浮选柱气含率调节系统的非线性动力学分析与控制

1、项目名称：浮选柱气含率调节系统的非线性动力学分析与控制摘要：浮选柱气含率调节系统是一个集气体、液体、固体的三相流体系，本质上属于高度复杂的非线性系统。鉴于对其要求的日益提高与其控制困难的矛盾现状，以旋流-静态微泡浮选柱气含率调节为研究对象，开展以下三方面研究：（1）分析气含率与冲洗水量、充气量和底流量之间的动态特性,改进浮选柱单机多参数调节系统的非线性数学模型，提高其适用性，且为后续分析研究奠定基础；（2）运用非线性动力学特征中的分岔和李亚普诺夫指数等理论，对浮选柱单机多参数调节系统的非线性本质进行研究，揭示其非线性动力学现象和规律，为系统设计和运行的稳定性提供理论依据，也为处于不稳定状态的系

2、统控制提供思路；（3）改进和完善一种适用于浮选柱单机多参数调节系统的控制方法，控制系统达到稳态。该研究将丰富浮选柱单机多参数调节系统非线性本质的内容，也为生产实际中的各种类型浮选系统存在的稳定性问题提供理论依据。该项目是一个既有理论研究价值又能推动工程实践的科学问题。报告正文（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）： 1.项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）1.1 研究意义近年来，旋流一静态微泡浮选柱作为一种新型高效的选矿设备在有色金属矿物

3、、黑色金属矿物、煤炭、非金属及化工矿物分选领域的应用不断扩展，随着工业化应用的推广，加强浮选柱单机多参数调节控制的研究显得越来越重要。浮选柱单机调节系统是一个集气体、液体、固体的三相流体系，浮选柱的输入量(冲洗水量、充气量、矿浆和药剂的流量)和输出量(精矿和尾矿的排放量)的变化和矿浆的组分的变化、以及矿化速度快慢都可能引起泡沫层厚度，气含率，偏流量的波动，本质上属于多变量、大滞后、非线性、时变的非线性系统。浮选柱单机调节系统的基本任务是对柱内矿浆液位、输入与输出的各个流量进行检测和控制，也必须对柱内压强的分布和精矿粒度与含量等进行在线检测，在浮选柱数学模型建立的基础上，对浮选柱生产过程进行最优

4、控制。泡沫层厚度和气含率是影响浮选效果的关键参数。因此无论是在浮选柱的设计、调试，还是运行中都需要对其性能和状态进行全面测试。由于矿浆粘结、给料波动、浮选柱内各个部分的非线性特征、空气含量随工况而改变的时变特性、泡沫层厚度变化以及随时发生的扰动使得浮选柱单机调节系统的多参数控制十分困难。生产实践中，发现国内外很多大中型浮选柱单机调节系统均存在一定程度的稳定性问题。随着人们对能源和资源的开采力度越来越大，富矿所占的比例越来越小，如何开发利用“贫、杂、细”低品位矿石资源逐渐成为能源化工领域研究的重要课题。堪布粒度细是贫杂难选矿物的重要特征，也是浮选在选矿中重要性大大提高的原因之一。随着分选回收率和

5、品位要求的不断提高，浮选柱单机调节系统的性能要求日益提高。综上所述，对浮选柱单机调节系统要求的提高与其控制的困难，以及浮选柱单机调节系统的稳定性问题主要是因为浮选柱单机调节系统是时变特性显著的高度复杂非线性系统，且在某些参数选择不合理时，会表现出丰富的非线性动力学行为。因此，必须在深入研究浮选柱单机调节系统非线性数学模型的基础上，对浮选柱单机调节系统的非线性本质问题研究，进一步揭示其中的非线性动力学现象和规律，并有针对性的提出控制方法，控制浮选柱单机调节系统达到稳态。这既是一个具有理论研究价值又具有工程实践意义的科学问题。1.2 国内外研究现状主要参考文献：参考文献-国内浮选柱控制1 卢 晓.

