李晶

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364000)

0 引言

礦用離心流動超細(xì)粉碎機結(jié)構(gòu)是保障礦用調(diào)度粉碎機械運行的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)性能好壞關(guān)系到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全可靠運行。隨著大中型機械設(shè)備的使用，相關(guān)的礦用離心流動超細(xì)粉碎機械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計和啟動參數(shù)控制方法研究受到人們的極大關(guān)注。作為一種新型節(jié)能技術(shù)，其控制技術(shù)在各個工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及通信領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。

文獻(xiàn)[2]為解決復(fù)雜飛行器建模精準(zhǔn)度不足而產(chǎn)生的無法過載跟隨等問題，研究得出一種深度強化學(xué)習(xí)的控制方法，基于強化學(xué)習(xí)算法與PID控制結(jié)構(gòu)調(diào)整參數(shù)，獲取典型指令信號，使跟蹤飛行器的過載指令更加精確；文獻(xiàn)[3]針對智能電網(wǎng)建設(shè)需求與真空斷路器電機操動機構(gòu)的控制屬性，結(jié)合智能控制技術(shù)，架構(gòu)一種電機機構(gòu)智能控制系統(tǒng)，采用全數(shù)字化伺服電機操動機構(gòu)控制系統(tǒng)控制工作狀態(tài)，經(jīng)檢測分合閘、速度追蹤、分階段速度調(diào)控以及自動重合閘等操作性能，驗證控制方法的有效性。

礦業(yè)是與我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密相關(guān)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，其中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是礦物加工。作為該環(huán)節(jié)中的重要工藝過程，粉碎物料的目的是為進(jìn)一步的處理、加工以及應(yīng)用提供理想的加工原料。實現(xiàn)多碎少磨的最直接方法就是使用離心流動超細(xì)粉碎機?；谏鲜鑫墨I(xiàn)方法的優(yōu)點，本文將智能控制技術(shù)與離心流動超細(xì)粉碎機相結(jié)合，提出一種多機啟動參數(shù)控制方法。架構(gòu)復(fù)合模糊控制器，提升控制性能；引入增量式，防止控制量計算階段對偏差求和；設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為均方根螺旋運行轉(zhuǎn)矩最小值，抑制周期性交變載荷對粉碎機運行的干擾，提升穩(wěn)定性與使用壽命。

1 離心流動超細(xì)粉碎機下多機啟動參數(shù)智能控制

忽略物料的動力特性，就能夠獲得粉碎機上的物料參與振動質(zhì)量，再通過折算系數(shù)進(jìn)行計算，考慮粉碎機托輥以及懸垂的阻力問題，同時還要考慮到帶式粉碎機的系統(tǒng)線路形態(tài)變化。經(jīng)過簡化系統(tǒng)的運行線路，得到粉碎機基本運行工作狀態(tài)。

1.1 離心流動超細(xì)粉碎機

離心流動超細(xì)粉碎機系統(tǒng)的閉回路粉碎體系主要組成部分是離心流動超細(xì)粉粹機、分級皮帶輪、送風(fēng)式離心分級機、補集裝置、旋風(fēng)分離器以及加料器等。動力特性對于系統(tǒng)的安全可靠和正常運行起著非常重要的作用，它能使粉碎機完成水平粉碎工作以及傾斜粉碎工作，以應(yīng)付粉碎作業(yè)中各種惡劣環(huán)境。

離心流動超細(xì)粉碎機為被粉碎物料提供電動機的生成能量，提升工作效率，并使粉碎球與被粉碎物料做三維螺旋運動，該運動軌跡與中心軸呈垂直關(guān)系，強化粉碎效果。其粉碎原理為：轉(zhuǎn)盤水平旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致粉碎球與被粉碎物料受到離心力[4]，并沿著環(huán)形曲面不斷上升，重力作用又導(dǎo)致粉碎球與被粉碎物料沿著環(huán)形曲面下降，經(jīng)過循環(huán)往復(fù)，兩者共同進(jìn)行三維螺旋運動，被粉碎物料因受到較強沖擊力與摩擦力的同步作用，實現(xiàn)物料粉碎。

1.2 粉碎機多機啟動

為了實現(xiàn)礦用離心流動超細(xì)粉碎機優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)多機啟動參數(shù)控制方法實現(xiàn)礦用粉碎機機械密封結(jié)構(gòu)的彈性模量特征提取，采用主成分約束控制的方法，構(gòu)建礦用粉碎機機械密封結(jié)構(gòu)的加工模型[5]。用堵轉(zhuǎn)的等值電機近似表示轉(zhuǎn)動的離心流動超細(xì)粉碎機，用定子側(cè)近似表示轉(zhuǎn)子繞組，用一個由電抗、電阻構(gòu)成的等效電路近似表示離心流動超細(xì)粉碎機的等效電路[6]。電路圖如圖1所示。

