автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматическая оптимизация процесса самоизмельчения руд в барабанных мельницах

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

од

2 * онт ш

На правах рукописи

НОВИЦКИЙ Игорь Валериевич

УДК 622.733 : 621.926.5-52

АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ РУД В БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦАХ

Специальность 05.13.07 — «Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Днепропетровск 1994

Работа выполнена на кафедре управления в технических системах Государственной горной академии Украины

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук,

профессор Чермалых В.М., доктор технических наук, профессор Хорольский В.П., доктор технических наук, главный научный сотрудник Воронов В »А.,

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

• Криворожский филиал Киевского института автоматики (г.Кривой Рог)

доктор технических наук, профессор Качан Ю.Г.

Защита состоится " " Л^^^Щ^х. 1994 г. в часов на заседании специализированного Совета Д.068.08.02 в Государственной горной академии Украины.

Адрес: 320014, г.'Днепропетровск, пр.К.Маркса, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан ¿¿¿¿/¿^ЬЬ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент

В.Т.Заика

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт^альность_темы: Известно, что при управлении производством целесообразно использовать экономические критерии эффективности его функционирования: себестоимость продукции, размер прибыли в единицу времени, рентабельность производства. Однако, в определенных- случая? непосредственное управление технологической линией по этим критерия* оказывается невозможным в основном из-за значительной инерционности обьекта в сочетании с действием неконтролируемых возмущений. Такая ситуация характерна для многостадиальной технологии обогащения руд с большим количеством обратных связей. В этом случае используются иерархические принципы построения систем управления, вводятся промежуточные оценки эффективности функционирования отдельных агрегатов лиши и определяются наиболее эффективные управляющие воздействия на основе анализа и других особенностей рассматриваемой технологии.

Известно, что подготовительные процессы обогащения, связанные с сокращением крупности материала, являются наиболее ресурсоемкими. При этом на измельчение приходится более половины всех эксплуатационных расходов при переработке исходной руды н концентрат. С позиций управления это значит, что экономический критерий эффективности' работы всей технологической линии обогащения является наиболее чуя ствителькым к управляющим воздействиям, приложенным к барабанной мельнице и его значение во многом определяется режимами работы последней. Вышеизложенное и обуславливает первостепенное значение автоматической оптимизации процессов измельчения для повышения эффективности линии обогащения в целом. Эта задача не является новой. Ее решение, как правило, основывалось на использовании информации о характеристиках входного потока и готового продукта процесса помола.

В настоящей работе принят подход, предложенный профессором Марютой А.Н., который основан на использовании при управлении процессом измельчения параметров, характеризующих движение матзрлала во вращающемся барабане и непосредственно связанных с сокращением его крупности.

Связь теми диссертации с государственными.программами. В диссертации отражены результаты НИР, выполненных под научным руководством и при непосредственном участии автора в соответствии с постановлением ГКНТ СССР от 10.03.198бг., программой АН СССР 08.01.Н и ко- * ординационным планом ШКОН Н2, приказом Минвуза УССР от 21.03.1991г. » 78.

является разработка способов и соответствующих систем автоматической оптимизации режимов работы мельниц самоизмельчения руд с точки зрения их производительности по вновь образованному готовому продукту.

заключается в обосновании связи между технологической эффективностью процесса измельчения и интенсивностью колебаний центра тяжести рудной нагрузки, используемой в качестве критерия управления мельницами самоиэмельчения и синтезе на этой основе более простых и практически реализуемых структур систем их автоматической оптимизации.

Ра^ная_п£облема состоит в определении закономерностей движения внутримельничной нагрузки при вращении барабана и синтезе на их основе систем автоматической оптимизации процесса самоизмельчения, обеспечивающих повышение эффективности использования подводимой к рабочему органу мельницы энергии.

Положения.

1. Максимизация производительности барабанной мельницы по вновь образованному готовому продукту является необходимым условием оптимизации технологической линии обогащения в смысле удельных эксплуатационных затрат.

2. В качестве критерия автоматической оптимизации процесса самоизмельчения может быть использована интенсивность колебаний внутримельничной нагрузки при вращении'барабана, поскольку этот параметр определяет работу сил трения во внутренних слоях материала, оказывает влияние на производительность мельницы по вновь образованному готовому продукту, а также поддается оперативному измерению и регулированию.

3. Использование механической модели системы привода мельницы в сочетании с многочаетичной математической моделью движения материала в барабане^ позволяет, в отличии от известных моделей, одновременно учесть случайный характер формирования нагрузочного момента на валу барабана, имитировать прохождение случайного сигнала через электромеханическую систему привода, исследовать влияние технологических и конструктивных параметров мельницы на статистические характеристики сигнала активной мощности приводного

.двигателя и выполнить на основе указанного сочетания моделей комплексные вычислительные исследования объекта управления.

4. Вероятностный характер формирования наблюдаемой экстремальной зависимости интенсипности колебаний рудной нагрузки от

степени заполнения барабана, подчинястцейся нормальному закону распределения и описываемой кривой Гаусса, позволяет реализовать способ экстремального управления мельницами самоизмельчения, отличающийся от известных ускоренным выходом системы в область оптимального технологического режима работы.

Результаты.

1. Многочастичная математическая модель движения материала

в барабане мельницы, основанная', в отличии от известннх, на представлении внутримельничной нагрузки в виде отдельннх элементарных взаимодействующих частиц, позволяющая с учетом случайного характера формирования нагрузочного момента исследовать влияние технологических и конструктивных параметров мельницы на динамику внутримельничной нагрузки.

2. Способ активной идентификации нелинейных динамических объектов,'позволяющий, в отличии от известных способов определять не только параметры, но и структуру математической модели барабанной мельницы по каналу "степень заполнения барабана - интенсивность колебаний внутримельничной нагрузки".

3. Основные требования к алгоритмам переработки информации в системе управления процессом самоизмельчения, которая отличается от известных использованием в качестве параметра оптимизации степени заполнения барабана, а в качестве критерия - интенсивности колебаний внутримельничной нагрузки.