6、浮选设备自动控制技术的发展J.铜业工程,2008,(3):3839.2 章晓林,张文彬.浮选柱的PC计算机监控系统设计J.矿冶工程,2005,(4):3941.3 宣乐信,曾云南.选矿厂选别作业自动控制的进展J.金属矿山,2008,(1):711.4 张志丰,王汝琳,胡 军.浮选柱系统的变结构PID控制J.选煤技术,2003,(1):5254.5 张志丰,张志刚,胡 军.我国大型浮选柱自动控制策略的研究J.选煤技术,1999,(3):57.6 荣国强,刘炯天,刘莉君,等.旋流-静态微泡浮选柱液位自动控制系统设计J.金属矿山,2007,(5):6264.7 李振兴.基于模糊控制器实现的浮选柱液面

7、控制系统设计与研究D.昆明:昆明理工大学,2008.8 刘 丹,李世厚,文书明,等.浮选柱充气量自动调节的研究J.矿冶,2008,(1):6567.9 李振兴,文书明,罗良烽.选矿过程自动检测与自动化综述J.云南冶金,2008,(3):2023.10 胡业林,张 斌.浮选柱的检测与控制系统设计J.中国煤炭,2000,(5):2527.11 葛之辉,曾云南,赵宝坤.选矿过程自动检测与自动化综述J.中国矿山工程,2006,(6):3742.12 孙忠仁,孙靖彪.浮选机械设备的自动化技术J.煤炭技术,2005,(6):6566.13 李玉西.模糊与PID双模控制在浮选柱液位控制系统中的应用J.矿冶,

8、2008,(1):7375.14 朱湘翼,陶洛成.浮选柱生产参数的智能检测J.选煤技术,1996,(2):2527.15 陈子鸣.模糊控制及其在选矿中的应用J.江西有色金属,1994,(2):3036.16 余龙舟, 李世厚.基于组态软件的浮选柱矿浆液位检测控制系统J.有色金属,2007,(5):3841.2项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。（此部分为重点阐述内容）2.1研究内容旋流静态微泡浮选柱气含率调节系统非线性数学模型的改进根据物料平衡原理、流体动力学理论及反应动力学机理，以泡沫层厚度和气含率为被控对象，考虑柱体内多流态、多物相间耦合效应对多参数调节过程的影响，分别针对

9、系统开机、停机、低雷诺数工况、高雷诺数工况和非稳态工况等典型运行状态，完善并建立含PID控制器的浮选柱多参数单机调节系统的非线性数学模型。浮选柱气含率调节系统的稳定性及动力学特性分析基于上述完善后的浮选柱多参数单机调节系统的非线性数学模型，采用包括庞加莱（Poincare）、频闪映射（stroboscopic map）、相轨迹（phase trajectory）等方法进行非线性动力学特征分析，研究冲洗水量、充气量和底流量等系统状态参数对诱导系统分岔点的影响，分析系统受扰失稳的动态过程，揭示动力学特征与规律。深入分析系统的分岔特性，包括光滑动力系统的常规分岔，如Hopf 分岔（Hopf bifu

10、rcation）、倍周期分岔（period-doubling bifurcation）、切分岔（tangent bifurcation），以及非光滑动力系统的特有分岔， 如擦边分岔（ grazing bifurcation ）、角点碰撞分岔（corner-collision bifurcation）和滑动分岔（sliding bifurcation）等等。进行光滑动力系统和非光滑动力系统的Lyapunov 指数的分析。确定系统的静态安全域和动态安全域，为系统设计和运行提供参数范围的依据。 面向参数不确定浮选柱气含率调节系统的分岔控制研究延迟甚至消除浮选柱多参数单机调节系统分岔，提高稳定裕度的措

11、施。在此基础上，考虑参数不确定情况，针对一两种难于测量的不确定参数采用状态观测器进行信息重构，甄选适应于浮选柱多参数单机调节系统的1-2种有效控制策略（如预测控制方法或滑模变结构控制方法）。并进一步改进和完善控制方法，使控制效果满足生产实践中对其响应时间、冲击峰值和其他过渡过程的要求以及和已有PID 等控制方法的融合问题。2.2研究目标完善并建立浮选柱气含率调节系统在几种典型工作状态的非线性模型，对系统的非线性本质进行深入研究，揭示其非线性动力学现象和规律，实现对处于不稳定态的浮选柱单机调节系统的有效控制，为系统设计和运行的稳定性提供理论依据。2.3关键技术问题（1）柱体内多流态、多物相间耦合