圖1 粉碎機等效電路示意圖

圖1中：U1表示點源相電壓有效值；勵磁電阻、定子電阻以及粉碎機轉(zhuǎn)子電阻折算值分別是Rm、R1與R2；勵磁電抗、定子漏抗以及轉(zhuǎn)子漏抗折算值分別是Xm、X1σ以及X2σ；S表示轉(zhuǎn)差率。

根據(jù)圖1中的粉碎機等效電路，構(gòu)建下列等效電路的轉(zhuǎn)子電流折算值計算公式：

(1)

進(jìn)行多機啟動的過程中，轉(zhuǎn)子電流與勵磁電流為負(fù)相關(guān)，對此忽略不計后，將S取值為1，并代入式(1)求解啟動電流：

(2)

若粉碎機轉(zhuǎn)差率固定不變，則啟動電流與電源電壓為正相關(guān)，因此，為實現(xiàn)多機啟動，應(yīng)從幾個主要的性能影響因素入手。

1.3 參數(shù)控制

1)溫度控制

溫度參數(shù)主要指的是粉碎機中的粉碎球與被粉碎物料溫度，對粉碎效果有直接影響。溫度越高時需降低被粉碎物料的過冷度，減小形核率，否則，會出現(xiàn)粒度較大、物料強度下降且塑性變差等情況。物料收縮應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系表達(dá)式如下：

σ=E×α(T1-T2)

(3)

式中：σ為物料收縮應(yīng)力；E為彈性模量；α為收縮系數(shù)；T1-T2為溫度參數(shù)差值。

由此結(jié)合模糊控制與PI控制架構(gòu)復(fù)合模糊控制器(圖2)，利用切換開關(guān)控制被控粉碎機，根據(jù)誤差與誤差變化率設(shè)定切換時機。

圖2 復(fù)合模糊控制器示意圖

圖2中的PI、FLC以及K分別表示比例積分調(diào)節(jié)器、模糊控制器和控制開關(guān)。復(fù)合模糊控制器具有較大的誤差與誤差變化率，如果趨近穩(wěn)態(tài)，則降低誤差變化率；若誤差較大，則切換為PI控制；如果穩(wěn)態(tài)誤差始終在允許范圍內(nèi)變化，則采用模糊控制，一旦復(fù)合模糊控制器被影響，就轉(zhuǎn)換成PI控制，直到消除穩(wěn)態(tài)誤差。

2)速度控制

從生產(chǎn)效率角度出發(fā)，在確保粉碎質(zhì)量的前提下，應(yīng)采用最高的三維螺旋運動速度。利用具有下式所示原理的PID控制器，實現(xiàn)粉碎機速度控制：

(4)

式中:e(t)與U(t)分別表示控制器的輸入與輸出；比例系數(shù)用Kp指代；Ti和Td分別是積分時間與微分時間。

采用下列表達(dá)式描述基于離散控制系統(tǒng)的PID控制差分方程：

(5)

式中：u(n)與en分別為采樣周期為N時的輸出與偏差。

3)電源頻率控制

多機啟動參數(shù)控制方法的最核心部分即為電源頻率控制階段，根據(jù)不同粉碎機電源頻率的傅里葉級數(shù)形式變化，獲取各粉碎機的最佳啟動參數(shù)。

輸入電源頻率是一種周期性的連續(xù)函數(shù)，采用展開傅里葉級數(shù)形式描述電源輸入頻率如下：

(6)

式中：a0為粉碎機離散變頻時當(dāng)前時間間隔的頻率擋位；ω為三維螺旋運轉(zhuǎn)的角速度；與采樣周期N的關(guān)系表達(dá)式如下：

(7)

根據(jù)上列表達(dá)式取得一組an與bn的未知變量，設(shè)定成設(shè)計變量之后，求取優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解。

周期性交變載荷影響粉碎機的正常運行，會使輸出功率與電流產(chǎn)生強烈變化，降低粉碎機工作穩(wěn)定性與使用壽命，因此，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為均方根螺旋運行轉(zhuǎn)矩最小值。

為確保電源頻率變化前后的周期相等，約束輸出電源頻率在固定范圍中，設(shè)計出下列最優(yōu)化函數(shù)的約束條件：

(8)

式中：fmax與fmin分別是變頻器可調(diào)節(jié)的頻率極值；T0與T′分別為頻率變化前后的周期時長；tu和td分別表示對應(yīng)周期粉碎系數(shù)；ξ1與ξ2分別表示周期約束系數(shù)。

依據(jù)輸入電源頻率參數(shù)的均方根轉(zhuǎn)矩最小化目標(biāo)函數(shù)，建立電源變頻優(yōu)化函數(shù)，實現(xiàn)最佳多機啟動參數(shù)控制。

2 參數(shù)智能控制方法實際案例分析

2.1 樣品選取

從某礦業(yè)公司選礦廠采集到主要金屬礦物是鈦鐵礦、磁鐵礦，外加少許赤鐵礦、次生磁鐵礦以及褐鐵礦的釩鈦磁鐵礦礦石，該礦石的硫化物成分分別為磁黃鐵礦與少許鈷鎳黃鐵礦等，普通輝石與斜長石為其主要脈石礦物。

