1　問題提出 　　重介法選煤是三大選煤工藝之一。在重介選煤工藝中，重介懸浮液的密度是決定精煤質 量和產率的主要參數。懸浮液的密度過低會導致精煤灰份增加，而密度過高會使精煤的產率 下降。這些都會影響選煤廠的經濟效益。因此，國內外的許多選煤廠都對重介懸浮液的密度 實行自動調節和控制。 　　目前國內外的重介密度控制系統，無論是常規儀表控制，還是計算機控制，基本上都使 用PI調節。由于重介密度控制系統模型復雜，影響因素較多，因此普通PI調節器的效果欠佳 。這主要是由系統的穩定性與快速性之間的矛盾難以兼顧造成的，即使是某些先進的控制系 統 ，也時有振蕩現象發生。有人把這些現象歸咎為調節器參數調整不當，也有人認為原因是系 統內存在時間滯后。 要找出這些問題的主要原因，必須對重介密度控制系統的數學模型加以深入研究，找出 其內在原因。本文正是從這方面著手，首先對重介密 度控制系統的數學模型加以研究，找出影響控制質量的主要原因，并針對這些原因提出一種 適于工程應用的控制方法。計算機仿真結果表明，這種方法的效果是令人滿意的。 　　2　 數學模型研究 在一個典型的重介選煤懸浮液循環流程中，其主洗產品為精煤，再洗 產品為中煤。由于選煤廠的經濟效益主要取決于精煤質量與產率，所以我們主要考慮主洗系 統的重介懸浮液密度控制問題。 主洗系統的重介懸浮液由介質泵提升至定壓箱內，再由定壓箱流 入主洗分選機，這部分懸浮液的密度應是合格的。由分選機流出的懸浮液部分直接回流主洗 介質桶，部分由脫介篩經分流箱1分流，其中一部分回流主洗介質桶，一部分回流稀介質桶 。為研究方便，我們將這兩部分回流至主洗介質桶的流量用F2表示，在后面的仿真中， 我們 令F2的下限大于零，以表示從分選機直接回流主洗桶的那部分流量。回流至主洗介 質桶 的懸浮液，由于經過脫介篩，所以其介質量受到損失，密度下降。同時流入主洗介質桶的還 有從分流箱2分流過來的再洗系統的高密度懸浮液。 　　重介密度控制系統的任務是，保證主洗介質桶內的懸浮液密度為恒定值。因此，我們首先分 析主洗介質桶內懸浮液密度變化的情況。根據物料平衡原理，在Δt時間內流入主洗介質桶 內的干介量與流出的干介量之差，即為主洗介質桶內干介量的變化。假定主洗介質桶內的介 質是均勻的，則有下式。（略） 　　從上式可看出，影響主洗介質桶內介質密度的因素有，F1、F2、F4、F 5 、d2、d3、d4、U。其中，F1、d4是常數，d2、d3分別由主洗和再洗過程決 定，無法作為控制變量。而懸浮液的體積U也是一個變化的量，它與流入和流出主洗介質 桶的流量有關，如下式所示。（略） 　　我們最終要控制的參數是d1，從（2）式可以看出，如果U是常量，則被控過程為一個慣 性環 節，但如果U是一個變量，問題便復雜了。事實也是如此，在選煤過程中，介質桶的液位 是經常變化的，所以U也是變化的。從（3）式可以看出，影響U的因素有F1、F2、F4 、F5，其中F1是常數。 這樣，對于重介密度控制系統來說，我們有2種控制方案供選擇。一是將整個系統 看成是一個有2個輸出（d1、U）3個輸入（F2、F4、F5）的多變量系統，按多變 量系統的方法進行控制。但這種方案實現復雜，且從（2）、（3）兩式可以看出，這2個輸 出之間的耦合是非線性的，這就使問題更加復雜了，所以工程中一般不采用。 　　另一種方案是將U和d1分別看成是2個單輸出系統，用一個控制系統來保持U為常值， 另一個控制系統來保持d1為常值。但這種方案在工程應用上過于復雜，成本過高。所 以實際中最常見的控制方案是，由向主洗介質桶內加水來保持桶內的懸浮液不致過多或過少 。具體辦法是，當液位高度降至下限時，打開進水閥門；當液位高度升至上限時，關閉進水 閥門。即，F5是開關控制。這樣就大大簡化了系統結構。