4. Имитационная модель системы автоматического управления из-мельчительным агрегатом, позволяющая для конкретных параметров объекта управления определить оптимальный алгоритм,переработки информации в системе, -а также рассчитать параметры закона управления.

5. Способ экстремального управления процессом самоизмельчения, основанный, в отличии от известных, на аппроксимации зависимости критерия от параметра оптимизации кривой Гаусса, что существенно сокращает время выхода системы в область экстремума.

Наузшая_новизна результатов работы заключается в определении закономерностей колебаний внутримельничной нагрузки, которые сопровождаются усилением истирания исходного материала во внутренних слоях ; в обосновании интенсивности колебаний нагрузки в качестве критерия автоматической оптимизации процесса помола, а также в разработке соответствующих способов и систем автоматического управления.

0босуовалность_и_^стове2ность_нащних _положенийх_выводов_и рекомендация подтверждается применением апробированных методов составления уравнений движения и взаимодействия -частиц, методов спектрального анализа сигналов, математической статистики и теории систем управления, методов имитационного моделирования; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию критерия автоматической оптимизации процесса помола; проверкой моделей на адекватность реальным объектам; положительными результатами испытаний разработанных систем управления на различных обогатительных комбинатах; экономическим эффектом от внедренных систем управления.

Исследования, выполненные в диссертации явились научной основой для разработки и внедрения способов и систем контроля и управления процессом самоизмельчения, основанных на измерении интенсивности колебаний внутримель-ничной нагрузки. Разработанные математические модели объекта и системы управления, способ активной идентификации нелинейных динамических объектов, алгоритмы поиска оптимума могут найти применение на различных обогатительных фабриках черной и цветной металлургии для решения задач проектирования оборудования, анализа и синтеза систем управления объектами обогатительной технологии.

• Научно-технические решения, предложенные в работе реализованы в виде систем автоматической оптимизации режимов работы барабанных мельниц са-ыоизмельчения. Такие системы были внедрены в 1989 - 1990 г.г. для управления мельницами типа МРГ 55 х 75 РОЗ-2 СевГОКа и мельницами МРГ 40 х 75 Р0Ф-3 ИнГОКа с экономическим эффектом 162 тыс.р. Эффект получен за счет повышения содержания аелеза в концентрате до 0,11% и снижения удельных энергозатрат на процесс измельчения..

Апробация_работы. Научные и практические результаты диссертации представлялись на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы разработки и внедрения АСУ ТП агрегатов окускования сыпучих материалов большой единичной мощности" (г. Рустави, 1931 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Развитие теории и практики, совершенствование технологии рудоподготовки при обогащении" (г. Ленинград, 1981 г.), научно-техническом семинаре "Опыт проек-

тирования,разработки и внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессаш окускования и обогащения" (г. Кривой Рог, 1981 г.); зональной научно-технической конференции "Процессы дробления, измельчения, классификации в технологии переработки железных руд" (г. Белгород, 1983 г.), республиканском научно-техническом совещании "Автоматический контроль и управление в цветной металлургии" (г. Ташкент, 1963 г.), республиканской научно-технической конференции "Молодые ученые - прогрессу в области разработки высокоэффективных технологий, средств механизации и автоматизации добычи и переработки полезных ископаемых " (г. Днепропетровск, 1984 г.); технических советах при главном инженере ЛебГОКа (г, Губкин, 1562 - 1984 г.г.).

По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, включая 4 авторских свидетельства.

Структу£а_и_объем_2абота. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 367 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, список литературы из 176 наименований на 20 страницах и 13 приложений на 37 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ обосновывается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, защищаемые научные положения и результаты.

1_ПёЕ§2Ё_Е2'Н£ выполнен анализ существующих технических средств сбора и переработки информации, а также подходов при управлении измельчительными.агрегатами. С учетом особенностей процесса измельчения как составной части технологии обогащения руд, обоснован подход к его автоматической оптимизации, выполнена постановка задач исследования»

Для выбора подхода к автоматической оптимизации измельчения необходимо определить технологическую цель управления мельницей, ориентируясь на экономические показатели работы всей линии обогащения. Для этого необходимо рассмотреть характерный пример, когда один мощный в смысле перерабатываемого потока 0 агрегат I включен последовательно с несколькими менее производительными 2.1, 2.2, ..., 2.п. (рис. I).

Рис. I. Схема типового участка технологической линии

// - качественная характеристика потока, Ц - ресурс, затрачиваемый в единицу времени. Для производства продукции объемом /1 потребуется время 'Г - М/0 » а затраты составят величину 3• Пусть поток 0. является предельным в смысле выполнения ограничения на качество:

нз (I)

где ЭН3/<)р < 0 . В то же время имеется возможность путем выбора управляющего воздействия Ц агрегатом I увеличить О в Ж раз ( Ж > I). Б этом случае для выполнения (I) необходимо увеличить в ж раз и количество аппаратов !■} . Целесообразность этого можно показать, сравнив затраты до и после увеличения й и н :

фпЯ, )М/Ц к,)М/(0-т)=({МЯ/Я > О (2)

В реальных условиях производительность С? зависит от Н, и характеризуется некоторой функцией распределения ^ ($) . При изменении стратегии управления аппаратом I закон распределения 11 изменится - ^ / (? } , а средний поток и число л? увеличатся в М раз. Для оценки целесообразности этого по знаку л 3 получено выражение:

А 3 =(А *»Я,)М/(КЦ) ~(Я (3)

Здесь í <К < уу) и определяется функцией 0) .

Если считать, что I - барабанная мельница, а 2,1 + 2.П -гвдроциклоны или сепараторы, то можно считать что Й »п/?, (поскольку эксплуатационные затраты на измельчение значительно выше, чем на классификацию или сепарацию) и выражение (3) упрощается:

аЗ=Ям*- ЪыЛ - О] - а >о «) •

Полученный результат можно сформулировать в виде следующего Еывода: увеличение производительности мельницы по вновь образованному готовому продукту является необходимым условием оптимизации технологической ликии обогащения с точки зрения удельных эксплуатационных затрат. Этот вывод оказал реп?ю:цее влияние на выбор объекта исследования (барабанная мельница) и технологического критерия эффективности его функционирования (производительность по вновь образованному готовому продукту).

