МІНІСТЕРСТВО освіти і НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.926:534.16

МОРКУН НАТАЛІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

АДАПТИВНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ МАГНІТНОЇ СЕПАРАЦІЇ ЗАЛІЗНИХ РУД НА БАЗІ ЗАСОБІВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЮ

Спеціальність - 05.13.07

Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кривий Ріг – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Криворізькому технічному університеті. |

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Назаренко Володимир Михайлович,

Криворізький технічний університет, завідувач кафедри інформатики, автоматики та систем управління |

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Марюта Олександр Микитович,

Дніпропетровський національний державний університет, завідувач кафедри економічної інформатики та АСУ |

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Бойко Віталій Іванович,

Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри електроніки та автоматики

Провідна установа: | Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться " 17 " лютого 2005 р. о 1030 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 09.052.03 при Криворізькому технічному університеті за адресою:

50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37. |

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Криворізького технічного університету (50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37).

Автореферат розіслано " 15 " січня 2005 р |

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, канд.техн.наук, доцент | Тиханський М.П. |

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Одним з основних показників якості, що визначають цінність сировини для металургійних підприємств, є стабільно високий вміст корисного компоненту в рудному концентраті. Останнє можливо забезпечити лише за умови безперервного оперативного контролю й ефективного управління всіма технологічними процесами переробки руди.

Врахування поточних характеристик сировини, що переробляється на збагачувальних фабриках, і стану технологічного устаткування при формуванні керуючих впливів у системах автоматичного управління дозволяє оптимізувати технологічний процес, підвищити його техніко-економічні показники. Так, збільшення вмісту заліза в концентраті з 64 до 65% дозволяє: в агломераційному переділі зменшити витрати руди на 29-32 кг/т, флюсів - на 30 кг/т; у металургійному переділі зменшити витрати коксу на 2,6 - 2,8%, підвищити відносну продуктивність доменної печі на 4,5-5%. Все це дозволяє зменшити сумарні витрати на виробництво чавуну приблизно на 4%.

Для багатьох технологічних агрегатів на залізорудних збагачувальних фабриках залежність між основними вхідними й вихідними параметрами має екстремальний характер. Крім того, майже для всіх технологічних процесів можна визначити техніко-економічні показники, що характеризують ефективність їхньої роботи, які також необхідно підтримувати на екстремальному рівні. Все це є передумовами для широкого використання на збагачувальних фабриках адаптивних систем екстремального управління. Однак їхнє впровадження гальмує відсутність ефективних алгоритмів пошуку екстремуму характеристик реальних інерційних об'єктів із запізнюванням при наявності збурюючих впливів і перешкод у контрольованих сигналах та пристроїв для оперативного контролю якості залізорудної сировини у реальному масштабі часу.

Таким чином, підвищення ефективності автоматичного управління процесами магнітного збагачення залізних руд є науковою проблемою, рішення якої особливо актуально для економіки України, оскільки дозволяє на діючих потужностях гірничих підприємств підвищувати якість готової продукції та зменшувати енерговитрати при її виробництві.

Зв'язок дисертації із планом основних науково-дослідних робіт університету. Робота виконана в науково-дослідній частині Криворізького технічного університету відповідно до планів, затверджених Міністерством освіти і науки України та на виконання Програми міністерства промислової політики України і є складовою частиною держбюджетних НДР № 30-60-00 “Дослідження та розробка енергозберігаючих збагачувальних технологій на базі теорії розповсюдження ультразвукових хвиль і гама-випромінювання в рудовміщуючих матеріалах” (номер держреєстрації 0100U006494) і НДР № 30-65-03 “Дослідження та розробка теорії взаємодії електромагнітного випромінювання частотою 1014-1022 Гц із марганцевмісними рудами для створення енергоефективної технології збагачення” (номер держреєстрації 0103U001972).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення теоретичної бази й розробка адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації, яка мінімізує час пошуку екстремуму характеристик динамічних об'єктів в умовах впливу збурювань і перешкод у контрольованих сигналах, на базі виявлених закономірностей процесу поширення хвиль Лемба по поверхні, що контактує з випадково-неоднорідним гетерогенним середовищем при наявності магнітного поля.

Сформульована мета дисертаційної роботи обумовила необхідність вирішення таких задач:

- розробка теоретичних основ оптимального управління процесом магнітної сепарації залізних руд, заснованих на формуванні керуючих впливів у дискретній пошуковій системі екстремального управління в умовах неповної й нечіткої інформації про об'єкт управління на базі вимірів різниці послідовних змін регульованої координати між кроками виконавчого механізму та за час чистого запізнювання об'єкта управління, а також з урахуванням поточного положення регульованої координати щодо точки екстремуму;

- розробка та дослідження алгоритму екстремального управління інерційними об'єктами із запізнюванням, що забезпечує пошук екстремуму за мінімальний час на базі вимірів регульованої координати через проміжки часу між кроками виконавчого механізму, обумовленими динамічними характеристиками об'єкта управління;

- установлення умов та параметрів стійкого пошуку екстремуму в адаптивній системі управління процесом магнітної сепарації при наявності збурюючих впливів і перешкод у контрольованому інформаційному сигналі;

- дослідження процесу поширення ультразвукових коливань по поверхнях, які контактують з випадково-неоднорідним гетерогенним середовищем при наявності магнітного поля;

- розроблення способу ультразвукового контролю вмісту корисного компонента (заліза-магнетиту) у потоці пульпи на базі вимірів величини загасань хвиль Лемба, які поширюються по металевій пластині, що контактує з потоком залізорудної пульпи при наявності магнітного поля та без нього;

- розроблення адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі засобів ультразвукового контролю та здійснення її практичної реалізації.

