Моделирование и автоматизация обогатительных процессов. Методы автоматизированного управления технологическими процессами обогащения. Учебное пособие

ных система устанавливает математические взаимосвязи между ними и вырабатывает алгоритмы использования этих взаимосвязей для управления. К таким системам относятся системы, использующие методы регрессионного анализа и нейросетевые системы.

Наконец, имеется целый класс методов и, соответственно, систем смешанного порядка, когда человеческие знания объединяются с полученными аналитическими знаниями интеллектуальной системы. К таким системам могут быть отнесены, в частности, упомянутые выше регуляторы с автоматической настройкой параметров. Здесь человеческие знания выражаются в структуре пропорциональ- но-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, а автоматический интеллект определяет параметры его настройки. К таким системам относится класс нечетких нейронных сетей, в которых структура нейронной сети и выбор функций их активации определяется на основе некоторого априорного человеческого знания, а обучение сети производится с использованием машинного интеллекта.

Если для управления локальными обогатительными процессами применяются как классические, так и интеллектуальные методы, то при управлении обогатительным процессом в целом или его крупными участками предпочтительно применение методов интеллектуального управления производством.

Обобщенно можно сформулировать следующие характерные черты интеллектуального управления: применение адаптивных математических моделей; использование обширной базы знаний при управлении; применение экспертных систем как одного из способов оптимизации принимаемых решений; использование нейронных сетей для моделирования как сигналов, так и системы в целом; применение методов решения задач управления с использованием нечетких множеств.

Представленная на рис. 1 обобщенная функциональная структура ИСУ позволяет получить информацию о состоянии информационной подсистемы провести фильтрацию, получить оценку переменных системы χ = f (y) и при необходимости экстраполировать значения переменных состояния на время τ вперед χ(t +τ) = f (y(t)) . Это позволяет использовать очищенную от помех информацию для решения задач управления.

В подсистеме принятия решений имеется три блока: блок оптимизации; блок базы знаний; блок моделирования. Каждый из этих блоков решает конкретную задачу, используя базу знаний, которая

11

Рис. 1. Обобщенная функциональная структура интеллектуальной системы управления

непрерывно пополняется по результатам управления. Принимаемое решение поступает в подсистему реализации решений, представляющую программно-технический комплекс и исполнительные механизмы. Совокупность используемых подсистем позволяет реализовать различные методы создания искусственного интеллекта, что делает систему управления интеллектуальной.

Необходимо отметить, что разграничение различных интеллектуальных методов весьма условно. На практике применяемые методы имеют в той или иной степени выраженные признаки других методов.

Включение нейронной сети в систему управления позволяет придать ей принципиально новые свойства; система приобретает способность понимать, рассуждать, изучать процессы, возмущения и условия функционирования, накапливая полученные ею знания и целенаправленно используя их для улучшения своих качественных характеристик. Такую систему называют интеллектуальной системой управления (intelligent control system). Поскольку механизм обучения и функционирования такой системы предполагает работу со знаниями, то подобные системы часто называют системами, основанными на знаниях (knowledge based system).

12

2. КЛАССИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Теория автоматического управления (ТАУ) – это наука о принципах построения автоматических систем и закономерностях протекающих в них процессов. Методы ТАУ позволяют выбрать рациональную структуру системы, определить оптимальные значения параметров с учетом регулярных и случайных воздействий, оценить устойчивость и показатели качества процессов управления (точность, быстродействие, статическую ошибку и др.).

Классической теорией автоматического управления принято называть теорию устойчивости и качества процессов в системе «объект– регулятор» на базе обыкновенных дифференциальных уравнений. К классическим методам относят те методы, которые позволяют реализовать работу систем автоматизированного регулирования и управления, в которых на совокупность входных параметров, включая время, всегда вырабатывается и существует определенный набор значений или изменений значений входных параметров процесса.

Методы последовательного (дискретного) логического управления

основаны на анализе текущей технологической ситуации и состояния механизмов и выработке дискретных воздействий типа включить/выключить.

Логическое управление используется для решения следующих задач автоматизации:

–пуска и остановки технологических объектов с помощью некоторой последовательности действий. Такое управление широко используется в поточно-транспортных системах и заключается в автоматическом задании последовательности включения и выключения аппаратов обогатительного производства, обеспечивающей согласованную и безаварийную работу технологической цепи;

–перехода с одного режима на другой при управлении периодическими процессами, когда необходимо циклическое выполнение некоторой последовательности действий;

–защиты технологических объектов в аварийных и предаварийных ситуациях. К логическому управлению относятся автоматические блокировки работы оборудования при возникновении предаварийных и аварийных технологических ситуаций. При этом начальным элементом логического управления может являться предаварийная сигнализация о возникшей технологической ситуации оператору.