Однако, и настоящее время непосредственное измерение (вычисление) производительности мельниц самоизмельчения по вновь образованному готово?лу продукту затруднено из-за отсутствия соответствующих средств контроля. Кроме того, подобная система опти -мизации с непосредственном измерением параметров входных и выходных потоков оказывается неэффективной из-за значительной инерционности объекта (мельница с классификатором). Компенсация возмущений (свойства входного потока, состояние оборудования) практически невозможна таже из-за сложности измерения этих параметров.

На основе выполненного в работе обзора установлено, что особенностью информационного обеспечения процесса измельчения являются более совершенные средства контроля внутреннего состояния объекта, чем характеристик входных и выходных потоков.

С учетом этого, в качестве критерия управления процессом самоиэмельчения следует использовать один из косвенных параметров, который удовлетворял бы следующим требованиям:

- связь с производительностью по вновь образованному готовому продукту;

- возможность автоматического контроля»

- небольшая инерционность канала управления.

Используемые в известных системах управления косвенные

параметры (например, средняя мощность, шум мельницы) характеризуются неоднозначной связью, с технологическим критерием эффективности.

Критерий автоматической оптимизации должен быть обоснован на базе углубленных исследований внутренней механики барабанных мельниц, и количественно выражать эффективность использования подводимой к рабочему органу энергии.

хо

В качестве источника получения информации при проведении исследований внутренней механики мельниц целесообразно использовать динамическую составляющую активной мощности двигателя с применением спектральных методов анализа этого сигнала.

Таким образом, для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие крупные задачи:

I» На основе исследований внутренней механики барабанных мельниц обосновать критерий автоматической оптимизации процесса самоизмельчения. Решение этой задачи предполагает комплекс теоретических и экспериментальных исследований:

- разработатьна принципиально новой основе математические модели движения нагрузки во вращающемся барабане, позволяющие представить нагрузочный момент на валу барабана в виде случайной функции времени. С помощью этих моделей выполнить исследования динамических свойств внутримельничной нагрузки как источника низкочастотных колебаний;

- исследование закономерностей прохождения информативных сигналов через систему привода мельницы с целью обоснования способа получения оперативной информации о состоянии внутримельничной нагрузки;

- проведение исследований по определению информативных спектральных составляющих мощности двигателя мельниц в смысле оценки динамических параметров нагрузки;

- проведение исследований по установлению и обоснованию связей между информативными составляющими спектра с основными параметрами и технологической эффективностью процесса.

2. Выполнить структурную и параметрическую идентификацию барабанной мельницы самоизмельчения как объекта оптимизации в смысле обоснованного критерия.

3. На основе анализа измельчительного агрегата как объекта автоматической оптимизации сформулировать основные требования к структуре системы управления и процедурам поиска, разработать соответствующие алгоритмы управления, выполнить их сравнительный анализ и выбрать наилучший.

4. Разработать технические средства оперативного контроля

и оптимального автоматического управления процессом самоизмельчения, провести их апробацию в промышленных условиях, определить их работоспособность, технологическую и экономическую эффективность.

Вто2§я_глава посвящена моделированию движения внутриыель-ничной нагрузки при вращении барабана.

Как известно, проблема адекватного описания внутренней механики мельниц не является новой. Однако, практически всем известным моделям присущ характерный недостаток: траектории движения частиц постулируются, а не определяются на основе интегрирования дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с законами механики.

Изучение процессов, происходящих при вращении барабана целесообразно начать с простейшего случая, когда на перемещающуюся о некоторой угловой скоростью поверхность помещено плоское

тело малых размеров (рис. 2а). Положение тела характеризуется

сапучего материала (б) по внутренней поверхности вращающегося барабана, угловой координатой & . Уравнение движения Тела имеет вид:

в 4ь £. (5)

Я - радиус вращения} -&) - зависимость коэффициента

трения от скорости скольжения тела по поверхности. Уравнение (5) имеет качественно различные решения в зависимости от вида функции '(£!-&) . Так, если ^Т(^'Р) /1 , то особая точка на фазовой ' ' ¿ СЛ-е) < и

плоскости {0 ,В) превращается в неустойчивый фокус и в системе (5) возникают колебания.

Уравнение движения сегмента сыпучего материала по перемещающейся поверхности (рис. 26) получается путем интегрирования по углу $ и радиусу Я и структурно не отличается от(5):

Разница состоит в том, vito коэффициенты А, В, С (а, следовательно, и параметры возникающих колебаний) зависят от угловых размеров сегмента &L (рис. 26).

Анализ уравнении (5), (6), выполненный в работе показывает, что при определенных условиях в области перепада линейных скоростей эпюры заполнения возможны колебания внутренних слоев материала нагрузки барабанных мельниц.

Практическое значение этого явления состоит в том, что колебания слоев нагрузки сопровождаются усиленной диссипацией энергии. Так, полученный на основе уравнений (5), (6) результат свидетельствует о том, что приращение работы сил трения ¿>Ajp. за счет колебаний нагрузки прямопропорционально квадрату амплитуды Q этих колебаний:

А Агр. = Т ft ^ (?)

УУ1 - масса тела; Я - радиус вращения; - коэффициент трения.

Однако, рассмотренные здесь аналитические модели к им подобные не позволяют строго рассчитать эпюру заполнения вращающегося барабана, а также учесть фактор случайности при её формировании. Поэтому для изучения влияния технологических параметров процесса измельчения на динамику внутримельничной нагрузки, впервые был предложен принципиально новый метод моделирования - метод частиц. Суть его в следующем. Движение каждой частицы описывается простым уравнением динамики. Кроме того, задается, модель взаимодействия или контакта двух элементарных частиц. Тогда движение всей системы определяется путем решения системы уравнений по числу частиц.