Об’єкт дослідження – технологічний процес магнітного збагачення залізних руд.

Предмет дослідження – адаптивна система управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі засобів ультразвукового контролю параметрів пульпи.

Методи дослідження:

- аналіз вітчизняного та зарубіжного досвіду, систематизація існуючих підходів і методів оптимізації управління процесом магнітної сепарації залізних руд для обґрунтування актуальності, мети і задач дослідження;

- методи оптимального управління;

- елементи математичного апарату нечіткої логіки для підвищення ефективності адаптивного управління процесом магнітної сепарації в умовах неповної інформації про об’єкт та дії інтенсивних збурювань;

- метод стохастичної апроксимації для підвищення ефективності оптимального управління;

- методи чисельного моделювання для синтезу та аналізу математичної моделі системи екстремального управління;

- комп’ютерні інформаційні та програмні технології для реалізації розробленого алгоритму пошуку екстремуму у вигляді програмного забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Сформульовано умови й уточнені закономірності процесу пошуку екстремуму цільової функції в дискретній системі автоматичної оптимізації процесу магнітної сепарації залізних руд, у результаті чого вперше встановлено, що в умовах змінних фізико-механічних і хіміко-мінералогічних характеристик переробляємої руди, мінімальний час пошуку забезпечується при формуванні керуючого впливу на підставі різниці не менш двох синхронно обмірюваних значень послідовних змін вихідної координати об'єкта управління між кроками виконавчого механізму та за час чистого запізнювання, обмірюваного з моменту його кроку, з урахуванням поточного положення регульованої координати щодо точки екстремуму, у вигляді кусочно-постійних функцій, які приймають граничні значення припустимих керувань, параметри яких визначаються вхідними динамічними характеристиками об'єкта.

2. Встановлено закономірності екстремального управління інерційними об'єктами із запізнюванням зі змінними статичними та динамічними характеристиками, що забезпечує мінімальний час перехідних процесів у системі, на базі вимірюваних значень регульованої координати через проміжки часу між кроками виконавчого механізму, що формуються згідно з поточними значеннями статичних і динамічних характеристик об'єкта, які визначаються в умовах дії інтенсивних збурювань, як нечіткі множини, ступінь приналежності до яких задається предикатами відносин.

3. Встановлено умови і вперше визначені параметри сталого пошуку екстремуму в системі автоматичного управління процесом магнітної сепарації залізних руд, що реалізує запропоновані принципи пошуку, при наявності інтенсивних збурюючих впливів на об'єкт управління і шумів у контрольованих сигналах.

4. Вперше встановлені закономірності формування керуючого впливу в системі автоматичної оптимізації процесу магнітної сепарації залізних руд, на базі обмірюваної різниці величини загасання хвиль Лемба, що поширюються по поверхні, яка контактує з потоком залізорудної пульпи при наявності магнітного поля та без нього.

Вірогідність та обґрунтованість отриманих результатів підтверджується тим, що в роботі використовуються апробовані фундаментальні положення теорії автоматичного управління і теорії коливань, а також задовільною збіжністю результатів аналітичних і експериментальних досліджень та позитивними результатами перевірки в промислових умовах розроблених способів і засобів контролю й управління.

Наукове значення роботи полягає в подальшому розвитку теорії оптимального управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі способів ультразвукового контролю параметрів пульпи.

Практичне значення дисертаційної роботи й використання її результатів. Практична цінність отриманих результатів полягає в розробці:

- алгоритмів і програм адаптивного оптимального управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі засобів ультразвукового контролю параметрів пульпи;

- технічних засобів ультразвукового контролю вмісту заліза в потоці пульпи на базі вимірів загасання хвиль Лемба, що поширюються по поверхні, яка контактує з випадково-неоднорідним гетерогенним середовищем при наявності магнітного поля.

Результати роботи впроваджено на гірничих підприємствах Кривбасу, що входять до складу Державної акціонерної компанії “Укррудпром” (річний економічний ефект від впровадження дорівнює 51247 гривень), а також використано при проектуванні й освоєнні технічного й алгоритмічного забезпечення систем автоматичного управління технологічними процесами на збагачувальній фабриці Криворізького гірничо-збагачувального комбінату окислених руд (очікуваний економічний ефект становить 72645 гривень).

