带区间约束的磨矿过程非线性状态估计研究

摘要

磨矿过程直接影响整个选矿生产过程的电耗、钢耗、产品质量和回收率，但很多重要的磨矿过程参数（如球磨机内部的各粒级含量、水含量、磨球含量等）由于技术或费用等原因难于检测甚至不能检测，只有通过可测量（如磨机出口处的各粒级流量等）对其进行状态估计。
　　本论文首先运用功耗模型、理想模型、机理分析、质量守恒定律，推导了球磨过程状态方程，描述产品粒度分布与给水流量、补球量、给矿量及给料粒度分布等操作条件之间的关系，用以估计磨矿过程状态。
　　其次，详细分析了磨矿过程状态估计的非线性带约束特征，发现难以获得较精确的状态估计量。为确定适合磨矿过程的状态估计方法，选取典型二阶CSTR模型进行仿真研究。一方面在高斯和非高斯噪声两种情况下比较分析了EKF、UKF、EnkF、PF四种非线性状态估计方法的性能指标。仿真结果显示:高斯情况下UKF、PF的估计性能较优，EnkF在初始值偏差较大时不能有效跟踪状态变量;非高斯情况下PF估计性能较优。另一方面深入研究了非线性区间约束状态估计方法，讨论了基于投影法的区间约束非线性状态估计方法，并分析了投影位置对状态估计结果的影响。借鉴基于区间法的区间约束无迹卡尔曼滤波(ICUT)方法，提出基于区间法的区间约束粒子滤波(ICPT)方法，实现将区间法扩展到非高斯噪声领域，并将其与ICUT方法进行比较，仿真结果显示:ICPT方法获得的状态估计精度明显提高。
　　最后，采用提出的ICPT方法对磨矿过程状态变量进行估计，获得了可用于磨矿生产过程优化的状态估计量，对于实现生产过程的最优控制有非常重要的意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 磨矿过程建模研究现状

1．2．2 状态估计滤波方法研究现状

1．2．3 区间约束处理方法研究现状

1．3 主要研究内容与结构安排

2 磨矿过程数学模型研究

2．1 磨矿分级过程工艺流程

2．2 球磨机工作原理

2．3 磨矿过程建模基础

2．3．1 磨矿过程性能指标

2．3．2 磨矿过程建模难点

2．3．3 操作变量选择

2．4 磨矿过程数学模型构建

2．5 本章小结

3 非线性状态估计方法研究

3．1 状态估计原理

3．2 滤波方法

3．2．1 卡尔曼滤波(KF)

3．2．2 扩展卡尔曼滤波(EKF)

3．2．3 无迹卡尔曼滤波(UKF)

3．2．4 集合卡尔曼滤波(EnkF)

3．2．5 粒子滤波(PF)

3．3 非线性状态估计方法性能比较

3．3．1 高斯噪声情况下非线性状态估计仿真比较

3．3．2 非高斯噪声情况下非线性状态估计仿真比较

3．4 本章小结

4 非线性区间约束磨矿过程状态估计方法研究

4．1 基于投影法的非线性区间约束状态估计

4．1．1 投影法基本原理

4．1．2 基于投影法的区间约束UKF和PF投影位置研究

4．1．3 基于投影法的非线性非高斯带区间约束状态估计仿真

4．2 基于区间法的非线性区间约束状态估计

4．2．1 基于区间法的区间约束UKF——ICUT基本原理

4．2．2 基于区间法的区间约束PF——ICPT的提出

4．2．3 ICUT与ICPT仿真比较

4．3 非线性非高斯带区间约束的磨矿过程状态估计

4．3．1 磨矿模型参数选择

4．3．2 仿真结果分析

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