未全面解決多時間尺度、多速率下的強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合性等復(fù)雜特性所帶來的挑戰(zhàn)性難題，亟需理論與技術(shù)的共同發(fā)展。

重介質(zhì)選煤過程應(yīng)結(jié)合自身特性，利用現(xiàn)有的研究成果，順應(yīng)先進(jìn)控制與人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、提質(zhì)增效、降低能耗和生產(chǎn)成本的同時，大力發(fā)展面向重介質(zhì)選煤的大數(shù)據(jù)平臺建設(shè),進(jìn)一步提升知識和數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制與優(yōu)化方法的性能和穩(wěn)定性，并通過建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺，從理論探索向?qū)嶋H應(yīng)用邁出重要一步。

(1) 基于大數(shù)據(jù)的重介質(zhì)選煤可視化平臺建設(shè)。大數(shù)據(jù)技術(shù)已進(jìn)入煤炭行業(yè)[38]，并開始在選煤過程中得到應(yīng)用。大數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)選煤智能化的基礎(chǔ)，實(shí)時收集生產(chǎn)過程中的大數(shù)據(jù)可以挖掘出新的知識和生產(chǎn)規(guī)律，有利于對生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行分析和預(yù)測，同時實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化也便于對重介質(zhì)選煤生產(chǎn)實(shí)施進(jìn)一步的優(yōu)化決策與控制。

(2) 面向重介質(zhì)選煤過程的知識和數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的智能優(yōu)化與控制。其目標(biāo)是在滿足對應(yīng)的用戶需求和設(shè)定的經(jīng)濟(jì)效益前提下，根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)工況和過程變量，自主分析并調(diào)節(jié)對應(yīng)的控制系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的協(xié)同優(yōu)化與控制。

(3) 產(chǎn)品質(zhì)量與效率預(yù)測方法研究。本文所述重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制方法均是建立在灰分等指標(biāo)可實(shí)時、準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的理論探索，缺少對實(shí)際過程中該技術(shù)實(shí)施難度的考量，如用于選煤廠在線檢測精煤灰分的灰分檢測儀等傳感器的安裝和維護(hù)費(fèi)用高昂，且易受到外部因素干擾，導(dǎo)致測量值與實(shí)際值之間存在較大誤差。因此，針對灰分等產(chǎn)品質(zhì)量與效率的預(yù)測方法也是未來的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

(4) 重介質(zhì)選煤虛擬實(shí)驗(yàn)平臺搭建。當(dāng)前針對重介質(zhì)選煤過程先進(jìn)控制方法的驗(yàn)證主要有2種方式：① 數(shù)值仿真，缺點(diǎn)是容易忽略復(fù)雜工況，與實(shí)際動態(tài)環(huán)境區(qū)別較大，缺乏可靠性。② 利用實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行驗(yàn)證，缺點(diǎn)是占用場地，成本高，控制方法的修改和更新會嚴(yán)重影響選煤廠生產(chǎn)。重介質(zhì)選煤虛擬實(shí)驗(yàn)平臺集成虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫和人機(jī)交互等技術(shù)，可人工搭建虛擬重介質(zhì)選煤全流程，提供安全、可靠、有效的研究環(huán)境，自主驗(yàn)證所設(shè)計的控制系統(tǒng)性能。

上述研究方向均有廣闊的應(yīng)用前景，對實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)選煤過程的綠色、高效和智能化發(fā)展，提升我國煤炭洗選行業(yè)技術(shù)水平和國際競爭力有重要的現(xiàn)實(shí)意義。