: В случае плоской задачи движение /* -й частицы описывается тремя уравнениями - по осям X и и вращение вокруг оси -угловая координата Lj> :

ñ! + | V.^ -У;.; (8)

J

В лешх частях систвш (0) располопеш сили и моменты сил,, деий-гвуючаз на. > -ы часшиу со сторон« контактирующих с ней \ -х "аспид ,'■/' и барабана /у/ > И - обцее число частиц* Си mi s¡ их юнентп системы (8) определяются выбранной мо-долыз контакта. В наседал работа обоснована целесообразность хгриноявпия вязко-упругой модели контакта Кельвияа-Зкжта, когда я 1гом£|гз конгпяуа нг. частицу действуй? силы: упругая, нормальная дессипотовнааг тангенциальная диоскпативная. В каздыП комевт ?рг,мент! от:: сили могут бш-ь рассчитаны по. известным координатам гаюзнтиружщге чшдаш и гос производным ? которые в свой очередъ ¿находятся инееграровагош* (0)» Тагам образом¿ процедура модели« ротшия представляв cocJoii цшсличное вычисление по времени о иа-' ат тагон»

В соответствии с описанной процедурой разработана программа» ишикрукщая процесс дшшсешт itpyron з барабана. Расчет процесса падения кругов из взвешенного начального состояния до полной их остановки при невращатаценсп барабане позволил проверить модель на адекватность реальнону явлению с точки зрения энергетического баланса»

В_тре2ьей главе выполнено обоснование з качестве критерия автоматической оптимизации процесса самоизмельчения такого параметра как интенсивность колебаний внутримелышчной нагрузки»

Обоснование критерия было выполнено и несколько этапов на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований.

С целью изучения закономерностей динашни внутримелыгочной нагрузки был проведен вычислительный эксперимент на базе разработанной многочастичной модели. В ходе эксперимента для различных скоростных режимов и степени заполнения барабана рассчитывался мгновенный суммарный момент сил TFip , действующий со стороны

1<1

кругов на барабан. В результате анализа ппюр заполнения установка-шея режимов работы, а .также полученных прсцессои Си-

ло установлено:

1. В центре вцутршельнкчноЯ нагрузки при вращении барабана образуется область, в которой практически отсутствует линойноо перемещение частиц. На градине этой области имеет место наиболее резкий перепад линейных скоростей частиц, что создает условия для возникновения колебаний внутренних слоев нагрузки.

2. Е определенном узком диапазоне нпутримельничных заполнений движения нагрузки вызывают усиление колебаний нагрузочного момента с частотой, несколько большей, чем частота оборотов барабана.

Известно, что колебания, возникающие в системе привода вызывают колебания активной мощности двигателя, а этот сигнал удобно использовать а качестве источника информации в системе управления .

Обоснование информативности сигнала активной мощности приводного двигателя было выполнено на основе совмещения механической модели привода мельницы и многочастичной математической модели движения материала в барабане, которые были рассмотрены комплексно, как единая система (рис. За).

Барабан мельницы с приводом представлены в виде идеализированных механических элементов, в внутримельничная нагрузка - в виде оператора, связывающего скорость вращения барабана с нагрузочным моментом. Использование многочастичной модели позволило, в отличии от известных моделей, учесть фактор случайности формирования нагрузочного момента, имитировать прохождение случайного информативного сигнала через систему привода и исследовать влияние технологических параметров процесса на статистические характеристики сигнала активной мощности двигателя мельницы. В соответствии со схемой, содержащей многочастичную модель в виде отдельной процедуры 1л (рис. За) были получены процессы изменения сигнала модности двигателя и рассчитаны соответствующие графики спектрально* плотности для различных степеней заполнения барабана Ц> , При этом степень заполнения задавалась как параметр многочастичной модели, В результате обработки графиков спектральной плотности определен информативный частотный диапазон в спектре сигнала активной мощности, который составляет 1,5 4 2-^Г ' ( частота оборотов барабана) и содержит информацию об ян-

- Теплиешости колебаний нагрузки. На рис;. Ъб представлена полученная при моделировании зависимость мощности спектра информативного диапазона /) от степени заполнения ¿р . С использованием ^ критерия согласия "С' устаноилено, что пта зашюп.'.гаеть формируется по нормальному закону распределения и описывается кривой Гпуосд.

ОКСИОРККС'НГАЯЫП!« ОЙОС1ЮВ9ИИС1.1 !Ш|юрмаТИ1ШОСТ1| сигнала ак-мощности дъмгптсл« яиляитсп иьогочысдегояго слеьтри этого еы-нада, «обученные для ильниц ткноа ¡.Ц'1' -Ю к 7!3, [.МО 70 х 23,

кг- ы> х та, :::,;с х зо > условиях флбрик тг.'.н:, Лсйък, Согт,

Ь спектрах сигпидц исэдности пргздякишшяс мельниц наряду и ссотаг.ля:сз;еН на ч&етото сО'орото : блрабяид уФ'ГГ присутствует гсйтайия-.идая Iр з ш.{ор«атигно.", дигшазонс 1,5 2 ¡'¿У (рнс.4а) л::пдптуда этой состаиляг: ••■) р'?я!со -.озг-лстл«?? а определенном д.!а- г; назоио виутрк!¡злшишалчг.оянеиг»: (р.г. 46), чтп согласуется о ;)^зул!.тат:«!! ¡.'.эделпр'лпая;<. ¡.рис. !