12、效应对多参数调节过程的影响；各个子系统模型的耦合问题为什么是关键；耦合问题？（2）各种分岔特征分析；（3）与传统PID控制的有效融合，满足过渡过程要求。3. 拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）3.1研究方案（1）模块化建模将本研究的研究对象浮选柱充气质量调节系统划分为起泡剂作用环节、循环压力作用环节、进气量作用环节、柱分离段两相流场环节、其他参数影响环节等若干部分，采用模块化方法分别建模。通过机理研究、流程分析和现场调研，对所建立模型进行必要的梳理、调整、优化、简化，得出具有更强适用性的浮选柱充气质量调节系统的非线性数学模型。（2）运用数值模拟分

13、析及实验法改进系统数学模型为了使理论上得到的系统数学模型更接近浮选生产实际，且积极学习和吸收国内相关研究领域的最新研究成果，分别进行有针对性的数值模拟分析、清水试验和浮选试验，并有选择地到合作单位山西霍州煤电集团方山选煤厂进行调研、学习，完善系统数学模型及其相关参数。（3）系统的非线性动力学分析应用非线性科学中光滑动力系统和非光滑动力系统的分岔理论、李亚普诺夫指数方法，利用高性能计算平台中的Matlab 软件编程，实现对浮选柱气含率调节系统的非线性数学模型的数值模拟分析，揭示其非线性动力学现象和规律。（4）系统控制 应用非线性控制理论的最新科研成果，利用高性能计算平台中的Matlab软件编程，

14、对浮选柱气含率调节系统的控制进行数值模拟分析，并对控制方法进行改进，使被控系统的过渡过程满足生产实践要求，同时，解决其与系统中已有PID 等控制方法的融合问题。3.2 技术路线3.2.1 研究内容（1）的技术路线3.2.2 研究内容（2）的技术路线3.2.3 研究内容（3）的技术路线3.3 可行性分析3.3.1 理论与技术路线可行性分析浮选建模和控制方法研究为本文提供了理论依据。马草原博士论文、JVC、矿大学报滑模控制、混沌控制。有许多学者都曾用欧拉方程进行流化床液固两相流的数值模拟，并且取得的结果同试验值有很好的吻合度。质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程3.3.2 前期研究可为本课题提

15、供技术支撑与本课题直接相关的工作。对分线性动力学进行了初步研究，非线性控制初步研究，浮选方面的理论和实验研究，大量积累。3.3.3 研究团队组成合理主持人马草原非线性动力学，控制，；成员胡卫新，成员廖寅飞，浮选专家或长期从事浮选方面工作，参与过自然基金项目。3.3.4 研究条件分析实验室、学科、设备。4. 本项目的特色与创新之处。5. 年度研究计划及预期研究结果。（包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）5.1 研究计划5.2 预期研究成果(1) 建立一套具有较好适用性的混流式水轮机调节系统的非线性数学模型，并对系统的非线性动力学进行分析，揭示其非线性本质和其与参数设置的规律；(2

16、) 实现处于混沌态的混流式水轮机调节系统的有效控制，使其满足生产实践中过渡过程的要求，解决其与原有控制方法的融合问题；(3) 公开发表学术论文 57 篇，其中SCI 收录23 篇，EI 收录23 篇；(4) 人才培养：青年教师 4 人，博士研究生23 名，硕士研究生12 名。（二）研究基础与工作条件1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）2、工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门开放实验室等研究基地的计划与落实情况）申请课题组主要成员所在单位为中国矿业大学（国家“211工程”和“985优势学科创新平台项目

17、”建设高校），矿物加工工程是国家重点学科，煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室面积6800m，各种仪器设备1914台（件），设备资产总值3326万元；其中10万元以上的大型精密仪器设备65台（件），原值总计近2087万元。学校拥有煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室、国家环境保护清洁煤炭与矿区生态恢复工程技术中心、“煤炭资源高效洁净加工理论与应用研究”国家自然科学基金委创新研究群体，在煤炭分选加工领域有着重要地位和国际影响力。我校围绕着旋流静态微泡柱分离方法及设备这一课题，展开了大量科学研究工作，与煤炭行业多家选煤厂及设计单位建立了合作关系，且项目组成员有多年从事浮选柱研究的经验，在研究中