Особистий внесок здобувача полягає у формуванні мети, наукових положень і завдань досліджень, розробці теоретичної бази формування керуючих впливів у системі екстремального управління динамічними об'єктами, що дозволяють при наявності збурювань і перешкод у контрольованому сигналі досягати екстремуму характеристики об'єкта управління за мінімальний час, розробці алгоритму адаптивного управління процесом магнітної сепарації на базі різниці вимірюваних значень загасання хвиль Лемба, що поширюються по поверхні, яка контактує з потоком пульпи при наявності магнітного поля і без нього, дослідженні умов і параметрів стійкого пошуку екстремуму в адаптивній системі управління процесом магнітної сепарації.

Апробація дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на науково-технічних конференціях і семінарах у Криворізькому технічному університеті в 2000-2004рр., XII науково-технічній конференції за участю зарубіжних фахівців “Датчики і перетворювачі інформації систем виміру, контролю й управління” (м. Судак, 2000 р.), науково-технічній конференції “Основні напрямки розвитку гірничо-металургійного комплексу України в XXI сторіччі” (м. Кривій Ріг, 2001 р.), III Міжнародному симпозіумі “Оперативний контроль і управління якістю мінеральної сировини” (м. Кривій Ріг, 2002 р.), науково-технічній конференції “Проблеми розвитку Криворізького залізорудного басейну” (м. Кривій Ріг, 2002 р.), на VI Всеукраїнській (I Міжнарод-ній) науковій конференції з прикладної математики та інформатики (м. Львів, 2003 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промислово-сті” (м. Кривий Ріг, 2004 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 20 робіт, у тому числі 15 статей у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України. Пріоритет основних наукових і технічних рішень, що реалізують запропоновані в роботі принципи підвищення ефективності автоматичного управління процесом магнітної сепарації залізних руд, захищено 3 патентами України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 188 сторінках, складається із введення, чотирьох розділів, містить 10 таблиць, 53 рисунки на 41 сторінках, список використаної літератури з 124 найменування на 11 сторінках і 7 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показана актуальність теми, сформульована мета і коротко викладено структуру і основні положення роботи.

У першому розділі досліджена проблема підвищення ефективності автоматичного управління процесом магнітної сепарації залізних руд і обґрунтовані основні напрямки її вирішення.

Значний внесок в рішення науково-технічних задач управління процесами магнітної сепарації внесли вітчизняні та зарубіжні вчені: Е.А. Арєф’єв, Л.М. Барський, В.А. Бунько, В.А. Воронов, И.Г. Гринман, А.А. Іванов, В.В. Кармазін, В.З. Козін, Ю.Г. Качан, В.І. Козлюк, Є.В. Кочура, Г.М. Куваєв, А.Н. Марюта, В.М. Назаренко, В.А. Олевський, В.С. Процуто, Н.Е. Троп, Г.А. Хан, В.П. Хорольський, В.М. Чермалих, В.П. Яшин, Д. Ватсон, Л. Лінч, Д. Паунолл та інші.

В умовах змінних характеристик вихідної руди й стану технологічного устаткування кінцеві показники роботи збагачувальної фабрики в значній мірі залежать від ефективності автоуправління технологічними агрегатами, що визначається, у першу чергу, якістю його інформаційного й алгоритмічного забезпечення.

На підставі аналізу існуючих методів та систем оптимального управління технологічними процесами збагачення залізних руд зроблено висновок, що основною проблемою досягнення високої якості екстремального управління процесом магнітної сепарації залізних руд є урахування при формуванні управляючих дій інерційних властивостей об'єктів управління з нелінійними характеристиками, що змінюються в залежності від якості вихідної сировини і стану технологічного устаткування.

Для ефективного автоматичного управління процесами збагачення залізних руд в умовах змінних характеристик технологічних агрегатів при наявності різних впливів, що збурюють, і неповної й нечіткої інформації про об'єкт управління доцільно використовувати регулювання подачі вихідної руди і води в млин, а також щільності зливу класифікатора, що працює в замкнутому циклі із млином.

Для визначення вмісту корисних компонентів у руді, промпродуктах і кінцевих продуктах збагачення при побудові вимірювально-інформаційних систем на збагачувальних фабриках застосовуються інструментальні методи контролю. Однак існуючі способи і технічні засоби оперативного контролю вмісту корисного компоненту в потоці пульпи мають недоліки, що стримує їх промислове застосування. Найбільш перспективними і такими, що добре зарекомендували себе на практиці, є ультразвукові методи, а саме - способи на базі вимірювання параметрів хвиль Лемба, які поширюються по металевій пластині, що контактує з контрольованим середовищем.

Зроблено висновок про те, що в цей час на залізорудних збагачувальних фабриках існують всі необхідні передумови для широкого використання адаптивних систем екстремального управління технологічним процесом. Для їх впровадження потрібно розробити та дослідити алгоритми та системи автоматичного управління нелінійними об’єктами за змінними статичними та динамічними характеристиками в умовах неповної та нечіткої інформації про об’єкт управління та способи їх інформаційного забезпечення. По результатах дослідження проблеми підвищення ефективності автоматичного управління процесом магнітної сепарації залізних руд сформульовано мету і задачі дослідження.

У другому розділі розроблено теоретичні основи оптимального управління процесом магнітної сепарації залізних руд з урахуванням варіацій статичних і динамічних характеристик нелінійного об'єкта управління.