13

Автоматизация логического управления осуществляется с помощью аппаратных и программных средств, получивших название

устройств или систем логического управления (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема устройства логического управления:

УУ – управляющее устройство; ИМ – исполнительный механизм; БТ – блок таймеров, предназначенный для организации всех задержек времени; ПУ – пульт управления; x – множество сигналов от автоматических датчиков объекта; u – множество управляющих сигналов, поступающих на исполнительные механизмы; y – множество сигналов ручного управления; i – множество сигналов включения/выключения элементов световой и звуковой сигнализации; d – множество сигналов для отсчета задержек времени; z – множество сигналов из блока таймеров

При построении устройств логического управления в блоке БТ и ПУ обычно используются стандартные элементы автоматики, выпускаемые промышленностью, такие как реле времени, таймеры, светодиодные индикаторы и т.п. В современных системах регулирования все большее распространение получают так называемые виртуальные датчики, представляющие собой комбинацию приборов и программных элементов. Наиболее сложным при проектировании является блок управляющего устройства, так как его схема или программа работы существенно зависит от требований конкретного объекта и алгоритма управления.

В большинстве случаев суть последовательного логического управления заключается в анализе параметров технологического процесса в зависимости от их нахождения в заданных диапазонах, анализе положения элементов оборудования и его состояния (включено/выключено). Логическое управление представлено практически на любых обогатительных фабриках и реализовывалось на релейных схемах жесткой логики задолго до появления современных компьютерных АСУТП.

14

Основной эффект от реализации последовательного логического управления заключается в уменьшении убытков от аварийных ситуаций и сокращения персонала, осуществляющего постоянный контроль за работой оборудования и механизмов.

При работе измельчительного и дробильного оборудования осуществляется постоянный контроль температуры подшипников приводов и контроль циркуляции масла в смазочной системе. Превышение температуры подшипника или остановка протока масла вызывает последовательность аварийных блокировок, начиная от остановки привода мельницы с последующей остановкой конвейеров подачи материала.

При обнаружении нарушений в работе насоса зумпфа (например, его перегрева) или его аварийной остановки может автоматически осуществляться переход на резервный насос. Резервный насос также может включаться без остановки основного при обнаружении превышения верхнего уровня в зумпфе.

При остановке вентилятора аспирации, как правило, включается цепочка последовательной остановке механизмов подачи и переработки сухих пылящих материалов с целью предотвращения недопустимого запыления атмосферы цеха.

При обнаружении ситуаций недопустимого подъема уровня сгущенного продукта сгустителя или высокого содержания твердой фазы в сливе часто предусматривают аварийное максимальное открытие клапана разгрузки сгустителя.

При работе спиральных классификаторов с высокими значениями циркулирующей нагрузки вводятся операции контроля токовых нагрузок приводов спиралей. В случае превышения тока или мощности привода спиралей осуществляется его быстрая разгрузка уменьшением подачи руды в мельницу на заранее заданную величину или снижением подачи воды в классификатор до заранее фиксированного минимального значения.

В современных системах любое включение последовательностей блокировок и аварийных включений сопровождается подачей звуковых или световых сигналов операторам с целью своевременного устранения аварийной или нештатной технологической ситуации. При этом часто в логику анализа вводится фиксирование ситуаций предаварийных состояний с целью опережающей реакции на приближение нештатной ситуации и своевременное их устранение.

Метод автоматической стабилизации параметров технологических процессов предусматривает поддержание значения регулиру-

15

емой величины (например, температуры, давления, частоты вращения) на некотором постоянном (заданном) уровне с помощью автоматических регуляторов, называемых стабилизаторами. Применение метода автоматической стабилизации позволяют обеспечить стабильную производительность и качество продукции, что является задачей всех методов управления.

При автоматическом регулировании управляющее воздействие u(τ) обычно является функцией динамической ошибки — отклонения ε(τ) регулируемой величины х(τ) от ее заданного значения x0(τ), т.е. ε(τ) = x0(τ) – х(τ) (принцип Ползунова–Уатта регулирования по отклонению, или принцип обратной связи, – рис. 3, а). Иногда к автоматическому регулированию относят также управление, при котором управляющее воздействие u(τ) вырабатывается устройством компенсации в функции возмущающего воздействия f на объект (принцип Понселе регулирования по возмущению, рис. 3, б), и комбинированное регулирование по отклонению и возмущению (рис. 3, в).

Для осуществления автоматического регулирования к объекту подключается комплекс устройств (регулятор). Объект и регулятор образуют систему автоматического регулирования (CAP), которая по отклонению является замкнутой, а по возмущению — разомкнутой (см. рис. 3). Математическое выражение функциональной зависимости желаемого (требуемого) управляющего воздействия u(τ) от измеряемых регулятором величин называется законом, или алгоритмом, регулирования. Наиболее часто применяемые законы автоматического регулирования:

П – пропорциональный (статический), U =Kпε ;

τ

И – интегральный (астатический), U = 1 òεdτ ;

T и 0

dε Д – дифференциальный, U =T д dτ ,

где Kп – коэффициент усиления регулятора; Ти и Тд – постоянные времени интегрирования и дифференцирования; ε – рассогласование.

CAP является динамической системой, процессы в которой описываются дифференциальными, дифференциально-разностными и другими уравнениями. Теоретические основы стабилизации параметров разработаны в общей теории автоматического регулирования.