Тглсм устаюалсмо, ч-о знутршелытчпчя югруэки

"1 гфи.у^гс-ч",:. окп-'и^но г.яляетсп искосниксп голебегаК с.определен-япя чястстоМ; п г и; кол:-ог;!шл возник,мпт ко ннутрения:-: пли;;:: и г.: г.итсигстюсп ,г;;нсо ьо:/.растает 11 уэкси динлооол.» внутршель-

:''"'[ !Ш' Г) Г'' ! V1 - ИI" °

Дяд •"■.г.р'.'доцу ~:л с5!г;.- кот.л.у ■лггтл-спяг.ость'э колс<5и:;{Й нагрузят /! ЛрОиЗЬО.'Я.яглЬПО.-'.'ЬУ мьл;-ш;ии ГЮ ЯНОЯЯ 0<Ч ЯЯч го-■ ,> я;г/ лгюду п '-у б.1!1.' пгоьядо! яохяляя• •,гпл;и{Им» л гнпьних ¡¿о— ; •-■лозапкя я уолеялл;: ГО,;--! ЛебГОК.. ионоян;.л; раэу^.^атии :>тш:

лзлягяоя определение г.рляощл)погля1л1!яш..коя яаыя:и- ,

1 гэтп мзсг,у Я1теи?ивиог'аи яолбозя:';; // ц производитсяьностьэ ц'г !3) , инзисзГ. ;„есго раолиш.и-г ю&.адопгспгкпх скем и тк-мель?'.и.

Таким обюзэо',. по.чууныю результат» яиллотся обоснован!!?;!! ¡•.гт&нсивнос!». .чолгоами» -.шчд'акч // в качестве критерия автоматической опткмкэашл процесса самакзйзльчзнпя, поскольку, во-пэр-

это?' пар««ел?' прякоптюиорционалй» технологической эффективности мельнвд: >: я-о-втори;:, поддается опеоативному аьтоматичеоко-¡.:,7 контролю V регулирования. Цель управления - максимизация критерия путем изменения потока исходного материала в мельницу. В качестве параметра оптимизации принята степень внутримельничного заполнения (или средняя моцлость двигателя мельницы), поскольку к этому параметру наиболее чувствителен критерий.

с, С, . у.

^ > А «.1 ЧУЧ а V Уз пг ) ^ Я ц! —Н ^ Л & у

а)

б)

Рис» 3. Математическая модель системы привода и внутримельничной нагрузки (а) н полученная зависимость интенсивности колебаний от степени заполнения (б)

а

П,{ и ' р 0,и р лра

а)

Л

01°0 1 1 э 1

0 1 0 10 1 а *

0 е 1 'о \ \

0

30 40 ¿"0 60 б)

<е,4

Рис. 4. Характерные график спектральной плотности сигнала мощности (а) и зависимость мощности спектра информативного диапазона от степени заполнения (б)

Q-qov,

т/г

so so io

1В

л г - ' и

___

y ■ ' л -

o n,m/¡

Рис. 5. Характерная заььсшость ярокасодигслиюсти пош^л МГР 40зс75 iío Еиоаь оЗрезопашго-чу rooocouy iwícsc.j -0,044 ох иитбиоавлостм KoutJBiWfc нагрузи; Другюш ^Л05пш,08да;?а упрэздеш.ь оостош- ь удг.ала^и сличай точки в раьопо ексгрпглума зашит; toctii mwpun /> i»v av-nu.: ■ заполнения ¿P (ияи средней иощ-юатн) ¡J ' 11 О (ЛÍ:... pe f.; ~ ^ С V ¡ 1 -t:ar;bi¡oii характеристик» под действие!; «cuayivmaí»: cto!:,;.:.

теплил, нинэс оорудоЕал-ш,; >

Чеувартак глава nocí щепа идс!тц«а;вц;и; ».,••,!«■{'.:

как ооъыста управления с y;jr/pon нового o;io»i;ofcaiuiorí< ...... •■¡■¿с

критерия гшраьечра.

На основе априорны" дсшш: oc*¿Kí«ir л иш&и. >:«:„;.. ил •кн процесса изпельчэиия ücpaáaintyo ишмшцу «о иаяо.у > • исходного na'íspKUtü 6/ ~ степсш» агшаыижиь - iii.iúwa к»лч колебаний /}" упрощенно ::ояно преде ¿а.ь/;?ь и «оде сос,:;кц -..«.<. i¡i»2»> циоиныз яинеЯнкх ов&ньеь V1/, и IV, ;; иея:«:ейиоро усзь!:..,»ш.ок-ного, расположенного некду гааш (рне, он),. íbpSKSHiijj; r.mvr бить измерена, Íioovoígr задача состой* к опрадокеш»! згарактсристнки /■¡•fllf') и оцглке шрширок Wj ';«. J^:., i: -

мэсет быть получено трздвциожаш напасших,:;: m4JAs*úsiWi:ü:.bJiy для снятия хаглстористшж /I: f(Lf) t всл-здсл'Еь:л опьчиг&одкм инерционности объоиса; трзбуется 'ía¡:o¡¡ значкгейьяый spw^-ни, за которой сака, характеристика успевает оздребфэп&ть дом-« шем возмущений -

Поэтому для решения поставленной задача иыл резрейог-и.» иоив> способ активной иепараметричаской идентификации нолшюСьщ.-; шгаесвих объектов, который предполагав следующую поеледоьыель-ность действий.

I, Осуществляется монотонное изменение параметра Lf на воег рабочем диапазоне от ¿Д,;,, до на интервале ¡re 5 ь

затем от ¿Д,^ до If,^,^ на интервале ¿"б [¿,;txl[ (рис. 66).

w

M1-

-j

10

го so в)

Рис. 6. Метод идентификации нелинейных о<Нектов

SO èO

2. Фиксируется процессы на выходе: Д [~t) - соответствующий ¿f it) для t^[0',t,~] и Ax(t) -соответствующий ¿/S/2^ для .

3. Решается задача оптимизации:

да = Т[Ш - »у» (5)

где £цр J -"зависимость, которая определяемся цртсси ноют-чзгаш параметра i из функций времени ;

lfJ,(i) « Аналогично i^(if) определяется фушщкякл ¿^ttJ-W AJi) и • w'i'i) - оператор, обратный Wjf) »

В результат?; решечшя задачи (9) определяются: У* , koïo-рое является оценкой параметра инерционной части \Г »а таю.а, нелинейная характеристика /¡^((f ) =.[%*{tf) i- îÎ(if) \/'L 4»Рассчитывается относительная тгрдоно&гь

s = - Ш) /I * h? ,

которая характеризует адекватность струкгури ы&иШшП шордоои-ной части модели W,(7') реал ы гаму объекту,.