У результаті виконаного аналізу зроблено висновок, що для оптимізації процесу магнітної сепарації доцільно використовувати загальноприйняті технологічні і техніко-економічні критерії. Оскільки залежність показника ефективності процесу магнітної сепарації від вхідних змінних носить екстремальний характер, система автоматичного управління цим процесом повинна забезпечувати його досягнення за мінімальний час.

Модель процесу магнітної сепарації, покладена в основу управління ним, повинна враховувати зміни хіміко-мінералогічних та фізико-механічних характеристик руди, що переробляється, режимів подрібнення і стану технологічного обладнання.

В умовах неповної і нечіткої інформації про об'єкт автоматичний пошук є ефективним методом формування управління, який забезпечує оптимальне значення показника якості.

Для зменшення великих і тривалих коливань в екстремальних системах управління застосовують крокове регулювання. При досить великій частоті робочих сигналів і пауз між ними кроковий спосіб управління практично не відрізняється від безперервного.

У роботі об’єкт управління представлено у вигляді послідовності трьох ланок: вхідної лінійної динамічної, нелінійної статичної і вихідної лінійної динамічної. В якості регулюючих параметрів обрано зміни кількості вихідної руди у млин та додаткової води у ванну класифікатора.

Знаходження керуючого параметру екстремального об'єкта вирішується рівнянням

,

де – величина пробного кроку.

Значення доступні безпосередньому виміру і тому наближене значення похідної J може бути обраховане шляхом обчислення результатів вимірів при двох значеннях керуючого параметру (віддалених один від одного на величину 2). Оскільки випробування об'єкта пробними кроками керуючого впливу вимагають певного часу Т, то використовується дискретний алгоритм пошуку екстремуму

, (1)

k = 0, 1, 2, ... .

Для двохпараметричного об'єкта необхідно знайти не тільки значення робочого кроку, але і його напрямок у площині керуючих параметрів.

Рух у напрямку градієнта описується рівняннями

(2)

(3)

де ; _оцінки частинних похідних характеристик об'єкта.

У загальному випадку багатопараметричного об'єкта алгоритм пошуку екстремуму має вигляд

(4)

Якщо вимір вихідної координати об'єкта супроводжується перешкодами, алгоритм адаптації приймає такий вид

.

Для збіжності процесу пошуку потрібно, щоб параметри робочого і пробного кроків задовольняли умовам

, .

Це означає, що із зростанням k пробний крок повинен збільшуватися і перевищувати параметр робочого кроку. Разом із цим метод стохастичної апроксимації припускає, що .

Крім того, метод накладає на функцію J додаткову умову, яка полягає в тому, що в районі її екстремуму повинна виконуватися нерівність

, (5)

а швидкість зростання J при віддаленні від мети має бути не більше, ніж у квадратичної параболи.

Для оптимізації динамічних характеристик системи, обумовлених вхідною лінійною частиною об'єкта управління, використаний метод, сутність якого полягає в тому, що екстремальний регулятор формує кроки виконавчого механізму, оптимальні з погляду загасання за мінімальний час перехідних процесів у системі.

Форма кроку виконавчого механізму є екстремаллю при рішенні задачі мінімізації часу перехідного процесу при відпрацьовуванні зміни U вхідної координати лінійної частини об'єкту. Відповідно до принципу максимуму для об'єкта з лінійною частиною, описаною диференційним рівнянням першого порядку, екстремаль треба відшукувати в класі кусочно-постійних функцій, що приймають граничні значення припустимих керувань і мають постійне значення в інтервалі 0 t t*. Вираз для визначення величини t* має вигляд

. (6)

Для оптимізації динамічних характеристик системи, обумовлених вихідною лінійною частиною об'єкта управління, застосовується метод, що дозволяє за початковою ділянкою перехідного процесу в об'єкті, викликаного зміною вхідного сигналу на крок х, визначити стале значення z() вихідного сигналу z об'єкта, тобто значення вихідного сигналу об'єкта, обумовлене статичною характеристикою y = f(x). Значення z() може бути обчислене за малий проміжок часу, тому витримка t між кроками виконавчого механізму може бути невелика і час пошуку екстремуму багаторазово скорочується.

При повній компенсації динаміки і запізнювання в об'єкті пошук екстремуму здійснювався б по статичній характеристиці об'єкта. У цьому випадку реверс виконавчого механізму визначається наступною нерівністю

, (7)

де - зона нечутливості оптимізатора.

Зміна вихідного сигналу об'єкта в результаті n-го кроку виконавчого механізму визначається наступним виразом

, ,

;;; ; .

Рекурентні формули для f(xn) і f(xn-1) мають вигляд

. (8)

Згідно з вищенаведеним управління формується згідно такого виразу

. (9)

Таким чином, для обчислення оператора U вимірюються дві останні зміни вихідної координати об'єкта за час t між кроками виконавчого механізму zn і zn-1, а також дві останні зміни виходу z за час чистого запізнювання , відлічуваного з моменту кроку виконавчого механізму.