18、可以共同攻克难题。相关单位可以帮助组内成员协调所需资料，实现产学研有效结合。综上所述，课题组现有的科研平台和设备能满足本课题研究工作的需要。3、申请人简介（包括申请人的学历和研究工作简历，近期已发表与本项目有关的主要论著目录和获得学术奖励情况。论著目录要求详细列出所有作者、论著题目、期刊名或出版社名、年、卷（期）、起止页码等；奖励情况也须详细列出全部受奖人员、奖励名称等级、授奖年等） 马草原，男，博士，副教授。2011年于中国矿业大学电力电子与电力传动专业博士毕业。2001年7月来中国矿业大学任教，2007年9月至2008年2月在清华大学电机工程与应用电子技术系进修学习。主要从事非线性系统分析

19、与控制、电气安全、浮选控制等方面的研究。参与了国家科技支撑计划“贫杂难选矿石柱式短流程浮选技术及装备研究（课题编号2008BAB31B03）”中的“柱式短流程分选的过程控制技术研究”课题的研究工作。现主持中国矿业大学基本科研业务费项目1项。近年来公开发表学术论文4 篇，主要论文及博士学位论文列表如下：【1】Cao-Yuan Ma, Jian-Hua Liu， Chong-Lin Wang， Chaos of a power system model and its control，Journal of Vibration and Control，2011.12，Vol.18(14) 21762

20、185（SCI:000310877700008）; 【2】 Cao-Yuan Ma, Jian-Hua Liu，Chong-Lin Wang， Comparison of two synchronization methods for fractional order double scroll chaotic system ，International Journal of the Physical Sciences, Vol. 6(30), 2011.11，pp. 6852 6860，DOI:10.5897/IJPS11.742 (SCI 源刊)；【3】Ma Caoyuan, Wang L

21、ongshun, Yin Zhe, Liu Jianfeng, Chen Diyi，Sliding mode control of chaos in the noise-perturbed permanent magnet synchronous motor with non-smooth air-gap，International Journal of Mining Science and Technology，2011.12，Vol.21 (6) 835838（EI：20122015027122）；【4】Xu Yanqing, Jia Feng, Ma Caoyuan, Mao Jiaso

22、ng, Zhang Shaowei，Chatter free sliding mode control of a chaotic coal mine power grid with small energy inputs，International Journal of Mining Science and Technology，2012,22（4）， 477481（EI：20123515372969）；【5】马草原，煤矿电网混沌现象辨识与控制研究，博士学位论文，徐州: 中国矿业大学,2008.赵峻，男，1971年出生，山西省朔州人，中国矿业大学信息与电气工程学院讲师，硕士生导师。研究方向主要

23、有故障诊断与容错控制、智能控制和复杂系统控制。近期发表学术论文3篇，其中被Ei检索3篇。1991年9月至1995年7月在吉林工业大学电子工程系学习，检测及自动化仪表专业，获工学学士学位；1995年8月至2001年7月在江苏省机电研究所工作，从事工程机械自动化研究，于1996年以第一发明人获得“混凝土泵电子控制装置”实用新型专利一项，并于1997年获得“江苏省优秀新产品设计人员”证书以及徐州市科学技术进步奖二等奖；2001年9月至2004年7月在中国矿业大学信息与电气工程学院攻读控制理论与控制工程专业硕士研究生，获得工学硕士学位；2004年8月进入中国矿业大学信息与电气工程学院自动化系工作；20

24、06年9月至2010年12月在中国矿业大学信息与电气工程学院攻读控制理论与控制工程专业博士研究生，获得工学博士学位；期间于2008年9月至2009年1月在浙江大学做访问学者，参加“微型无人自主直升机地面目标识别”研究小组。2009年参与国家自然科学基金(60804022)项目“基于支持向量机的复杂连续系统强化学习控制研究”，作为第一参与人，主要负责算法与分析设计。自2004年至今，主持和参与横向科研项目7项，主要负责生产过程的分析与建模、设备状态监测与预警、设备及网络故障诊断、生产过程智能控制和冗余容错控制等。主要相关论文目录：1 赵峻，孙伟,王雪松. 基于神经网络的非线性系统轨迹线性化自适应