16

Рис. 3. Структурные схемы автоматического регулирования по отклонению (а), по возмущению (б) и комбинированного (в): x0 – заданное значение регулируемой величины; ε – динамическая ошибка (рассогласование); u – управляющее воздействие; f – возмущающее воздействие (нагрузка); x – регулируемая величина; кружком, разделенным на секторы,

обозначено сравнивающее устройство

Большинство регуляторов обогатительных процессов представлено системами одноконтурного регулирования, когда одна стабилизируемая величина поддерживается на заданном уровне изменением одного управляемого параметра. Для обеспечения качественной стабилизации необходимо учитывать динамические свойства управляе-

17

мого объекта по регулируемому и управляемому параметрам и произвести правильную настройку регуляторов.

Метод автоматической стабилизации применяется в системе регулирования щелочности (рН) пульпы. Функционирование системы в целом происходит следующим образом: сигнал о величине рН передается в блок управления, в котором, сопоставляя текущее значение с заданным, на основе ПИД регулятора формируется сигнал о требуемом расходе извести (при цифровом регулировании) или его изменении (при аналоговом регулировании), который передается в контур стабилизации расхода, производящий поддержание требуемого расхода извести путем изменения функционирования дозатора, например сечения шлангового клапана. Таким образом в пульпе поддерживается заданное значение рН.

Классическое стабилизационное регулирование применяется в системах управления плотностью пульпы и расходами реагентов в процессе флотации.

Большинство объектов регулирования обогатительного производства можно в первом приближении представить как объекты первого порядка с запаздыванием. Передаточная функция таких объектов представляется в виде

где Kо – коэффициент усиления объекта; То – постоянная времени объекта (То = Vо/Vп; Vо – объем аппарата объекта; Vп – расход материала в аппарат); τо – время запаздывания объекта по сигналу управления; p – оператор Лапласа.

К таким объектам относятся технологические объекты в следующих системах:

–системы стабилизации расхода руды;

–системы управления расходом воды в технологические процес-

сы;

–системы стабилизации плотности и гранулометрического состава сливов классифицирующих аппаратов;

–системы стабилизации уровня пульпы в зумпфах;

–системы стабилизации уровня пульпы во флотомашинах;

–системы стабилизации количества руды в мельницах.

В качестве регулятора для таких систем чаще всего используются классические пропорционально-интегрально-дифференциаль-

18

ные регуляторы, в которых управляющее воздействие формируется в виде суммы составляющих, пропорциональных текущему рассогласованию значения регулируемой величины (пропорциональная составляющая), суммарному рассогласованию за текущий интервал времени (интегральная составляющая) и текущей скорости изменения регулируемого параметра (дифференциальная составляющая). Математически форма управляющего воздействия – выходного сигнала Uвых ПИД регулятора – может быть представлена в виде

где xвх (τ) – входной сигнал ПИД регулятора (обычно это рассогласование – разность между уставкой и текущим значением регулируемой величины); Kp – пропорциональная составляющая (усиление) регулятора; Tи – коэффициент интегральной составляющей (время изодрома); Тд – коэффициент дифференциальной составляющей (время предварения).

Основной задачей при реализации ПИД регулирования является выбор параметров регуляторов Kp, Tи и Тд, обеспечивающих требуемое качество управления по ряду выбранных критериев. К таким критериям в подавляющем большинстве случаев относится интегральная квадратичная ошибка стабилизации, минимальное перерегулирование и скорость выхода параметра на заданное значение при скачкообразном изменении задания или подачи ступенчатого возмущения.

Настройка регулятора заключается в следующем. Проводится исследование динамических свойств объекта регулирования, которое сводится к анализу реакции объекта на ступенчатое воздействие на вход разомкнутой системы регулирования и определения коэффициента передачи, постоянной времени объекта и времени запаздывания. Эти параметры объекта, приведенные в пояснении к формуле (2), определяются из графика переходного процесса (рис. 4).

Значение коэффициента передачи Ko определяется как отношение изменения выходной величины xвых после завершения переходного процесса к величине заданного изменения входной величины yвх. Достаточно ступенчатого воздействия yвх не более 10 % от диапазона изменения управляющей входной величины yвх. При расчете изменения фиксируются с учетом знака (плюс, если рост, минус,

если уменьшение).

19

Постоянная времени Tо – это условное время изменения выходной величины от начального до нового установившегося значения, если бы это изменение происходило со скоростью, постоянной и максимальной в данном переходном процессе. Для объекта первого порядка, кривая разгона которого представляет собой экспоненту, постоянную времени To можно определить с помощью касательной к любой точке кривой разгона.

Величины постоянной времени объекта Tо и времени запаздывания τо определяются графо-аналитическим методом (так называемым тангенциальным методом) по положению касательной линии, построенной относительно кривой переходного процесса вблизи точки перегиба, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Временные зависимости входного сигнала – управляющего воздействия (а) и выходного сигнала – реакции объекта (б)

Расчетные параметры ПИД регулятора и его упрощенных реализаций в виде пропорционального (П) и пропорционально-инте- грального (ПИ) регуляторов для большинства технологических процессов в обогащении полезных ископаемых приведены в табл. 1.

20