Запропоновано спосіб підвищення ефективності адаптивного управління процесом магнітної сепарації в умовах інтенсивних збурювань шляхом використання при його алгоритмізації елементів нечіткої логіки.

Розглянуто питання повноти і несуперечності сукупності правил управління; адекватності подання правил управління виду “якщо А, то В” нечіткими відносинами, обумовленими різними способами; правильності способу висновку, заснованого на (maх-min-) композиції і можливості використання інших видів операції композиції.

Вимога повноти для логічної системи, побудованої по узагальненому принципу “якщо Аi, то Вi”, i=1, 2, .., n, застосованому для нечітких чисел, зводиться до формалізації типу

,

де Supp Ai – носій нечіткої множини Ai.

Тобто, для кожного поточного стану х процесу керування існує хоча б одне керуюче правило, посилка якого має ненульовий ступінь приналежності для цього стану х.

Ступінь несуперечності i-го й k-го правил задається величиною

.

Підсумовуючи по k, одержуємо оцінку несуперечності i-го правила в системі

.

Керуючі правила, що зв'язують лінгвістичні значення вхідних і вихідних змінних, мають вигляд

"якщо (АiґВi ), то Сi",

де (АiґВi) _декартов добуток нечітких множин А і В, заданих на шкалах X і Y з функцією приналежності

певної на декартовому добутку множини вхідних змінних X ґY.

При заданих значеннях Аў, Вў вхідних змінних регулююче значення Cў вхідної змінної визначається на підставі композиційного правила виводу

.

Функція приналежності нечіткого числа Cў має вигляд

.

Числове значення z0 визначається при цьому з умови

,

де N – кількість точок в Z.

Керуючий сигнал формується в цьому випадку шляхом нечіткого логічного висновку на основі сформованої бази правил, а обчислення результатів виконується методом дефазифікації типу “центр ваги”.

У третьому розділі розроблено інформаційне забезпечення адаптивного управління процесом магнітної сепарації на базі методів ультразвукових вимірювань.

З огляду на те, що стінки технологічних апаратів і ємностей на збагачувальних фабриках, як правило, виготовляються з листового металу, при реалізації ультразвукового контролю параметрів середовищ, які з ними контактують, зручно використовувати хвилі Лемба (рис.1). Ці хвилі характеризуються досить великою концентрацією енергії й у меншому ступені, ніж хвилі Релея і Лява, піддані впливу збурюючих факторів. Наявність магнітного поля призводе до додаткового загасання і дисперсії швидкості ультразвукових коливань, що поширюються в середовищі.

Магнітна сприйнятливість контрольованого матеріалу залежить не тільки від об'ємної концентрації магнетиту, але й від середовища, у якому перебувають його частки. Магнітна сприйнятливість залізорудної суспензії практично прямо пропорційна концентрації в ній магнетиту.

На підставі виявлених закономірностей процесу поширення хвиль Лемба по металевій пластині, що контактує з потоком пульпи при наявності магнітного поля, розроблено спосіб контролю вмісту заліза-магнетиту в її твердій фазі.

При наявності магнітного поля (поперечного, Hz0, Hx=0; Hy=0) хвиля Лемба буде послаблятися за законом

. (10)

Тут - функція ослаблення хвилі при відсутності контактуючого рідкого середовища (води, пульпи і ін.), - параметр, що враховує вплив магнітного поля (якщо Н=0, то ), - щільність матеріалу пластини.

Спосіб виміру зводиться до наступного. Вимірюється амплітуда хвилі з магнітним полем () і без нього () і обчислюється величина

, (11)

звідки

. (12)

Тут .

Відповідно до методу контролю концентрації твердої фази пульпи на базі вимірів параметрів хвиль Лемба, що поширюються по металевій пластині, контактуючій з нею, і залежностей намагнічування залізорудної пульпи в магнітному полі, отримано наступний вираз для визначення частки феромагнітного компонента у твердій фазі пульпи

. (13)

З урахуванням (13) одержимо

. (14)

У чисельнику виразу (14) наведені відношення вимірюваних амплітуд хвиль Лемба в магнітному полі і без нього, а в знаменнику - відношення амплітуд хвиль Лемба при наявності пульпи і чистої води у вимірювальному модулі (без магнітного поля).

Калібрування пристрою ультразвукового контролю параметрів твердої фази пульпи проводилося в такий спосіб. При відсутності контрольованого середовища у вимірювальному модулі визначається амплітуда хвилі Лемба з магнітним полем () і без нього () та обчислюється величина

, (15)

Для повітря магнітна проникність практично дорівнює 1 і тоді вираз (15) буде мати вигляд

, (16)

звідки

. (17)

Для визначення константи А3 виміри проводяться на реальній пульпі. Потім стандартними лабораторними методами у відібраній пробі вимірюється вміст магнітного компоненту. Значення коефіцієнта пропорційності А3 дорівнює

. (18)

Проведеними дослідженнями встановлено, що величина, обчислена відповідно до виразу (14), не залежить від концентрації твердої фази і однозначно визначає вміст магнітного заліза в контрольованому обсязі пульпи.