Обоснованна способа идентификации ir-ятолнопо тзорйтичзтел пущен формулировки и доказательства соответствующей seopsr::,

Преимущество:! способа по сравнения с изгсстниги яаяяе&ся су> щестгенное сокращение времени отбора информации об оббейте (<г,,н-. тичоски oie время ркз. б), что для инерциошшх об*>екто;з

подперденнет возцутошияи но»е? иметь рошащцое зиааенн.г»

На осиобз разработанного способа была выполнена вдздзд^ь кация зависимости критерия /\ ох* отопопи ьиутрцмелытчааго заполнения tf> и установлено« то эта заоиоимоозд /ifif} наилучшим обрззоы аппроксимируется криво4«' Гаусса: С - ÙLlîîII

fi - яГ* £ ^

В то ие время, из теории колебаний известно» чхо при пара-магричсском резонансе в системах с нелинейной диссипацией туда установившихся колебаний в области их возникновения »¡Miav постоянное значений4

С учетом этого, зффек? "размывания" наблвдаеиои аавйсййоогя /¡(¿fJ) объясняется, во-первых, случайным характером ^оршрованияе: эпюры заполнения барабана, Во-вторых, при стабилизации степени ■заполнения if или его регулярном изменении вто-г параметр содержит случайную составлюхдув »распределенную по закону близкому к

нормальному со среднеквадратическиы отклонением ¿у того же порядка, что и диапазон возникновения колебаний -г■ . В этом случае при наличии сглаживающих элементов в структуре объекта (инерционность измерительного канала, устройства) на его выходе будет наблюдаться экстремальная зависимость » так как показания измерительного устройства будут определяться заштрихованной площадью на рис- 7а.

Тогда структура объекта управления может быть представлена схемой» в которой на выходе инерционного звена с запаздыванием действует аддитивная помеха £^ (рис. 76).

Таким образом, цель управления заключается а поддержании задания по заполнению на середине диапазона возникновения колебаний *" -г Цх или рабочей точки в.райбие экстремума наблюдаемой характеристики (\{Ц) • ,

§_1>2!12В_Е2<?2ё разработаны основные требования к управляющей части системы, алгоритмы управления и выполнена их сравнительная оценка с целью выбора наилучшего.

На основе выполненных теоретических исследований сформулировали четыре основных требования, определяющих структуру управляющей части системы:

1. Способ управления должен быть основан на получении и анализе информации <сб интенсивности колебаний рудной нагрузки и степени заполнения барабана.

Этим условием определяется структура САУ с обязательным контуром регулирования заполнения Ср . На основе аналитических исследований доказано, что отсутствие этого контура приводит к недопустимым колебаниям параметров процесса при регулировании.

2. Необходимо ограничить диапазон поиска по параметру оптимизации.

Это требование определяется свойствами наблюдаемой экстремальной зависимости : с одной стороны - зона дрейфа характеристики не бывает больше 8 - 10 % заполнения, с другой стороны - возможна потеря чувствительности поисковой системы вдали от экстремума, где Э/1/З^Лг0-

3. Процессу поиска следует придать квазистационарный (шаговый) характер. Величина шага должна выбираться из условия минимума суммарной опибки за счет инерционности объекта и дрейфа экстремальной характеристики.

Рис» 7. Нелинейная экстремальная зависимость (а) и структурная схема (б) объекта управления

Необходимость шагового поиска определяется прежде всего значительной инерционностью объекта в сочетании с высоким уровнем помех в информационных сигналах. В работе показано, что существует оптимальная в смысле суммарной ошибки величина шага и приводится методика его определения.

4. Процедуру поиска необходимо разделить на два птапа: выход в область экстремума и удержание экстремума.

Сформулированные требования являются основой для разработки конкретных алгоритмов поиска.

В работе рассмотрены удовлетворяющие требованиям возможные группы поисковых алгоритмов с точки зрения их сравнительной эффективности в смысле времени выхода системы в район экстремума и функционала ¿¡Ь на этапе удержания экстремума. Эти исс-

ледования выполнены с использованием имитационного моделирования работы поисковой системы. Модель САУ (рис. 8)-включает следующие элементы: блоки 1,2 - мельница; 3,4,5 - классификатор} 6,7,8, 9 - измерительные каналы и датчики; II, 12, 13 - регулятор; ¿2» ¿з - случайные процессы. В результате установлено, что наиболее эффективными являются алгоритм, основанные на аппроксимации зависимости Д((?) кривой Гаусса. Соответствующие поисковые процедуры предусматривают по трем измеренным парам ( А; ) / =1,3 вычисление непосредственно координаты точки оптимума:

/ . А/У -

Система (Г1) может быть решена относительно М :

,п - м - Ь(я,/й> )•№-уА-^ШШ*-

^^ Л, /4 /А3 №,- №) - £>, М/Л Ж -Щ)

Таким образом, в результате теоретических исследований с использованием многочастичной модели, а также идентификации объекта была определена структура зависимости А от (кривая Гаусса) , что позволило свести задачу поиска экстремума к задаче идентификации параметров , Б", С в (II) и разработать соответствующий эффективный способ управления.

В_шестой_главе решаются задачи технической реализации средств контроля и управления, а также юс апробации в промышленных условиях.

Измерительное устройство предназначено для оценки интенсивности колебаний рудной нагрузки по колебательной активности сиг-

Хт

-V

((-Кг)

Тор+1

X, к, е*р Хз (Г,-П< <)Р+( *4 14

* Т.Р + 1 К1

11г

Ха

ТгР+1

Хю

Хэ

Ър+1

(та

х>5

Х,г

Рис. 8. Имитационная модель системы автоматического управления процессом самоиомельчения

нала активной мощности двигателя мельницы в информативном диапазоне частот. Его основу составляют аналоговые электронные полосовые фильтры» настроенные на соответствующий диапазон частот.