但帶來的問題是，引起U的大幅 度變化，以致影響到d1的控制精度。 　　從式（2）可看出，當U變化時，相當于系統的時間常數發生變化，我們可以根據這 種變化來改變調節器參數，使得系統在變化時，仍能運行在最佳狀態，這種方法即本文所提 出的變參數PI調節器，從下面的仿真可以看出，這種控制方法的效果是令人滿意的。 　　此外，由于密度檢測裝置與主洗介質桶之間有一定的距離，所以導致了純滯后，但我們 將從下面的仿真模型中看到，這個純滯后將不是主要影響因素。 　　3　仿真模型 現在我們以（2）、（3）兩式為基礎進行計算機仿真研究。根據選煤廠的工藝情況，我 們在仿真時做如下假設；主洗介質桶容積為10m3； 介質泵排除口徑為100mm，流量為150m3/h； 介質泵至定壓箱的距離為30m； 主洗懸浮液比重期望值為1.4； 再洗懸浮液比重期望值為 1.8。 由以上假設可以得到：U的變化范圍為0～10m3； F1=0.0417m3/s；F2的變化范圍為0.01～0.0417m3/s； F4的變化范圍為0～0.03m3/s；F5為兩位式，即0或0.01m3/s； 延時τ=5.31s（按管路長度為30m計算）。 由（2）式可以看出，主洗介質桶作為一個慣性環節，其時間常數為U/F1。若U=5 m3，則時間常數為120s，延時時間與此時間常數比較起來要小得多。因此，我們可以說， 延時在重介密度控制系統中并不起主要作用，可以忽略。首先，我們按兩個單回路系統進行控制，用F2作為控制變量，將U控制在8m3；用 F4作為 控制變量，將d1控制在1.4。將F5作為一個固定的擾動，即F5=0.01m3/s。 得到2個回路控制方程。（略） 圖1　U=8時的仿真結果（略） 圖2　在到達穩定以后，U給一擾動時的仿真結果（略） 圖3　F2、F4分別控制U和d1時的仿真結果（略） 在主洗懸浮液密度控制中，采用PI調節器，即　　 按二階最佳系統綜合，取KC2=0.1，Tτ2=25。 在重介法選煤工藝中，還有一個參數影響到選煤效果，即重介懸浮液的黏度。 在實際工程中，要考慮黏度問題。一般解決的方法是，在回流到主洗介質桶 的懸浮液中，分流出一個固定的部分，流入稀介質桶。這時F2就是一個常數了，在仿真 中我們取F2=0.03m3/s。當然，這時F2也不能作為控制變量來控制U了。這時可 利用向主洗介質桶內加水來維持U在一定范圍內，由于水的流量是兩位式的，所以也要采取 兩位式控制方法。設U降至2m3時，向桶內加水，當U升至8m3時停止加水。這種方 法勢必引起U的大幅度變化，從而影響密度控制，而現有密度控制系統的效果之所以不 盡如人意，也正是這個原因。 圖4　用F5控制U，采用常規PI調節器的仿真結果（略） 圖5　用F5控制U，采用變參數PI調節器的仿真結果（略） 圖6　在圖5基礎上加噪聲干擾的仿真結果（略）) 為適應這種情況，我們在主洗懸浮液密度控制中，采用變參數PI調節器。控制變量應為 F4，其表達式仍為（7）式，但其參數變為，KC3=0.15U-0.0232，Tτ3=18 0Kc3。 　　4　仿真結果 　　當U為常數時，該系統相當于一個慣性環節，采用常規PI調節器即可，仿真結果 如圖1所示。圖2為在d1，達到穩定后，U發生變化的仿真結果。可以看出，若U保持 不變，則固定參數調節器可以得到很好的控制效果。 圖3為F2、F4分別控制U和d1，采用常規PI調節器的仿真結果，由此可以看 出其超調量較大，而且調節時間很長。因此我們在本文所提出的方案是：用向主洗介質桶加 水的方法保持U基本不變，采用變參數的PI調節器，其仿真的結果如圖5所示。圖4為常 規PI調節 器的仿真結果。在U值大 幅度變化的情況下，調節時間明顯降低，超調量也可以接受。圖6是在圖5的基礎上增加隨 機噪音的仿真結果，結果表明其控制的效果也比較理想。 信息來源于:中國煤炭網