Оперативне вимірювання вмісту заліза в пульпі дозволяє реалізувати формування практично любого технологічного або техніко-економічного критерію управління процесом магнітної сепарації.

У четвертому розділі приводиться опис розробленої адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації залізних руд та результати її практичної реалізації.

Загальна структура оптимального управління процесом магнітної сепарації має вигляд, наведений на рис. 2.

При цьому прийняті наступні позначення: u1, u2 - вхідні параметри об'єкта управління; х1, х2 – вихідні параметри вхідних лінійних частин об'єкта по використовуваних каналах управління; у – вихідний параметр нелінійної частини об'єкта; z – вихідний параметр вихідної лінійної частини об'єкта; - неконтрольований збурюючий вплив; n - випадкова перешкода; W1, W2, W3 – вхідні та вихідні інерційні ланки із запізненням.

При оптимізованому пошуку пробні і робочі збурювання в рамках керувань u1 і u2 формуються так, щоб відповідні перехідні процеси у вхідних лінійних частинах об'єкта загасали за мінімальний час. При цьому виконуються всі необхідні обмеження по управліннях u1,u2 і фазових координатах х1,х2.

Одночасно сформовані збурювання використовуються для вимірювання змін величини z для ідентифікації статичної характеристики нелінійної частини об'єкта по кожному каналу.

Розроблено систему інформаційного забезпечення адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації залізних руд. Визначено умови формування хвиль Лемба у вимірювальному модулі системи контролю заліза-магнетиту в пульпі. Виконано розрахунок магнітної системи вимірювального модуля та розроблено алгоритм вимірювань вмісту заліза-магнетиту у потоці пульпи.

За допомогою програмного пакета Matlab синтезована та досліджена модель розробленої адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації залізних руд.

Випробування адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації залізних руд проводилися на дослідно-промисловій установці галузевої проблемної лабораторії автоматичного контролю і управління якістю мінеральної сировини Міністерства промислової політики України.

У результаті проведених випробувань було встановлено, що помилка вимірів процентного вмісту твердого в пульпі становить 0,25 % абс, а помилка вимірів процентного вмісту заліза магнітного у твердій фазі пульпи становить 0,3 % абс.

Керуючі впливи формувалися на базі обмірюваних значень вмісту твердого і заліза магнітного відповідно до розробленого алгоритму адаптивного управління процесом магнітної сепарації.

На рис. 3 наведено результати пошуку екстремуму цільової функції в адаптивній системі екстремального управління при наявності шумів у контрольованому сигналі.

1 – y=f(x), = 0,1;

2 – y=1,33f(x), T1*=1,3T1, 1*=1,21, T3*=1,4T3, 3*=0,73, = 0,05

У результаті проведених досліджень встановлено, що пошук екстремуму в АСАУ носить стійкий характер при дрейфі статичної характеристики в межах ±50% від номінального значення, зміні параметрів динамічних ланок у межах ±70% і потужності шуму від 0 до 0,12. У разі довільних та короткочасних змін статичних і динамічних характеристик об’єкту управління найкращі параметри пошуку, траєкторія якого практично не змінюється, досягаються при відхиленні цих характеристик у межах 25%, що повною мірою відповідає технологічним вимогам.

Розроблена адаптивна система, алгоритм і програмне забезпечення оперативного контролю і управління якістю мінеральної сировини впроваджені на гірничих підприємствах Кривбасу, що входять до складу Державної акціонерної компанії “Укррудпром”, результати роботи використані також при проектуванні і освоєнні технічного та алгоритмічного забезпечення систем автоматичного управління технологічними процесами на збагачувальній фабриці Криворізького гірничо-збагачувального комбінату окислених руд.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій вирішена актуальна наукова задача, що полягає в підвищенні ефективності автоматичного управління технологічним процесом магнітного збагачення залізних руд шляхом покращення якості його алгоритмічного та інформаційного забезпечення.

Основні наукові і практичні результати роботи можна узагальнити у таких висновках:

1. Вперше встановлено, що в умовах змінних фізико-механічних і хіміко-мінералогічних характеристик переробляємої руди, мінімальний час пошуку екстремуму цільової функції в дискретній системі автоматичної оптимізації процесу магнітної сепарації залізних руд забезпечується при формуванні керуючого впливу на підставі різниці не менш двох синхронно обмірюваних значень послідовних змін вихідної координати об'єкта управління між кроками виконавчого механізму та за час чистого запізнювання, обмірюваного з моменту його кроку, з урахуванням поточного положення регульованої координати щодо точки екстремуму, у вигляді кусочно-постійних функцій, які приймають граничні значення припустимих керувань, параметри яких визначаються вхідними динамічними характеристиками об'єкта

2. Встановлено, що використання математичного апарату нечіткої логіки дозволяє підвищити ефективність систем управління інерційними об'єктами із запізнюванням у разі нечіткої і неповної інформації про об’єкт та неконтрольованих збурювань, при умові формування керуючих впливів на базі вимірюваних значень регульованої координати через проміжки часу між кроками виконавчого механізму, згідно з поточними значеннями статичних і динамічних характеристик об'єкта, що визначаються як нечіткі множини, ступінь приналежності до яких задається предикатами відносин.