Уровень выходного сигнала устройства прямопропорционалсн мощности спектра информативного диапазона.

Структура управляющей части САУ зависит от количества объектов управления и конфигурации измерительных цепей на фабрике. В ДГИ разработан на основе приведенных здесь теоретических исследований вариант системы, реализованный на базе микроконтроллера и управляющий восемью мельницами.

Для оценки эффективности разработанной САУ в условиях Р0$-2 СевГОКа проведены сравнительные испытания системы автоматической оптимизации и системы стабилизации средней мощности. В ходе испытаний путем отбора проб определялась производительность мельницы по готовому классу - 0,05 мм и по вновь образованному готовому классу, а также расход электроэнергии. В результате обработки данных установлено, что система оптимизации по сравнен™ с системой стабилизации позволяет:

- повысить содержание готового класса в сливе классификатора на 2,5 %',

- повысить производительность мельницы по вновь образованному готовому классу на 6%;

- снизить удельный расход электроэнергии на 10,5$.

Система оптимизации,' управляющая восемью объектами внедрена

в 1989 году на РСЗ-2 СевГОКа на мельницах ШТ 55 х 75 и в 1990 году на РС$-2 ИнГСКа на мельницах МГР 40 х 75. Экономический эффект 162 тыс.руб./год получен за счет повышения содержания железа в концентрате до 0,11$, а также за счет снижения расхода электроэнергии.

Здесь же, в шестой главе, намечены три основных перспективных направления исследований в развитие разработанного подхода к интенсификации процесса помола руды в барабанных мельницах: расширение вектора параметров автоматической оптимизации при управлении, оптимальное проектирование узлов конструкции мельниц с использованием разработанных моделей движения внутримельничной нагрузки и введение внешних воздействий, способствующих резонансной' передаче энергии от рабочего органа барабана ко внутренним слоям загрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное содержание работы и её результаты могут быть сформулированы в виде следующие тезисов:

1. При решении задач проектирования оборудования, технологических схем и систем управления процессами рудоподготовки необходим комплексный подход. Если следовать этому подходу, то производительность мельницы по вновь образованному готовому продукту будет являться объективным критерием, определяющим эффективность работы всей технологической линии обогащения. В работе показано, что максимизация производительности мельницы по вновь образованному готовому продукту является необходимым условием оптимизации работы всей технологической линии.

2. Выполненный обзор источников и анализ объекта позволил сформулировать проблему автоматической оптимизации процесса самоиэ-мельчения, суть которой состоит в следующем: система управления

по отклонению с непосредственным измерением характеристик выходного потока мельницы оказывается неэффективной из-за значительной инерционности объекта. Кроме того, отсутствуют соответствующие средства автоматического контроля. Компенсация же возмущений (свойства исходного потока) также невозможна из-за отсутствия датчиков.

Поэтому для автоматической оптимизации процесса самоизмельчения необходимо в качестве критерия обосновать параметр, отражающий технологическую эффективность процесса и поддающийся измерению и регулированию.

3. Такой критерий оптимизации обоснован на базе углубленных исследований внутренней механики барабанных мельниц. Анализ полученных уравнений движения плоского тела и сегмента материала по внутренней поверхности вращающегося барабана показал, что при определенных условиях во внутренних слоях нагрузки мельниц могут возникать колебания. Показано, что такие колебания сопровождаются приращением работы сил трения, которое пропорционально квадрату амплитуды колебаний.

4. Для исследования зависимости параметров возникающих в нагрузке колебаний от технологических переменных с учетом фактора случайности формирования эпюры заполнения была разработана многочастичная математическая модель движения материала в барабане. В результате проведения вычислительного эксперимента на многочастичной модели установлено, чтопря определенной ютепени заполнения бяря-

бака интенсивность колебаний нагрузки резко возрастает.

5. Для обоснования канала получения информации о процессах, происходящих н барабане, разработала модель электромеханической системы привода мельницы. Показано, что система привода по каналу "момент на валу барабана - активная мощность двигателя" работает как фильтр низких частот, пропуская сигналы с частого"! порядка частоты оборотов барабана.

6. Использование механической модели привода в сочетании с многочастичной математической моделью движения материала внутри барабана позволило исследовать влияние технологических параметров процесса измельчения на статистические характеристики сигнала активной мощности ДБкгателя мельницы и обосновать этот сигнал в качестве источника информации об интенсивности колебаний негрузки. Так, в результате вычислительного эксперимента бил установлен информативный диапазон частот в спектре сигнала мощности и получена зависимость интенсивности сигнала в этом диапазоне от степени заполнения.

7. Экспериментальные исследования спектра сигнала мощности промышленных мельниц типов ШС 70 х 23, Г.ГС 90 х 30, ИГР 40 х 75, !>5РГ 55 х 75, проведенные в условиях комбинатов ТГШ, ЛГОК, СевГОК, ИнГОК подтвердили полученные теоретические результаты;

- внутримелЬничнзя нагрузка во вращающемся барабане является источником низкочастотных колебаний системы привода мельницы и активной мощности её приводного двигателя;

- частота этих колебаний находится в диапазоне 1,5 * 2^: ( частота оборотов барабана);

- при определенной степени внутримельничного заполнения интенсивность этих колебаний резко возрастает.

8. Экспериментальные исследования, проведенные на Р0Ф-1 ЛГОКа позволили установить лрямопропорциональнузо корреляционную зависимость в рабочем диапазоне заполнений барабана, между производительностью мельницы по вновь образованному готовому продукту и интенсивностью колебаний.

9. Таким образом, интенсивность колебаний рудной нагрузки целесообразно использовать в качестве критерия автоматической оптимизации процесса самоизмельчения» поскольку этот параметр пря-мопропорциокален технологической эффективности процесса, но;кет быть оперативно измерен и поддается целенаправленному изменению.

Цель управления - максимизация критерия путем регулирования степени заполнения.

