1問題描述

精礦流量是浮選流程中重要的變量，但由于礦石性質(zhì)、浮選粒度、浮選狀態(tài)及精礦泵特性等多方面因素的影響，精礦流量有時(shí)會出現(xiàn)異常變化，不但難以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，而且無論是手動(dòng)控制還是自動(dòng)控制均無法做出判斷，異常情況如圖1所示。文獻(xiàn)[1]在分析鋅精礦礦漿特性參數(shù)和粒度分布的基礎(chǔ)上，介紹了臨界流速的確定及計(jì)算方法，輸送設(shè)備選型以及輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從硬件角度解決穩(wěn)定輸送高濃度鋅精礦的問題[1]，但鑒于實(shí)際遇到的異常現(xiàn)象并非一直出現(xiàn)，不同性質(zhì)的礦漿蠕動(dòng)泵運(yùn)行效果并不一致以及設(shè)備更換周期等多方面因素，因此本文選擇從檢測和軟件方面著手。

2實(shí)例分析

隨著處理量和設(shè)備狀態(tài)等因素的變化，精礦流量開始異常，且持續(xù)的時(shí)間長度不固定，難以從根本上消除該異常情況，經(jīng)過分析確定的整體處理流程如圖2所示。

程序以1s為周期循環(huán)執(zhí)行，精礦流量是否正常通過精礦流量變化趨勢判斷，變化趨勢超過上限即為異常。若正常則按照固定周期進(jìn)行滑動(dòng)平均即可；若異常，處理方法如下。

2.1體積守恒補(bǔ)償

經(jīng)過較長時(shí)間觀察，發(fā)現(xiàn)泵池體積約2m3，當(dāng)精礦流量異常變化時(shí)，泵池液位也會隨之發(fā)生肉眼可見的變化，而同時(shí)進(jìn)入泵池的流量則沒有同樣顯著的變化。常溫常壓下，精礦可被認(rèn)為是不可壓縮流體，因此，建立體積守恒模型進(jìn)行補(bǔ)償。加裝磁翻板液位計(jì)測量的液位及精礦流量如圖3所示。

由圖3可以看出，液位及精礦流量呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此有：

Fr=Fc+kΔV/Δt（1）

式中：Fr為精礦泵池入口流量；Fc為精礦泵出口流量計(jì)測量數(shù)值；k為單位換算系數(shù)；ΔV/Δt為精礦泵池單位時(shí)間內(nèi)體積變化量，ΔV=（Lt-Lt-1）×S，為當(dāng)前液位滑動(dòng)平均值，S為泵池橫截面積。

補(bǔ)償后的流量如圖4所示?？梢钥闯?，精礦流量波動(dòng)幅度顯著減小，但有較多跳變，尤其是在精礦流量快速變化時(shí)。

2.2簡化卡爾曼

在測量裝置性能、測量原理及泵池緩沖等因素影響下，體積守恒補(bǔ)償法在精礦流量拐點(diǎn)處會出現(xiàn)明顯不合理的跳變。

因此，使用文獻(xiàn)[2]中的簡化卡爾曼濾波法，即根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及流量正常變化幅度的估計(jì)，選取適當(dāng)標(biāo)尺濾除幅度過大的跳變，迭代公式如下所示：

式中：Ft|t-1表示利用t-1時(shí)刻測量值Fc對t時(shí)刻狀態(tài)Ft的估計(jì)，t為當(dāng)前時(shí)刻從1開始自增，sign為取符號運(yùn)算，閾值0.5m3/h是根據(jù)流量變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果選出，對補(bǔ)償結(jié)果的濾波效果如圖5所示。

2.3測量周期

經(jīng)過體積補(bǔ)償和簡化卡爾曼兩次濾波之后，精礦流量波動(dòng)幅度有所減小，但仍然有較明顯周期性波動(dòng)。由于，精礦流量波動(dòng)周期會有隨機(jī)性的變化，因此使用固定的濾波長度濾波，效果也不穩(wěn)定，如圖6所示；對其進(jìn)行全頻域分析又過于復(fù)雜。