3. Встановлено умови і вперше визначено, що найкращі параметри пошуку екстремуму в системі автоматичного управління процесом магнітної сепарації залізних руд, що реалізує запропоновані принципи пошуку, при наявності збурюючих впливів і шумів у контрольованих сигналах, досягаються у тому випадку, коли відхилення статичних і динамічних характеристик об’єкта управління від номінального значення не перевищує 25%.

4. Встановлено, що параметри процесу поширення хвиль Лемба в металевій пластині, що контактує із залізорудною пульпою, залежать від характеристик прикладеного магнітного поля і магнітної проникненості пульпи.

5. Вперше встановлено, що для виміру вмісту магнітного заліза в потоці пульпи необхідні вимірювання величини загасання хвиль Лемба, які поширюються по металевій пластині, що контактує з контрольованим середовищем при наявності магнітного поля і його відсутності.

6. Розроблена адаптивна система управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі засобів ультразвукового контролю дозволяє мінімізувати час пошуку цільової функції управління, підтримувати оптимальне співвідношення між виходом концентрату і вмістом корисного компоненту в ньому в умовах змінних якості вихідної руди і стану технологічного обладнання.

7. Адаптивна система, алгоритм і програмне забезпечення оперативного контролю і управління якістю мінеральної сировини впроваджені на гірничих підприємствах Кривбасу, що входять до складу Державної акціонерної компанії “Укррудпром”. Річний економічний ефект від впровадження зазначених розробок дорівнює 51247 грн.

Результати роботи використані також при проектуванні і освоєнні технічного і алгоритмічного забезпечення систем автоматичного управління технологічними процесами на збагачувальній фабриці Криворізького гірничо-збагачувального комбінату окислених руд. Очікуваний економічний ефект від впровадження зазначених робіт становить 72645 грн.

8. Результати випробувань і впровадження адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі засобів ультразвукового контролю, технічних і програмних засобів для її реалізації свідчать про їхню високу ефективність, що дозволяє рекомендувати розроблені науково-технічні рішення для широкого промислового використання на гірничих підприємствах. Отримані в дисертації теоретичні і практичні результати використовуються при проведенні лекційних і практичних занять зі студентами Криворізького технічного університету спеціальностей 8.091401 “Системи управління і автоматики” і 8.090302 “Збагачення корисних копалин”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Моркун В.С., Потапов В.Н., Моркун Н.В. Анализ методов ультразвукового контроля характеристик измельченных материалов// Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ.-1999. - 68.- С.60-67.

2. Моркун В.С., Моркун Н.В. Основные закономерности процесса распространения ультразвукових поверхностных волн в металлической пластине при наличии магнитного поля// Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ.-1999. - 69.- С.93-97.

3. Моркун В.С., Моркун Н.В. Распространение ультразвуковых волн в железорудной пульпе при наличии магнитного поля// Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ.-2000. - 70.- С.66-70.

4. Моркун В.С., Моркун Н.В. Систематизация и анализ особенностей распространения ультразвуковых поверхностных волн // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ.-2000. - 71.- С.42-46.

5. Моркун В.С., Моркун Н.В. Определение содержания железа-магнетита в потоке пульпы на базе ультразвуковых измерений // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ.-2000. - 72.- С.65-72.

6. Моркун В.С., Моркун Н.В. Анализ методов ультразвукового контроля плотности промышленных суспензий // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ.-2000. - 73.- С.84-89.

7. Моркун В.С., Моркун Н.В. Постановка задачи оптимального управления процессом магнитной сепарации // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ.-2001. - 74.- С.76-81.

8. Моркун В.С., Моркун Н.В. Анализ переходных процессов в оптимальной САУ процессом магнитной сепарации // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2001. - 75.- С.64-67.

9. Моркун В.С., Моркун Н.В. Расчет магнитной системы измерительного модуля // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2001. - 76.- С.46-50.

10. Моркун В.С., Моркун Н.В. Моделирование периодических режимов в системе автоматической оптимизации // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2001. - 77.- С.51-55.

11. Моркун В.С., Моркун Н.В. Исследование процесса движения рудной пульпы в измерительном модуле // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2002. - 78.- С.25-28.

12. Моркун В.С., Моркун Н.В. Рассеяние энергии объемных ультразвуковых колебаний и гамма-излучения при распространении их в промышленных суспензиях // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2002. - 79.- С.145-149.

13. Моркун Н.В. Адаптивная система управления процессом магнитной сепарации // Тр. научно-технической конференции “Проблемы развития Криворожского железорудного бассейна”. – Кривой Рог: КТУ, 2002. – С. 99-100.

14. Моркун Н.В. Оптимальное управление процессом магнитной сепарации железных руд // Тр. Международной научной конференции по прикладной математике и информатике. – Львов: ЛНУ, 2003. – С.42.

15. Моркун Н.В. Адаптивная система управления процессом магнитной сепарации железных руд // Вісник Криворізького технічного університету. – Кривий Ріг: КТУ. – 2004. - №3. – С.113-115.