25、容错控制.控制与决策.2011.26(6):902-906. (EI: 20112814144116)2 Zhao J., Sun W., Song Y.B., Wang X.S. Fault-tolerant PID Controllers Design for Unknown Nonlinear Systems Based on Support Vector Machine. Proceedings of the Chinese Control and Decision Conference, 2010:711-716. (EI:20103213140229).3 Zhao J., Lin

26、g P., Wang X.S. Intelligent PID controller design with adaptive criterion adjustment via least squares support vector machine. Proceedings of the Chinese Control and Decision Conference, 2009: 7-12. (EI:20094712470208).4赵峻,陈广超,刘杰 ,等. 基于自组织特征映照神经网络的铝电解异常槽况诊断C.第十四届全国煤矿自动化学术年会,2004:99-101.5 赵峻, 季明昌, 陈广

27、超 ,等. 基于BP网络的铝电解过程阳极效应预报C.第十四届全国煤矿自动化学术年会,2004:127-129.6 董黎芳,孙伟,赵峻,刘景芝. 基于支持向量机的矿井提升机制动系统的故障诊断J.机械工程与自动化,2010(2):124-126.获奖情况目录：1 “选煤厂安全生产自动化系统研究与开发”获2009年煤炭工业科技进步三等奖，排名第8/11，受奖人员名单：李伟、孙伟、安满林、杨东平、郝迎格、夏阳、张善友、赵峻、王东才、程玉虎、王冬。2 “选煤厂装车配煤自动控制系统”获2006年煤炭工业科技进步二等奖，排名第6/7，受奖人员名单：孙伟、王雪松、程玉虎、贾存良、杨东平、赵峻、马小平。3 “移

28、动重载列车自动定量装卸系统”获2012年山东煤炭行业协会科技进步奖三等奖，排名第4，受奖人员名单：李树荣、孙伟、王崇君、赵峻、安满林、彭文良、郝迎格、管振祥、于立军、雷哲毅、王东才、王冬。杨龙月赵康4、承担科研项目情况（申请人正在承担或参加科研项目的情况，包括自然科学基金的项目。要注明项目的名称和编号、经费来源、起止年月、与本项目的关系及负责的内容等）项目负责人马草原参加了柔性零残流消弧线圈若干关键技术研究（编号51107143，国家自然科学基金项目，2012年1月2014年12月）的研究工作，负责系统建模和控制策略方面的研究工作；5、完成自然科学基金项目情况（对申请人负责的前一个已结题科学基

29、金项目（项目名称及批准号）完成情况、后续研究进展及与本申请项目的关系加以详细说明。另附该已结题项目研究工作总结摘要（限500 字）和相关成果的详细目录）无（三）经费申请说明（要求购置5 万元以上固定资产及设备等，须逐项说明与项目研究的直接相关性及必要性）无压力平衡关系式、物料平衡原理、流体动力学理论及反应动力学机理浮选过程控制的关键是建立适应该过程特点的过程模型。早期研究者主要是针对浮选动力学过程提出浮选动力学模型。浮选动力学模型又分为两类，即稳态模型和非稳态模型。稳态模型是针对在特定操作条件下浮选泡沫特性不随时间而变化的系统建立的模型，如平衡和连续浮选模型；相反，非稳态模型是针对浮选泡沫特性

30、随时间而变化的系统建立的模型，如分批浮选模型。分析泡沫层厚度、气含率和偏流量与冲洗水量、充气量和底流量之间的动态特性,通过正交试验分析，起泡剂浓度的变化对气含率的影响最大，循环压力对气含率的影响最小，进气量的影响介于两者之间。起泡剂浓度对气含率影响较进气量与循环压力都要显著。 由于浮选柱内部三相流体系运动情况复杂，难以用准确数学模型来描述。压力传感器测量液位情况下入料量、尾矿排放量、矿物颗粒的粒度、捕收区矿浆浓度、泡沫中的矿浆浓度、充气率、气泡负载率、气泡颗粒集合体的浓度，它们对泡沫层厚度的影响泡沫厚度与药剂用量、矿浆浓度、颗粒细度、冲气量、气泡大小等有关，考虑矿浆波动的影响矿石性质的变化、药剂量的改变、矿浆的流量、矿浆浓度、粒度、冲气量等