11. Сформулированы основные требования к организации структуры системы управления и процедурам поиска оптимальных режимов работы мельниц самоизмельчения.

12. Разработан способ экстремального управления процессом измельчения,основанный на аппроксимации экстремальной зависимости кривой Гаусса и отличающийся ускоренным выходом в район экстремума.

13. Путем аналитических исследований, а также на основе имитационного моделирования показано, что для управления процессом самоизмельчения этот способ, основанный на аппроксимации,является наиболее эффективным среди других, удовлетворяющих требованиям (п. И).

14. Для автоматического измерения интенсивности колебаний нагрузки разработаны электронные устройства, основу которых составляют полосовые фильтры, настроенные на информативный диапазон частот. Управляющая часть системы реализована на базе современных средств переработки информации и управления.

15. Испытания системы автоматической оптимизации в промышленных условиях показали, что она позволяет улучшить по сравнению с системой автоматической стабилизации следующие показатели; увеличить производительность мельницы по вновь образованному готовому классу на 6$; снизить удельный расход электроэнергии на 10,5$.

16. Системы оптимизации, управляющие 15-ю мельницами внедрены на ОФ СевГОКа и ИнГОКа в 1989 - 1990 г.г. Экономический эффект 162 тыс.руб. получен за счет снижения расхода электроэнергии и повышения качества конечного концентрата на 0,11$.

Содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах:

1. Марюта А.Н., Новицкий И.В, Разработка и испытания в промышленных условиях устройства диагностики состояния внутримельничной нагрузки// Системы управления технологическими процессами. - Новочеркасск, изд. НПИ, 1981 г,

2. Марюта А.Н., Новицкий И.В. О сигнале активной мощности приводных двигателей барабанных мельниц в узкой полосе инфранизкого диапазона частот// Горная электромеханика и автоматика, 1982.

3. Марюта А.H,, Новицкий И.В., Мамонов С.Г., Колесниченко C.B. Промышленные испытания устройств технологической диагностики барабанных мельниц// Горный журнал. - 1262. - "9.

4. Марюта Л.Н., Новицкий И.В. Имитационное моделирование оптимального режима измельчения руд для оценки техннко-экономи-ческой эффективности," В сб.: Повышение эффективности функционирования экономико-производственных систем. Днепропетровск: ДГУ, 1985.

5. Новицкий И.В. Численный метод решения задачи о движении тяжелых кругов в барабане. Деп. в УКРНИШТШ № 2288 Ук-87, 24.07.87.

6. Новицкий И.В. Разработка матемаигческой модели движения шаров в барабане для исследования мехеники измельчающей среды барабанных мельниц. Деп. в УКРНШЛИ )? 891. Ук-89, 11.04.88.

7. A.c. 1386302 СССР, ИКИ В02С 25/00. Система автоматического управления барабанной мельницей/ Мамонов С.Г., Новицкий И.В., Григорьев В.Б. и др.

8. A.c. 141281X СССР, НКИ В02С 25/00. Способ управления барабанными мельницами/ Григорьев В.Б., Мамонов С.Г., Новицкий И.В. и др.

9. Новицкий И.В. Математическая модель внутренней механики барабанных мельниц// Изв. вузов. Горный журнал. - 1989 - Г' 4.

10. Новицкий И.В., Григорьев В.Б., Мамонов С.Г» Испытания системы управления рудкогалечной мельницей в условиях РСФ-2 СевГОКа// Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1990. - № 2.

И. A.c. 1648563 СССР, Ш1 В02С 25/00. Способ управления ба-рабанньми мельницами/ И.В.Новицкий, В.Б.Григорьев, С.Г.Мамонов и др.

12. Новицкий И.В., Григорьев В.Б., Бульба В.И, и др. Система автоматического управления рудногалечнымн мельницами// Горный журнал. - 1990. - № 5.

13. Новицкий И.В. Моделирование движения внутримельничной нагрузки барабаннь:х мельниц методом частиц// Изв. вузов. Горный журнал. - 1991. - PI.

14. Новицкий И.В, Идентификация статических и динамических характеристик объектов автоматизации обогатительных фабрик// Горная электромеханика и автоматика - 1990 - Вып. 57. - с.44-48.

15. Новицкий И.В. Электромеханическая модель системы привода барабанных мельниц// Горная электромеханика и автомалика. - 19Э1< - Вып.58. - с.77-80.

16. Новицкий И.Б. 0 комплексном подходе при решении задач проектирования и автоматизации-технологической линии обогащения РУД// Металлургическая и горнорудная промышленность - 1992. - № 2.

17. Новицкий И.В. Идентификация барабанных мельниц самоизмельчения как объектов автоматической оптимизации// Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1992. - № 4.

18. Новицкий И.В., Панченко В.В. Основные принципы построения поисковых процедур при управлении барабанными мельницами самоизмельчения. Деп. в УкрИНТЭИН 23.10.92, № 1728 - Ук.92.

22. Новицкий И.В., Качан Ю.Г. Обоснование информативности сигнала активной мощности приводных двигателей барабанных мельниц. Днепропетров. горн, ин-т - Днепропетровск, 1993. Деп. в ПГГБ Украины 10.06.93, № 1131 - Ук.93.

Всего по теме диссертации опубликовано 27 печатных работ.

Личное участие соискателя в работах, опубликованных в соавторстве: 1-3 -. разработка устройств диагностики, организация и проведение экспериментальных исследований(испытаний, обработка и анализ их результатов; 4 - разработка имитационной модели, проведение вычислительного эксперимента; 7 - разработка структурной схемы системы; 8 - предложено изменять мгновенную скорость вращения барабана мельницы с частотой колебаний её нагрузки; 10, 12 - разработка системы- управления и организация её испытаний; II - предложено измерять степень заполнения и стабилизировать её на данном шаге управления; 18 - разработка и обоснование основных принципов построения поисковых процедур; 19 -разработка моделей, постановка и проведение вычислительных исследований, обработка и анализ их результатов.