因此，使用文獻(xiàn)[3]中的定義和方法：將兩次向上越過基準(zhǔn)，且有1次向下越過基準(zhǔn)視為1個(gè)完整的正弦狀周期；將兩次向下越過基準(zhǔn)且有1次向上越過基準(zhǔn)視為1個(gè)完整的負(fù)正弦狀周期；然后通過計(jì)數(shù)法測量主要波動(dòng)周期。此處略作修改，只測量zui近1個(gè)測量值波動(dòng)周期的長度，流程如圖7所示。同時(shí)由于精礦流量波動(dòng)范圍有變化，所以需要一個(gè)浮動(dòng)的基準(zhǔn)值，此處選取較長時(shí)間的滑動(dòng)平均值作為判斷基準(zhǔn)，即可滿足要求。

為避免測量值在基準(zhǔn)值附近波動(dòng)造成的周期快速變化，當(dāng)測量周期小于180s時(shí)，則周期循環(huán)×2，直至測量周期大于180s。因?yàn)?的8次方為256，所以循環(huán)次數(shù)不超過8次，計(jì)算負(fù)荷較小。得出zui近一個(gè)周期長度之后，以此作為滑動(dòng)平均的窗口長度，對簡化卡爾曼濾波之后的結(jié)果再做滑動(dòng)平均濾除周期性波動(dòng)，zui終濾波效果如圖6虛線所示，方框處對應(yīng)圖5所示部分。

以上所述方法共有3處固定長度的滑動(dòng)平均，分別為：120s滑動(dòng)平均、體積補(bǔ)償時(shí)的液位滑動(dòng)平均、計(jì)算基準(zhǔn)值3處固定長度的滑動(dòng)平均。對此可采用文獻(xiàn)[4]中所述FMFT算法優(yōu)化計(jì)算效率，即采用一個(gè)長度與窗口寬度相等的xianjin先出線性隊(duì)列，用原有隊(duì)列和值減去出列數(shù)據(jù)，加上入列數(shù)據(jù)，再除以隊(duì)列長度，即可完成滑動(dòng)平均的更新，減少了加法次數(shù)。另外，還有1處異常時(shí)的變長度滑動(dòng)平均，其余均根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻及上一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

存儲使用方面，緩存數(shù)量zui大為計(jì)算基準(zhǔn)值所用數(shù)列，此處取600s，正常時(shí)的120s滑動(dòng)平均可共用此緩存節(jié)省部分存儲資源。

如圖6所示，濾波后精礦流量變化波動(dòng)幅度顯著減小，且能隨著測量值的變化給出比較及時(shí)的反應(yīng)，從完全無法使用的測量值中得出較準(zhǔn)確的估計(jì)值。

3結(jié)語

本文提出了對異常識別、體積守恒補(bǔ)償、簡化卡爾曼濾波和變長度滑動(dòng)平均4種方法的綜合應(yīng)用，zui終得出濾波結(jié)果。其中，異常識別目的是兼顧速度與平穩(wěn)的需求，即正常時(shí)濾波速度要快，異常時(shí)可犧牲部分濾波速度，追求平穩(wěn)性。體積守恒補(bǔ)償和簡化卡爾曼濾波，則是從機(jī)理上大幅度壓縮精礦流量波動(dòng)范圍。zui后的變長度滑動(dòng)平均，是將1個(gè)類正弦波動(dòng)作為一個(gè)濾波窗口，進(jìn)一步平抑周期性波動(dòng)的影響，且半個(gè)周期即可更新一次，刷新速度較快，雖然在切換時(shí)會有一定的階躍變化，但經(jīng)過前面的處理影響較小，并可再加入一個(gè)簡化卡爾曼濾波做平滑處理。經(jīng)過以上處理之后，zui終可從異常波動(dòng)無法使用的精礦流量中得到一個(gè)比較可靠的估計(jì)值。