16. Моркун В.С., Цокуренко А.А., Моркун Н.В., Барский С.Н. Алгоритмы адаптивного управления объектами с экстремальными характеристиками // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 2004. - 86.- С.3-7.

17. Моркун Н.В., Моркун В.С., Цокуренко А.А., Барский С.Н., Поркуян О.В. Экстремальное управление техническими объектами в условиях помех // Вісник Криворізького технічного університету. – Кривий Ріг: КТУ. – 2004. - №4. – С.67-70.

18. Пат. 68706, Україна, МПК G01N29/02. Пристрій для контролю параметрів твердої фази суспензії / Н.В. Моркун, В.С. Моркун, С.М. Барский (Україна). - №2003108907; Заявл. 02.10.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. № 8 . – 1с.

19. Пат.67288, Україна, МПК В03В13/04. Спосіб оптимального управління процесом магнітного збагачення залізних руд / Н.В. Моркун (Україна). - №2003098386; Заявл. 11.09.2003; Опубл. 15.06.2004, Бюл. № 6. – 1с.

20. Пат.70713, Україна, МПК В03В13/00. Система автоматичного керування процесом збагачення рудних матеріалів/ Н.В. Моркун, В.С. Моркун, С.М. Барский (Україна). - №20031212317; Заявл. 24.12.2003; Опубл. 15.10.2004, Бюл. № 10. – 1с.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному: в [1,4,6,8] – виконання аналізу існуючих методів досліджень та АСАУ; [2,3,5,7,9,11,12] – формування ідеї, встановлення теоретичних залежностей, дослідження та аналіз результатів, [10,16,17] – розробка та цифрове моделювання адаптивної системи управління процесом магнітної сепарації.

Анотація

Моркун Н.В. Адаптивна система управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі засобів ультразвукового контролю. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2004.

Дисертація присвячена розв’язанню актуальної наукової задачі - підвищенню ефективності автоматичного управління технологічним процесом магнітного збагачення залізних руд шляхом покращення якості його алгоритмічного та інформаційного забезпечення.

Розроблена адаптивна система управління процесом магнітної сепарації залізних руд на базі засобів ультразвукового контролю дозволяє підтримувати оптимальне співвідношення між виходом концентрату і вмістом корисного компоненту в ньому в умовах змінних якості вихідної руди та стану технологічного обладнання.

Результати роботи впроваджені у виробництво і можуть бути використані на залізозбагачувальних фабриках гірничо-металургійної промисловості.

Ключові слова: магнітна сепарація, адаптивна система, екстремальне управління, ультразвуковий контроль, вміст корисного компоненту.

Аннотация

Моркун Н.В. Адаптивная система управления процессом магнитной сепарации железных руд на базе средств ультразвукового контроля. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация технологических процессов. Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2004.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи - повышению эффективности автоматического управления технологическим процессом магнитного обогащения железных руд путём повышения качества его алгоритмического и информационного обеспечения.

В результате теоретического анализа установлено, что наименьшая длительность переходных процессов в шаговой экстремальной системе управления процессом магнитной сепарации достигается в том случае, если управляющее воздействие в системе формируется в виде кусочно-постоянной функции, принимающей граничные значения допустимых управлений, время переключения которых определяется динамическими характеристиками линейной части объекта.

Доказано, что идентификация нелинейной статической характеристики объекта по выбранному каналу управления процессом магнитной сепарации может быть осуществлена на основании измерений последовательных изменений значений содержания магнитного железа между шагами исполнительного механизма и за время чистого запаздывания, отсчитываемого с момента его шага.

Установлено, что использование математического аппарата нечеткой логики позволяет повысить качество аналитического описания нелинейных объектов управления в условиях неполной и нечеткой информации и эффективность систем управления объектами с изменяющимися статическими и динамическими характеристиками при наличии возмущений и помех в контролируемых сигналах.

Установлено, что параметры процесса распространения волн Лэмба в металлической пластине, которая контактирует с железорудной пульпой при наличии магнитного поля, зависят от характеристик приложенного магнитного поля и магнитной проницаемости пульпы.

Впервые установлено, что для определения содержания магнитного железа в потоке пульпы необходимы измерения величины затухания волн Лэмба, распространяющихся по металлической пластине, которая контактирует с контролируемой средой при наличии магнитного поля и его отсутствии.

Разработанная адаптивная система управления процессом магнитной сепарации железных руд на базе средств ультразвукового контроля позволяет поддерживать оптимальное соотношение между выходом концентрата и содержанием полезного компонента в нём в условиях изменяющегося качества исходной руды и состояния технологического оборудования.

Разработанная адаптивная система, алгоритм и программное обеспечение оперативного контроля и управления качеством минерального сырья внедрены на горных предприятиях Кривбасса, входящих в состав Государственной акционерной компании “Укррудпром”. Годовой экономический эффект от внедрения указанных разработок составляет 51247 грн. Результаты работы использованы также при проектировании и освоении технического и алгоритмического обеспечения систем автоматического управления технологическими процессами на обогатительной фабрике Криворожского горно-обогатительного комбината окисленных руд. Ожидаемый экономический эффект от внедрения указанных работ составляет 72645 грн.

Результаты работы могут