PID模糊控制系统在某白钨选矿厂生产中的应用

王国贝 郑灿辉,2 赵兵兵

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司；2.西安建筑科技大学材料与矿资学院)

自动化控制技术自上世纪40年代被开发以来取得了巨大的进展，主要经历了定值控制、二位控制、参数检测与显示、自动适应控制、最优控制等应用过程，并逐步向更高级别的控制技术发展[1]。目前自动化控制系统主要基于信息反馈原理，反馈理论包括比较、测量、执行3个要素。反馈理论的关键是在系统做出正确的比较和测量后，才能更好地对系统进行纠正。PID模糊控制系统是最为常见的回路反馈部件，也是整个控制系统的核心部件之一。PID模糊控制系统把接收到的数据和设定值进行比较，根据比较差值计算新的输入值，目的是让系统的反馈值接近或保持在设定值附近。跟其他控制运算有所不同，PID模糊控制系统可以自动根据反馈的历史数据与设定值的差别来调整输入值，使得系统反馈值更准确、稳定，更好地纠正系统数据。

近年来PID模糊控制系统得到较快发展，广泛应用于各个控制领域，特别是在难以精确建模的复杂控制领域中进展较快。PID模糊控制技术在选矿过程中的应用，特别是在提高选矿指标、劳动生产率和降低生产成本方面成效显著，逐渐受到业内人士的青睐[2]。

1 PID模糊控制系统工作原理

PID自动控制系统经过不断发展，目前已成功应用于诸多领域，是生产中最常见的传统控制方法[3]。由于控制对象的不同，PID自动控制系统参数很难根据不同的控制对象自动变化，具有局限性。为使PID控制器具有较强的适应性，使控制器参数具有自动调整功能，可以使用PID模糊控制理论去实现[4]。

目前PID模糊控制在自动化控制领域扮演着非常重要的角色，将成为控制技术研究与应用的重点，应用领域越来越宽、被控制对象越来越复杂，控制技术也越来越精细化，以PID模糊控制为原理的控制器是控制中不可缺少的基本单元。

PID模糊控制系统主要包含知识库、定义变量、逻辑判断、模糊化、反模糊5个部分，模糊控制原则是模糊控制器的核心技术，直接影响到控制器的控制功能实现，其中专家模糊控制系统的建立主要有以下3种方式：

(1)操作工的操作。选矿过程一般比较复杂，在选矿系统中一般无法用常规的控制理论进行正确控制。比较熟练的操作工在无控制模型的条件下也可以成功控制系统，因此记录下操作工的操作方式，将其整理成if…then型式，即可组成一组控制原则。

(2)专家的经验和知识。经验丰富的专家在获得系统反馈的信息后，将其改为if…then型式，即可构成模糊控制库。通常情况下，为获得最佳的系统控制功能，经常需要进行多次试误以修正其模糊控制原则。

(3)学习。为持续改进模糊控制器的功能，需要让其具备自我学习和组织能力，使模糊控制器能依照系统设定目标自动增加、修改模糊控制原则。PID模糊控制原理将偏差比例、积分和微分通过线性组合的方式构成控制对象进行控制，PID模糊控制原理系统示意见图1[5]。

图1 PID模糊控制原理系统示意

PID模糊控制具有适应控制对象变化的能力，最普遍的变化是量化因子、比例因子的自动调整，根据控制器在线识别效果对系统参数进行自我修复，改善控制效果[6]。在实际应用中，以误差的变化率和误差作为模糊控制器的输入端，用于满足不同阶段误差变化率和误差的自动调节。用模糊控制原则对PID模糊控制参数进行修正，组成PID模糊控制器，比一般常规PID控制器具有能明显改善控制系统动态性能的特点，易于操作，便于实现，抗干扰能力更强。PID模糊控制器结构见图2。

图2 PID模糊控制器结构

2 应用实践

2.1 磨矿—分级的自动控制

选矿过程中的磨矿—分级作业是一个多因素变量，而非线性控制，其控制是目前较难解决的问题之一。考虑到磨矿分级是传统的单输入输出控制，可以尝试使用PID模糊控制来解决。PID模糊控制是运用语言变量结合模糊理论而形成的控制方法，不需要对控制对象建立比较精确的模型，只需总结完善操作人员的工作经验即可，从而跳过控制对象的不确定性因素影响，增强系统的可控制性。

洛阳栾川钼业集团股份有限公司某白钨矿矿石性质的复杂性、特殊性决定了选矿过程的复杂性、特殊性，劳动生产率很低。选矿厂回收车间磨矿自动控制系统通过设置磨矿分级工艺参数来控制磨机给矿量、磨机电流、返砂量、溢流浓度和细度等对象，并根据反馈结果分析判断磨矿分级作业运行的稳定性。PID模糊控制系统可以使控制效果达到最佳状态，实现对局部工艺或全部工艺的自动控制，并及时对接收到的信息进行分析反馈，人性化的操作界面简单实用。

2.2 浮选的自动控制

影响浮选作业的因素较多，主要有浮选浓度、磨矿细度、药剂添加制度、浮选时间和矿浆温度等。只有控制好作业参数，才能避免作业指标出现较大波动。浮选过程中控制的目标：①根据生产工艺要求，严格控制浮选过程中的液位和充气量，稳定浮选过程；②通过对整个浮选过程的自动控制来实现浮选过程的稳定运行；③针对浮选过程中矿浆的流量、浮选浓度、产品在线检测结果等，调整药剂添加制度，保证浮选效果的稳定。

严格的精矿质量、频繁变化的矿石性质是浮选过程控制的难点，最佳生产指标、最优药剂添加制度、适当的泡沫层厚度是浮选过程中3个重要的控制参数。洛阳栾川钼业集团股份有限公司某白钨选矿厂回收车间采用“彼得罗夫法”回收白钨矿，选矿工艺复杂、加药点多。针对工艺特点采用浮选过程自动控制系统对生产指标进行跟踪管理，主要通过以下几种方式实现自动控制。

(1)事故原因分析。当生产指标低于系统设置目标时，作为1次事故进行分析，对可能影响白钨矿品位、回收率的因素进行判断，利用生产指标和药剂添加量的模糊值判断矩阵，使用神经网络图进行辨识，查明生产指标异常的原因，最后对系统控制进行调整。

(2)目标下限的设定和目标模糊化。把生产过程中对指标表述的5个模糊值很低、较低、一般、较高、很高与指标变化情况的5个模糊值速降、缓降、平稳、缓升、速升对应设置。根据白钨矿品位和回收率在系统中的设定下限，对每一个控制指标给出药剂添加量的模糊值。

(3)模糊原则的设置。根据现场操作人员的经验和相关技术人员对异常指标的调整，建立对应的模糊原则库。模糊原则库由if…then条件组成，在if的后面列出决策条件，即主要的控制参数，在then的后面给出决策结果，即控制参数的调整范围、方向等。

生产实践表明，在使用PID模糊控制系统情况下，白钨精矿品位提高5个百分点左右，回收率提高10个百分点左右。

3 结 论

PID模糊控制系统是在原PID自动控制理论的基础上不断融合高速发展的其他控制理论、不断提高和完善控制功能形成的，解决了以前难以解决的诸多复杂问题，并收到了满意效果。PID模糊控制系统本质上都是为获取、修改、完善控制系统的原则和隶属函数，可以解决控制过程中的强耦合、非线性等问题，不需要清楚知道被控制对象的精确数字模型，且适应能力较强。

某白钨选矿厂通过在磨矿—分级和浮选作业中应用PID模糊控制系统对相应的作业参数进行自动控制，取得较为理想的效果，白钨精矿指标得到明显改善。