礦用離心流動超細(xì)粉碎機所需一個傳送帶的長度是25m，傳送帶的頭和尾之間的高度差是3m，傳送帶上部距地面的高度大約是28m，傳送帶的寬度是1.35m，傳送帶的速度是5.1m/s，由交流電機驅(qū)動，通過減速器與連接器相連。選取10t左右的礦石作為超細(xì)粉碎樣品，該礦樣取自于細(xì)碎粉礦倉，屬于磨礦機給礦，鐵品位含量約為30%，硬度為中硬礦石，約為15，密度值約為4。表1所示為釩鈦磁鐵礦的粒度組成。

表1 釩鈦磁鐵礦粒度組成統(tǒng)計表

由表1可知，釩鈦磁鐵礦粒度質(zhì)量合計可達(dá)4 915.5g，在一定程度上，可為礦用離心流動超細(xì)粉碎機粉碎顆粒帶來較好的粉碎效果。

2.2 操作流程

將5.16m3容積的礦斗置于離心流動超細(xì)粉碎機前方，待破碎礦石稱重后裝滿礦斗，經(jīng)過多機啟動，礦口打開，電振給礦機按照一定速度連續(xù)均勻地給礦，利用1臺螺旋輸送機把物料送進(jìn)粉礦倉，經(jīng)粉碎后由給礦機與輸送機的排礦端排出。每5min采集1次礦樣集中篩選，依據(jù)粉碎機開關(guān)盤上的電度表與電流表以及記錄的1斗礦石粉碎時間，獲取其實際耗電度數(shù)，采用處理量與運轉(zhuǎn)時長，解得單位物料電耗，根據(jù)礦石堆密度計算粉碎機加工量。

2.3 控制效果對比

1)不同給礦粒度下的粉碎效果

利用文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法得到的多機啟動參數(shù)與本文方法參數(shù)做對比，根據(jù)不同的給礦粒度，整理得到下列數(shù)據(jù)對比結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同給礦粒度下各參數(shù)粉碎效果

由圖3可以看出，隨著粒度的不斷增加，多機啟動參數(shù)優(yōu)勢愈加明顯，相對比文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法，本文方法因為根據(jù)實際生產(chǎn)情況，合理、適宜地啟動粉碎機，所以在粉碎一些中硬礦石的過程中，可以很好地碾碎礦石，卻又不會將已經(jīng)磨細(xì)的粉狀礦石再碾壓成餅狀，具有比較理想的磨礦效果。

2)多機啟動參數(shù)對排礦粒度的影響

圖4所示為各方法啟動參數(shù)與排礦粒度之間的關(guān)系。

圖4 各方法排礦粒度對比圖

通過圖4中對比結(jié)果可以看出，相對比文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法，本文方法提供的啟動參數(shù)所得到的排礦粒度更細(xì)，這是因為該方法可以將輸入能量有效轉(zhuǎn)為有用功，通過智能啟動多個粉碎機，粉碎中壓料層，使破碎礦層變薄，并維持破碎間隙，增加排礦粒度的細(xì)度與均勻程度。

3)多機啟動參數(shù)對功耗的影響

啟動參數(shù)除了對粉碎機的生產(chǎn)能力具有影響力，而且與運行功耗也存在一定的相關(guān)性，粉碎礦石過程中各方法的啟動參數(shù)與功耗之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 各方法功耗對比圖

從圖5中的曲線走勢可以看出，由于本文方法可依據(jù)運行條件與情況，智能啟動各粉碎機，電源頻率控制階段是多機啟動參數(shù)控制方法的核心部分，通過對不同粉碎機電源頻率的傅里葉級數(shù)形式進(jìn)行變換，得到每個粉碎機的最佳啟動參數(shù)，因此，比文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法節(jié)省了更多的粉碎能量，大幅度降低了相同給礦量的工作能耗。

3 結(jié)語

智能控制技術(shù)通過拓寬理論與應(yīng)用領(lǐng)域，將自動控制觀點引申至人機結(jié)合、智能互補的方向上，推動智能控制技術(shù)的飛速升級。因為智能控制技術(shù)相對復(fù)雜，不存在統(tǒng)一、規(guī)整的定理、規(guī)則以及定律。所以，研究智能控制方法具有重要的現(xiàn)實性與必要性。離心流動超細(xì)粉碎機是一種可以實現(xiàn)細(xì)碎粗磨的預(yù)碎設(shè)備，該設(shè)備的研發(fā)制造為礦業(yè)應(yīng)用發(fā)展提供了有力的支撐，故本文將智能控制技術(shù)融入礦用離心流動超細(xì)粉碎機的研究中，提出一種礦用離心流動超細(xì)粉碎機的多機啟動參數(shù)控制方法。根據(jù)控制方法的開放性與形式非唯一性，采用創(chuàng)新型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法等，促進(jìn)該領(lǐng)域的研究發(fā)展，爭取實現(xiàn)自動控制的高度智能化，并為離心流動超細(xì)粉碎機的進(jìn)一步開發(fā)奠定了良好的理論基礎(chǔ)。